2022-05-15 15:28:52

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材料
材料
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所谓传统材料,是指传统上人类用来制作有用物件的物质;材料是人类生存和发展的物质基础,是人类社会文明的重要支柱。

新材料则是指最近发展或正在发展之中的具有比传统材料更为优异的性能的一类材料。

材料科学技术的每一次重大突破,都会引起生产技术的革命,极大加速社会发展的进程。

历史分期: (以人类使用的工具之材料划分)石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代、硅时代。

基本信息

  • 中文名称

    传统材料

  • 外文名称

    traditional material

  • 材料性质

    延展性,稳定性,可塑性

  • 材料分类

    物理性质与用途

折叠 编辑本段 材料性质

折叠 延展性

即延性和展性,延性就是能延长的性质,例如铁能制成铁丝;展性是能展开的性质,铝能制成很薄的铝箔。一般来说,延性优良的物质展性也优良,所以可统称为延展性。

折叠 稳定性

属于化学性质,比如见光或受热是否容易分解,是否易和氧气反应等。

折叠 可塑性

就是指当材料在一定温度和压力下,受到外力作用时可产生形变,而外力去除后仍能保持受力时的状态。

折叠 编辑本段 传统材料分类

折叠 金属材料

包括纯金属以及合金,合金是混合物。

如铜、、钢铁。

无机非金属材料:如水泥、陶瓷、玻璃

有机合成材料:如塑料、橡胶、合成纤维。

合金的组成由两种或两种以上的金属的结合构成,一般它在功能上会具有各金属成分的优点,甚至会有一些新功能出现。

钢铁

炼铁:铁矿石与石灰石、焦炭混合后在空气中加热,可得到生铁。

炼钢:生铁在富氧空气中加热,降低含碳量后得到钢。

生铁和钢的比较:生铁一般硬而脆,工业上适合铸造,不适合锻造。钢一般有一定的韧性,既适合铸造,也适合锻造,所以钢的用途更广。

钢铁的锈蚀:实质上是铁在有水存在的情况下,发生缓慢氧化的过程。

由于铁锈疏松,透气性、吸水性较好,所以钢铁制品一旦生锈,如不及时处理,生锈的过程不会自动停止,只会越来越快。

关于金属的污染:一是冶炼金属时产生废气,废渣造成的污染;二是废弃金属对环境造成的污染。

铜的物理性质 :纯铜呈紫红色,熔点约1083.4℃,沸点2567℃,密度8.92g/cm3,具有良好的延展性。1g纯铜可拉成3000m细铜丝或压延成面积为10m2、几乎透明的铜箔。

纯铜的导电性仅次于银,但比银便宜得多,所以当今世界一半以上的铜用于电力和电讯工业上。

铜在潮湿的空气中易在其表面生成碱式碳酸铜(铜绿)。铜常用于制造铜线、电极以及电镀工业。

铝的物理性质:

纯净的铝是具有银白色光泽的金属,有良好的延展性,制成铝箔可包装纸烟、糖果。

铝的导电性仅次于银和铜(导电率为铜的64%,密度小于2.70g/cm3,为铜的30%),因而铝广泛地代替铜做电缆。

铝有良好的导热性,大量用于制做炊具,还可以做太阳能的吸收装置。

铝是人类继铜、铁之后,第三种被广泛应用的金属。

铝的化学性质很活泼,在空气中很快生成一层致密的氧化物薄膜,可防止进一步氧化,此氧化膜不溶于水,因而使铝不与水作用。

铝在氧气中加热时剧烈地燃烧,发出炫目的白光,并放出大量的热。

铝与氧结合的能力很强,是亲氧元素,它能从许多金属氧化物中夺取氧,而且产生大量的热,温度很高,可使游离出来的金属熔化。由此可制取金属,常称铝热法,冶金工业上用铝热法制备金属铬、锰、钒等。例如:

Cr2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Cr

铝是两性金属,可与稀酸(盐酸或硫酸)、强碱溶液反应生成盐,同时放出氢气。

把铝放入冷硝酸中,会使其"钝化",而不与稀酸反应。

铝的最主要用途是制造各种轻质合金,铝合金具有质轻硬度大的优点,广泛地应用于航空、汽车工业以及国防工业上,同时在日常生活中的应用也越来越广泛,如制造门窗、家具和饮具等。纯铝也大量用来制作电线和电缆,此外也用于制造特种漆料、药膏、化妆品软管和容器及包装箔等。有机铝化合物,如三乙基铝为立体定向聚合催化剂。

铝的用途

(1)铝的密度很小,仅为2.7g/cm3,虽然它比较软,但可制成各种铝合金,如硬铝、超硬铝、防锈铝、铸铝等。这些铝合金广泛应用于飞机、汽车、火车、船舶等制造工业。此外,宇宙火箭、航天飞机、人造卫星也使用大量的铝及其合金,例如一架超音速飞机约由70%的铝及其合金构成。船舶建造中也大量使用铝,一艘大型客船的用铝量常达几千吨。

(2)铝的导电性仅次于银、铜,虽然它的导电率只有铜的2/3,但密度只有铜的1/3,所以输送同量的电,铝线的质量只有铜线的一半。铝表面的氧化膜不仅有耐腐蚀的能力,而且有一定的绝缘性,所以铝在电器制造工业、电线电缆工业和无线电工业中有广泛的用途。

(3)铝是热的良导体,它的导热能力比铁大3倍,工业上可用铝制造各种热交换器,散热材料和炊具等。

(4)铝的表面因有致密的氧化物保护膜,不易受到腐蚀,常被用来制造化学反应器、医疗器械、冷冻装置,石油和天然气管道等。

(5)铝粉具有银白色光泽(一般金属在粉末状时的颜色多为黑色),常用来做涂料,俗称银粉、银漆,以保护铁制品不被腐蚀,而且美观。

(6)铝在氧气中燃烧能放出大量的热和耀眼的光,常用于制造爆炸混合物,如铵铝炸药(由硝酸铵、木炭粉、铝粉、烟黑及其它可燃性有机物混合而成)、燃烧混合物(如用铝热剂做的炸弹和炮弹可用来攻击难以着火的目标或坦克、大炮等)和照明混合物(如含硝酸钡68%,铝粉28%,虫胶4 %)。

(7)铝热剂常用来熔炼难熔金属和焊接钢轨等。铝还用做炼钢过程中的脱氧剂。铝粉和石墨、二氧化钛(或其它高熔点金属的氧化物)按一定比率均匀混合后,涂在金属上,经高温煅烧而制成耐高温的金属陶瓷,它在火箭及导弹技术上有重要应用。

(9)铝板对光的反射性能也很好,铝越纯,其反射能力越好,因此常用来制造高质量的反射镜,如太阳灶反射镜等.

(10)铝具有吸音性能,音响效果也较好,所以广播室、现代化大型建筑室内的天花板等也常用铝。

铝的生物功能:

铝不但是人体必需的微量元素之一,还可以入药治病,如用Al(OH)3治疗胃病及十二指肠溃疡已有多年历史。"胃舒平"等也是含铝药物。人体内的微量铝可阻挡肠道内磷的吸收,降低血磷,阻止继发性副甲状腺机能亢进引起的血磷增高和软组织钙化及肾结石形成,但是,过量铝摄入身体也会带来危害。由于铝制品及铝化合物的广泛应用,现代人身体内的铝含量比古代人增加了2倍。当铝制品盛放咸酸性或碱性食物时,其表面保护膜就会遭到破坏,氧化铝就会被溶解成胶体溶液,这种氧化铝融合在食物中,便会使人体铝摄入量增多,如此日积月累,势必影响健康。

当人体内蓄积的铝超过正常值5倍以上,即可破坏某些酶的活性,降低胃酸,引起消化功能紊乱

铝还可以抑制消化道对磷的吸收,干扰磷的代谢,破坏正常钙磷的比例,影响骨骼和牙齿的发育,并能使骨骼脱钙、软化、疏松。

在正常人的大脑中,铝的含量仅为2 mg~3mg。由于铝的摄入量过多,天长日久也会在大脑中堆积起来,尤其易堆积在大脑皮层和随意运动的大脑海马区等部位,使人的记忆力减退、情绪淡漠、反应迟钝、心情烦躁、精神萎靡,使人脑组织老化速度加快,这种现象被人们称为老年痴呆症。

此外,长期摄铝过多,还会使人的皮肤皱纹增多,头发容易脱落,视力下降。

使用铝制炊具的另一个最大弊端,在于隔绝了人们摄取铁的一条重要渠道,使患缺铁性贫血的人与日俱增,尤其是妇女儿童更为明显。

为了减少铝制炊具中铝对人体的过量摄入,在使用铝制炊具时,要注意以下几点: 1.应避免同其它硬质器具摩擦,以防铝表面氧化膜被破坏;2.铝制品不宜久放盐、酱、醋、酒、茶、水果汁、发酵粉、牛奶等调味品和饮料,以防铝溶解进入食物;3.铝锅烧煮食物时间不宜太久,应控制在4h以内,不要在铝锅内炸食品;4.由于氟对铝的腐蚀性强,所以在含氟量高的水质中,尽量减少使用铝制炊具。

在酸雨地区,酸雨渗入地下,会引起地下水酸化,酸化的水中的铝、铜、锌、镉比中性地下水中的含量高几十倍。

铝合金

以铝为基础加入其他元素组成的合金。纯铝的导电、导热和耐蚀性能良好,主要用作导电、导热材料,但强度低,不宜作结构材料。铝可与许多化学元素形成合金以改善性能。铝合金比重轻,比强度接近合金钢,比刚度超过钢,塑性好,铸造和可切削性也较好,适宜制造重量轻的结构部件,因此成为航空工业不可缺少的材料,在交通运输、建筑、轻工、化工、仪表机械等部门,在家用器具方面也得到广泛应用。铝及某些铝合金用阳极氧化等法处理,通过着色工艺,生成各种颜色,广泛作包装、装饰材料使用。

铝合金的主要应用领域:战机、舰船、导弹、火箭、人造卫星、战车、高速列车、汽车、高层建筑等。

折叠 非金属材料

水泥

水泥是最常用的建筑材料,它也叫硅酸盐,普通的水泥也称为波特兰水泥。它是由石灰石和粘土配合,加热到可以烧结的程度,而后粉碎研磨制成,旧时也称水门汀,是由英文音译而来。

水泥主要性质:水泥在空气或水中都能硬化。

水泥的制作

反应条件:高温

主要设备:水泥回转窑

主要原料:黏土、石灰石、石膏(辅料)

普通水泥的成分

硅酸三钙:3CaO*SiO2

硅酸二钙:2CaO*SiO2

铝酸三钙:3CaO*Al2O3

陶瓷

陶瓷是一种古老的制品,它是由粘土或粘土加入石英和长石等的混合物经成形、干燥和焙烧而成的。陶瓷是统称,陶器和瓷器不一样,陶器是质地较粗的陶瓷制品,瓷器是质地较细、不透明或半透明的陶瓷制品。在金属表面覆盖一层陶瓷质材料,叫做陶瓷涂层。

搪瓷:在钢铁等制件的表面用陶瓷类材料进行处理,形成耐腐蚀的覆盖层,就是搪瓷。可耐高温,但易裂开。

陶瓷性能:抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型

陶瓷材料

1.传统陶瓷

原料: 天然矿物( 岩石、沙子、粘土……)

制备 : 烧制

例如 水泥、玻璃、砖瓦、耐火材料……

2.几种新型陶瓷材料

(1) 高温结构陶瓷

原料: 氮化硅、碳化硅……

制备: 1700 ℃ 烧结

用途: 汽车、飞机发动机

陶瓷刀具 ( 超薄 )

( 2 ) 透明陶瓷 ( 光学陶瓷 )

特点:光学性能优异

耐高温 ( 熔点 2000 ℃ 以上 )

用途:高压灯 ( 如高压钠灯 工作温度 1200 ℃,寿命1-2万小时)

防弹玻璃

( 3 ) 光导纤维

( 4 ) 生物陶瓷

特点: 耐腐蚀, 稳定性好

用途: 人体器官、组织修复、再造

( 5 )金属陶瓷

随着火箭、人造卫星及原子能等高等技术的发展,对耐高温材料提出了新的要求,人们希望材料既能在高温时保持很高的强度和硬度,能经得起激烈的机械震动和温度变化,又有耐氧气腐蚀和高绝缘性等性能,但无论是高熔点金属还是陶瓷都无法同时满足这些要求。

金属陶瓷是由陶瓷和粘接金属组成的非均质的复合材料。陶瓷主要是氧化铝、氧化锆等耐高温氧化物或它们的固溶体,粘接金属主要是铬、钼、钨、钛等高熔点金属。将陶瓷和粘接金属研磨混合均匀,成型后在不活泼气氛中烧结,就可制得金属陶瓷。

金属陶瓷兼有金属和陶瓷的优点,它密度小,硬度高,耐磨,导热性好,不会因为骤冷或骤热而脆裂。另外,在金属表面涂一层气密性好、熔点高、传热性能很差的陶瓷涂层,也能防止金属或合金在高温下氧化或腐蚀。

金属陶瓷广泛地应用于火箭、导弹、超音速飞机的外壳、燃烧室的火焰喷口等处。

有机合成材料

塑料

塑料原是指可以塑造的材料,或者说具有可塑性的材料,它应该包括陶土和石膏之类的材料。而现在"塑料"的概念已经是专指高分子合成材料,塑料、纤维和橡胶并无严格的分界线,例如纤维未定向拉伸之前,或橡胶在低温下都是塑料。

聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚丁烯等,它们的原料均来源于石油或天然气,因此在塑料中是产量最大的品种。聚乙烯为其代表,如食品包装袋、油桶是我们最熟悉的应用。但它的主要缺点是不受热和在空气中易老化。

聚氯乙烯的最主要缺点是耐热性差,超过60℃就要变形,还有一定毒性。不过已出现无毒的聚氯乙烯树脂

橡胶

天然橡胶能从近500种不同植物中获得,但主要是从热带植物--橡胶树中取得,年产量为300万吨。天然橡胶在综合性能上均优于所有的合成橡胶

丁苯橡胶合成橡胶中产量和消耗量最大的品种。

氯丁橡胶也被称为"万能橡胶"。

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