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

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第3節(jié)　復(fù)合材料 1．材料科學(xué)的發(fā)展過(guò)程及單一材料的優(yōu)缺點(diǎn) (1)材料科學(xué)的發(fā)展過(guò)程 材料科學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了天然材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、金屬材料、有機(jī)合成材料、復(fù)合材料這五個(gè)過(guò)程。 (2)常見(jiàn)的幾種單一材料的優(yōu)缺點(diǎn) 通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)對(duì)金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料有了大體的了解，現(xiàn)實(shí)生活中，我們經(jīng)常接觸有機(jī)合成材料，這些材料都是單一的材料，優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)都較突出，現(xiàn)總結(jié)如下： 材料 實(shí)例 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 金屬材料 鋼鐵 硬度較大、韌性較好、熔沸點(diǎn)較高、易成型 在高溫下不耐氧化 無(wú)機(jī)非金屬材料 玻璃 硬度較大、熔沸點(diǎn)高、電絕緣性好、易成型、耐腐蝕 質(zhì)脆、不耐沖擊 有機(jī)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(guān)于材料的說(shuō)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(jié)構(gòu)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(diǎn) C．氧化鋁陶瓷的熔點(diǎn)低、硬度小 D．鎂鋁合金的強(qiáng)度高、密度小，可用于飛機(jī)制造業(yè) 解析：玻璃屬于玻璃態(tài)物質(zhì)，不是晶體，它沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，A錯(cuò)誤；B中高溫結(jié)構(gòu)陶瓷硬度大、密度??；氧化鋁陶瓷是高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，熔點(diǎn)高，故C錯(cuò)誤；鎂鋁合金硬度大、質(zhì)輕，因此可用于飛機(jī)制造業(yè)，故D對(duì)。 答案：D 2．認(rèn)識(shí)復(fù)合材料 (1)復(fù)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(chēng)為復(fù)合材料。 (2)復(fù)合材料的組成 復(fù)合材料由兩部分組成，一部分稱(chēng)為基體，在復(fù)合材料中起黏結(jié)作用；另一部分稱(chēng)為增強(qiáng)體，在復(fù)合材料中起骨架作用。 (3)復(fù)合材料的特點(diǎn) 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(jī)合成材料易老化、不耐高溫，陶瓷材料易破碎等，復(fù)合材料可以既保持原有材料的特點(diǎn)，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(qiáng)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(guò)了單一材料。 (4)幾種復(fù)合材料的性能 (5)復(fù)合材料的分類(lèi) 復(fù)合材料種類(lèi)繁多，按基體分類(lèi)，可分為樹(shù)脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料；按增強(qiáng)體的形狀分類(lèi)，可分為顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、夾層增強(qiáng)復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。 【例2】 下列說(shuō)法正確的是(　　) A．所有復(fù)合材料都由基體和增強(qiáng)體兩部分組成 B．復(fù)合材料的化學(xué)成分可能只有一種也可能含有多種 C．基體在復(fù)合材料中起骨架作用 D．復(fù)合材料按基體材料分類(lèi)可分為樹(shù)脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 解析：因?yàn)閺?fù)合材料都由基體和增強(qiáng)體兩部分組成，所以其化學(xué)成分至少有兩種，B項(xiàng)錯(cuò)；基體在復(fù)合材料中起黏結(jié)作用，C項(xiàng)錯(cuò)；樹(shù)脂基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料是按基體材料分類(lèi)的，而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是按增強(qiáng)體形狀分類(lèi)的，分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，D項(xiàng)錯(cuò)。 答案：A 3．生產(chǎn)、生活中的復(fù)合材料 (1)玻璃鋼 玻璃鋼是一種以玻璃纖維作增強(qiáng)體，合成樹(shù)脂作基體的復(fù)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(qiáng)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(xué)腐蝕、耐高溫或強(qiáng)度高的特種玻璃纖維作玻璃鋼的增強(qiáng)體。 ②在制造玻璃鋼時(shí)，可以將玻璃纖維制成紗或織物，加到合成樹(shù)脂中，也可切成短纖維加到合成樹(shù)脂中。 ③玻璃鋼的強(qiáng)度可達(dá)到甚至超過(guò)合金鋼的強(qiáng)度，而密度卻只有鋼鐵的左右；同時(shí)，這種材料保持著較好的耐化學(xué)腐蝕性、電絕緣性和機(jī)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(lè)車(chē)、水上滑梯、運(yùn)輸罐、電話(huà)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(qiáng)度高、耐水、耐磨、耐撞等特點(diǎn)。玻璃鋼在排水管道中也得到了廣泛應(yīng)用。最近幾年，越來(lái)越多的污水處理系統(tǒng)的管道用玻璃鋼制造，一個(gè)主要的原因是廢水所含的腐蝕物質(zhì)的種類(lèi)在不斷地增加、腐蝕作用在不斷地增強(qiáng)，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(qiáng)復(fù)合材料 在合成樹(shù)脂的基體中加入碳纖維作增強(qiáng)體的復(fù)合材料叫碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。 ①特點(diǎn)是韌性好、強(qiáng)度高而質(zhì)輕。 ②碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于制造高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、釣魚(yú)竿、賽車(chē)、賽艇、滑雪板等體育用品，也廣泛應(yīng)用于紡織機(jī)械和化工機(jī)械的制造以及醫(yī)學(xué)上人體組織中韌帶的制作等。 【例3】 下列對(duì)玻璃鋼的敘述正確的是(　　) A．玻璃鋼是由普通玻璃加強(qiáng)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(qiáng)體的復(fù)合材料 C．玻璃鋼的基體是合成樹(shù)脂，增強(qiáng)體是玻璃纖維 D．玻璃鋼的強(qiáng)度和機(jī)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(fù)合材料，它的學(xué)名叫玻璃纖維增強(qiáng)塑料，誕生于30年代。以玻璃纖維為骨料，以合成樹(shù)脂作基體和黏結(jié)劑，加熱壓制成型就得到玻璃鋼，其成品強(qiáng)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(jī)械、汽車(chē)、艦船、建筑、化工等部門(mén)得到廣泛的應(yīng)用。 答案：C 4．航空、航天領(lǐng)域中的復(fù)合材料 (1)飛機(jī)、火箭的機(jī)翼和機(jī)身以及導(dǎo)彈的殼體、尾翼中的復(fù)合材料，大多是以纖維作增強(qiáng)體、金屬為基體的復(fù)合材料。這些材料具有耐高溫、強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好、導(dǎo)熱性好、不吸濕和不易老化等優(yōu)點(diǎn)。作為增強(qiáng)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(jī)機(jī)身上使用的隔熱陶瓷瓦是由纖維和陶瓷復(fù)合而成的材料制成的。在這種復(fù)合材料中，增強(qiáng)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(qiáng)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(jī)能安全地穿過(guò)大氣層返回地球。 【例4】 美國(guó)的哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)在制造過(guò)程中應(yīng)用了大量的先進(jìn)復(fù)合材料，其中被覆在整個(gè)機(jī)身上的防熱瓦片，使航天飛機(jī)能安全穿越大氣層，是耐高溫的(　　) A．陶瓷基復(fù)合材料 B．合成樹(shù)脂基復(fù)合材料 C．玻璃鋼 D．金屬基復(fù)合材料 解析：航天飛機(jī)機(jī)身上使用的隔熱陶瓷瓦是由纖維和陶瓷復(fù)合而成的材料制成，其增強(qiáng)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(qiáng)陶瓷保持了陶瓷耐高溫的特性，又增強(qiáng)了陶瓷的韌性，使航天飛機(jī)能安全地穿越大氣層返回地球。 答案：A 5．復(fù)合材料與合金 復(fù)合材料與合金的比較見(jiàn)下表 復(fù)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(qiáng)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(diǎn)，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(huì)表現(xiàn)不同的性能 具有良好機(jī)械性能，在許多方面優(yōu)于各成分金屬，如硬度大、熔點(diǎn)低等。改變?cè)吓浔纫约案淖兩珊辖鸬臈l件等，可以制得具有不同性能的合金 實(shí)例 玻璃鋼、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)陶瓷等 鋁合金、鋼鐵、不銹鋼等 【例5－1】請(qǐng)用短線(xiàn)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(guān)節(jié)　　　　耐腐蝕性強(qiáng) 光纖　　　　　　制造排水管道　　　　　密度小、強(qiáng)度高 生物陶瓷　　　　汽車(chē)車(chē)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(xué)們對(duì)材料的性能、用途的了解。 答案： 【例5－2】根據(jù)某種分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，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(gè)分類(lèi)的實(shí)例。 類(lèi)型 天然材料 燒煉材料 合成材料 名稱(chēng) 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(qǐng)?jiān)龠x擇一個(gè)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，將上述材料重新分類(lèi)。 解析：根據(jù)不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，可以有不同的分類(lèi)方法。如可以將它們分為無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料。當(dāng)然，無(wú)機(jī)材料還可以進(jìn)一步分為非金屬材料和金屬材料。 答案： 類(lèi)型 無(wú)機(jī)材料 有機(jī)材料 名稱(chēng) 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(dǎo)纖維 光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱(chēng)“光纖”，是一種能利用光的全反射作用來(lái)傳導(dǎo)光線(xiàn)的透明度極高的細(xì)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(cè)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(xì)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(qiáng)度卻接近高強(qiáng)度鋼的拉伸強(qiáng)度，為天然纖維或合成纖維拉伸強(qiáng)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(xì)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(guān)上看呈暗黑色，具有許多優(yōu)異而奇特的性質(zhì)。它的化學(xué)穩(wěn)定性好；耐酸堿腐蝕；在空氣里加熱到400 ℃無(wú)明顯變化；在沒(méi)有氧氣的環(huán)境里加熱到1 500 ℃，強(qiáng)度也不會(huì)下降；有良好的耐低溫性能，在－200 ℃時(shí)也不會(huì)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(jìn)行預(yù)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(dá)到1 400 ℃。最后在2 000 ℃以上的溫度下進(jìn)行石墨化處理，從而獲得碳纖維。 【例6－1】 纖維復(fù)合材料中的增強(qiáng)體為纖維狀，其中應(yīng)用比較廣泛的有碳纖維、玻璃纖維等。對(duì)纖維的說(shuō)法中，不正確的是(　　) A．玻璃在一定條件下拉成極細(xì)的絲，可用于紡織宇航服等，但其拉伸強(qiáng)度卻接近同強(qiáng)度的鋼 B．玻璃纖維易斷，不能用于紡織 C．碳纖維化學(xué)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(fù)合材料的增強(qiáng)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(qiáng)度。 答案：B 【例6－2】 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是在合成樹(shù)脂的基體中加入了碳纖維做增強(qiáng)體，具有韌性好、強(qiáng)度高而質(zhì)輕的特點(diǎn)，下列物質(zhì)中可用其制造的是(　　) A．游樂(lè)車(chē)、游樂(lè)船 B．電話(huà)亭、餐桌椅 C．網(wǎng)球拍、釣魚(yú)竿 D．航天飛機(jī)用隔熱瓦 解析：游樂(lè)車(chē)、游樂(lè)船及電話(huà)亭、餐桌椅通常可用玻璃鋼制得；航天飛機(jī)用隔熱瓦通常用陶瓷基復(fù)合材料；碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可用于網(wǎng)球拍、釣魚(yú)竿的制作。 答案：C 【變式題】 對(duì)下列材料的特征及用途的說(shuō)法，不正確的是(　　) A．玻璃鋼強(qiáng)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(dǎo)纖維傳導(dǎo)光的能力很強(qiáng)，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(jī) 解析：玻璃纖維雖然細(xì)如絲，但其拉伸強(qiáng)度很大，幾乎與高強(qiáng)度的鋼的拉伸強(qiáng)度接近。它是一種新型材料，故B項(xiàng)錯(cuò)，其余三項(xiàng)均正確。 答案：B