大學(xué)化學(xué)：第6章化學(xué)與工程材料

化學(xué)與工程材料

帶你走向未來(lái)什么是材料？

材料是指經(jīng)過(guò)某種加工(包括開(kāi)采和運(yùn)輸),具有一定的組分、結(jié)構(gòu)和性能,適合于一定用途的物質(zhì)，它是人類(lèi)生活和生產(chǎn)活動(dòng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。工程材料：在工程技術(shù)中應(yīng)用的材料。工程材料分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。內(nèi)容提要材料性能的內(nèi)在依據(jù)

幾種材料簡(jiǎn)介材料的設(shè)計(jì)材料性能的內(nèi)在依據(jù)材料的重要性和分類(lèi)

材料的組成、結(jié)構(gòu)與材料性能

工程材料與元素周期表

材料的重要性和分類(lèi)第一代材料石器、骨器第二代材料青銅、鋼鐵第三代材料高分子材料第四代材料復(fù)合材料第五代材料智能化材料

由此可見(jiàn)，人類(lèi)對(duì)材料的取得和使用是與社會(huì)生產(chǎn)力和科技發(fā)展水平緊密相連的。一個(gè)國(guó)家材料的品種、質(zhì)量和產(chǎn)量，是直接衡量的這個(gè)國(guó)家的科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。材料的組成、結(jié)構(gòu)與材料性能基本原理：性能取決于化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)。材料的組成和材料性能化學(xué)鍵類(lèi)型與材料性能晶體結(jié)構(gòu)與材料性能結(jié)構(gòu)缺陷與材料性能材料的組成和材料性能碳含量名稱(chēng)性質(zhì)0.04%以下熟鐵其質(zhì)很軟，不能作結(jié)構(gòu)材料使用2.0%以上鑄鐵其質(zhì)硬而脆0.7~1.8%鋼兼有較高的強(qiáng)度和韌性水：H2O，十分穩(wěn)定，呈中性；過(guò)氧化氫：H2O2，極易分解；顯弱酸性。雜質(zhì)的存在，會(huì)使材料的機(jī)械性能、電性能等惡化在高純的硅中有控制地?fù)饺肷倭侩s質(zhì)，以提高其半導(dǎo)性能，并使之具有不同的半導(dǎo)類(lèi)型和特性化學(xué)鍵類(lèi)型與材料性能

金屬材料，以金屬鍵為其中的基本結(jié)合方式，并以固溶體和金屬化合物合金形式出現(xiàn)。

特性：金屬光澤、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性，較高的強(qiáng)度和硬度和良好的機(jī)械加工性能（鑄造、鍛壓、焊接和切削加工等）等。兩大缺點(diǎn)：

（1）易受周?chē)橘|(zhì)作用而產(chǎn)生程度不同的腐蝕。每年全世界范圍因腐蝕而損失的金屬，仍數(shù)以千萬(wàn)噸計(jì)。（2）高溫強(qiáng)度差。一般金屬及其合金的使用溫度不超過(guò)1000℃。化學(xué)鍵類(lèi)型與材料性能

無(wú)機(jī)非金屬材料多由非金屬元素或非金屬元素與金屬元素所組成。以離子鍵或共價(jià)鍵為結(jié)合方式，以氧化物、碳化物、氮化物等非金屬化合物為存在形式

硬度大，熔點(diǎn)高，耐熱性好，耐酸堿侵蝕能力強(qiáng)，是熱和電良好的絕緣體。存在脆性大和成型加工困難等缺點(diǎn)化學(xué)鍵類(lèi)型與材料性能

有機(jī)高分子材料，主要是由以共價(jià)鍵結(jié)合的烴及其衍生物以“大分子鏈”組成的聚合物為基礎(chǔ)的材料。這些“大分子鏈”長(zhǎng)而柔曲，相互間以范德華力結(jié)合，或以共價(jià)鍵相“交聯(lián)”產(chǎn)生網(wǎng)狀或體型結(jié)構(gòu)；或以線型分子鏈整齊排列而形成高聚物晶體。

質(zhì)輕，有彈性，韌性好，耐磨、自潤(rùn)滑，耐腐蝕，電絕緣性好，不易傳熱，成型性能好，其比強(qiáng)度（材料的強(qiáng)度與密度之比）可達(dá)到或超過(guò)鋼鐵主要缺點(diǎn)是：（1）結(jié)合力較弱、耐熱性差，大多數(shù)有機(jī)高分子材料的使用溫度不超過(guò)200℃。有的高分子材料易燃，使用安全性差。（2）在溶劑、空氣和光線作用下，易產(chǎn)生老化現(xiàn)象，表現(xiàn)為變軟發(fā)粘或變硬發(fā)脆，性能惡化。晶體結(jié)構(gòu)與材料性能同素異形體碳

晶體結(jié)構(gòu)與材料性能同素異形體六方層狀晶型氮化硼

硬度近于10，有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性，用作高級(jí)磨料和切割工具

較軟，高溫穩(wěn)定性好，作為高溫固體潤(rùn)滑劑，比石墨效果還好。晶體結(jié)構(gòu)與材料性能

原子或分子不呈規(guī)則排列的狀態(tài)，其外觀與玻璃相似，故非晶態(tài)也稱(chēng)玻璃態(tài)。非晶態(tài)固體，由液態(tài)到固態(tài)沒(méi)有突變現(xiàn)象，

表明其中粒子的聚集方式和通常液體中粒子的聚集方式相同。近代研究指出，非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)可用“遠(yuǎn)程無(wú)序、近程有序”來(lái)概括。由此產(chǎn)生了非晶態(tài)固體材料的許多重要特性。結(jié)構(gòu)缺陷與材料性能（1）點(diǎn)缺陷

①空位②置換粒子③間隙粒子（2）線缺陷：晶體中某處一列或若干列原子發(fā)生的規(guī)律性錯(cuò)排現(xiàn)象，通常稱(chēng)為位錯(cuò)，是晶體中存在的較普遍的一種缺陷形式。

（3）晶界：多晶體中不同晶粒間的交界面，稱(chēng)晶界。晶界有一些特殊的性質(zhì)。原子具有較高的能量；熔點(diǎn)較低；易有雜質(zhì)集中或偏析；粒子的擴(kuò)散比晶粒內(nèi)部要快得多；晶界容易俘獲電子從而形成勢(shì)壘。工程材料與元素周期表周期表中元素的分類(lèi)工程材料與元素周期表周期表中元素的分類(lèi)同一主族元素自上而下金屬性遞增；

同周期元素自左至右非金屬性遞增。

工程材料與元素周期表（1）半導(dǎo)體材料的發(fā)展(半導(dǎo)體)本征半導(dǎo)體：Si、Ge

摻雜半導(dǎo)體：摻入少量ⅢA或ⅤA素元素化合物半導(dǎo)體：第ⅢA和ⅤA元素的化合物，如GaAs；第Ⅱ族與ⅥA元素的化合物，如CdS等；第Ⅰ族與ⅦA元素的化合物，如AgI等。

工程材料與元素周期表（2）超導(dǎo)材料的研制

超導(dǎo)材料有三個(gè)關(guān)鍵的臨界值，即臨界溫度Tc、臨界電流密度Jc和臨界磁場(chǎng)Hc。這三個(gè)臨界值越高，超導(dǎo)體的實(shí)用價(jià)值越大。這方面元素周期表提供了幫助，它指出了組成超導(dǎo)材料的元素在周期表中的位置。幾種材料簡(jiǎn)介特種

合金耐熱合金鋁鋰合金鈦合金磁性合金貯氫合金超塑性合金.非晶態(tài)

材料非晶態(tài)金屬非晶硅精細(xì)陶

瓷材料結(jié)構(gòu)陶瓷材料功能陶瓷材料光導(dǎo)纖維固體電解質(zhì)磁性陶瓷傳感材料溫度傳感濕度傳感氣體傳感壓力傳感納米材料納米粉納米管納米層形狀記憶材料形狀記憶合金形狀記憶陶瓷形狀記憶樹(shù)脂有機(jī)高聚物合成樹(shù)脂于塑料粘結(jié)劑功能高分子通用塑料工程塑料熱塑性熱固性離子交換樹(shù)脂高分子分離膜感光樹(shù)脂導(dǎo)電高聚物復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料超導(dǎo)材料生物醫(yī)用材料未來(lái)材料發(fā)展的方向可再生資源可持續(xù)發(fā)展可循環(huán)使用對(duì)環(huán)境友好合金的發(fā)展中國(guó)的冶金工業(yè)發(fā)展到明代末期開(kāi)始停滯下來(lái)；18世紀(jì)至19世紀(jì)，歐洲科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了新的金屬元素more>>；1874年，德國(guó)人仿制中國(guó)的白銅得到德國(guó)銀；1868年，在鐵中加入錳和錫，得到著名的可鍛造的自硬鋼，解決了鋼的加工切削問(wèn)題。合金的發(fā)展硅鋼的出現(xiàn)使制造各種電機(jī)和變壓器成為可能；1896年，瑞士人發(fā)明一種低膨脹系數(shù)的鎳合金鋼，成為因瓦合金；1898年，美國(guó)人泰勒用鎢鉻鋼取代了錳鉻鋼，從而創(chuàng)立了高速鋼，切削速度提高到20米/秒。金屬元素的大量發(fā)現(xiàn)1751年，瑞士皇家科學(xué)院院士艾克舍爾發(fā)現(xiàn)鎳；1774年，德國(guó)人舍勒發(fā)現(xiàn)錳；1781年，又發(fā)現(xiàn)鎢；1797年，法國(guó)人沃克蘭發(fā)現(xiàn)鉻；1804年，李奇特才成功分離出幾兩鎳。儲(chǔ)氫材料

氫能是最有希望的取之不盡、用之不竭的新能源。然而，氫的儲(chǔ)存卻是個(gè)難題。氫氣比重小，用150個(gè)大氣壓把氫氣壓進(jìn)鋼瓶中，氫氣的重量不到鋼瓶的1/100，同時(shí)還有爆炸的危險(xiǎn)；

液氫必須在-253℃儲(chǔ)存才行，這就需要大量的絕熱材料來(lái)保護(hù)。宇宙火箭上的液氫貯箱的體積占1m3以上。為此，科學(xué)家尋找這樣的一種材料，能像海棉吸水一樣去吸貯氫氣。

儲(chǔ)氫材料（1）材料活性大，吸附氫量大并易于獲得，價(jià)格低廉；（2）材料用于吸附氫時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)生成焓要小，用來(lái)儲(chǔ)熱時(shí)標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)焓要大；（3）材料吸氫-解析的速率要大；氫的平衡壓差要??；（4）在使用過(guò)程中，材料破碎和粉化率低，力學(xué)性能不能有明顯的降低。儲(chǔ)氫材料應(yīng)用范圍：1）氫制冷取暖設(shè)備；2）氫的分離精制；3）核聚變；4）其他用途：能量變換驅(qū)動(dòng)機(jī)器；氫－空氣燃料電池；合成氫的催化劑；非晶態(tài)金屬

如將某些金屬熔體，以極快的速率急劇冷卻，例如每秒鐘冷卻溫度大于100萬(wàn)度，則可得到一種嶄新的材料。由于冷卻極快，高溫下液態(tài)時(shí)原子的無(wú)序狀態(tài)，被迅速“凍結(jié)”而形成無(wú)定形的固體，這稱(chēng)為非晶態(tài)金屬；因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與玻璃相似，故又稱(chēng)金屬玻璃。非晶態(tài)金屬

20世紀(jì)30年代克拉默把金屬加熱至沸騰，使金屬原子被蒸發(fā)出來(lái)然后又讓它們快速沉積下來(lái)。就得到了金屬玻璃薄膜。

1959年杜沃茲等科學(xué)家找到了制造金屬玻璃的簡(jiǎn)捷方法——驟冷法。制備非晶態(tài)合金的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和工業(yè)方法有氣相沉積法、激光表層熔化法、離子注入法等。較快速、經(jīng)濟(jì)是化學(xué)沉積法和電沉積法。

非晶態(tài)金屬

首先它有非常高的硬度和強(qiáng)度，金屬玻璃比現(xiàn)有的金屬都要硬得多、牢固得多，而且它同時(shí)擁有高強(qiáng)度和高韌性。高強(qiáng)度控制電纜和橡膠輪胎的增強(qiáng)帶。

金屬玻璃耐腐蝕性能非常好。許多金屬玻璃的耐腐蝕性能比最好的不銹鋼還要高100倍。

具有良好的軟磁性，制造變壓器的鐵芯會(huì)節(jié)省許多寶貴的電能。

有明顯的催化性能；它還可作為儲(chǔ)氫材料。有機(jī)金屬人們的印象中塑料一般都是絕緣的；1970年的一天，一張銀光閃閃的聚乙炔薄膜被合成出來(lái)了。它的導(dǎo)電能力比一般塑料要高一百到一億倍；聚乙炔中摻入碘而使其導(dǎo)電性能提高了一萬(wàn)億倍，達(dá)到半導(dǎo)體的導(dǎo)電水平；

將剛合成出的聚乙炔進(jìn)行特殊的熟化和拉伸取向處理，然后再摻入碘，聚乙炔的導(dǎo)電性能提高了1000倍。對(duì)上述的方法又進(jìn)行了改進(jìn)，使得制成的聚乙炔的導(dǎo)電性能竟然超過(guò)鋼三倍而成了真正的導(dǎo)電塑料了。有機(jī)金屬的應(yīng)用塑料電池（體積小、重量輕、可反復(fù)充電，壽命長(zhǎng)）廉價(jià)而高效的太陽(yáng)能電池（導(dǎo)電塑料的導(dǎo)電性能可任意設(shè)計(jì)）超導(dǎo)塑料（已某些導(dǎo)電塑料在低溫下有超導(dǎo)現(xiàn)象）有機(jī)金屬的應(yīng)用作為未來(lái)機(jī)器人的人工肌肉，導(dǎo)電塑料在電化學(xué)方法作用下像人的肌肉一樣也能伸縮運(yùn)動(dòng)；電致變色的顯示元件；在傳感器、電磁屏蔽、催化、抗靜電等方面。納米材料1984年，德國(guó)物理學(xué)家格萊特得到了只有幾個(gè)納米大小的納米粉末；無(wú)論是金屬還是陶瓷，大都呈黑色，跟煙灰沒(méi)什么差別；早在公元前12世紀(jì)中國(guó)人就開(kāi)始制備和利用這種納米材料了；德國(guó)材料科學(xué)家在20世紀(jì)90年代初發(fā)明的較為通用的金屬納米粉生產(chǎn)方法；一旦材料被制成納米材料后，原材料的磁性、內(nèi)部壓力、光吸收、熱阻、熔點(diǎn)等性能都顯示出令人想象不到的變化。納米管納米材料的應(yīng)用低溫條件下可燒結(jié)成合金；一般互不相溶的金屬冶煉成合金；納米陶瓷則具有很好的韌性和延展性能；可制備各種高性能的催化劑；氧化物納米顆粒的特點(diǎn)是在電場(chǎng)作用或光照射下迅速改變顏色；半導(dǎo)體納米材料的特性是可以發(fā)出各種顏色的光，可制成超小型的激光光源；磁性納米微粒用其作磁記錄材料可大大提高信噪比，改善音質(zhì)圖像質(zhì)量；對(duì)電磁波在較寬的范圍內(nèi)有強(qiáng)吸收，也成為性能優(yōu)異的隱身材料；超導(dǎo)材料

1911年的一天，荷蘭的著名物理學(xué)家昂納斯發(fā)現(xiàn)汞在4.2K下，電阻突然降低而成為“零電阻”；后來(lái)人們又發(fā)現(xiàn)鉛在7.2K時(shí)也變成超導(dǎo)體。

1930年，邁斯納發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度達(dá)11K的氮化鈮（NbN）

1941年賈斯蒂改變氮化鈮的制備工藝使轉(zhuǎn)變溫度升至15K超導(dǎo)材料

1953年美國(guó)的赫姆等人發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度為17K的化合物硅化釩(VSi);

德國(guó)出生的美國(guó)晶體學(xué)家瑪?shù)賮喫菇?jīng)過(guò)17年的奮斗終于得到了轉(zhuǎn)變溫度為20.8K的新材料，NbSn,俗稱(chēng)鈮三錫;

1973年6月，美國(guó)威斯汀豪斯公司得到了轉(zhuǎn)變溫度為22.3K的NbGe,俗稱(chēng)鈮三鍺;

貝爾實(shí)驗(yàn)室的特斯塔迪制出了23.2K的NbGe，這一轉(zhuǎn)變溫度記錄一直保持了很長(zhǎng)時(shí)間。

1986年1月美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化合物的轉(zhuǎn)變溫度達(dá)30k；超導(dǎo)材料的應(yīng)用

超導(dǎo)材料制成的磁懸浮列車(chē)，可以使列車(chē)懸浮在軌道上高速運(yùn)行，甚至比飛機(jī)還快而且噪聲低、振動(dòng)小、污染小。

由于超導(dǎo)材料沒(méi)有電阻，可以節(jié)約大量的能源，超導(dǎo)電機(jī)體積小，輸出功率大。

利用超導(dǎo)材料產(chǎn)生的超強(qiáng)磁場(chǎng)可用于熱核反應(yīng)堆、超導(dǎo)磁流體發(fā)電。超導(dǎo)加速器產(chǎn)生的π介子等治療癌癥及外科手術(shù)。

超導(dǎo)磁分離技術(shù)可用于生物工程中：如讓紅血球從血漿中分離、將病毒及細(xì)菌從生活廢水中去除。超導(dǎo)材料的應(yīng)用

利用超導(dǎo)材料研制超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，一臺(tái)計(jì)算機(jī)只需一節(jié)電池就能工作了。

這項(xiàng)技術(shù)亦可用于回收稀有金屬、去除礦物中的雜質(zhì)、化工廢水的凈化、水的磁化。

兩塊超導(dǎo)體中間夾一薄層絕緣體，就構(gòu)成了具有約瑟夫森效應(yīng)的超導(dǎo)結(jié)，可以進(jìn)行靈敏度極高的各種電子學(xué)測(cè)量，超導(dǎo)電子相機(jī)可有效擴(kuò)大天文望遠(yuǎn)鏡的極限觀測(cè)能力。材料的設(shè)計(jì)

有機(jī)合成中要做到反應(yīng)的專(zhuān)一性；反應(yīng)位點(diǎn)的專(zhuān)一性；立體結(jié)構(gòu)的專(zhuān)一性；

美國(guó)化學(xué)家Woodward等人在1973年合成了VB12

；

1965年，