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99式坦克
歼20战斗机
航母福建舰
中国军用神器
各种面料
厨房用到各种材料
材料是人类赖以生存和发展的物质基础。金属材料、有机合成材料以及新型材料的广泛应用，促进了人们对物质的性质和物质间的转化关系的研究，深化了对物质及其转化规律认识，推动了人类文明的进步。
科学家是如何研制新材料的？物质的转化规律对材料的开发和利用有什么指导作用？
第1章 材料及其利用
1.1 金属材料
天宫空间站、“中国天眼”、国产航母、高铁等国之重器的建造要用到大量的新型材料，我国科技人员成功研制了满足各种功能需要的材料，材料研究极大地推动了科技的进步。
你知道制造一列高铁需要用哪些金属吗？这些金属材料又有哪些物理特性和用途呢？
铁钉
易拉罐
钢管
金锭和金箔
水银
硫磺
晶体硅
液溴（溴素）
氧气
金属是一种性能优良、应用极广的材料。金属很容易根据外观来辨认。图1.1-1展示的物质，哪些是金属，哪些是非金属？
一、金属的物理性质
金属
金属
金属
金属
金属
非金属
非金属
非金属
非金属
1、金属一般具有特殊的光泽，非金属一般没有光泽。
大多数金属呈银白色，但铜呈紫红色，金呈金黄色。
锌
镁
铝
汞
铜
金
2、常温下，大多数金属是固体，汞（俗称水银）是液体。
常温下，溴（Br2）是唯一呈液态的非金属单质，大多数非金属是气体或固体。
木炭
硅
硫磺
红磷
液溴
氧气
氢气
3、金属具有良好的导电性、导热性、延展性。大多数非金属导电
性、导热性、延展性较差，但石墨柔软能导电。
铜和铝导电性非常好，是最常见的导线材料。
铁和铝导热性非常好，是最常见的炊具材料。
金的延展性非常好，可以制成非常薄的金箔。
石墨柔软能导电
石墨炸弹能大面积瘫痪敌方电网
不同金属的导电性、导热性、密度、熔点、硬度等有较大差别，如表1.1-1所列是一些金属的物理性质数据。
表1.1-1 一些金属的物理性质数据
不同的金属有不同的用途，人们常根据金属的一般性质和每种金属的独特性质来选择使用它们。
根据生活经验和表1.1-1所提供的信息，回答下列问题。
羊角锤
自行车钢圈
水龙头
1.家用羊角锤一般用哪种材料制作？说明理由。
羊角锤锤头一般用高碳钢制作。因为高碳钢硬度较大，不容易损坏，密度较大，相同体积情况下质量大，惯性大，击打时冲击力较大。羊角锤锤柄一般用木头或塑料制作，因为木头和塑料价格低，手感好。
图1.1-2
根据生活经验和表1.1-1所提供的信息，回答下列问题。
羊角锤
自行车钢圈
水龙头
不合适，金的防锈性能好，看上去也美观，但相对来说，金质地太软，不耐磨，而且在地球上的储量太小，而且价格太贵。
2.如果需要将金属制品，如水龙头、自行车钢圈等表面镀上一层耐腐蚀的金属膜，使之起到防锈和美观的作用，那么选用金作金属膜的材料合适吗？为什么？
一般来说，物质的性质决定了物质的用途，但在考虑物质的用途时，应综合考虑该物质资源的丰富性、价格的高低、外表的美观、使用的便捷性、废料回收和环保等多种因素
有金属光泽
有较好的延展性
可锻造
硬度比较大
一般不能导电
导热能力差
金属与非金属物理性质对比
金属 非金属
无金属光泽
不具延展性
不具可锻性
硬度不一致
良好的导电体
良好的导热体
密度大 密度小
熔点高 熔点低
做装饰品
金属拉丝、压铝箔
锻造
钻头刀具机械设备
铜、铝做导线
铁锅、铝锅
纯金属有很多优良的特性，但在实际生产与生活中所用的金属材料大多数不是纯金属，这又是为什么？
二、合金
先比较铝片和铝合金片、铜片和黄铜片(铜锌合金)的光泽、颜色；再将它们相互刻划，比较它们的硬度。
1、铝片与铝合金片都为 银白色。铜片 紫红色 ；黄铜片 金黄色。
2、铝合金片与铝片相互刻划：
结论 ：
说明：
铝片有划痕 。
黄铜片与铜片相互刻划：
铜片有划痕
说明：
铝合金硬度大于铝
黄铜硬度大于铜
合金的硬度通常 大于 其组成纯金属的硬度。
图1.1-3 比较合金和纯金属的硬度
由于纯金属的硬度和强度不高，耐腐蚀性、耐磨性较差，日常使用的金属材料，大多数是合金。
1、合金：
由一种金属跟其他一种或几种金属（或非金属）一起熔合而成的具有金属特性的物质。
2、合金往往比纯金属具有更好的性能。
（1）导电性比各成分金属都弱；
（2）熔点比各成分金属都低；
（3）强度或硬度比各成分金属都高；
3、常见的合金
铝合金
铁合金——钢
金铜合金——18K金
4、钢：最常见、应用最广的合金材料。
成分：由铁和碳等元素组成的合金。
优点：机械性能好，质坚硬、有弹性和延展性。
用途：制作车身、刀具、量具、模具。
5、钢和生铁：
生铁的含碳量2%~4.3%，钢的含碳量0.03~2%，除含碳外，生铁中还含有一定量的铬、锰、镍、钨等成分，这种成分的改变，使得合金性能也随之发生改变。
含碳量不同的两种铁的合金。
例如：纯铁较软，而生铁却硬而脆；钢不仅比纯铁硬，而且其弹性、延展性等性能比纯铁好；不锈钢因其中含有铬、镍等，它还具有很好的抗锈蚀性。
纯铁
生铁
钢
钢和生铁对比
钢由于机械性能较好，所以是最常见、应用较广的一种合金材料。
生　　铁 钢
含碳量
机械性能
加工方法
用途
2%－4.3%
0.03%－2%
硬而脆，无韧性
坚硬,韧性大,弹性好
可铸而不可锻
可铸可锻可压延
制铁锅等
制作车身、刀具、量具、模具。
钛和钛合金
钛和钛合金被誉为21世纪重要的金属材料，因其密度小、熔点高、可塑性好、抗腐蚀性强和强度高等优良特性，尤其是抗腐蚀性强，在潮湿的大气和海水中,其抗腐蚀性远优于不锈钢，被广泛用于生活用品、航空和航天器械、通信设备等领域。
钛和钛合金与人体“相容性”好，可以用来制造人造骨，植入人体后能和骨组织形成良好的结合，临床使用可靠，是医学植入的理想材料。钛和钛合金还可以用来制造医疗器械，在医疗领域的应用越来越广泛。
表1.1-2 常见合金的组成、特性和用途
合金 主要成分 主要特性 主要用途
锰钢 铁、锰、碳 韧性好、硬度大 钢轨、挖掘机铲斗、坦克装甲、自行车架
青铜 铜、锡 强度高、耐腐蚀、易铸造成形 机器零件、工艺品、铸件
黄铜 铜、锌 坚硬、耐腐蚀、易加工 机器零件、仪表、日用品
硬铝 铝、铜、镁、硅 质轻、强度高、硬度大 飞机、轮船、汽车、火箭等制造业、建筑材料
不锈钢 铁、铬、镍 耐腐蚀 医疗器械、化工设备、炊具、日用品
18K黄金 金、银、铜 光泽好、耐磨、易加工 金饰品、钱币、电子元件
1.现代建筑物的门窗广泛使用铝合金，说一说
为什么不用纯铁或纯铝。
纯铝太软，易变形。纯铁密度大，太重，且易生锈。铝合金轻便，耐腐蚀，强度高，价格也适中，做门窗很适合。
2.有些同学牙齿排列不整齐，你知道医学上是
采用什么办法进行牙齿矫正的吗？
医学上采用戴牙套的方式进行矫正。牙套的钢丝含有记忆金属成分（如镍钛合金），这类材料具有形状记忆，能在口腔温度下逐渐恢复预设形态，从而持续对牙齿施加温和的力，帮助牙齿矫正。
铝合金窗
牙齿矫正
几种新型金属
1、形状记忆合金。形状记忆合金在航空航天、电子产品、生物医疗及日常生活中有重要的用途。如钛镍形状记忆合金制作人造卫星的天线，发射人造卫星之前，将抛物面形状的天线在低温下揉成一团放入卫星内，当人造卫星发射并进入正常运行轨道后，天线在太阳光照射下升温，就会自动恢复原来抛物线形状。
用记忆合金丝制成的天线
将天线揉成团
在加热时形状开始恢复
形状完全恢复
图1.1-5 用钛镍形状记忆合金支撑的人造卫星天线
图1.1-6 上海交通大学研制出纳米陶瓷铝合金
2、纳米金属材料。纳米金属材料指形成纳米晶粒的金属与合金。纳米金属材料具有独特的光学、电学、磁学、化学特性和超导性能。在国防、电子、化工、航空等领域具有重要的应用价值。
3、储氢合金。储氢合金是一种新型合金，在一定条件下能吸收氢气，条件改变时又能放出氢气，可用于大型电池。
我国每年回收的废旧金属可达数亿吨。当看到人们随意抛弃盛饮料的易拉罐时，你有何感想？
三、金属的回收与利用
图1.1-7 工业垃圾
图1.1-8 废易拉罐
废弃金属对环境可能造成什么危害？我国是如何解决这些问题的？
2、金属污染的危害
① 占用土地资源；
③ 金属在自然界很难自行分解，积累在土壤中，破坏土壤结构。
④ 含铅、镉、汞等有毒金属被腐蚀后会溶于水，形成重金属离子，
污染土壤和水源。
② 浪费大量金属资源；
3、金属回收利用：
从工业垃圾和生活垃圾中将废旧金属分类分离出来进行再生利用。
回收一个铝制易拉罐要比制造一个新易拉罐节省20%的资金，同时还可节省90%以上的能源；回收1吨废钢铁可炼得好钢0.9t，相对于节约矿石3t，可节约70%的成本，同时，还可减少空气污染、水污染和固体废弃物排放。因此，废旧金属的回收循环再生不仅节约资源、能源，同时减少对环境影响，还有着巨大的经济效益。
图1.1-9 废旧金属的回收利用
废旧金属回收技术
从垃圾中回收金属，常用巨型电磁铁把废铁分离出来，如图1.1-10所示。涡电流分选也是一种有效地将各种金属从金属垃圾中分离出来的方法，如图1.1-11所示。金属回收方法还有回炉熔炼、火法富集、湿法溶解、微生物吸附等。
图1.1-10 电磁铁分离铁
图1.1-11 涡电流分选金属
为了有效地防治重金属污染，我国制定了重金属污染综合防治的一系列政策，提高重点行业绿色发展水平，不断减少重金属污染物排放量，并解决历史遗留问题。
2、炒菜用的钢铁制锅铲上部，常加一木柄和塑料柄，这说明了铁
具有的性质是 （　 ）
A、铁是热的导体 B、铁的电的导体
C、铁在空气中易生锈　 D、铁不耐酸、碱腐蚀
导电
A
1、盛放在油罐车内的在石油产品振荡后会产生静电，所以在油
罐车尾部有一条拖地的铁链，这是利用铁的　　　性。
3、世界卫生组织把铝定为食品污染之一，铝的下列应用必须控制
的是 （ ）
A、用铝合金制门窗 B、用铝合金做飞机材料
C、用金属铝制碳酸饮料的易拉罐 D、用金属铝制电线
C
4. 选择铸造硬币的金属材料时，不需要考虑的因素是 （ ）
A．硬度 B．价格
C．耐腐蚀性 D．导电性
C
5. 工业生产中常将两种金属在同一容器中加热使其熔合，冷凝后得到具有金属特性的熔合物—合金。试根据下表所列金属的熔点和沸点的数据(其他条件均已满足)判断，不能制得的合金是 （ ）
A. K—Na合金 B．K—Fe合金
C. Na—Al合金 D．Fe—Cu合金
金属 Na K Al Cu Fe
熔点/℃ 97.8 63.6 660 1083 1535
沸点/℃ 883 774 2200 2595 2750
B
再见

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