高中化學 第四章 元素與材料世界 第3節(jié) 復合材料學案2 魯科版必修1.doc

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第3節(jié)　復合材料 1．材料科學的發(fā)展過程及單一材料的優(yōu)缺點 (1)材料科學的發(fā)展過程 材料科學的發(fā)展經(jīng)歷了天然材料、無機非金屬材料、金屬材料、有機合成材料、復合材料這五個過程。 (2)常見的幾種單一材料的優(yōu)缺點 通過前面的學習，我們已經(jīng)對金屬材料、無機非金屬材料有了大體的了解，現(xiàn)實生活中，我們經(jīng)常接觸有機合成材料，這些材料都是單一的材料，優(yōu)點、缺點都較突出，現(xiàn)總結如下： 材料 實例 優(yōu)點 缺點 金屬材料 鋼鐵 硬度較大、韌性較好、熔沸點較高、易成型 在高溫下不耐氧化 無機非金屬材料 玻璃 硬度較大、熔沸點高、電絕緣性好、易成型、耐腐蝕 質(zhì)脆、不耐沖擊 有機合成材料 塑料 電絕緣性好、質(zhì)輕、防水 耐油性差、易老化 【例1】 下列關于材料的說法中，正確的是(　　) A．玻璃是由Na2SiO3、CaSiO3和SiO2熔合而成的晶體 B．高溫結構陶瓷具有耐高溫、不怕氧化、耐酸堿腐蝕、硬度小、耐磨損、密度大的特點 C．氧化鋁陶瓷的熔點低、硬度小 D．鎂鋁合金的強度高、密度小，可用于飛機制造業(yè) 解析：玻璃屬于玻璃態(tài)物質(zhì)，不是晶體，它沒有固定的熔點，A錯誤；B中高溫結構陶瓷硬度大、密度小；氧化鋁陶瓷是高溫結構陶瓷，熔點高，故C錯誤；鎂鋁合金硬度大、質(zhì)輕，因此可用于飛機制造業(yè)，故D對。 答案：D 2．認識復合材料 (1)復合材料的定義 將兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料經(jīng)特殊加工而制成的新材料稱為復合材料。 (2)復合材料的組成 復合材料由兩部分組成，一部分稱為基體，在復合材料中起黏結作用；另一部分稱為增強體，在復合材料中起骨架作用。 (3)復合材料的特點 單一材料往往有或多或少的不足，如金屬材料易被腐蝕，有機合成材料易老化、不耐高溫，陶瓷材料易破碎等，復合材料可以既保持原有材料的特點，又能使各組分之間協(xié)同作用，形成優(yōu)于原材料的特性。一般具有強度高、質(zhì)量輕、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良特性，在綜合性能上超過了單一材料。 (4)幾種復合材料的性能 (5)復合材料的分類 復合材料種類繁多，按基體分類，可分為樹脂基復合材料、金屬基復合材料和陶瓷基復合材料；按增強體的形狀分類，可分為顆粒增強復合材料、夾層增強復合材料和纖維增強復合材料。 【例2】 下列說法正確的是(　　) A．所有復合材料都由基體和增強體兩部分組成 B．復合材料的化學成分可能只有一種也可能含有多種 C．基體在復合材料中起骨架作用 D．復合材料按基體材料分類可分為樹脂基復合材料、金屬基復合材料和纖維增強復合材料 解析：因為復合材料都由基體和增強體兩部分組成，所以其化學成分至少有兩種，B項錯；基體在復合材料中起黏結作用，C項錯；樹脂基復合材料和金屬基復合材料是按基體材料分類的，而纖維增強復合材料是按增強體形狀分類的，分類標準不統(tǒng)一，D項錯。 答案：A 3．生產(chǎn)、生活中的復合材料 (1)玻璃鋼 玻璃鋼是一種以玻璃纖維作增強體，合成樹脂作基體的復合材料。 ①玻璃本身是一種易碎的脆性材料，由它做成的玻璃纖維卻異常柔軟，具有很高的強度，除了普通玻璃纖維(主要成分為SiO2、Al2O3、Na2O等)外，還可以根據(jù)需要選用耐化學腐蝕、耐高溫或強度高的特種玻璃纖維作玻璃鋼的增強體。 ②在制造玻璃鋼時，可以將玻璃纖維制成紗或織物，加到合成樹脂中，也可切成短纖維加到合成樹脂中。 ③玻璃鋼的強度可達到甚至超過合金鋼的強度，而密度卻只有鋼鐵的左右；同時，這種材料保持著較好的耐化學腐蝕性、電絕緣性和機械加工性能，而又不像普通玻璃那樣硬脆。 ④玻璃鋼已大量用于游樂車、水上滑梯、運輸罐、電話亭、餐桌椅等產(chǎn)品的生產(chǎn)，這些產(chǎn)品充分發(fā)揮了其重量輕、強度高、耐水、耐磨、耐撞等特點。玻璃鋼在排水管道中也得到了廣泛應用。最近幾年，越來越多的污水處理系統(tǒng)的管道用玻璃鋼制造，一個主要的原因是廢水所含的腐蝕物質(zhì)的種類在不斷地增加、腐蝕作用在不斷地增強，這就要求管道材料具有更好的耐腐蝕性，玻璃鋼便是一種理想材料。 (2)碳纖維增強復合材料 在合成樹脂的基體中加入碳纖維作增強體的復合材料叫碳纖維增強復合材料。 ①特點是韌性好、強度高而質(zhì)輕。 ②碳纖維增強復合材料廣泛應用于制造高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、釣魚竿、賽車、賽艇、滑雪板等體育用品，也廣泛應用于紡織機械和化工機械的制造以及醫(yī)學上人體組織中韌帶的制作等。 【例3】 下列對玻璃鋼的敘述正確的是(　　) A．玻璃鋼是由普通玻璃加強熱然后驟冷而得到的，所以其成分與普通玻璃相同 B．玻璃鋼是以玻璃為基體，鋼纖維做增強體的復合材料 C．玻璃鋼的基體是合成樹脂，增強體是玻璃纖維 D．玻璃鋼的強度和機械加工性能比合金鋼稍差，但耐腐蝕性和絕緣性比合金鋼好 解析：玻璃鋼是人們熟悉的一種多用途的復合材料，它的學名叫玻璃纖維增強塑料，誕生于30年代。以玻璃纖維為骨料，以合成樹脂作基體和黏結劑，加熱壓制成型就得到玻璃鋼，其成品強度可與鋼材媲美，比重僅為鋼鐵的1/5左右，耐高溫、抗腐蝕、電絕緣、抗震抗裂、隔音隔熱、加工方便。在航空、機械、汽車、艦船、建筑、化工等部門得到廣泛的應用。 答案：C 4．航空、航天領域中的復合材料 (1)飛機、火箭的機翼和機身以及導彈的殼體、尾翼中的復合材料，大多是以纖維作增強體、金屬為基體的復合材料。這些材料具有耐高溫、強度高、導電性好、導熱性好、不吸濕和不易老化等優(yōu)點。作為增強體的主要是碳纖維，作為基體的金屬用得較多的是鋁、鎂、鈦等密度小的輕金屬。 (2)航天飛機機身上使用的隔熱陶瓷瓦是由纖維和陶瓷復合而成的材料制成的。在這種復合材料中，增強體多為碳纖維、碳化硅纖維或氧化硅纖維，基體的主要成分有：Al2O3陶瓷、MgO陶瓷、SiO2陶瓷、Al2O3ZrO2陶瓷、Si3N4陶瓷、SiC陶瓷等，纖維增強體陶瓷保持了陶瓷耐高溫的特性，增加了陶瓷的韌性，使航天飛機能安全地穿過大氣層返回地球。 【例4】 美國的哥倫比亞號航天飛機在制造過程中應用了大量的先進復合材料，其中被覆在整個機身上的防熱瓦片，使航天飛機能安全穿越大氣層，是耐高溫的(　　) A．陶瓷基復合材料 B．合成樹脂基復合材料 C．玻璃鋼 D．金屬基復合材料 解析：航天飛機機身上使用的隔熱陶瓷瓦是由纖維和陶瓷復合而成的材料制成，其增強體多為碳纖維、碳化硅纖維和氧化硅纖維；基體的主要成分是各種陶瓷。這種纖維增強陶瓷保持了陶瓷耐高溫的特性，又增強了陶瓷的韌性，使航天飛機能安全地穿越大氣層返回地球。 答案：A 5．復合材料與合金 復合材料與合金的比較見下表 復合材料 合金 概念 將兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料經(jīng)特殊加工而制成的材料，由基體和增強體組成 由兩種或兩種以上的金屬(或金屬跟非金屬)熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì) 性能 既保持了原材料的特點，又使各組分之間協(xié)同作用，形成了優(yōu)于原材料的特性。根據(jù)原材料的不同會表現(xiàn)不同的性能 具有良好機械性能，在許多方面優(yōu)于各成分金屬，如硬度大、熔點低等。改變原料配比以及改變生成合金的條件等，可以制得具有不同性能的合金 實例 玻璃鋼、碳纖維增強復合材料、纖維增強陶瓷等 鋁合金、鋼鐵、不銹鋼等 【例5－1】請用短線把下列物質(zhì)及其用途、主要性能相互連在一起： 物質(zhì)　　　　　　用途　　　　　　 主要性能 玻璃鋼　　　　　制造骨和股關節(jié)　　　　耐腐蝕性強 光纖　　　　　　制造排水管道　　　　　密度小、強度高 生物陶瓷　　　　汽車車輪骨架　　　　　質(zhì)量輕、保密性好 鋁合金　　　　　通訊材料　　　　　　　有生物功能 解析：本題考查同學們對材料的性能、用途的了解。 答案： 【例5－2】根據(jù)某種分類標準，材料大體可以分為天然材料、燒煉材料、合成材料等。下面是一個分類的實例。 類型 天然材料 燒煉材料 合成材料 名稱 木材、大理石、皮革 鋼鐵、陶瓷、鋁 合成纖維、合成橡膠、合成塑料 請再選擇一個分類標準，將上述材料重新分類。 解析：根據(jù)不同的分類標準，可以有不同的分類方法。如可以將它們分為無機材料和有機材料。當然，無機材料還可以進一步分為非金屬材料和金屬材料。 答案： 類型 無機材料 有機材料 名稱 大理石、鋼鐵、陶瓷、鋁 皮革、木材、合成纖維、合成橡膠、合成塑料 6．幾種“纖維”的區(qū)別 (1)光導纖維 光導纖維簡稱“光纖”，是一種能利用光的全反射作用來傳導光線的透明度極高的細絲，是高性能的現(xiàn)代通訊材料，其主要成分為SiO2。其除了用于通訊外，還可用于能量傳輸、信息處理、遙測遙控和醫(yī)療器械制造等方面。 (2)玻璃纖維 玻璃纖維是將熔化的玻璃以極快的速度拉成的極細的絲。這種纖維柔軟如蠶絲，可以像棉紗一樣紡織。直徑為5～10 μm 的玻璃纖維，只有頭發(fā)絲直徑的1/10左右，但其拉伸強度卻接近高強度鋼的拉伸強度，為天然纖維或合成纖維拉伸強度的5～30倍。在一些具有特殊用途的制品如防火衣、宇航服和宇宙飛船中，采用直徑為3～5 μm的超細玻璃纖維或中空玻璃纖維，以提高制品的柔性和減輕制品的重量。 (3)碳纖維 碳纖維從外觀上看呈暗黑色，具有許多優(yōu)異而奇特的性質(zhì)。它的化學穩(wěn)定性好；耐酸堿腐蝕；在空氣里加熱到400 ℃無明顯變化；在沒有氧氣的環(huán)境里加熱到1 500 ℃，強度也不會下降；有良好的耐低溫性能，在－200 ℃時也不會發(fā)脆。碳纖維大多是用聚丙烯腈纖維為原料制得的，首先將聚丙烯腈原絲置于200～300 ℃的溫度下進行預氧化處理，這一步處理使原絲中的鏈狀分子環(huán)化脫氫。隨后在惰性氣體中繼續(xù)加熱炭化，炭化溫度逐步升高，慢慢達到1 400 ℃。最后在2 000 ℃以上的溫度下進行石墨化處理，從而獲得碳纖維。 【例6－1】 纖維復合材料中的增強體為纖維狀，其中應用比較廣泛的有碳纖維、玻璃纖維等。對纖維的說法中，不正確的是(　　) A．玻璃在一定條件下拉成極細的絲，可用于紡織宇航服等，但其拉伸強度卻接近同強度的鋼 B．玻璃纖維易斷，不能用于紡織 C．碳纖維化學性能好，耐酸堿腐蝕，有良好的耐低溫性能 D．氧化鋁、氧化硅、碳化硼等也可拉成纖維，做復合材料的增強體 解析：玻璃本身是易碎的脆性材料，由它制成的玻璃纖維卻異常柔軟，具有很高的強度。 答案：B 【例6－2】 碳纖維增強復合材料是在合成樹脂的基體中加入了碳纖維做增強體，具有韌性好、強度高而質(zhì)輕的特點，下列物質(zhì)中可用其制造的是(　　) A．游樂車、游樂船 B．電話亭、餐桌椅 C．網(wǎng)球拍、釣魚竿 D．航天飛機用隔熱瓦 解析：游樂車、游樂船及電話亭、餐桌椅通?？捎貌Ａт撝频?；航天飛機用隔熱瓦通常用陶瓷基復合材料；碳纖維增強復合材料可用于網(wǎng)球拍、釣魚竿的制作。 答案：C 【變式題】 對下列材料的特征及用途的說法，不正確的是(　　) A．玻璃鋼強度高、密度小、耐腐蝕，可用于廢水處理系統(tǒng)的管道 B．玻璃纖維柔軟如絲，可像棉紗一樣紡織，但拉伸度極低 C．光導纖維傳導光的能力很強，是非常好的通訊材料 D．氮化硅陶瓷耐高溫但不易傳熱，可用于制造柴油機 解析：玻璃纖維雖然細如絲，但其拉伸強度很大，幾乎與高強度的鋼的拉伸強度接近。它是一種新型材料，故B項錯，其余三項均正確。 答案：B