九年级科学新型无机非金属材料.ppt
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1、第三节第三节 新型无机非金属材料新型无机非金属材料一、什么是无机非金属材料一、什么是无机非金属材料1 1、材料、材料 材料是人类赖以生存和发展的物质基础,是材料是人类赖以生存和发展的物质基础,是人类进步的里程碑。历史上的石器时代、青铜器人类进步的里程碑。历史上的石器时代、青铜器时代、铁器时代都是以材料作为时代主要标志的。时代、铁器时代都是以材料作为时代主要标志的。石器、陶瓷、铁、铜、玻璃、水泥、有机高石器、陶瓷、铁、铜、玻璃、水泥、有机高分子(如塑料等)、单晶材料,每一种新型材料分子(如塑料等)、单晶材料,每一种新型材料的研制成功,都引起人类文化和生活的新变化。的研制成功,都引起人类文化和生活
2、的新变化。没有半导体材料,便不可能有目前的计算机技术;没有半导体材料,便不可能有目前的计算机技术;没有耐高温、高强度的特殊结构材料,便没有今没有耐高温、高强度的特殊结构材料,便没有今天的宇航工业;没有低损耗的光导纤维,也就没天的宇航工业;没有低损耗的光导纤维,也就没有现代的光通讯;没有有机高分子材料,人们的有现代的光通讯;没有有机高分子材料,人们的生活也不可能像今天这样丰富多彩。生活也不可能像今天这样丰富多彩。(1)(1)按化学组成和特性分按化学组成和特性分无机非金属材料无机非金属材料 传统传统无机非金属材料无机非金属材料 新型新型无机非金属材料无机非金属材料 金属材料金属材料高分子材料:塑料
3、、合成橡胶、合成纤维高分子材料:塑料、合成橡胶、合成纤维2 2、材料的几种分类方法、材料的几种分类方法(2)(2)按用途分按用途分结构材料:结构材料:利用材料的力学和理、化性质,利用材料的力学和理、化性质,广泛应用于机械制造、工程建设、广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输等各个工业部门交通运输等各个工业部门功能材料:功能材料:利用材料的热、光、电、磁等性利用材料的热、光、电、磁等性能用于电子、激光、通讯、能源能用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。和生物工程等许多高新技术领域。3 3、生活中的无机非金属材料、生活中的无机非金属材料玻璃、水泥、陶瓷玻璃、水泥、陶瓷金刚石钻头金
4、刚石钻头手表上的手表上的“19“19钻钻”(”(人造红宝石轴承的数目人造红宝石轴承的数目)玻璃刀(金刚砂)玻璃刀(金刚砂)石英钟表石英钟表煤气炉中的电子打火煤气炉中的电子打火彩电(荧光材料)彩电(荧光材料)海底电缆(光导纤维)海底电缆(光导纤维)电脑的电脑的CPUCPU(单晶硅)单晶硅)隐形飞机(特殊光学材料)隐形飞机(特殊光学材料)(压电陶瓷压电陶瓷)想一想想一想请举出一些你所熟悉的、现代生请举出一些你所熟悉的、现代生产和生活中常见的新型无机非金属材产和生活中常见的新型无机非金属材料的性能和应用。(若有困难,可上料的性能和应用。(若有困难,可上网查找)网查找)一般无机非金属材料具有耐高温、高
5、硬度一般无机非金属材料具有耐高温、高硬度和抗腐蚀等优良工程性能,其主要缺点是抗拉和抗腐蚀等优良工程性能,其主要缺点是抗拉强度低、韧性差。强度低、韧性差。现代科学技术的发展,要求材料具有强度现代科学技术的发展,要求材料具有强度高、耐腐蚀、耐高温和其他一些特殊性能,这高、耐腐蚀、耐高温和其他一些特殊性能,这大大促进了无机非金属材料的发展,使无机非大大促进了无机非金属材料的发展,使无机非金属材料领域除使用传统的硅酸盐材料外,出金属材料领域除使用传统的硅酸盐材料外,出现了氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷等现了氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷等许多具有特殊性能的新型材料,广泛应用于建许多具有特殊性能
6、的新型材料,广泛应用于建筑、冶金、机械及尖端科技领域。筑、冶金、机械及尖端科技领域。4 4、新型无机非金属材料的特征、新型无机非金属材料的特征(1 1)耐高温、强度高)耐高温、强度高(2 2)具有电学性质)具有电学性质(3 3)具有光学性质)具有光学性质(4 4)具有生物功能)具有生物功能 二、几种典型的新型无机非金属材料1 1、结构材料、结构材料2 2、功能材料、功能材料光导纤维(光纤)光导纤维(光纤)高温结构陶瓷高温结构陶瓷1 1、结构材料、结构材料高温结构陶瓷高温结构陶瓷(1)(1)氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷用用 途途 坩埚、高温炉管、坩埚、高温炉管、刚玉球磨机、刚玉球磨机、性性 能能 熔点高
7、熔点高 硬度大硬度大 透明、耐高温透明、耐高温 高压钠灯灯管、高压钠灯灯管、用途示例:钠蒸气放电发光问题早在用途示例:钠蒸气放电发光问题早在19501950年就得以解决,由年就得以解决,由于没有一种能抵御高温钠蒸气(于没有一种能抵御高温钠蒸气(14001400)强烈腐蚀的特殊材料,)强烈腐蚀的特殊材料,所以,直到所以,直到19651965年才制取第一支高压钠灯。年才制取第一支高压钠灯。高温结构材料与金属材料的性能比较:高温结构材料与金属材料的性能比较:耐高温、耐腐蚀、硬度大、耐磨损、不怕氧化。耐高温、耐腐蚀、硬度大、耐磨损、不怕氧化。金属材料:金属材料:易受腐蚀、不耐氧化、不适合高温时使用易受
8、腐蚀、不耐氧化、不适合高温时使用 高纯高纯氧化铝透明陶瓷管氧化铝透明陶瓷管氧化铝陶瓷制品氧化铝陶瓷制品高温结构材料高温结构材料:(2)(2)氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷主要特性主要特性超硬度,耐磨损;超硬度,耐磨损;抗腐蚀,高温抗腐蚀,高温时也抗氧化;时也抗氧化;抗冷热冲击而不碎裂;抗冷热冲击而不碎裂;耐高温且不易传热;耐高温且不易传热;本身具有润本身具有润滑性滑性 主要用途主要用途 制造轴承、汽轮机叶片、机械密制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。用于封环、永久性模具等机械构件。用于制造柴油机中发动机部件的受热面等制造柴油机中发动机部件的受热面等如:如:,此外,高温结构陶瓷还有:氮
9、化硼陶瓷、碳化此外,高温结构陶瓷还有:氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷、硼陶瓷、等。等。SiSi3 3N N4 4基陶瓷球轴承基陶瓷球轴承氮化硅陶瓷部件氮化硅陶瓷部件沙漠车沙漠车等等氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷(3)(3)人造宝石人造宝石 红宝石和蓝宝石的主要成分都是红宝石和蓝宝石的主要成分都是AlAl2 2O O3 3(刚刚玉)。玉)。红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物;合物;而蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛而蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。化合物。1900 1900年,科学家曾用氧化铝熔融后加入少量年,科学家曾用氧化铝熔融后
10、加入少量氧化铬的方法,制出了质量为氧化铬的方法,制出了质量为2 2g-4gg-4g的红宝石。的红宝石。现在,已经能制造出大到现在,已经能制造出大到1010g g的红宝石和蓝宝石。的红宝石和蓝宝石。钻石、宝石、玉石的成分是什钻石、宝石、玉石的成分是什么,它们是同一类物质吗?么,它们是同一类物质吗?想一想想一想 钻石就是钻石就是 ,其成分是碳;,其成分是碳;的的主要成分是氧化铝,不同颜色的宝石是因为其中主要成分是氧化铝,不同颜色的宝石是因为其中含少量不同的氧化物杂质;含少量不同的氧化物杂质;的主要成分是的主要成分是 硅酸盐。所以,钻石、宝石、玉石都是价格昂贵硅酸盐。所以,钻石、宝石、玉石都是价格昂
11、贵的的“石头石头”,但它们不是同一类物质。,但它们不是同一类物质。金刚石金刚石宝石宝石玉石玉石 18701870年年,英英国国科科学学家家丁丁达达尔尔做做了了一一个个有有趣趣的的实实验验:让让一一股股水水流流从从玻玻璃璃容容器器的的侧侧壁壁细细口口自自由由流流出出,以以一一束束细细光光束束沿沿水水平平方方向向从从开开口口处处的的正正对对面面射射入入水水中中。丁丁达达尔尔发发现现,细细光光束束不不是是穿穿出出这这股股水水流流射射向向空空气气,而而是是顺顺从从地地沿沿着着水水流流弯弯弯弯曲曲曲曲地地传传播播。这这是是光光的的全全反反射射造成的结果。造成的结果。2 2、功能材料、功能材料光导纤维(光
12、纤)光导纤维(光纤)光导光导原理原理光导纤维(二氧化硅)光导纤维(二氧化硅)主要特性主要特性抗干扰性能好,不发生辐射;抗干扰性能好,不发生辐射;通通讯质量好;讯质量好;质量轻、耐腐蚀质量轻、耐腐蚀主要用途主要用途 除用于通讯外,还用于医疗、信除用于通讯外,还用于医疗、信息处理、息处理、传能传像、遥测遥控、照明传能传像、遥测遥控、照明等。等。是高质量传导光的玻璃纤维,信是高质量传导光的玻璃纤维,信息高速公路的息高速公路的“基石基石”(1)(1)光导纤维的特点和用途:光导纤维的特点和用途:光光 纤纤 光光 缆缆 普普 通通 电电 缆缆 信息量大信息量大,每根光纤理论上可同每根光纤理论上可同时通过时
13、通过1010亿路电话亿路电话 8 8管同轴电缆每管同轴电缆每条通话条通话18001800路路 原料来源广原料来源广(石英玻璃石英玻璃),),节约有节约有色金属色金属 资源较少资源较少 质量小质量小,每公里每公里27 27 g,g,不怕腐蚀不怕腐蚀,铺设方便铺设方便 每公里每公里1.6 1.6 t t 成本低成本低,每公里每公里1 1万元左右万元左右 每公里每公里2020万元万元 性能好性能好,抗电磁干扰保密性强抗电磁干扰保密性强,能能防窃听防窃听,不发生电辐射不发生电辐射 (2)(2)光纤光缆与普通电缆比较光纤光缆与普通电缆比较 真正的光通信时代。真正的光通信时代。目前的光纤通信,是把声音或图
14、象通过电话机或电目前的光纤通信,是把声音或图象通过电话机或电视摄像机变成电信号,再通过光调制机对激光光源视摄像机变成电信号,再通过光调制机对激光光源进行调制,把电信号变成光信号,由光导纤维传送进行调制,把电信号变成光信号,由光导纤维传送到接收端,接收端的激光接收机通过光电转换器,到接收端,接收端的激光接收机通过光电转换器,把光信号还原成电信号,进入电话机或电视机,重把光信号还原成电信号,进入电话机或电视机,重现发送的声音或图象。未来的光纤通信,可以不用现发送的声音或图象。未来的光纤通信,可以不用电信号,而是将声音或图象直接转换成光信号用光电信号,而是将声音或图象直接转换成光信号用光纤进行传输,
15、电只是作为能源加以使用。到那时电纤进行传输,电只是作为能源加以使用。到那时电话、电报、电视等电通信方式将变成话、电报、电视等电通信方式将变成“光话光话”“”“光光报报”“”“光视光视”等光通信方式,人类将进入一个无限等光通信方式,人类将进入一个无限美好的真正的光通信时代。美好的真正的光通信时代。现代通信用光缆现代通信用光缆光导纤维在医学上的应用光导纤维在医学上的应用光光导导纤纤维维不不但但是是通通信信技技术术中中的的重重要要材材料料,还还是是医医生生的的得得力力助助手手。目目前前在在医医学学领领域域,普普遍遍使使用用着着一一种种连连接接着着许许多多光光纤纤的的胃胃镜镜,光光纤纤胃胃镜镜的的光光
16、源源是是在在体体外外由由光光纤纤传传进进去去的的,它它不不产产生生热热辐辐射射,能能减减轻轻病病人人的的痛痛苦苦。在在光光导导纤纤维维的的一一头头装装着着精精致致小小巧巧的的微微型型镜镜头头,可将胃内的情况传到体外拍摄下来或显示在屏幕上。可将胃内的情况传到体外拍摄下来或显示在屏幕上。光光导导纤纤维维在在医医学学上上的的另另一一个个重重要要应应用用是是通通过过微微细细的的光光纤纤将将高高强强度度的的激激光光输输入入人人体体的的病病变变部部位位,用用激激光光来来切切除除病病变变部部位位。这这种种“手手术术”不不用用切切开开皮皮肤肤和和切切割肌肉组织,而且切割部位准确,手术效果好。割肌肉组织,而且切
17、割部位准确,手术效果好。光学纤维胃镜光学纤维胃镜用用光导纤维做手术,不用开刀光导纤维做手术,不用开刀其他新型无机非金属材料简介其他新型无机非金属材料简介 金刚石是目前已知的最硬的材料,可以用来金刚石是目前已知的最硬的材料,可以用来切削和刻划其他物质,切削和刻划其他物质,被用于钻探、磨削等行业被用于钻探、磨削等行业。但是,由于天然金刚石非常少,远远不能满但是,由于天然金刚石非常少,远远不能满足生产和科研的需要。科学家们通过对石墨和金足生产和科研的需要。科学家们通过对石墨和金刚石同素异形体结构的研究,指出了在一定条件刚石同素异形体结构的研究,指出了在一定条件下使石墨转化为金刚石的可能性。下使石墨转
18、化为金刚石的可能性。1955 1955年,美国首先用石墨合成出金刚石,这年,美国首先用石墨合成出金刚石,这是材料合成领域的一项重大成就。是材料合成领域的一项重大成就。目前,世界上用石墨合成金刚石的研究发展目前,世界上用石墨合成金刚石的研究发展很快,我国在这方面的研究也在飞速发展,许多很快,我国在这方面的研究也在飞速发展,许多城市都建有人造金刚石的工厂和研究所,以满足城市都建有人造金刚石的工厂和研究所,以满足生产发展的需要。生产发展的需要。(1)金刚石)金刚石金金刚刚石石锯锯片片(2)巴基球)巴基球 长长期期以以来来,人人们们总总认认为为碳碳元元素素只只有有两两种种同同素素异异形形体体金金刚刚石
19、石和和石石墨墨,1985年年,科科学学家家发发现现了了由由60个个碳碳原原子子组组成成的的分分子子C60,由由于于对对它它的的结结构构认认识识源源于于建建筑筑师师巴巴克克敏敏斯斯特特富富勒勒所所设设计计的的圆圆拱拱形形屋屋顶顶的的启启示示,人人们们把把它它亲亲切切地地称称为为“巴巴基基球球”。巴巴基球现在已发展成一个大家族,有基球现在已发展成一个大家族,有C60、C70、C90等。等。C60由由于于其其结结构构的的特特殊殊性性,使使它它在在超超导导、磁磁性性、光光学学、催催化化等等方方面面表表现现出出优优异异的的性性能能。当当碱碱金金属属嵌嵌入入C60分分子子间间的的空空隙隙后后形形成成K3C
20、60、Rb3C60 等等,均均为为良良好好的的超超导导体体,具具有有很很高高的的临临界界温度。科学家预言,掺杂的温度。科学家预言,掺杂的C240、C540有可能成为室温超导体。有可能成为室温超导体。C60有有很很强强的的抗抗压压性性、良良好好的的复复原原性性、及及高高度度的的稳稳定定性性,加加上其分子没有棱角,使它成为最优良的润滑剂。上其分子没有棱角,使它成为最优良的润滑剂。将将C60作作为为新新型型功功能能基基团团引引入入高高分分子子体体系系,可可以以得得到到具具有有优优异导电性能和光学性质的新型功能高分子材料。异导电性能和光学性质的新型功能高分子材料。随着对巴基球研究的深入,它的奇异性能和
21、潜在应用价值随着对巴基球研究的深入,它的奇异性能和潜在应用价值相继被发现,人们认为其前途不可限量。相继被发现,人们认为其前途不可限量。(3)纳米材料)纳米材料 纳纳米米材材料料指指的的是是微微粒粒直直径径在在10-710-9m级级的的材材料料,它具有奇特的光、电、磁、热、力和化学性质。它具有奇特的光、电、磁、热、力和化学性质。实实验验上上发发现现如如果果将将金金属属铜铜或或铝铝做做成成几几个个纳纳米米的的颗颗粒粒,一一遇遇到到空空气气就就会会产产生生剧剧烈烈的的燃燃烧烧,发发生生爆爆炸炸。有有人人认认为为用用纳纳米米颗颗粒粒作作新新型型火火箭箭的的固固体体燃燃料料将将会会有有更更大大的的推推力
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