【正文】 工程化學(xué)教案 第八章 ? ? 1 工程化學(xué)教案 —— 第八章 化學(xué)與工程材料 主講教師： 董文魁、許力、 李靜萍等 使用教材：許力等編著，《工程化學(xué)》，蘭州大學(xué)出版社 授課對象：非化學(xué)類各專業(yè)學(xué)生? ? 2 第八章 化學(xué)與工程材料（ 講授時數(shù) : 14 學(xué)時） 一． 學(xué)習(xí)目的和要求 1． 了解材料性能的內(nèi)在存依據(jù)。 2． 了解常見金屬材料的基本性質(zhì)。 3． 了解 常見無機(jī)非金屬材料的基本性質(zhì)。 4. 了解 常見有機(jī)材料的基本性質(zhì)。 5. 了解 常見復(fù)合材料的基本性質(zhì)。 6. 了解材料設(shè)計的一些理念。 二． 本章節(jié)重點、難點 材料性能的內(nèi)在存依據(jù)、常見金屬材料的基本性質(zhì)、 常見無機(jī)非金屬材料的基本性質(zhì)、 常見有機(jī)材料的基本性質(zhì)、常見復(fù)合材料的基本性質(zhì)、材料設(shè)計的一些理念。 三． 學(xué)時分配 1．材料性能的內(nèi)在存依據(jù)、了解常見金屬材料的基本性質(zhì)、 常見無機(jī)非金屬材料的基本性質(zhì)（ 1 學(xué)時）。 、 了解 常見復(fù)合材料的基本性質(zhì)、材料設(shè)計的一些理念。 四． 教學(xué)內(nèi)容： 材料是指經(jīng)過某種加工（包括開采和運輸），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)，它是人類生活和生產(chǎn)活動的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，一切工業(yè)過程都離不開材料，在 工程技術(shù)中應(yīng)用的材料，通稱工程材料。從使用角度看，它又分結(jié)構(gòu)材料和功度、韌性等性能優(yōu)良的材料。功能材料則是具有光、聲、熱、電、磁等特殊效應(yīng)和功能的材料，如半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、磁性材料和光導(dǎo)材料等?，F(xiàn)代工程技術(shù)人員應(yīng)有豐工程化學(xué)教案 第八章 ? ? 3 富的材料科學(xué)的知識和材料化學(xué)的基本觀點，才能合理地選材、用材和節(jié)材，在工作中有所創(chuàng)造，有所前進(jìn)。 第一節(jié)材料性能的內(nèi)在依據(jù) 一、材料的重要性和分類 人類對材料的認(rèn)識和利用，經(jīng)歷了一個漫長的探索、發(fā)展的歷史過程。最初， 人類依靠大自然的恩賜，主要是從天然物中取得所需的材料，石器、骨器等成為人類利用的第一代材料，隨著金屬冶煉技術(shù)的發(fā)展，青銅、鋼鐵相繼登上材料世界的舞臺，各種合金材料的相繼問世，使金屬材料成為主導(dǎo)材料。 20 世紀(jì)初發(fā)展起來的高分子材料，擴(kuò)大了材料的品種和范圍，推動了許多新技術(shù)的發(fā)展，使人類進(jìn)入了合成材料的時代。高分子材料在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位日益重要，有逐步取代鋼鐵材料的霸主地位之勢。近幾十年來，新型無機(jī)非金屬材料異軍突起，發(fā)展極快，在材料世界中，和金屬材料、有機(jī)高分子材料一起，三足鼎立。在此基礎(chǔ)上，第四代材料 —— 復(fù)合材料就應(yīng)運而生，在能源開發(fā)、電子技術(shù)、空間技術(shù)、國防工業(yè)和環(huán)境工程等重要領(lǐng)域中大顯身手。第五代材料—— 智能化材料又在研究和開發(fā)之中，這類材料本身具有感知、自我調(diào)節(jié)和反饋的能力，即具有敏感和驅(qū)動的雙重功能，如同模仿生命系統(tǒng)的作用一樣。它能像人的五官感知客觀世界；又能能動地對外作功，發(fā)射聲波，輻射熱能和電磁波，甚至促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和改變顏色等類似于生命體的智慧反應(yīng)。當(dāng)然，這類材料智慧功能的獲得是材料與電子、光電子技術(shù)結(jié)合的結(jié)果。 由此可見，人類對材料的取得和使用是與社會生產(chǎn)力和科技發(fā)展水平緊密相連的。一個國家材 料的品種、質(zhì)量和產(chǎn)量，是直接衡量這個國家的科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。反過來，材料對發(fā)展經(jīng)濟(jì)，改善與提高人類文明的程度，又起到巨大的促進(jìn)作用。現(xiàn)在，材料和能源、信息控制，被稱為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱，其重要性更加突出。如果沒有半導(dǎo)體材料的生產(chǎn)和發(fā)展，就不會有目前計算機(jī)技術(shù)的水平；如果不能獲得高溫、高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，也絕不會有現(xiàn)代的航空航天工業(yè)。正是由于低損耗光導(dǎo)纖維的問世，才能使長距離光信息傳輸?shù)靡詫崿F(xiàn)；超導(dǎo)效應(yīng)在 20 世紀(jì)初已被發(fā)現(xiàn)，然而只有當(dāng)人們制備出臨界轉(zhuǎn)變溫度較高（如液氮溫區(qū) 77K，液態(tài) CO2 溫區(qū) 190K，甚至室溫）的超導(dǎo)材料時，才可望超導(dǎo)發(fā)電、輸電、超導(dǎo)磁懸浮列車等超導(dǎo)技術(shù)的實用化。材料世界? ? 4 豐富多彩、品種繁多，新的材料不斷涌現(xiàn)、日新月異，為了研究、制備和開發(fā)、應(yīng)用的方便，必須對材料進(jìn)行分類。分類的方法很多，按材料的化學(xué)組成分類是基本方法，即根據(jù)材料的化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)，分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料三大類。各類材料在制備、性能和應(yīng)用上，都有許多共性。本章將對這三大類工程材料及由它們組合的復(fù)合材料，分別進(jìn)行討論。 二、材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 現(xiàn)有材料種類極多，工程技術(shù)人員沒必要也不可能掌握這 些材料的特殊性能和應(yīng)用細(xì)節(jié)，最重要的是記住一條基本原理：材料的性能取決于材料的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)。 1. 材料的組成和性能 以化學(xué)觀點看，所有的材料都是由己知的 112 種元素單質(zhì)和它們的化合物組成的。組成不同，便會得到物理、化學(xué)性質(zhì)迥異的物質(zhì)，這是人們熟知的事實。例如，水 H2O與過氧化氫 H2O2，兩種物質(zhì)的分子中僅相差一個氧原子，但性質(zhì)上完全不同：前者十分穩(wěn)定，后者極易分解；前者呈中性，后者顯弱酸性等等。 材料內(nèi)部某種或某些化學(xué)成份在含量上的變化，引起材料性能變化的典型例子是鋼鐵。鋼鐵的性質(zhì)與其中碳含量密切 相關(guān)。不含碳或含碳極少（ %以下）的鐵稱熟鐵，其質(zhì)很軟，不能作結(jié)構(gòu)材料使用。含碳量在 %以上時稱鑄鐵，其質(zhì)硬而脆。含碳量在上述兩者（ ％～ %）之間，則稱鋼。鋼兼有較高的強(qiáng)度和韌性，因此在工程上獲得廣泛的應(yīng)用，主要機(jī)器零部件和工程結(jié)構(gòu)都是由鋼材制成的。與此相似，合金鋼的性能是以合金元素的一定含量為條件的。鋼中加鉻，可提高鋼的耐蝕性，但只有當(dāng)鋼中含鉻量在 13%以上時，才能成為耐蝕性強(qiáng)的不銹鋼。在結(jié)構(gòu)鋼中，合金元素硼一般不得超過 %，若含硼量超過此值，會使該結(jié)構(gòu)鋼性能惡化，其塑性特別是 韌性將明顯下降，甚至出現(xiàn)脆性。 材料的性能與內(nèi)部的化學(xué)組分的密切關(guān)系，這可以從雜質(zhì)對材料性能的影響得到說明。雜質(zhì)的存在，會使材料的機(jī)械性能、電性能等惡化，因此，提高材料的純度是增強(qiáng)材料特性的重要途徑。在現(xiàn)代高新技術(shù)中，對材料純度要求越來越高，比如半導(dǎo)體硅的純度要求達(dá)到 8~12 個“ 9”（即 %~%），才能符合半導(dǎo)體工藝的要求。另一方面，又要在高純的硅中有控制地?fù)饺肷倭康碾s質(zhì)，以提高其半導(dǎo)性能，并工程化學(xué)教案 第八章 ? ? 5 使之具有不同的半導(dǎo)類型和特性。由此可見，材料的組成對于控制、改變材料性能有 重要作用。 2. 化學(xué)鍵類型與材料性能 化學(xué)鍵類型是決定材料性能的主要依據(jù)，三大類工程材料的劃分，就是按各類材料起主要作用的化學(xué)鍵類型。 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)。因此，表現(xiàn)出與金屬鍵有關(guān)的一系列特性，如金屬光澤、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性，較高的強(qiáng)度、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。但金屬材料也表現(xiàn)出與金屬相聯(lián)系的兩大缺點：①易受周圍介質(zhì)作用而產(chǎn)生程度不同的腐蝕。盡管人們采取了各種防蝕措施，每年全世界范圍因腐蝕而損失的金屬，仍數(shù)以千萬噸計 ；②高溫強(qiáng)度差。因為溫度升高，使金屬中原子間距變大，作用力減弱，機(jī)械強(qiáng)度迅速下降。一般金屬及其合金的使用溫度不超過 1000℃。因此，金屬材料的應(yīng)用受到限制。 無機(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。以離子鍵或共價鍵為結(jié)合方式，以氧化物、碳化物等非金屬化合物為存在形式，因而具有許多獨特的性能，如硬度大、熔點高、耐熱性好、耐酸堿侵蝕能力強(qiáng)，是熱和電良好的絕緣體。但存在脆性大和成型加工困難等缺點，尚需進(jìn)一步解決若干理論和技術(shù)問題，才能擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。 有機(jī)高分子材料（或稱有機(jī)高聚物），主要是由以 共價鍵結(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”長而柔曲，相互間以范德華力結(jié)合，或以共價健相“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。正是由于這類化合物結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，賦予有機(jī)高分子材料多樣化的性能。它們質(zhì)輕、有彈性、韌性好、耐磨、自潤滑、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)到或超過鋼鐵。因此，發(fā)展十分迅速，應(yīng)用日益廣泛。這類材料的主要缺點是：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 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)黏或變硬發(fā)脆，性能惡化。在選擇、使用材料時，必須注意這些主要特性。 ? ? 6 3. 晶體結(jié)構(gòu)與材料性能 晶體結(jié)構(gòu)與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系，已在第五章中討論過。四大晶體類型：離子、原子、分子和金屬晶體的區(qū)分，主要是從晶格結(jié)點上的粒子和化學(xué)健類型不同這兩方面考慮的。同時，實踐中發(fā)現(xiàn)，不少晶格類型相同的物質(zhì)，也具有相似或相近的性質(zhì)。 例如，碳的兩種同素異形體 —— 金剛石和石墨的不同性質(zhì)，產(chǎn)生于晶格類型的不同。金剛石屬立方晶型，而石墨則為六方 層狀晶型。與碳元素同為“等電子體”（組成中每個原子的平均價電子數(shù)相同）的氮化硼 BN，也有立方和六方兩種晶型。立方 BN 的主要性質(zhì)與金剛石相近，硬度近于 10，有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性，用作高級磨料和切割工具。六方 BN 性質(zhì)則與石墨相近，較軟（硬度僅為 2），高溫穩(wěn)定性好，作為高溫固體潤滑劑，比石墨效果還好，故有“白色石墨”之稱。又如， 19 世紀(jì)末，曾發(fā)現(xiàn)了石英晶體具有壓電效應(yīng)，即晶體在外界機(jī)械力作用下發(fā)生極化，導(dǎo)致晶體兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷的效應(yīng)，其電荷密度同外力大小成比例，實現(xiàn)了機(jī)械能與電能間的相互轉(zhuǎn)換 。以后的研究證明，石英的壓電效應(yīng)是由于其晶體不具有對稱中心。后來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)若干物質(zhì)也具有壓電性質(zhì)，同時晶體中也無對稱中心。由此得出結(jié)論，凡是在結(jié)構(gòu)中無對稱中心的晶體均有壓電性。這樣，就大大地開闊了人們的視野，拓寬了尋找新材料的范圍。 除晶體外，固體材料的另一大類是非晶體。這類材料結(jié)構(gòu)中，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)也稱玻璃態(tài)。非晶態(tài)固體，由液態(tài)到固態(tài)沒有突變現(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)程無序、近程有序”來概括。由此產(chǎn) 生了非晶態(tài)固體材料的許多重要特性，這將在本章的有關(guān)部分加以介紹。 4. 結(jié)構(gòu)缺陷與材料性能系 晶體中點缺陷示意圖在材料的組成和基本結(jié)構(gòu)相同的情況下，固體結(jié)構(gòu)中的缺陷對材料的性能也會產(chǎn)生重大的影響。固體中的缺陷結(jié)構(gòu)，主要有以下幾類。 （ 1）點缺陷：是在晶格結(jié)點上的粒子和粒子間隙處產(chǎn)生的偏離理想晶體的缺陷，是實際晶體中最常見、最簡單的結(jié)構(gòu)缺陷。點缺陷包括： ①空位：在晶格點上沒有粒子占據(jù)而空出某些位置。 ②置換粒子：結(jié)點上的原來粒子被不同類的粒子所取代，后者即稱置換粒子。 工程化學(xué)教案 第八章 ? ? 7 ③間隙粒子：半徑較小的粒子進(jìn)入晶格結(jié)點 粒子間的空隙處。 點缺陷是由于晶體中粒子的熱運動、遷移而產(chǎn)生的。當(dāng)晶體中接受外界的能量大到足以使粒子離開其平衡位置時，就會在原來的平衡位置上造成一個空位。脫離平衡位置的粒子成為脫位粒子?？瘴缓兔撐涣Ｗ尤蕴幱诓煌５臒徇\動中，不斷產(chǎn)生新的空位，從而形成空位的移動。溫度升高，粒子脫位形成空位的幾率增大，空位“濃度”將迅速增加。因此，點缺陷又被稱為“熱缺陷”。 （ 2）線缺陷：是晶體中某處一列或若干列原子發(fā)生的規(guī)律性錯排現(xiàn)象，通常稱為位錯，是晶體中存在的較普遍的一種缺陷形式。 （ 3）晶界：實際晶體在生長時，常是在許多 部位同時發(fā)展，結(jié)果得到的不是同一晶格貫穿其中的單晶，而是由許多取向不同的細(xì)小晶粒不規(guī)則堆砌起來的多晶體。由于細(xì)小單晶各異性的相互抵消，多晶體一般不表現(xiàn)各向異性。 多晶體中不同晶粒間的交界面，稱晶界。晶界有一些特殊的性質(zhì)。如晶界原子有較高的能量；晶界處的熔點較低，在晶界容易有雜質(zhì)集中或偏析；在晶界粒子的擴(kuò)散比晶粒內(nèi)部要快得多以及晶界容易俘獲電子從而形成勢壘，等等。 上述結(jié)構(gòu)缺陷的存在，對材料性能通常帶來兩方面的影響，既有使材料某些性能下降的一面（如位錯可使一般金屬材料的強(qiáng)度降低 2