专题二 第一节 无机非金属材料（教学设计）-【中职专用】高中化学同步精品课堂（高教版2023·加工制造类）

专题二 化学与材料 第一节 无机非金属材料（教学设计） 课程标准 1.能依据典型材料的组成和性质辨识半导体材料、特种陶瓷和激光材料等无机非金属材料。 2.了解我国在半导体材料、特种陶瓷和激光材料等无机非金属材料领域的研究发展、应用、发展水平和发展前景，了解化学对社会发展和人类生产、生活的重大贡献 教学目标 1.通过了解特种陶瓷、半导体材料以及激光材料的性质和发展水平，培养学生科学态度与社会责任等化学学科核心素养 教学过程 【情景与问题】 LED（发光二极管 ）显示屏、人工关节和舞台激光，你知道它们都是由什么材料制造的吗？ 【观察与认知】 图T2-1-2所示为磨砂机研磨盘配件，从它的名称和用途推你认为需要用什么材料制作该配件。 图T2-1-2  磨砂机研磨盘 【新课讲解】 一、特种陶瓷 特种陶瓷是以氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等为主要原料，采用现代材料工艺制备而成的新型陶瓷，具备光、电、磁、化学和生物学等方面的特性和功能。 特种陶瓷主要包括高温陶瓷、超硬陶瓷、生物陶瓷、电子陶瓷等。 1.高温陶瓷 高温陶瓷是一类熔点为1700 ~ 4000 ℃的高温材料，具有抗热震性好、高温强度好、致密度高等特性。可以用于金属冶炼的氧化物材料或者耐火耐高温材料。 2.超硬陶瓷 超硬陶瓷是一类硬度接近金刚石的材料，它耐磨损，热稳定性和化学稳定性好。如氮化硅陶瓷制成的陶瓷发动机部件，硬度高、耐磨损，不需要水冷系统，使热效率大幅度提高，并节省燃料，减轻汽车质量。如氮化硅陶瓷制成的陶瓷发动机部件(图T2-1-4)硬度高、耐损，不需要水冷系统，使热效率大幅度提高，并节省燃料，减轻汽车质量。 3.生物陶瓷 生物陶瓷是一类对健康无害、机体无排斥反应且不能被生化作用破坏的陶瓷材料。生物陶瓷可用于制作人造骨骼、牙齿、牙根、关节、心脏的心瓣、血管、眼睛等。例如，用氧化铝陶瓷做成的陶瓷假牙、膝关节、肘关节、肩关节等，外层坚硬、里面有微孔，便于骨髓与体液浸入，更接近人体组织结构，机体排斥反应小。 4.电子陶瓷 电子陶瓷是一类具有压电、光电和电光功能的陶瓷材料。它能实现光电信号或者机械信号与电信号的相互转换。例如压电陶瓷传感器它十分敏感，可以将极其微弱的机械振动转化成电信号，常用于声呐系统、气象探测、环境保护、家用电器和医学检验等。 【实践活动】 在教师组织下，分小组走访附近的切削工具市场、电器市场，并查阅资料，了解特种陶瓷材料在切削工具、微波器件、介电材料等领域的应用，制作演示文稿，在班级中交流。 【观察与认知】 CPU(图T2-1-7)是计算机的核心部件，它是由几十亿个晶体管(图T2-1-8)组成的集成电路(图T2-1-9)。超级计算机神威蓝光的CPU为我国自主研发。晶体管的发展推动着集成电路的更新和换代，也推动着现代信息技术的发展和进步。那么，晶体管是由什么材料制成的? 【新课讲解】 二、半导体材料 半导体材料是指电阻率在10-5~107 Ω·cm，介于金属和绝缘体之间的材料。 半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要基础材料，支撑着通信、计算机、家电与网络技术等电子信息产业的发展。 半导体材料主要有硅、砷化镓、磷化铟、磷化镓、氮化镓、碳化硅和金刚石等。 1.硅半导体材料 (1)单晶硅和多晶硅是最早使用的半导体材料，用于制作二极管、晶体管、集成电路、太阳能电池等。 (2)最早问世的太阳能电池就是单晶硅太阳能电池，之后出现多晶硅太阳能电池，在公路、铁路、航运交通信号灯和日常照明中广泛应用。 (3)硅材料储备丰富、价格低廉、热性能和机械性能优良，目前，硅半导体材料仍是电子信息产业最主要的基础材料。 【拓展延伸】 在硅晶体中，每个硅原子最外层有4个电子，与其他硅原子的电子形成共价键，电子不能自由运动，因此纯晶体硅不是电的良导体。 如果在纯晶体硅中掺入五价元素（如磷）取代晶格中硅原子的位置，那么就会多出来1个电子，这个电子成为自由电子，在晶体中自由运动，硅也就能够导电。这种靠自由电子导电的半导体就是n型半导体。 如果在硅晶体中掺入三价元素（如硼），它会从临近的硅原子中吸引1个电子形成共价键，硅晶体中就形成了1个带正电荷的“空穴”，这时硅也能导电，这种有空穴的半导体就是p型半导体 将p型半导体与n型半导体制作在同一块硅片上，它们的交界面能形成pn结。pn结具有单向导电性，可以制作半导体整流管。pn结受到光照后能产生电动势，利用这一特性可制造太阳能光电池。 2.砷化镓半导体材料 (1) 砷化镓制作的半导体器件具有硅半导体器件所不具有的高频、高速和光电性能，并可在同一芯片同时处理光电信号，是新一代通信材料，用于制作各种微波管、激光管、红外发光管、高速集成电路等，是雷达、微波通信、光纤通信、磁场控制、高速计算机、移动通信等领域广泛应用的新一代半导体材料。 3.碳化硅和氮化镓半导体材料 (1)碳化硅和氮化镓半导体材料，可以研制不同光谱的LED(发光二极管)、高温大功率电子器件和高频微波器件，这些器件可以在高温环境中工作，并且易冷却，有高频操作的优势，如石油和地热钻井勘探、航空航天探测等应用领域，5G通信和汽车科技的发展也离不开它们(图T2-1-15)。 【实践活动】 手机从最初只有打电话、发短信的功能到现在具有上网、看视频、收发邮件、支付、导航等功能，其功能的发展与半导体材料和通信技术(如5G通信)的发展有很大的关系分小组查阅、整理资料，了解与手机制造和手机通信相关的半导体材料的发展，撰写小论文。 【观察与认知】 舞台上绚烂的激光能营造氛围、烘托气氛(图T2-1-16)你知道这些激光是怎么产生的吗?激光与普通灯光相比有什么特点? 【新课讲解】 三、激光材料 1.激光是一种受激发辐射放大的光，具有高定向性、高单色性、高相干性、高亮度性以及可调谐等特点。它突破了以往所有普通光源和普通光辐射的局限，引发现代各种光学应用技术的革命性进展，在军事、工业、医疗等领域广泛应用在激光器中激光材料被激发发射出激光。 2.激光材料由掺杂离子(活性离子)和基质材料组成。掺杂离子通常是稀土离子(Nd3+、Er3+、Ho3+、Tm3+、Yb3+等)或过渡金属离子(Cr3+、Ti3+等);基质材料一般是晶体和玻璃。目前主要有“三大基础激光晶体”分别是掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体、掺钕矾酸钇(d:YVO4)晶体和掺钛蓝宝石(Ti:A12O3)晶体。它们分别应用在中、高功率激光，低功率小型化激光和可调谐、超快激光。 3.工业上，利用激光的高亮度和高定向性特点，把激光辐射能量集中在较小的空间范围内，产生几千摄氏度到几万摄氏度的高温。在此高温下，任何金属或非金属材料都会迅速熔化或气化，因此，可利用激光进行多种特殊的非接触特种加工作业。目前比较成熟的应用有激光焊接、激光划片、激光表面处理、激光打孔和激光切割等(图T2-1-17)。 4.在大型装备和建筑施工中，激光准直与定向技术有广泛的应用。例如，利用氦氖激光器制成的激光指向仪、激光铅直仪、激光水准仪和激光经纬仪等(图T2-1-18)，在大型船舶制造、大型建筑和筑路施工、管道和电缆铺设以及隧道开凿和矿井掘进等工程中应用效果很好。 5.利用激光进行多种特殊的非接触特种加工作业。目前比较成熟的应用有激光焊接、激光划片、激光表面处理、激光打孔和激光切割等 6.在大型装备和建筑施工中，激光准直与定向技术有广泛的应用。利用氦氖激光器制成的激光指向仪、激光铅直仪、激光水准仪和激光经纬仪等，在大型船舶制造、大型建筑和筑路施工、管道和电缆铺设以及隧道开凿和矿井掘进等工程中应用效果很好。 【思考与应用】 1.SiC材料与Si材料相比，性能更加优良，它的应用能有效实现我国节能降耗的目标。分小组查阅资料了解SiC器件主要应用于哪些领域，它对节能降耗做出了哪些贡献？ 2.激光可进行多种特殊的非接触特种加工作业，你知道这些行业包括哪些吗？激光给这些行业带来哪些方便？ 【实践活动】 高纯度晶体硅材料是最主要的光伏材料，0.3mm厚的硅片首先经过特殊药剂清洗除去杂质，然后放入石英舟容器中，再将装满硅片的石英舟容器放在扩散炉中进行处理，在1100℃℃的高温下添加电池所需的微量元素(P或者B)，再次清洗硅片后镀上薄膜，确保电池不易氧化，使用寿命可达25年以上，最后经过丝网印刷，形成具有正负两极的太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳能电池板(组件)，再配合控制器和逆变器就组装形成了光伏太阳能发电装置。学校、公园、街道等场所的照明。就是利用这一装置将太阳能转化为电能的。中国是世界上为数不多的几个有能力制造高纯度晶体硅的国家，具有从原料到设备再到应用系统的完整的光伏产业链。光伏太阳能电池是中国装备对世界新能源的贡献，占据全球70%以上的市场份额。 【实践活动】 传统汽车发动机一般用铸铁铸造，耐热性能有一定限度，需要用冷却液冷却，热能散失严重，热效率只有30%左右，绝大部分能量消耗在冷却系统中。为了进一步提高热效率，必须隔断在排气和冷却液中逸散的热。了解现代汽车发动机是如何有效地解决这个问题的。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！8 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$