解放军文职招聘考试第3章 化学与材料

 第3章  化学与材料
3.1材料科学概述
材料是人类文明和技术进步的标志,材料科学技术的发展是人类进步的里程碑。从石器时代、青铜时代、铁器时代发展到现在的信息时代，从超级市场五光十色的生活用品到航天飞机、人造卫星，都依赖于新材料的发展。
3.1.1 材料的分类
3.1.2 材料科学的形成
3.1.3 材料科学的发展趋势
随着高科技的发展，材料科学和新材料主要在以下几个方面得到发展：
⑴复合材料是结构材料发展的重点。
⑵功能材料与器件相结合，并趋于小型化与多功能化。
⑶开发低维材料。
⑷信息功能材料增加品种、提高性能。
⑸生物材料将得到更多应用和发展。
⑹传统材料仍将占有重要位置。
⑺C60的出现为发展新材料开辟了一条崭新的途径。
3.2 新型金属材料
3.2.1超耐热合金
我们把在高于700 ℃的高温下工作的金属通称超耐热合金又称高温合金。航空航天技术发展喷气发动机问世，对优质耐高温合金需求日益增加。现在它的应用领域已涉及舰艇、火车、汽车、火箭发动机、核反应堆、石油化工等高技术领域\核动力火箭、光子火箭的研制，对超耐热合金的要求不断提高，有的甚至要求材料在高温下能连续工作几万小时以上。
高温材料的要求主要有两个方面：①在高温下有优良的抗腐蚀性；②在高温下有较高的强度和韧性。
3.2.2 超低温合金
超低温技术是指能够获得接近于绝对零度低温的技术
超低温技术主要表现在以下两个方面：
⑴防止低温脆性。一般合金在低温下强度会增加，但延伸率、断面收缩率、抗冲击性能等都会下降，从而产生脆性破坏。
⑵在低温下具备一定的热稳定性能。低温下强度和韧性都较好的不锈钢、铝合金的热膨胀系数却都较大，因此，低膨胀合金，如铁镍合金、钛合金的开发研究开始越来越多的受到关注。
2.常见的超低温材料
⑴低温铝合金
⑵低温铜合金
⑶低温钛合金
3.2.3 超塑性合金
⑴高变形能力的应用
⑵固相结合能力的利用
⑶减振能力的利用
3.2.4 形状记忆合金
形状记忆合金的开发迄今不过20余年，但由于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为“神奇的功能材料”。形状记忆合金主要有两大优异的性能：①弯曲量大，塑性高；②在记忆温度以上恢复以前形状。
1.形状记忆合金的分类
⑴单程记忆效应：
形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
⑵双程记忆效应：
某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。
⑶全程记忆效应
加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。
2.形状记忆合金的应用
⑴航空航天工业中的应用
火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温，折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开，恢复抛物面形状。
⑵临床医疗中的应用
在人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器、各类腔内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过滤器、介入导丝和手术缝合线等等，记忆合金在现代医疗中正扮演着不可替代的角色。
形状记忆合金在生活中的应用
1.防烫伤阀
水龙头流出的水温达到可能烫伤人的温度为约48℃，此时装有形状记忆合金驱动阀门会自动关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。
2.眼镜框架
用记忆合金制作的眼镜架，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。
⑶其他领域中的应用
如在工程和建筑中、机械电子产品中的应用等。
随着薄膜形状记忆合金材料的出现和开发利用，形状记忆合金在智能材料系统中受到高度重视，应用前景更广阔。
3.3无机非金属材料
无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。
3.3.1 陶瓷材料概论
陶瓷材料从广义上说就是无机非金属材料，包括水泥、玻璃、搪瓷、陶瓷、耐火材料、砖、瓦等。它们是利用以无机非金属为主要组成的原料制成。狭义上，陶瓷只包括普通陶瓷和特种陶瓷。
3.3.2 普通陶瓷
普通陶瓷即传统陶瓷是以瓷石、粘土、长石、石英等天然矿物为主要原料，经粉碎、混合、磨细、成型、干燥、烧成等传统工艺制成的产品，主要用作日用器皿和建筑、卫生、工艺美术制品。
1.普通陶瓷的分类
传统陶瓷根据制品吸水率(或气孔率)的大小及烧结程度(而不是有无釉面)分为陶器、瓷器两类。
瓷器是以瓷土、长石、石英等矿物为原料，在1000～1400 ℃温度下烧结而成的。其最大特点是气孔率极低、不渗水、质地硬、强度大、断面细而有光泽、能耐高温、有极好的抗氧化性和抗腐蚀性能。
陶器通常以陶土为原料，用可塑法成型后，在800～1000℃的温度下烧制而成。因此，有一定吸水率，与瓷器、炻器比较，其致密度较低，断面粗糙无光，制品不透明，机械强度低，热稳定性和化学稳定性差，敲之声音粗哑。
3.3.3先进陶瓷
传统陶瓷主要采用天然的岩石、矿物、粘土等材料做原料。而新型陶瓷则采用人工合成的高纯度无机化合物为原料，在严格控制的条件下经成型、烧结和其他处理而制成具有微细结晶组织的无机材料。它具有一系列优越的物理、化学和生物性能，其应用范围是传统陶瓷远远不能相比的，这类陶瓷又称为特种陶瓷或精细陶瓷。
1.先进陶瓷的分类
按其使用和性能分类，又可分为先进结构陶瓷与先进功能陶瓷
⑴结构陶瓷
所谓结构陶瓷，是指经过加工后成为机器或机构中的构件，呈现出优越性能，特别是其力学和热学性能。
目前最常用的结构陶瓷主要有氮化硅、碳化硅、氧化铝、碳化硼、以及氧化锆相变增韧陶瓷，新型的结构陶瓷如新型层状陶瓷等。
⑵功能陶瓷
功能陶瓷通常是指具有电、光、磁、弹性及部分化学功能的无机固体材料。它包括绝缘陶瓷、铁电压电陶瓷、半导体陶瓷、离子导体陶瓷、磁性陶瓷和超导陶瓷等。
3.4高分子材料
自古以来，人类的生活与生存就与高分子材料密切相关。几千年以前，人类就自发地使用棉、麻、丝、毛等天然高分子作织物材料，使用竹木作建筑材料。纤维造纸、皮革鞣制、制漆应用等是天然高分子材料早期的化学加工改性得到的。。
3.4.1概述
高分子材料是以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料。
3.4.2 高分子材料的分类
1.高分子材料按来源分类：可分为天然、半合成（改性天然高分子材料）和合成高分子材料。
2.高分子材料按特性分类：可分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。
3.高分子材料按用途分类：可分为普通高分子材料和功能高分子材料。
1.塑料
塑料是利用单体原料以合成或缩合反应聚合而成的材料，由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组成的，它的主要成分是“合成树脂”。人类历史上第一种完全由人工合成的塑料是在1909年由美国化学家贝克兰用苯酚和甲醛制造的酚醛树脂，又被称为“贝克兰塑料”。
1940年5月20日的《时代》周刊则将贝克兰称为“塑料之父”。
按用途，塑料可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。
按受热时的表现，塑料又可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。
与其它材料相比塑料具有以下特性：①大多塑料质轻，化学性能稳定，耐侵蚀；②具光泽，部份透明或半透明；③大部份为良好绝缘体；④耐热性差，热膨胀率大，易燃烧；⑤一般成型性、着色性好，加工容易可大量生产，价格便宜；⑥易老化；⑦用途广泛、效用多、部份耐高温加入某些添加剂，用以改进其物理和化学性能。
2.橡胶
橡胶一词来源于印第安语cau-uchu，意为“流泪的树”。天然橡胶就是由三叶橡胶树割胶时流出的胶乳经凝固、干燥后而制得。1770年，英国化学家J.普里斯特利发现橡胶可用来擦去铅笔字迹，当时将这种用途的材料称为rubber，此词一直沿用至今。
橡胶制品因其具有很好的弹性而被广泛应用于我们的生产生活中，橡胶可以分为天然橡胶和合成橡胶两大类。
生活中常用的橡胶制品很多，主要有轮胎、胶带、胶管、胶鞋和橡胶工业制品等。生产中主要把橡胶制品分为干胶制品和胶乳制品两大类。橡胶的加工就是由生胶制成干胶制品或由胶乳制得胶乳制品的生产过程。干胶制品的整个生产过程应包括素炼、混炼、成型和硫化等四个步骤，而天然胶乳和合成胶乳都可制造胶乳制品。其间也要加入各种配合剂，并要加分散剂、稳定剂等专用配合剂。
3.纤维
纤维是聚合物经一定的机械加工（牵引、拉伸、定型等）后形成细而柔软的细丝，形成纤维。纤维具有弹性模量大，受力时形变小，强度高等特点，有很高的结晶能力，分子量小，一般为几万。
纤维包括天然纤维和化学纤维两大类。
随着社会的发展，化学纤维的世界总产量已经超过了天然纤维的世界总产量，在质量和性能上化学纤维从仿天然纤维进入超天然纤维阶段。化学纤维一般包括两部分，一部分是由天然高分子物质经化学处理而制得的人造纤维，另一部分是由合成聚合物制得的合成纤维。人造纤维是利用自然界的天然高分子化合物——纤维素或蛋白质作原料(如木材、棉籽绒、稻草、甘蔗渣等纤维或牛奶、大豆、花生等蛋白质)，经过一系列的化学处理与机械加工而制成类似棉花、羊毛、蚕丝一样能够用来纺织的纤维。如人造棉、人造丝等。合成纤维是通过小分子聚合反应合成的聚合物加工而成，最大宗产品主要是再生纤维，其中粘胶纤维产量最大，应用最广，是最主要的品种。合成纤维的主要品种是涤纶、锦纶、腈纶、维纶、丙纶和氯纶，新的工艺有连续聚合、高速纺丝、复合纺丝等。在这些产品中最主要的是前三种，它们的产量占世界合成纤维总产量的90%以上，其中涤纶占世界合成纤维总产量的居首位。
3.4.3 新型高分子材料
1.功能高分子材料
。功能高分子材料除具有聚合物的一般力学性能、绝缘性能和热性能外，还具有物质、能量和信息的转换、传递和储存等特殊功能。功能高分子材料本身又可分为两大类：一类是对采自外界或内部的各种信息，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学辐射等信号的变化具有感知能力的材料，称为“敏感材料”；另一类是在外界环境发生变化时能做出适当的反应并产生相应动作的材料，称为“机敏材料”，如变色镜片、变色玻璃等是一种能自行调节透光性能、自动屏蔽强光的机敏材料。
2. 医用高分子材料
目前医用高分子材料的应用已经遍及整个医学领域，世界各国已成功地研制出了用高分子材料制造的人工心脏瓣膜、人工肺、人工肾、人工血管、人造血液、人工皮肤、人工骨骼、人工关节等，专家认为在不久的将来，除人脑之外，人体所有器官都可以用人工器官代替。医用高分子材料较难解决的问题是医用高分子材料的抗血凝性，血液一接触到植入人体内的高分子材料，会产生排它作用，并在其表面形成血凝。
目前所应用的医用高分子材料一般来说分为以下几类：
⑴植入体内的永久性替代损伤的器官或组织。如人造血管(聚对苯二甲醇乙二酯，聚氨酯橡胶)，人造心脏瓣膜(硅橡胶，聚氨酯橡胶)，人造肾(醋酸纤维素，聚酯纤维)，人造气管(有机硅橡胶)等。
⑵修复人体某部分缺陷的组织。如人造皮肤(硅橡胶，聚多肽)，骨修复材料(酚醛树脂)等。
⑶医疗器械中的高分子材料。
⑷药用高分子材料。与低分子药物相比、药用高分子材料具有低毒、高效、缓释、长效、可定点释放等优点。
⑸医药包装用高分子材料。包装药物的高分子材料可分为软、硬两种类型。
辐射技术是制备医用高分子材料的有效方法。有着以下优点：①不需要添加剂，保证其纯净性；②可在常温或低温下进行；③辐射过程也起了消毒作用，避免其他消毒法对制品的损坏。例如亲水凝胶是一种理想的人工玻璃体，它可以代替眼球中的玻璃体。采用辐射交联的方法使某些亲水的高分子材料成为一种能吸收大量水分，但又不溶于水的亲水凝胶。
3.隐身材料
隐身材料是实现武器隐身的物质基础。武器装 备如飞机、舰船、导弹等使用隐身材料后，可大大减小自身的信号特征，提高生存能力。
隐身材料按所抑制的信号类型，可分为雷达吸波材料、红外隐身材料、可见光隐身材料及声隐身材料。
3.5 复合材料
3.5.1复合材料概述
1.复合材料的分类
复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：①纤维复合材料。②夹层复合材料。③细粒复合材料。④混杂复合材料。
2.复合材料的性能
3.复合材料的发展与应用
3.5.2 金属基复合材料
3.5.3 陶瓷基复合材料
3.6超导材料
3.6.1 概述
超导材料是指具有高临界转变温度（Tc）能在液氮温度条件下工作的材料。（高温超导材料的定义
早在1911年，荷兰科学家昂尼斯用液氮冷却水银，当温度降到-269℃左右时，发现水银的电阻空气完全消失，这种现象称为“超导”现象，所有具有这种零电阻的材料称为超导体。
从1987年到现在，美、中、日三国都相继发现了转变温度100K的超导材料。中国科学院首次在世界上公布了钡-钇-铜-氧钵系，临界温度Tc＝93 K。可以说，从一开始中国高温超导材料的研究就后世界的前列。
80年代末期以来，中国高温超导材料的研究和应用方面一直处在世界先进水平。
3.6.2超导材料的特性
超导材料和常规导电材料的性能上有很大的不同。主要有以下性能：
1.零电阻性：
2.2.完全抗磁性：
3.约瑟夫森效应：
3.6.3高温超导材料
3.6.2 高临界温度超导材料
高温超导的温度并不高，也是零下50℃以下
3.6.3 超导材料研究方向及前景
超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。主要可在以下几个方面得到重要应用。
1.在能量的产生、传播和储存方面
2.在运输方面
3.在电子器件方面
4.在仪器、传感器和医学诊断方面
5.在宇航和空间探索方面
6.在军事方面
7.在基础科学方面
总之，高温超导材料在科学殿堂内又打开了一扇新的大门，有人认为这是继电灯和集成电路之后的又一次革命性的贡献。

3.7 储氢材料
氢是一种高能量密度、高热值、清洁无污染、可再生的能源。目前新能源的开发重点是太阳能、风能、海洋能、地热能、生物质能、核能和氢能等。比较之下，氢能是人类未来最理想的能源。长期以来氢的储存一直是个技术难点，氢的气态储存要用很重的高压气瓶，而液态储存既要消耗大量的能量又有与空气混合引起爆炸的危险，既不经济又不安全。
目前，储氢材料已被用于氢的回收、提纯、精制；氢的储存和运输；余热或废热的利用；储热系统；热泵或空调、制冷；氢燃料汽车、电动汽车；氢能发电系统；充电电池与燃料电池等。
3.7.1 储氢材料的定义和分类
目前，已有的储氢方法有两种：一种是物理法，包括高压压缩法、深冷液化法、活性炭吸附法；另一种是化学法，分为金属生成氢化物法、无机化合物储氢法、有机液态氢化物法。以上方法中所用的活性炭、储氢合金、无机化合物、有机液态氢化物等，能以物理或化学方式保存氢气而使氢气改变状态的材料叫做储氢材料。
储氢材料可分为四种：活性炭储氢材料、储氢合金、无机化合物储氢材料、有机液体氢化物储氢材料。
3.7.2 储氢原理及意义
储氢材料物理法储氢的基本原理是储氢材料的物理吸附作用，而化学法储氢的基本原理是
储氢材料与氢气生成氢化物，然后氢化物在一定条件下放出氢气达到储氢目的。
金属储氢是化学法储氢，其基本原理简述如下：某些过渡金属、合金、金属间化合物，由于其特殊的晶体结构等原因，在一定条件下，氢原子比较容易进入金属晶格的四面体或八面体间隙中，形成金属氢化物；反之，当金属氢化物受热时，又可释放出氢气。简言之，金属储氢是利用氢气可以与金属反应生成氢化物，并放出热量；金属氢化物受热时，又释放出氢气的原理而储氢。
作为储氢材料应具有如下特征：作为储存能量的材料，如氢的储存、运输、分离精制等，储氢材料必须具备下述条件：
⑴易活化、氢的吸储量大。
⑵用于储氢时，氢化物的生成热小；用于蓄热时生成热要尽量大。
⑶在室温附近时，氢化物的分解压为：具有稳定的合适的平衡分解压。
⑷氢的吸储或释放速度快，氢吸收和分解过程中的平衡压力小。
⑸对不纯物(如氧、氮、、水分等)的耐中毒能力强。
⑹当氢反复吸储和释放时，微粉化小、性能不会恶化。
⑺金属氢化物的有效热导率大。
⑻储氢材料的价格一直是影响其产业化或商业化进程的一个重要因素。因此要求储氢材料价格适中。
3.7.3 储氢材料的功能和应用
1.氢化物-镍电池
2.用于氢的储存、净化及分离
3.储氢合金氢化物热泵
4.氢催化剂
5.氢能汽车
氢能汽车是一种完全以氢气为燃料代替汽油的新型汽车。主要有三种类型：利用储氢材料制成储氢罐，直接燃烧氢的储氢罐型；利用镍氢电池的电动型；以燃料电池为动力的燃料电池型。
6.其他方面的应用
其他方面的应用包括：氢同位素分离和核反应堆中的应用；储氢材料的压力传递功能的应用；储氢材料传感器；以及储氢材料执行器等。