功能各異的無機(jī)非金屬材料

1、第二單元 功能各異的無機(jī)非金屬材料,,無機(jī)非金屬材料種類繁多，功能各異，應(yīng)用十分廣泛，其歷史可追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代。 從我們的祖先用黏土制作陶器，到現(xiàn)代人通過光導(dǎo)纖維通訊聯(lián)系，人類利用自然界提供的各種資源，研制了許許多多的無機(jī)非金屬材料。我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫奶沾?、玻璃器皿，煤氣爐具點(diǎn)火裝置使用的壓電陶瓷，電器設(shè)備中的半導(dǎo)體材料，電視顯像管中的熒光粉，磁帶和磁性陶瓷使用的磁性材料，醫(yī)療中使用的人造牙齒等，都屬于無機(jī)非金屬材料。,,,一

2、、生活中的硅酸鹽材料,石器——燧石取火,硅酸鹽——水泥、玻璃、陶瓷,二氧化硅——光導(dǎo)纖維,單晶硅——集成電路,,,,傳統(tǒng)材料,人類文明發(fā)展史,,,,新型材料,信息材料,,1．從黏土到陶瓷,科學(xué)家用五個(gè)里程碑和三大技術(shù)突破來總結(jié)中國陶瓷的整個(gè)發(fā)展過程：1。新石器時(shí)代早期陶器的出現(xiàn)；2。新石器時(shí)代晚期印紋硬陶和商、周時(shí)期原始瓷的燒制成功；3。漢晉時(shí)期南方青釉瓷的誕生；4。隋唐時(shí)期北方白釉瓷的突破；5。宋代到清代顏色釉瓷、

3、彩繪瓷和雕塑陶瓷的輝煌成就。,,傳統(tǒng)的陶瓷工藝 陶器和瓷器的坯體都是用黏土制成的，制作瓷器的黏土較純凈。普通陶器較為粗糙，有不同程度的滲透性。如果在坯體上涂上彩釉，燒制后可得到表面光滑、不滲水、色彩絢麗的陶瓷器具。,,2．形形色色的玻璃,采光、隔熱及裝飾都需要使用玻璃。色彩斑斕的玻璃器皿和玻璃工藝品美化了人們的生活。 普通玻璃的暗綠色、淺棕色是因?yàn)榉謩e含有氧化亞鐵和氧化鐵等雜質(zhì)。,純 堿石灰石石 英,玻璃窯,Na

4、2SiO3CaSiO3 SiO2,,玻璃的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)——玻璃態(tài)物質(zhì) 玻璃是無定形硅酸鹽的混合物，屬于玻璃態(tài)物質(zhì)。 玻璃態(tài)物質(zhì)的粒子不像晶體那樣有嚴(yán)格的空間排列，但也不完全是無規(guī)則的排列。人們把這種結(jié)構(gòu)特征稱為“短程有序、遠(yuǎn)程無序”，就是說從小范圍看它有一定的晶型排列，從整體上看卻無晶型的排列規(guī)律。 玻璃態(tài)物質(zhì)沒有固定的熔點(diǎn)，可以在某一溫度范圍內(nèi)逐漸軟化變成液態(tài)。在軟化狀態(tài)時(shí)，玻璃可吹制或軋成一定形狀的制品。

5、,,對(duì)普通玻璃進(jìn)行處理可以改善玻璃的性能。鋼化玻璃機(jī)械強(qiáng)度大，抗震，不易破碎，即使破碎也不會(huì)形成有棱角的碎片；刻花玻璃上雕刻有各種精美的花紋圖案；鍍膜玻璃可以做鏡子、玻璃幕墻等。你知道它們是經(jīng)過怎樣的工序加工制得的嗎?,,,變色玻璃,在玻璃中加入適量的溴化銀(AgBr)和氧化銅的微小晶粒，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚恚梢灾瞥勺兩Ａ?。?dāng)強(qiáng)光照射到玻璃上，溴化銀分解為銀和溴單質(zhì)，分解出的銀原子聚集成銀的微小晶粒，使玻璃呈現(xiàn)暗棕色，能擋住大部分光線。

6、 光線變暗，銀和溴在氧化銅的催化作用下，重新生成溴化銀。于是玻璃的顏色自動(dòng)變淺，透光性增強(qiáng)。,,玻璃加工,1。玻璃加熱到一定溫度后急劇冷卻， 就可以得到鋼化玻璃。,2。氫氟酸(HF)對(duì)玻璃具有腐蝕作用，可用于在玻璃上雕刻各種精美圖案，也可用于在玻璃儀 器(量筒、滴定管等)上標(biāo)注刻度及文字。氫氟酸與玻璃發(fā)生的反應(yīng)可以表示為： SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O,

7、3。在玻璃表面鍍金屬膜可以制得鍍膜玻璃。鍍膜玻璃外形美觀，還可以阻擋紅外線及紫外線的穿透。在玻璃上鍍銀、真空鍍鋁是制造鍍膜玻璃常用的方法。,,在一個(gè)潔凈的小試管中加入2mL2％AgNO3溶液，慢慢滴加2％氨水，邊滴加邊振蕩試管，直到產(chǎn)生的沉淀恰好溶解為止。再向試管中滴加1～2滴10％氫氧化鈉溶液，隨后加入3 mL10％葡萄糖溶液，用溫水浴加熱幾分鐘，觀察發(fā)生的現(xiàn)象。,實(shí)驗(yàn)錄像,,玻璃加工,4。玻璃加熱到一定溫度后急劇冷卻， 就可以

8、得到鋼化玻璃。,5。夾層玻璃,夾層玻璃受到撞擊時(shí)只會(huì)裂開，而不會(huì)粉碎。夾層玻璃共有三層，兩層玻璃夾著厚度約為0.76mm的中間層。夾層玻璃中間層的材料通常為性能較好的聚乙烯醇丁醛（PVB）。當(dāng)玻璃受到撞擊而損壞時(shí)，中間的膠片便可粘著外面的玻璃，防止碎片四處飛散。,,幾種玻璃的特性和用途,,粘土石灰石石膏,水硬性,水泥回轉(zhuǎn)窯,3CaO·SiO22CaO·SiO2 3CaO·Al2O3,水

9、泥沙漿混凝土鋼筋混凝土,,3．硅酸鹽水泥,水泥是最常用的建筑材料右圖是1949——1998年我國水泥產(chǎn)量示意圖,,水泥(cement)的硬化過程可以分為兩個(gè)階段。第一階段是水泥加水后逐步發(fā)生水化反應(yīng)，從具有可塑性與流動(dòng)性的水泥漿，變成非流動(dòng)性的水泥顆粒并喪失可塑性。第二階段是水泥顆粒逐步吸收水，進(jìn)一步發(fā)生水化反應(yīng)，硬化成機(jī)械強(qiáng)度高的固體。,水泥的硬化,,煉鋼廠排出的爐渣主要含有哪些成分?為什么在煉鋼廠附近常建有水泥廠?請(qǐng)從資源充分利

10、用的角度談?wù)勥@樣布局的好處。,硅酸鹽水泥的品種日益擴(kuò)大，白水泥、快干水泥、彩色水泥等已越來越為人們所熟悉。其中，彩色水泥主要用來配制彩色水泥漿，可用于建筑的飾面刷漿以及室外墻面裝飾等，具有特殊的裝飾效果。 在建筑工程中，水泥和沙、碎石、水按一定比例混合，以鋼筋作結(jié)構(gòu)，硬化后形成結(jié)構(gòu)堅(jiān)固的鋼筋混凝土。,,,水泥不宜久存,保存不當(dāng)或存放時(shí)間太長會(huì)導(dǎo)致水泥受潮結(jié)塊，影響水泥的強(qiáng)度。受潮后的水泥表面結(jié)塊，從而喪失凝聚力，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。輕

11、微結(jié)塊的水泥，強(qiáng)度降低10％～20％。即使在良好的儲(chǔ)存條件下，水泥也不宜儲(chǔ)存過久．因?yàn)樗鄷?huì)吸收空氣中的水分和二氧化碳，發(fā)生質(zhì)變。據(jù)統(tǒng)計(jì)，儲(chǔ)存三個(gè)月后，水泥的強(qiáng)度降低10％～20％，六個(gè)月后降低15％～30％，一年后降低25％～40％。購買水泥時(shí)要了解水泥的生產(chǎn)日期。,,二、光導(dǎo)纖維和新型陶瓷材料,光導(dǎo)纖維和各種新型陶瓷的開發(fā)和應(yīng)用不僅為高科技發(fā)展提供了優(yōu)質(zhì)材料，也提高了人們的生活質(zhì)量。光導(dǎo)纖維在信息工程中的應(yīng)用，使人們可以坐在家中通過

12、信息網(wǎng)絡(luò)獲取信息，聯(lián)絡(luò)親友。新型高強(qiáng)度陶瓷材料的出現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)陶瓷的脆性。 由光導(dǎo)纖維組成的光纜可以代替通訊電纜，用于光纖通信，傳送高強(qiáng)度的激光。光纖通信的容量比微波通信大103～104倍，而且傳輸速度快。用光纜代替通訊電纜可以節(jié)約大量有色金屬。據(jù)統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)l km長的光纜只需幾克超純石英玻璃，約可節(jié)省銅1.1t 。,,1．光導(dǎo)纖維的制造與應(yīng)用,把氧氣和四氯化硅蒸氣的混合氣體通過在高溫爐中旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)的石英管，能反應(yīng)生成二氧化硅

13、。 把得到的沉積在管內(nèi)的二氧化硅熔化，形成“玻璃棒”，在1900～2000℃的高溫下再將其熔化、拉制成粗細(xì)均勻的光纖細(xì)絲。,用于鋪設(shè)光纖通訊線路的光導(dǎo)纖維是由若干條柔韌、沒有脆性、有高折射率的光纖細(xì)絲(直徑在10μm以下)用聚丙烯或尼龍?zhí)装瞥傻摹?,光纖通信較之普通電纜通信有許多突出的優(yōu)點(diǎn)。首先，光纖通信有巨大的信息容量，一根頭發(fā)絲那么細(xì)的光導(dǎo)纖維可以通幾萬路電話或2 000路電視。如果用許多根光導(dǎo)纖維組合成光纜，它的通

14、信容量更大得驚人。其次，光纖通信不受外界電磁場(chǎng)的干擾，工作穩(wěn)定可靠，保密程度高。第三，光纖通信損耗低，目前無中繼傳送距離一般為30～70 km(而同軸電纜每隔1．5 km就需設(shè)立一個(gè)中繼站，來補(bǔ)償電信號(hào)在傳輸中的損耗)，很適合遠(yuǎn)距離信息傳輸。目前，人們已建成大西洋海底光纜(全長約7 000 km)。計(jì)劃中的南太平洋光纜(全長約16 000 km)也正在緊鑼密鼓的準(zhǔn)備之中。進(jìn)一步降低光纖損耗，減少中繼站數(shù)目，甚至不用中繼站，是人們的下一步

15、目標(biāo)。,,醫(yī)生的好助手目前，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上，普遍使用一種連接著許多光纖的胃鏡。這些光纖并成一束，束中各條光纖的相對(duì)位置保持不變。把胃鏡插入病人胃里，胃鏡接收到的光線沿著這些光纖傳到體外。每條光纖中的光僅反映胃中一小點(diǎn)的情況，整束光纖中的光就拼合成胃里某一部分的圖像。光纖胃鏡的光源是在體外由光纖傳進(jìn)去的，它不產(chǎn)生熱輻射，能減輕病人的痛苦。在光導(dǎo)纖維的一頭裝上精致小巧的微型鏡頭，將胃內(nèi)的情況傳到體外拍攝下來或顯示在屏幕上。還可以在胃鏡光纖

16、中留出空的通道，以插入切取生理切片的鑷子。因?yàn)楣饫w又細(xì)又軟，故可將醫(yī)生用來觀察人體內(nèi)部病變情況的內(nèi)窺鏡做得小巧玲瓏。胃鏡是內(nèi)窺鏡中比較粗的一種，但也只有15 mm左右，其他如食道鏡、膀胱鏡還要細(xì)小得多?？梢姡汗鈱?dǎo)纖維的應(yīng)用，使醫(yī)用內(nèi)窺鏡從構(gòu)造到功能都發(fā)生了重要的變化。近年來，一種激光光纖藥頭內(nèi)窺鏡碎石系統(tǒng)已研制成功。這種系統(tǒng)利用胃鏡把帶有藥頭的光纖導(dǎo)管送入胃中，然后沿光纖通入激光。激光可以像引爆雷管一樣，使藥頭炸裂并產(chǎn)生沖擊波，

17、擊碎胃石，再用胃鏡把碎石取出。利用該系統(tǒng)已成功地?fù)羲榇笮? cm×10 cm×6 cm的胃石并取出碎石。這種系統(tǒng)還可以用來治療膀胱結(jié)石、輸尿管結(jié)石和膽結(jié)石等疾病。光導(dǎo)纖維在醫(yī)學(xué)上的另一個(gè)重要應(yīng)用是通過微細(xì)的光纖將高強(qiáng)度的激光輸入人體的病變部位，用激光來切除病變部位。這種手術(shù)不用切開皮膚和切割肌肉組織，減少了病人的痛苦，而且切割部位準(zhǔn)確，手術(shù)效果好。,,陶瓷應(yīng)用的新天地 當(dāng)宇宙飛行器完成航天任務(wù)返回地球時(shí)

18、，它面臨著與隕星一樣的處境。研究結(jié)果表明：當(dāng)宇宙飛行器的飛行速度等于聲速的3倍時(shí)，其前端的溫度可達(dá)330℃；當(dāng)飛行速度等于6倍聲速時(shí)，可達(dá)1 480℃。宇宙飛行器邀游太空歸來，到達(dá)離地面60～70 km的高度時(shí)，其速度仍保持在聲速的20多倍，溫度在10 000℃以上，這樣的高溫足以把宇宙飛行器化作一團(tuán)熊熊的烈火。高速帶來了高溫，這似乎是一道不可逾越的障礙。人們把這種障礙稱為“熱障”。 怎樣使宇宙飛行器克服“熱障”，安全地返回地面

19、呢?科學(xué)家在分析了“宇宙不速之客”——隕石后發(fā)現(xiàn)，隕石表面雖已熔融，但里面的化學(xué)成分沒有變化。這說明隕石在下落過程中，盡管表面因摩擦生熱產(chǎn)生幾千度高溫而熔融，但由于穿過大氣層的時(shí)間很短，熱量還來不及傳到隕石內(nèi)部。這給科學(xué)家以啟發(fā)：讓宇宙飛行器的頭部戴一頂用燒蝕材料做成的頭盔”，把重返大氣層時(shí)摩擦產(chǎn)生的熱量消耗在燒蝕材料的熔融、氣化等一系列物理和化學(xué)變化中，“丟卒保車”，達(dá)到保護(hù)宇宙飛行器的目的。,,2．新型陶瓷,結(jié)構(gòu)陶瓷制品,生物陶瓷制

20、品,,透明陶瓷和納米陶瓷 一般陶瓷因?yàn)閮?nèi)部有雜質(zhì)和氣孔而不透明。用高純度的原料可獲得透明陶瓷。這些透明陶瓷不僅光學(xué)性能優(yōu)異，而且耐高溫，熔點(diǎn)一般都在2 000℃以上。透明陶瓷的透明度、強(qiáng)度、硬度都高于普通玻璃。用透明陶瓷制造高壓鈉燈，發(fā)光效率比高壓汞燈高一倍，使用壽命可達(dá)2萬小時(shí)。,人們把陶瓷粉體的顆粒加工到納米級(jí)，便得到了納米陶瓷。納米陶瓷成功地解決了陶瓷易碎的問題。納米陶瓷還具有延展性，如室溫下合成的Ti02陶瓷可以彎曲