专题4_材料的加工和优化处理

1、第一单元 材料的加工处理,专题4 材料加工与性能优化,化学与技术,2011.7.21,思考1：你知道的材料有哪些类型？,金属材料无机非金属材料（水泥、陶瓷、玻璃、硅、二氧化硅）高分子材料（橡胶、塑料、纤维）复合材料,思考2：铝是一种应用广泛的金属材料。铝的化学性质活泼，但是它的耐腐蚀性很强，请用解释其中的化学原理。,铝对氧的化学亲和力特别强，在大气中其表面总是被一层透明的氧化膜所覆盖，但是天然的铝氧化膜极薄，只有0.01-0.10um厚，机械强度低，抗蚀和耐磨性都不能满足防腐蚀的需要。,利用电化学方法，可使铝（或铝合金）表面生成致密的优质氧化膜，且膜较厚，其厚度可达几十至几百微米，能有效地提高铝的耐腐蚀性。另外，由于所形成的氧化膜存在均匀的孔隙，故可用有机染料进行染色处理，经封密后色泽稳定，使铝材的应用更加广泛。 这种使铝表面氧化的电化学工艺称为铝的阳极氧化。,1、铝的阳极氧化,步骤：1.表面预处理：把铝片浸入热的16%氢氧化钠溶液半分钟， 目的是 ；,洗去油污，去除表面的氧化膜,2.阳极氧化：准备好电解装置，使阴阳电极间距约为2cm，迅速将铝片浸入溶液，浸入部分约为全部的2/3，通电

2、约为25min；,3.洗涤：断开电路，取出铝片。用1%氨水中和表面的酸溶液，再用水冲洗干净。,4.着色、封闭：把铝片进入茜素溶液23min，取出后用水冲洗，再放入沸水中浸煮5min。,5. 取出铝片，擦干。观察铝片表面的颜色。,茜素是一种有机染料，这是金属表面处理后的着色过程。思考为何在金属表层能进行着色。什么原因?,沸水中，氧化膜发生水化，体积膨胀，其中的微孔被挤紧堵塞。,由于氧化膜孔层具有很强的吸附性能，可吸附色素将膜染成各种颜色。,作用：形成氧化膜，增强了铝制品的抗腐蚀和抗机械划伤能力,一 金属的表面处理,阅读P67“活动与探究”,什么是阴极、什么是阳极？,铁在含有氧化剂和苛性钠的混合溶液中，一定温度下经一定时间后，反应生成亚铁酸钠(Na2FeO2)和铁酸钠(Na2Fe2O4)，亚铁酸钠与铁酸钠又相互作用生成四氧化三铁氧化膜。其反应方程式为： 3Fe+NaNO2+5NaOH=3Na2FeO2+H2O+NH3 8Fe+3NaNO3+5NaOH+2H2O=4Na2Fe2O4+3NH3 Na2FeO2+Na2Fe2O4+2H2O=Fe3O4+4NaOH,一 金属的表面处理,2、钢材的氧

3、化处理（发蓝、发黑）,目的：,思考：上述反应中，哪些是氧化还原反应？,0,+2,+3,3,0,+3,+3,-3,课本P67,+2,使钢表层在化学溶液中氧化形成Fe3O4致密氧化膜。,+3,3、钢材的磷化处理基本方法：使钢在磷酸盐溶液中表层形成磷酸盐膜。作用：达到提高耐磨、耐蚀性。,以镀层金属板作为阳极，被电镀的零件作为阴极，用含有镀层金属离子的溶液作为电解液，接通直流电后，阳极逐渐被溶解，阴极零件表面便会沉积着镀层金属。,作用：提高耐磨、耐蚀性，修复磨损零件，实现表面装饰及其他目的。,一 金属的表面处理,4、电镀,原理：（以铁钥匙上镀上金属铜为例）,请大家仔细阅读教材中68页“活动与探究”及69页的内容，思考以下问题：电镀液中加入味精、乙二胺四乙酸的二钠盐等分别起什么作用？ 本实验如何控制电镀液的pH、温度和电镀时间以获得高质量的镀层？,(1)少量表面活性剂（味精）能改善镀层性能。(2)乙二胺四乙酸的二钠盐等配合剂可以使镀层金属离子形成配合离子，这样能很好地控制金属在镀件上析出速率,本实验中电镀液的酸碱度将影响到金属配合离子的稳定性，加入0.2molL1NaOH溶液进行调节pH9。为了

4、避免温度影响镀层，将水浴温度控制在3060。此外，电镀时间大约12分钟。,课本P69,5、在金属表面渗入某些其它元素,一 金属的表面处理,练习：我国第五套人民币中的一元硬币材料为钢芯镀镍，依据你所掌握的电镀原理，你认为在硬币制作时，钢芯应做（ ）。 A阴极 B阳极 C正极 D负极,A,例1.对金属制品进行抗腐蚀处理，可延长其使用寿命。（1）以下为铝材表面处理的一种方法：,碱洗的目的是除去铝材表面的自然氧化膜，碱洗时常有气泡冒出，原因是 （用离子方程式表示）。为将碱洗槽液中铝以沉淀形式回收，最好向槽液中加入下列试剂中的_。aNH3 bCO2 cNaOH dHNO3 以铝材为阳极，在H2SO4 溶液中电解，铝材表面形成氧化膜，阳极电极反应为 。取少量废电解液，加入NaHCO3，溶液后产生气泡和白色沉淀，产生沉淀的离子反应方程式。,2Al+2OH-+4H2O=2Al(OH)4-+3H2；,b,2Al+3H2O-6e -=Al2O3+6H+,Al3+3HCO3- = Al(OH)3+3CO2,（2）镀铜可防止铁制品腐蚀，电镀时用铜而不用石墨作阳极的原因是。（3）利用右图装置，可以模拟铁的电化学

5、防护。 若X为碳棒，为减缓铁的腐蚀，开关K应置于_处。 若X为锌，开关K置于M处，该电化学防护法称为_。,阳极Cu可以发生氧化反应生成Cu2+,N,N,牺牲阳极保护法,二、腐蚀加工技术,【问题1】在电子工业上，用浓三氯化铁溶液腐蚀敷铜板。在敷铜板上，用类似照相复印的方法将设计好的电子线路用感光胶印在铜箔上，然后将图形以外不受感光胶保护的铜箔用氯化铁溶液腐蚀除去，用化学方程式表示化学原理？,2FeCl3 + Cu = 2FeCl2 + CuCl2,【问题2】阅读教材P70-氢氟酸蚀刻玻璃 原理？氢氟酸和石蜡各起了什么作用？,氢氟酸：腐蚀玻璃 SiO2+4HF=SiF4+2H2O石蜡：保护玻璃（使没被作画的那部分玻璃不被腐蚀）,氢氟酸有毒，且对皮肤有强烈刺激性和腐蚀性，皮肤接触后立即用大量流水作长时间彻底冲洗，所以带手套。 。,【问题3】用硫酸溶液在木版、竹片上作画，烘干后，可留下棕黑色的画，其原理？,第二单元 材料组成的优化,专题4 材料加工与性能优化,化学与技术,2011.7.21,措施1：改变材料的组成,1.合金： 由金属与金属或非金属经过融合而成的具有金属特性的物质,各类型合金都有

6、以下通性：,一般来说，合金的性质并不是各种成分金属性质的总和。合金具有很多良好的物理、化学或机械性能，在许多方面优于各成分金属。(1)多数合金熔点低于其组分中任一种组成金属的熔点；(2)硬度比其组分中任一金属的硬度大；,利用此原理，可制造储氢合金的空调器；或对氢气进行精制。,温度低有利于吸氢，温度高有利于放氢,合金应用：什么是贮氢合金？贮氢反应有什么特点，怎么利用平衡移动来解释贮氢的原理。,措施1：改变材料的组成,2.硅酸盐材料和精细陶瓷,硅酸盐材料是以含硅物质为原料高温烧制而成的。,措施1：改变材料的组成,石灰石、黏土、石膏,高温,硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙,纯碱、石灰石、石英沙,高温,硅酸钠、硅酸钙、二氧化硅,黏土,高温,问题1：何为钾玻璃？为何可制造化学仪器？,问题2：石英玻璃为何耐高温性能特别好？,问题3：钢化玻璃机械强度大，抗震，不易破碎，即使破碎也不会形成有棱角的碎片。其成分是什么？如何制成？,玻璃中二氧化硅含量越大越耐高温。此外加入氧化硼，使玻璃的膨胀系数降低，能耐受温度的剧烈变化。,钾玻璃就是硅酸钾替代硅酸钠，熔点高、耐化学腐蚀。,针对陶瓷存在的问题，化学家用改变陶瓷

7、组分的方法研制出具有高强度、耐高温、耐腐蚀，并具有声、电、光、热、磁等多方面特殊功能的新一代无机非金属材料-精细陶瓷,1、高温结构陶瓷:（化学组成：氮化硅）,2、透明陶瓷,3、生物陶瓷,精细陶瓷,生物陶瓷：某些合成高分子材料与人体器官组织的天然高分子有着极其相似的化学结构和物理性质。因此这些医用高分子做成的人工器官具有很好的生物相容性，不会因与人体接触而产生排斥作用。如人造骨骼、人造牙、人造肾脏、人造心脏等。,人造心脏,人造肾脏,人造膝关节,措施2：提高材料纯度,单晶硅和二氧化硅的应用 单晶硅经常表现出电、磁、光、热等方面的优异性能，用其做成的电子器件、半导体器件等应用于现代科技的许多领域，如晶体管主要由硅、锗或砷化镓单晶组成。还可用于太阳能电池板和可控硅元件的制造。 二氧化硅做成的光纤有巨大的信息容量，且通信不受外界电磁场的干扰，工作稳定可靠，保密程度高。同时生产1km长的光纤只需几克超纯石英玻璃，可节省1.1t铜。,超纯硅的制取反应原理：,制粗硅：用焦炭还原二氧化硅，写出方程式。,粗硅转变为SiCl4或SiHCl3： Si + 2Cl2 = SiCl4 Si + 3HCl = Si

8、HCl3 + ？,精馏提纯SiCl4和SiHCl3后制高纯硅： 2H2+ SiCl4 =？ SiHCl3 + H2 =？,制高纯二氧化硅（光纤）：,H2,Si +4 HCl,Si + 3HCl,措施3：研制纳米材料,1、纳米材料定义 P77,高纯度的纳米颗粒材料是无法用通常的机械粉碎法获得的，因为机械粉碎法只能得到直径为1000nm以上的颗粒。 纳米材料可通过物理或化学的方法制得，化学方法主要是利用化学反应使原子或分子聚集、沉淀形成纳米颗粒。,2、纳米材料特性,3、纳米材料的制备方法,例1：近日，“杭州创造”首届十大创新成就评选发布晚会上，浙江省富通集团光纤预制棒项目赢得十大创新成就殊荣。光纤预制棒是光缆生产的最“源头”项目，目前国内光缆生产厂家约200家，大部分靠买进口光纤预制棒来生产光缆。,光纤预制棒的化学成分是 ，晶体类型为 。,如果把光缆裸露在碱性土壤中，结果会“短路”，用离子方程式说明原因 。,下列说法正确的是（ ）A、石英玻璃与普通玻璃都是硅酸盐制品 B、二氧化硅是良好半导体材料C、工艺师用盐酸刻蚀石英制作艺术品 D、石英与二氧化碳化学键相同,石英可以制备各种各样的陶瓷制品，如坩埚、蒸发皿、氮化硅高温结构陶瓷等。写出氮化硅的化学式 ，工业上用石英、焦碳、氮气制备氮化硅，写出反应方程式 。,SiO2,原子晶体,SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O,D,Si3N4,3SiO2 + 2N2 + 6C = Si3N4 + 6CO,晶体硅是电子工业的重要材料，工业上大量的晶体硅是由石英为原料制备得到的。制备纯硅的主要步骤如下：高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅；粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3；SiHCl3与过量H2在10001100反应制得纯硅。其中用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如下（热源装置略去）：,为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以及 。,

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