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2019-2020年高一化學(xué)元素與材料世界 復(fù)合材料 一. 教學(xué)內(nèi)容： 第4章 第3節(jié) 復(fù)合材料 二. 教學(xué)目的 1、了解復(fù)合材料的形成和組成部分 2、體會(huì)物質(zhì)的元素組成與材料性能的關(guān)系 3、能列舉幾種常見的復(fù)合材料及其在生產(chǎn)、生活中的重要應(yīng)用…… 三. 教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn) 復(fù)合材料的組成 四. 知識(shí)分析 科學(xué)技術(shù)是人類文明進(jìn)步的基本推動(dòng)力。20世紀(jì)的歷史表明：科學(xué)技術(shù)的發(fā)展常常會(huì)超乎我們的想像，但科學(xué)技術(shù)的發(fā)展又離不開我們的想像。人類正面臨著新科技革命的挑戰(zhàn)。而新材料技術(shù)是技術(shù)的基礎(chǔ)，它是文明大廈的基石，它包括對(duì)超導(dǎo)材料、高溫材料、人工合成材料、陶瓷材料、非晶態(tài)材料、單晶材料、纖維材料、高性能材料等的開發(fā)和利用。 運(yùn)動(dòng)員在登山時(shí)用的保險(xiǎn)繩、滑雪時(shí)用的滑雪板及釣魚竿上的漁線等這些小巧、靈活而強(qiáng)度高的東西是用什么材料構(gòu)成的呢？ （一）認(rèn)識(shí)復(fù)合材料 1、材料科學(xué)的發(fā)展過程 材料科學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了天然材料、無機(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)過程。 其中，無機(jī)非金屬材料主要包括陶瓷材料、玻璃材料、無機(jī)非金屬涂層材料等。此類材料一般耐高溫、抗腐蝕，有些材料還有獨(dú)特的光電特性。硅酸鹽材料主要指水泥、玻璃、陶瓷等，是傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料。而半導(dǎo)體材料、超硬耐高溫材料、發(fā)光材料等是新型無機(jī)非金屬材料。 2、復(fù)合材料的定義及組成 復(fù)合材料是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。 復(fù)合材料由兩部分組成，一部分稱為基體，在復(fù)合材料中起黏結(jié)作用；另一部分稱為增強(qiáng)體，在復(fù)合材料中起骨架作用。 3、復(fù)合材料的分類 按基體分類，可分為樹脂基復(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)體分，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。 發(fā)展較快、應(yīng)用較廣的是纖維做增強(qiáng)體的復(fù)合材料。 4、復(fù)合材料的特點(diǎn) 單一材料的優(yōu)缺點(diǎn)如下： 材料 實(shí)例 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 金屬材料 鋼鐵 硬度大、機(jī)械性能好 易被腐蝕 無機(jī)非金屬材料 普通玻璃 性質(zhì)穩(wěn)定、熔點(diǎn)高 易破碎 有機(jī)合成材料 塑料 強(qiáng)度大、電絕緣，良好的熱塑性、熱固性 易燃燒、易老化，廢棄后不易分解 復(fù)合材料既保持了原有材料的特點(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。單一材料的缺點(diǎn)都可以通過復(fù)合的方法予以改善和克服。 （二）形形色色的復(fù)合材料 1、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做增強(qiáng)體、合成樹脂做基體的復(fù)合材料。 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脂中，也可以把玻璃纖維切成短纖維加到合成樹脂中。除了普通玻璃纖維外，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做玻璃鋼的增強(qiáng)體。 玻璃鋼的強(qiáng)度可以達(dá)到甚至超過合金鋼的強(qiáng)度，而密度只有鋼鐵的1/5左右，同時(shí)，這種材料保持著較好的耐化學(xué)腐蝕、電絕緣性和機(jī)械加工性能，而且又不像普通玻璃那樣硬、脆。玻璃鋼目前以大量用于游樂車、水上滑梯、運(yùn)輸罐、電話亭、餐桌椅等產(chǎn)品的生產(chǎn)。這些產(chǎn)品充分發(fā)揮了玻璃鋼重量輕、強(qiáng)度高、耐水、耐磨、耐撞、產(chǎn)品美觀及制造方便等特點(diǎn)。此外，玻璃鋼在排水管道工程中也得到了廣泛的應(yīng)用。 （2）碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 在合成樹脂中加入碳纖維做增強(qiáng)體的復(fù)合材料叫做碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。其特點(diǎn)是韌性好，強(qiáng)度高，質(zhì)輕。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料被廣泛用于制造高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、釣魚竿、賽車、賽艇、滑雪板和沖浪板等體育用品，也廣泛用在紡織機(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。 2、航空、航天領(lǐng)域中的復(fù)合材料 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)合材料大多以纖維為增強(qiáng)體、金屬為基體的復(fù)合材料作為增強(qiáng)體的纖維是碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維等耐熱性好的纖維，作為基體的金屬用得較多的是鋁、鎂、鈦等密度小的輕金屬。這類材料的特點(diǎn)是耐高溫、強(qiáng)度高、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，不吸濕，不易老化。 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。 【典型例題】 例題1. 下列關(guān)于復(fù)合材料的說法正確的是（ ） A. 將不同性質(zhì)的材料經(jīng)簡單混合便成復(fù)合材料 B. 合金就是復(fù)合材料 C. 復(fù)合材料中的各部分作用相同 D. 復(fù)合材料兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料經(jīng)特殊加工而制成的 答案： D 解析：復(fù)合材料兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料經(jīng)特殊加工而制成的，并不是簡單的混合。復(fù)合材料的兩部分作用是不同的，基體起連接作用，增強(qiáng)體起骨架作用。 點(diǎn)評(píng)：本題考查復(fù)合材料的概念，它不同于混合物、不同于合金。 例題2. 對(duì)下列材料的特征及用途的說法不正確的是（ ） A. 玻璃纖維柔軟如絲，可像棉紗一樣紡織，但拉伸強(qiáng)度低 B. 光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)光的能力很強(qiáng)，是非常好的通訊材料 C. 氮化硅陶瓷耐高溫且不易傳熱，可用于制造柴油機(jī) D. 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 答案： A 解析：玻璃纖維雖然極細(xì)如絲，但其拉伸強(qiáng)度大，其拉伸強(qiáng)度接近于鋼。顯然A項(xiàng)錯(cuò)誤。 點(diǎn)評(píng)：玻璃纖維不同于植物纖維，是一種高強(qiáng)度的新型材料。 例題3. 復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是（ ） ①強(qiáng)度高 ②質(zhì)量輕 ③耐高溫 ④耐腐蝕 A. 僅 ①④ B. 僅 ②③ C. 除③外 D. ①②③④ 答案：D 解析： 復(fù)合材料既能保持原來材料的長處，又能彌補(bǔ)它們的不足，具有強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，耐高溫，耐腐蝕等特性。 點(diǎn)評(píng)：復(fù)合材料繼承了原來天然材料、無機(jī)非金屬材料、金屬材料、有機(jī)合成材料等優(yōu)點(diǎn)，極大改善了材料各種性能。 例題4. 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脂，增強(qiáng)體是玻璃纖維 D. 玻璃的強(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 答案： C 解析：該題主要考查玻璃鋼這種復(fù)合材料的基體組成結(jié)構(gòu)和性能特征，應(yīng)對(duì)復(fù)合材料的基體和增強(qiáng)體的功能有清楚的認(rèn)識(shí)，需通過分析各組與復(fù)合材料在性能上的關(guān)系，進(jìn)行比較判斷，方能得出結(jié)論。故答案是C。 點(diǎn)評(píng)：本題全面考查玻璃鋼的概念、性能。 【模擬試題】 一、選擇題（每題有1或2個(gè)正確答案） 1. 隨著社會(huì)的發(fā)展，復(fù)合材料是一種新型的有前途的發(fā)展材料。目前復(fù)合材料最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是（ ） A. 高分子分離膜 B. 人類的人工器官 C. 宇宙航空工業(yè) D. 新型藥物 2. 下列復(fù)合材料的類別中，有一種與其他三種不同，這一種是（　?。? A金屬基復(fù)合材料 B. 樹脂基復(fù)合材料 C. 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料 D. 絕緣基復(fù)合材料 3. 航天飛機(jī)機(jī)身上使用的隔熱陶瓷瓦是（ ） A. 仿生復(fù)合材料 B. 陶瓷和纖維復(fù)合而成的材料 C. 納米復(fù)合材料 D. 分子復(fù)合材料 4. 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)合材料是（ ） A. 金屬基復(fù)合材料 B. 樹脂基復(fù)合材料 C. 絕緣基復(fù)合材料 D. 智能復(fù)合材料 5. 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 6. 據(jù)報(bào)道，目前射程最遠(yuǎn)的導(dǎo)彈是俄羅斯的“白楊一號(hào)”，正是復(fù)合材料的使用使導(dǎo)彈的射程更遠(yuǎn)。 復(fù)合材料使導(dǎo)彈射程有了更大提高的原因是（ ） A. 復(fù)合材料的使用可以使導(dǎo)彈能承受超高溫 B. 復(fù)合材料的使用可以使導(dǎo)彈能質(zhì)量變輕 C. 復(fù)合材料的使用可以使導(dǎo)彈能承受超高強(qiáng)度的改變 D. 復(fù)合材料的使用可以使導(dǎo)彈能承受溫度的劇烈變化 7. 下列產(chǎn)品或材料屬于復(fù)合材料的是（ ） ①玻璃鋼 ②采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制的釣魚竿 ③飛機(jī)機(jī)身 ④航天飛機(jī)隔熱陶瓷片 ⑤納米高分子復(fù)合材料 A. ①⑤ B. ①②③ C. ②⑤ D. 全部 8. 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是在合成樹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. 游樂車，游樂船 B. 電話亭，餐桌椅 C. 網(wǎng)球排，釣魚竿 D. 飛機(jī)用隔熱瓦 9. 復(fù)合材料制成的防彈頭盔能抵御多種手槍子彈的射擊，最大限度的保護(hù)使用人員的安全，這利用了復(fù)合材料的（ ） A. 高強(qiáng)質(zhì)輕 B. 耐熱抗高溫 C. 耐腐蝕穩(wěn)定性好 D. 導(dǎo)電導(dǎo)熱性好 10. 美國的哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)在制造過程中應(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. 碳纖維復(fù)合材料 C. 玻璃鋼 D. 金屬基復(fù)合材料 二、填空題 11. 普通玻璃、普通鋼和玻璃鋼是三種不同的材料，它們?cè)谛阅芊矫娌顒e很大。請(qǐng)根據(jù)學(xué)過的知識(shí)，完成下面的表格。 12. 完成下面表格，體會(huì)復(fù)合材料與合金的異同。 參考答案 一、選擇題（每題有1或2個(gè)正確答案） 1. C 2. C 3. B 4. A 5. B 6. BC 7. D 8. C 9. A 10. A 二、填空題 11. 普通玻璃 普通鋼 玻璃鋼 主要組成元素或物質(zhì) Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 Fe、C、Mn、Si等 玻璃纖維和合成樹脂 材料類別 無機(jī)非金屬材料 合金 復(fù)合材料 性質(zhì)特點(diǎn) 無固定熔點(diǎn)、易軟化、易破碎 堅(jiān)硬、有韌性、有彈性 重量輕、強(qiáng)度高、耐水、耐磨、耐腐蝕、產(chǎn)品美觀 用途 窗玻璃、玻璃器皿等 機(jī)器零件、刀具建筑工業(yè)、化工生產(chǎn)、醫(yī)療器械制造 船體、汽車車身、印刷電路板、排水管道 12. 舉例 復(fù)合材料 合金 成分 玻璃鋼：玻璃纖維和合成樹脂 碳纖維：合成樹脂和碳纖維 鋁加入其它元素如：Cu、Mg、Si、Zn、Li 用途 船體、汽車車身、排水管道、紡織、機(jī)械、化工機(jī)械、宇宙工業(yè)等 鋁合金建筑業(yè)、容器和包裝業(yè)、交通運(yùn)輸、以及電子行業(yè)、飛機(jī)構(gòu)件等