初中化學(xué)教材中高科技知識(shí)研究論文

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【摘要】本文主要對(duì)人教版初中化學(xué)教材中設(shè)計(jì)的高科技知識(shí)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，以期為教師授課中的講解提供方便。

【關(guān)鍵詞】形狀記憶合金鈦合金合成材料

一、形狀記憶合金

形狀記憶合金是近幾十年發(fā)展起來的一種新型功能材料,它是利用應(yīng)力和溫度誘發(fā)相變的機(jī)理來實(shí)現(xiàn)形狀記憶功能的一類材料。其特點(diǎn)是:將已在高溫下定型的形狀記憶合金置于低溫或常溫下使其產(chǎn)生變形,當(dāng)環(huán)境溫度升高到臨界溫度(相變點(diǎn))時(shí),合金的變形消失并可恢復(fù)到定型時(shí)的原始狀態(tài)。例如,TiNi合金從高溫降低到臨界溫度時(shí),晶體結(jié)構(gòu)由菱形轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎襟w;當(dāng)溫度從低溫上升到臨界溫度時(shí),晶體結(jié)構(gòu)從立方體恢復(fù)為菱形。在恢復(fù)過程中,合金能產(chǎn)生與溫度呈函數(shù)關(guān)系的位移和力,其能量來自于相變驅(qū)動(dòng)力。這種升溫后合金的變形消失、形狀復(fù)原的現(xiàn)象稱為形狀記憶效應(yīng)。目前，形狀記憶合金在電氣、機(jī)械、運(yùn)輸、化學(xué)、醫(yī)療、能源、航空、生活用品等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。最典型的應(yīng)用例子是航天飛機(jī)的傘型天線,為方便發(fā)射把它壓扁附在船體上,飛船升空后受陽(yáng)光的輻射而升溫,于是天線便記憶起原來的形狀,重新支起。

二、鈦合金

鈦合金的正式開發(fā)和應(yīng)用僅僅是最近50年來才開始的，并且在50年代幾乎只有美國(guó)一國(guó)在進(jìn)行研究，最早開發(fā)成功了Ti-6Al-4V，目前世界鈦合金加工材年產(chǎn)量已達(dá)4萬(wàn)余噸,鈦合金牌號(hào)近30種。其性能如下：（1）熱強(qiáng)度高（2）低溫性能好(3)抗蝕性好(4)化學(xué)活性大(5)導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小。目前，鈦合金的主要應(yīng)用如下：

1.航空領(lǐng)域

由于飛機(jī)和導(dǎo)彈的速度已增加到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過音速，從前使用鋁合金的地方，因其耐熱性的要求，已不大適應(yīng)，所以采用新材料，尤其是鈦及其合金來代替。鈦的密度小，又具有高的耐熱性和持久強(qiáng)度，對(duì)在振動(dòng)載荷及沖擊載荷作用下裂紋擴(kuò)展的敏感性低，并且有良好的耐蝕性。因此在飛機(jī)上廣泛采用鈦及其合金，小至螺釘、螺母等緊固件，大至機(jī)身骨架、隔框等結(jié)構(gòu)件。目前，先進(jìn)飛機(jī)上的鈦材重量達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)總重的30%~40%，鈦材已成為現(xiàn)代飛機(jī)不可缺少的結(jié)構(gòu)材料。

2.生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

鈦無毒、質(zhì)輕、強(qiáng)度高且具有優(yōu)良的生物相容性，因此，是非常理想的醫(yī)用金屬材料，鈦?zhàn)鳛橥饪浦踩氩牧系玫搅藦V泛發(fā)展。最初應(yīng)用于臨床的鈦合金主要以純鈦和Ti-6Al-4V為代表，后來對(duì)β型鈦合金的研究最廣。純鈦在生理環(huán)境中具有良好的抗腐蝕性能，但其強(qiáng)度較低，耐磨損性能較差，限制了它在承載較大部位的應(yīng)用，目前主要用于口腔修復(fù)及承載較小部分的骨替換，但目前尚未出現(xiàn)強(qiáng)度問題。相比之下，Ti-6Al-4V具有較高的強(qiáng)度和較好的加工性能，這種合金最初是為航天應(yīng)用設(shè)的，70年代后期被廣泛用作外科修復(fù)材料，如髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)等。同時(shí)Ti-3Al-2.5V也在臨床上被用作股骨和脛骨替換材料。

3.海軍領(lǐng)域

鈦在海軍裝備方面的應(yīng)用,俄羅斯處于世界絕對(duì)領(lǐng)先的位置。世界上第一艘全鈦核潛艇于1968年12月下水,已運(yùn)行30多年。該潛艇應(yīng)用了大量的板材、管材、鍛件,潛艇的所有裝置全部是由鈦合金制造的,這包括巨大的焊接結(jié)構(gòu)殼體、巨大的管路系統(tǒng)和不同的裝置和機(jī)器設(shè)備。美國(guó)曾在航母上用鈦合金進(jìn)行裝艇服役評(píng)價(jià)，每個(gè)航母可減重15t。

此外，鈦合金在兵器、汽車、石油、化工等方面都有廣泛的應(yīng)用。

三、合成材料在科學(xué)技術(shù)中的運(yùn)用

下面將對(duì)教材中出現(xiàn)的三種合成材料做——高分子材料制造的半透膜、復(fù)合材料碳纖維、導(dǎo)電塑料進(jìn)行介紹。

1.高分子材料制造的半透膜

半透膜是一種只給某種分子或離子擴(kuò)散進(jìn)出的薄膜，對(duì)不同質(zhì)點(diǎn)的通過具有選擇性的薄膜。例如細(xì)胞膜、膀胱膜、羊皮紙以及人工制的膠棉薄膜等。現(xiàn)代半透膜還用與多孔性壁（如無釉陶瓷）并使適當(dāng)?shù)幕衔铮ㄈ玷F氰化銅）沉淀于其孔隙中制成。半透膜用于滲透溶膠和測(cè)定滲透壓強(qiáng)等。生物吸取養(yǎng)分也是通過半透膜進(jìn)行的。而用高分子材料經(jīng)過特殊工藝制成的半透膜，它只允許水分子透過，而不允許溶質(zhì)通過。用高壓泵使處于半透膜一側(cè)的原水壓力超過滲透壓時(shí)，原水中的水分子就能夠透過半透膜進(jìn)入另一側(cè)，從而獲得純凈水。而原水中的溶解與非溶解的無機(jī)鹽，重金屬離子，有機(jī)物，菌體，膠體等物質(zhì)無法通過半透膜，只能留在濃縮水中被放掉。反滲透設(shè)備廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)、飲料行業(yè)、電子、電力行業(yè)等。

2.復(fù)合材料碳纖維

碳纖維是由有機(jī)母體纖維(粘膠絲、聚丙烯睛或?yàn)r青等采用高溫分解法在1000~3000℃高溫的惰性氣體下碳化制成的，具有強(qiáng)度大、模量高、密度低、線膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的材料。特別是聚丙烯腈(PAN)基碳纖維，其性能優(yōu)越，更適合規(guī)模化生產(chǎn)，是當(dāng)今碳纖維的主流成為了軍民兩用的主導(dǎo)材料，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航空航天高檔民用產(chǎn)品。其實(shí)，碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導(dǎo)電導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性，柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維是由含碳量較高，在熱處理過程中不熔融的人造化學(xué)纖維，經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。碳纖維作為高性能纖維的代表，屬于高技術(shù)密集型產(chǎn)品，其生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜，產(chǎn)業(yè)發(fā)展涉及官、產(chǎn)、學(xué)、研各個(gè)環(huán)節(jié)。由于它是發(fā)展航天航空和軍事工業(yè)等尖端技術(shù)必不可少的新材料，也是民用工業(yè)更新?lián)Q代的基礎(chǔ)材料，國(guó)外又對(duì)其出口進(jìn)行封鎖，所以近年來我國(guó)就一直比較重視對(duì)其研制和生產(chǎn)，雖然起步較早，投入不薄，但仍處于失利地位，很重要的一個(gè)方面是中國(guó)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新系統(tǒng)存在的問題。

3.導(dǎo)電塑料

導(dǎo)電塑料是一種高分子材料，是目前國(guó)際上一個(gè)十分活躍的研究開發(fā)領(lǐng)域，已從初期的純實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)展到應(yīng)用研究階段，成為新一代電子材料。導(dǎo)電高分子材料按照其導(dǎo)電機(jī)理可分為結(jié)構(gòu)型和復(fù)合型兩大類。目前，結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料的合成工藝較復(fù)雜，成本較高；而復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料加工簡(jiǎn)單、成本低，因而被廣泛應(yīng)用于電子、汽車、民用等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃麗琴.形狀記憶合金的應(yīng)用[J].常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，(03).

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