初中化学教材中高科技知识研究论文

【摘要】本文主要对人教版初中化学教材中设计的高科技知识进行了详细的介绍，以期为教师授课中的讲解提供方便。

【关键词】形状记忆合金钛合金合成材料

一、形状记忆合金

形状记忆合金是近几十年发展起来的一种新型功能材料,它是利用应力和温度诱发相变的机理来实现形状记忆功能的一类材料。其特点是:将已在高温下定型的形状记忆合金置于低温或常温下使其产生变形,当环境温度升高到临界温度(相变点)时,合金的变形消失并可恢复到定型时的原始状态。例如,TiNi合金从高温降低到临界温度时,晶体结构由菱形转变为立方体;当温度从低温上升到临界温度时,晶体结构从立方体恢复为菱形。在恢复过程中,合金能产生与温度呈函数关系的位移和力,其能量来自于相变驱动力。这种升温后合金的变形消失、形状复原的现象称为形状记忆效应。目前，形状记忆合金在电气、机械、运输、化学、医疗、能源、航空、生活用品等领域都得到了应用。最典型的应用例子是航天飞机的伞型天线,为方便发射把它压扁附在船体上,飞船升空后受阳光的辐射而升温,于是天线便记忆起原来的形状,重新支起。

二、钛合金

钛合金的正式开发和应用仅仅是最近50年来才开始的，并且在50年代几乎只有美国一国在进行研究，最早开发成功了Ti-6Al-4V，目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨,钛合金牌号近30种。其性能如下：（1）热强度高（2）低温性能好(3)抗蚀性好(4)化学活性大(5)导热系数小、弹性模量小。目前，钛合金的主要应用如下：

1.航空领域

由机和导弹的速度已增加到远远超过音速，从前使用铝合金的地方，因其耐热性的要求，已不大适应，所以采用新材料，尤其是钛及其合金来代替。钛的密度小，又具有高的耐热性和持久强度，对在振动载荷及冲击载荷作用下裂纹扩展的敏感性低，并且有良好的耐蚀性。因此在飞机上广泛采用钛及其合金，小至螺钉、螺母等紧固件，大至机身骨架、隔框等结构件。目前，先进飞机上的钛材重量达到飞机结构总重的30%~40%，钛材已成为现代飞机不可缺少的结构材料。

2.生物医学领域

钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，因此，是非常理想的医用金属材料，钛作为外科植入材料得到了广泛发展。最初应用于临床的钛合金主要以纯钛和Ti-6Al-4V为代表，后来对β型钛合金的研究最广。纯钛在生理环境中具有良好的抗腐蚀性能，但其强度较低，耐磨损性能较差，限制了它在承载较大部位的应用，目前主要用于口腔修复及承载较小部分的骨替换，但目前尚未出现强度问题。相比之下，Ti-6Al-4V具有较高的强度和较好的加工性能，这种合金最初是为航天应用设的，70年代后期被广泛用作外科修复材料，如髋关节，膝关节等。同时Ti-3Al-2.5V也在临床上被用作股骨和胫骨替换材料。

3.海军领域

钛在海军装备方面的应用,俄罗斯处于世界绝对领先的位置。世界上第一艘全钛核潜艇于1968年12月下水,已运行30多年。该潜艇应用了大量的板材、管材、锻件,潜艇的所有装置全部是由钛合金制造的,这包括巨大的焊接结构壳体、巨大的管路系统和不同的装置和机器设备。美国曾在航母上用钛合金进行装艇服役评价，每个航母可减重15t。

此外，钛合金在兵器、汽车、石油、化工等方面都有广泛的应用。

三、合成材料在科学技术中的运用

下面将对教材中出现的三种合成材料做——高分子材料制造的半透膜、复合材料碳纤维、导电塑料进行介绍。

1.高分子材料制造的半透膜

半透膜是一种只给某种分子或离子扩散进出的薄膜，对不同质点的通过具有选择性的薄膜。例如细胞膜、膀胱膜、羊皮纸以及人工制的胶棉薄膜等。现代半透膜还用与多孔性壁（如无釉陶瓷）并使适当的化合物（如铁氰化铜）沉淀于其孔隙中制成。半透膜用于渗透溶胶和测定渗透压强等。生物吸取养分也是通过半透膜进行的。而用高分子材料经过特殊工艺制成的半透膜，它只允许水分子透过，而不允许溶质通过。用高压泵使处于半透膜一侧的原水压力超过渗透压时，原水中的水分子就能够透过半透膜进入另一侧，从而获得纯净水。而原水中的溶解与非溶解的无机盐，重金属离子，有机物，菌体，胶体等物质无法通过半透膜，只能留在浓缩水中被放掉。反渗透设备广泛应用于医药行业、饮料行业、电子、电力行业等。

2.复合材料碳纤维

碳纤维是由有机母体纤维(粘胶丝、聚丙烯睛或沥青等采用高温分解法在1000~3000℃高温的惰性气体下碳化制成的，具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点，是一种力学性能优异的材料。特别是聚丙烯腈(PAN)基碳纤维，其性能优越，更适合规模化生产，是当今碳纤维的主流成为了军民两用的主导材料，广泛应用于国防、航空航天高档民用产品。其实，碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性，柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴向表现出很高的强度。碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。碳纤维作为高性能纤维的代表，属于高技术密集型产品，其生产技术复杂，产业发展涉及官、产、学、研各个环节。由于它是发展航天航空和军事工业等尖端技术必不可少的新材料，也是民用工业更新换代的基础材料，国外又对其出口进行封锁，所以近年来我国就一直比较重视对其研制和生产，虽然起步较早，投入不薄，但仍处于失利地位，很重要的一个方面是中国高技术产业创新系统存在的问题。

3.导电塑料

导电塑料是一种高分子材料，是目前国际上一个十分活跃的研究开发领域，已从初期的纯实验室研究发展到应用研究阶段，成为新一代电子材料。导电高分子材料按照其导电机理可分为结构型和复合型两大类。目前，结构型导电高分子材料的合成工艺较复杂，成本较高；而复合型导电高分子材料加工简单、成本低，因而被广泛应用于电子、汽车、民用等领域。

参考文献：

[1]黄丽琴.形状记忆合金的应用[J].常州信息职业技术学院学报，2008，(03).

[2]陈勇.导电塑料的研究进展[J].弹性体，2008，(02).