1、2024/3/25,1,第三章 化學(xué)與材料的發(fā)展,第一節(jié) 無機(jī)非金屬材料,第2課時(shí),新課標(biāo)人教版高中化學(xué)課件系列,選修2 化學(xué)與技術(shù),2024/3/25,2,教學(xué)目標(biāo),1、了解傳統(tǒng)的硅酸鹽工業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)，知道其生產(chǎn)原理和產(chǎn)品的主要成分。2、 能舉例說明無機(jī)非金屬材料的特點(diǎn)。3、 討論社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步對(duì)材料的要求，認(rèn)識(shí)化學(xué)對(duì)材料科學(xué)發(fā)展的促進(jìn)作用。,新型無機(jī)非金屬材料,2024/3/25,3,定 義：,特 性：,種 類：,具有特殊結(jié)

2、構(gòu)和特殊功能（性質(zhì)）的新材料。,能承受高溫、強(qiáng)度大：氮化硅陶瓷（耐1200OC) 具有光學(xué)特性：光導(dǎo)纖維具有電學(xué)特性：K3C60超導(dǎo)體 具有生物功能：如Ca3(PO4)2系陶瓷,用 途：,氮化硅陶瓷,光導(dǎo)纖維,醫(yī)學(xué)、日常生活、交通、通訊、機(jī)械、建筑航空、航天等,,,二、新型無機(jī)非金屬材料,新型無機(jī)非金屬材料,2024/3/25,4,傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料與新型材料的比較,傳統(tǒng)的硅酸鹽材料優(yōu)、缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：抗腐蝕、耐高溫；缺點(diǎn)：質(zhì)脆、

3、經(jīng)不起熱沖擊。,新型無機(jī)非金屬材料特性,①承受高溫，強(qiáng)度高。 ②具有光學(xué)特性。③具有電學(xué)特性。 ④具有生物功能。,新型無機(jī)非金屬材料,2024/3/25,5,新型無機(jī)非金屬材料的特性,（1）.能承受高溫、強(qiáng)度高。例如：氮化硅陶瓷在1200℃左右的高溫下，仍具有很高的強(qiáng)度，可用來制造汽輪機(jī)葉片、軸承、永久性模具等。,新型無機(jī)非金屬材料,2024/3/25,6,（2）.具有電學(xué)特性，一些新型無機(jī)非金屬材料可以作為半導(dǎo)體、導(dǎo)體、超導(dǎo)體

4、等，一些絕緣性材料常被用于集成電路的基板。,新型無機(jī)非金屬材料,2024/3/25,7,（3）.具有光學(xué)特性。有些新型無機(jī)非金屬材料能發(fā)出各色的光，有的能透過可見光，有的能使紅外線、雷達(dá)射線穿過。,處于高溫下的光導(dǎo)纖維,新型無機(jī)非金屬材料,2024/3/25,8,（4）. 具有生物特性。有些新型無機(jī)非金屬材料強(qiáng)度高、無毒、不溶于水，對(duì)人體組織有較好的適應(yīng)性，可直接植入人體內(nèi)，用這類材料制成的人造牙齒、人造骨骼，已被應(yīng)用在醫(yī)療上。,人造關(guān)

5、節(jié),新型無機(jī)非金屬材料,2024/3/25,9,新 型 陶 瓷 材 料,習(xí)慣上把陶瓷(ceramics)分為傳統(tǒng)陶瓷和特種陶瓷?！　鹘y(tǒng)陶瓷是以粘土、長(zhǎng)石、石英等天然礦物為原料經(jīng)燒結(jié)而成的。　　特種陶瓷是以人工合成的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物超細(xì)微粒為原料特制而成。又稱精細(xì)陶瓷、精密陶瓷。,新型陶瓷,2024/3/25,10,碳化硅SiC,俗稱金剛砂。熔點(diǎn)高(2450℃),硬度大(9.2),是重要的工業(yè)磨料。如其中摻入某

6、些雜質(zhì),會(huì)使之出現(xiàn)半導(dǎo)體,作為高溫半導(dǎo)體,用于電熱元件。作為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷,日益受到人們的重視。它最適宜的應(yīng)用領(lǐng)域是高溫、耐磨和耐蝕的環(huán)境,現(xiàn)已用作火箭噴嘴,熱電偶保護(hù)管,熱交換器和耐磨、耐蝕的零件。,碳化硅制成的渦輪葉片,1、新型陶瓷,新型陶瓷,2024/3/25,11,氮化硅陶瓷（Si3N4 ）是灰白色固體，硬度為9，是最硬的材料之一。它的導(dǎo)熱性好且膨脹系數(shù)小，可經(jīng)受低溫高溫、驟冷驟熱反復(fù)上千次的變化而不破壞，因此是十分理想的高溫結(jié)

7、構(gòu)材料。,新型陶瓷,2024/3/25,12,科技人員發(fā)現(xiàn)，如果用耐高溫的陶瓷，如氮化硅陶瓷等代替合金鋼制造陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)，其工作溫度可達(dá)1300℃～1500℃。 美國(guó)軍方曾做過一次有趣的實(shí)驗(yàn)：在演習(xí)場(chǎng)200米跑道的起跑線上，停放著兩輛坦克，一輛裝有500馬力的鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)，而另一輛裝有同樣馬力的陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)。陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)果然身手不凡，那輛坦克僅用了19秒鐘就首先到達(dá)終點(diǎn)，而鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)坦克在充分預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)后，用了26秒才跑完全程。其奧秘就在于陶瓷

8、發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率高，不僅可節(jié)省30％的熱能，而且工作功率比鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)提高45％以上。另外，陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)無需水冷系統(tǒng)，其密度也只有鋼的一半左右，這對(duì)減小發(fā)動(dòng)機(jī)自身重量也有重要意義。,新型陶瓷,2024/3/25,13,氧化鋁陶瓷,性  能,用  途,熔點(diǎn)高,坩堝、高溫爐管,硬度大,剛玉球磨機(jī),透明、耐高溫,高壓鈉燈燈管,,新型陶瓷,2024/3/25,14,高純氧化鋁透明陶瓷管,新型陶瓷,2024/3/25,15,高壓鈉燈

9、,新型陶瓷,2024/3/25,16,交流,1、新興陶瓷材料具有那些優(yōu)良的性能？2、碳化硅結(jié)構(gòu)同硅相似，分析其可能的性質(zhì)。3、寫出制取碳化硅、氮化硅的化學(xué)反應(yīng)方程式。,SiO2+3C=SiC+2CO↑3Si+2N2=Si3N43SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl,原子晶體,新型陶瓷,2024/3/25,17,,功能陶瓷(functional ceramics)材料是以特定的性能或通過各種物理因素（如聲、光、電、磁

10、）作用而顯示出獨(dú)特功能的材料。,功能陶瓷,新型陶瓷,2024/3/25,18,TiO2、 ZrO2 、 LaCrO3 等高溫電子陶瓷，用于制造電容器和電子工業(yè)中的高溫高頻器件。如BaTiO3類陶瓷用于制造溫度傳感材料；CdS、PbTiO3系陶瓷用于制造光敏傳感材料；ZnO系陶瓷，SiC 、BaTiO3系陶瓷用于制造壓力和振動(dòng)傳感材料等。,功能陶瓷的用途：,新型陶瓷,2024/3/25,19,生物陶瓷是用于人體器官替換、修補(bǔ)，及外科矯形

11、的陶瓷材料。主要包括羥基磷灰石、氧化鋁、生物活性玻璃陶瓷等。,生物陶瓷材料,,,,,羥基磷灰石[Ca10(PO4) 6(OH) 2]陶瓷的用途： 它具有良好的生物活性，能與人骨緊密結(jié)合。主要用于不承載的小型種植體（如耳骨），用金屬支撐加強(qiáng)的牙科種植體。,新型陶瓷,2024/3/25,20,生物陶瓷人工聽小骨假體由羥基磷灰石(HA)陶瓷制成，表面具有微孔，可使患者聽力平均高

12、20~30dB，適用于慢性化膿性中耳炎患者作聽小骨置換和鼓臘修復(fù)手術(shù)。自1989年以來已臨床應(yīng)用800多例，通過省級(jí)鑒定。,新型陶瓷,2024/3/25,21,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

13、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，塑性、韌性好。,納米氧化鋯陶瓷顆粒,新型陶瓷,2024/3/25,22,單晶硅在日常生活中是電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中不可缺少的基本材料。電視、電腦、冰箱、電話、手表、汽車，處處都離不開單晶硅材料，單晶硅作為科技應(yīng)用普及材料之一，已經(jīng)滲透到人們生活中的各個(gè)角落。

14、 單晶硅在火星上是火星探測(cè)器中太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器的制成材料?；鹦翘綔y(cè)器在火星上的能量全部來自太陽(yáng)光，探測(cè)器白天休息--利用太陽(yáng)能電池板把光能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)起來，晚上則進(jìn)行科學(xué)研究活動(dòng)。也就是說，只要有了單晶硅，在太陽(yáng)光照到的地方，就有了能量來源。 單晶硅在太空中是航天飛機(jī)、宇宙飛船、人造衛(wèi)星必不可少的原材料。人類在征服宇宙的征途上，所取得的每一步進(jìn)步，都有著單晶硅的身影。航天器材大部分的零部件都要以單晶硅為基礎(chǔ)。離開單晶硅

15、，衛(wèi)星會(huì)沒有能源，沒有單晶硅，航天飛機(jī)和宇航員不會(huì)和地球取得聯(lián)系，單晶硅作為人類科技進(jìn)步的基石，為人類征服太空作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。 單晶硅在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用高純的單晶硅是重要的半導(dǎo)體材料。在光伏技術(shù)和微小型半導(dǎo)體逆變器技術(shù)飛速發(fā)展的今天，利用硅單晶所生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池可以直接把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為光能，實(shí)現(xiàn)了邁向綠色能源革命的開始。,現(xiàn)代信息基礎(chǔ)材料——單晶硅,2024/3/25,23,由硅石?粗硅?高純多晶硅（純度在9個(gè)“9”以

16、上(99.9999999％以上)?單晶硅（1） 粗硅的制備：又稱工業(yè)硅，純度在95％?99％的硅（反應(yīng)要點(diǎn)　高溫1600℃?1800℃）,（2）SiHCl3的制備　多用粗硅與干燥氯化氫在200℃以上反應(yīng)：Si十3HCl==SiHCl3+H2,（3）精餾提純后的SiHCl3用高純氫氣還原得到多晶硅 SiHCl3十H2==Si十3HCl,2、現(xiàn)代信息技術(shù)材料----單晶硅,SiO2(s)十2C(s)＝Si(s

17、)十2CO(g),現(xiàn)代信息基礎(chǔ)材料——單晶硅,2024/3/25,24,閱讀：科學(xué)視野—太陽(yáng)能電池,現(xiàn)代信息基礎(chǔ)材料——單晶硅,2024/3/25,25,討論,1.高壓合成金剛石的局限性？2.化學(xué)氣相沉積法制造金剛石薄膜的原理是什么？,3.石墨、金剛石、C60新材料誕生新技術(shù),石墨、金剛石和C60,2024/3/25,26,碳的三種同素異形體的比較,金剛石,石墨,C60,石墨、金剛石和C60,2024/3/25,27,注 意：,金

18、剛石 石墨 C60 之間的關(guān)系？,碳的三種物質(zhì)形態(tài),石墨、金剛石和C60,2024/3/25,28,碳的三種同素異形體的比較,石墨、金剛石和C60,2024/3/25,29,C60及其應(yīng)用前景    C60的發(fā)現(xiàn)      1985年，美國(guó)科學(xué)家克羅托（H.W.K.kroto)等用質(zhì)譜儀,嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件,得到以C60為主的質(zhì)譜圖。由于受建筑學(xué)

19、家布克米尼斯持?富勒（BuckminsterFuller）設(shè)計(jì)的球形薄殼建筑結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，克羅托（kroto)等提出 C60是由60個(gè)碳原子構(gòu)成的球形32面體，即由12個(gè)五邊形和20個(gè)六邊形構(gòu)成。其中五邊形彼此不相連，只與六邊形相連。隨后將 C60分子命名為布克米尼斯持?富勒烯（BuckminsterFuller）。由于C60分子的結(jié)構(gòu)酷似足球，所以又稱為足球烯（Footballene）除C60外，具有封閉籠狀結(jié)構(gòu)的還可能有 C28、C3

20、2、C50、C70、C84、……C240、C540等，統(tǒng)稱為Fullerenes，中文譯名為富勒烯。,石墨、金剛石和C60,2024/3/25,30,C60的超導(dǎo)性　  1991年，赫巴德（Hebard）等首先提出摻鉀C60具有超導(dǎo)性，超導(dǎo)起始溫度為18K，打破了有機(jī)超導(dǎo)體（Et）2Cu[N（CN）2]Cl超導(dǎo)起始溫度為12.8K的紀(jì)錄。不久又制備出Rb3C60的超導(dǎo)體，超導(dǎo)起始溫度為29K。表1-1列出了已合成的各種摻雜C

21、60的超導(dǎo)體和超導(dǎo)起始溫度，說明摻雜C60的超導(dǎo)體已進(jìn)入高溫超導(dǎo)體的行列。我國(guó)在這方面的研究也很有成就，北京大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院物理所合作，成功地合成了K3C60和Rb3C60的超導(dǎo)體，超導(dǎo)起始溫度分別為8K和28K。有科學(xué)工作者預(yù)言，如果摻雜C240和摻雜C540，有可能合成出具有更高超導(dǎo)起始溫度的超導(dǎo)體。,石墨、金剛石和C60,2024/3/25,31,人們對(duì)C60的研究還在繼續(xù)，希望同學(xué)們加油，將來的某一天你也會(huì)在這方面獲得巨大成功。