【正文】 為“熱缺陷”。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。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。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。 除晶體外，固體材料的另一大類是非晶體。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。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。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。有的高分子材料易燃，使用安全性差。正是由于這類化合物結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，賦予有機高分子材料多樣化的性能。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，是熱和電良好的絕緣體。因為溫度升高，使金屬中原子間距變大，作用力減弱，機械強度迅速下降。 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)。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)體硅的純度要求達到 8~12 個“ 9”（即 %~%），才能符合半導(dǎo)體工藝的要求。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，才能成為耐蝕性強的不銹鋼。含碳量在 %以上時稱鑄鐵，其質(zhì)硬而脆。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。本章將對這三大類工程材料及由它們組合的復(fù)合材料，分別進行討論。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。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)濟發(fā)展水平的重要標志之一。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。 20 世紀初發(fā)展起來的高分子材料，擴大了材料的品種和范圍，推動了許多新技術(shù)的發(fā)展，使人類進入了合成材料的時代。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。 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)、 常見無機非金屬材料的基本性質(zhì)（ 1 學(xué)時）。 4. 了解 常見有機材料的基本性質(zhì)。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)。 5. 了解 常見復(fù)合材料的基本性質(zhì)。 、 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?，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。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。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，甚至促進化學(xué)反應(yīng)和改變顏色等類似于生命體的智慧反應(yīng)。反過來，材料對發(fā)展經(jīng)濟，改善與提高人類文明的程度，又起到巨大的促進作用。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，必須對材料進行分類。 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)。 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。含碳量在上述兩者（ ％～ %）之間，則稱鋼。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。另一方面，又要在高純的硅中有控制地摻入少量的雜質(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。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，較高的強度、硬度和良好的機械加工性能（鑄造、鍛壓、焊接和切削加工等）等。一般金屬及其合金的使用溫度不超過 1000℃。但存在脆性大和成型加工困難等缺點，尚需進一步解決若干理論和技術(shù)問題，才能擴大其應(yīng)用范圍。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，其比強度（材料的強度與密度之比）可達到或超過鋼鐵。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。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)。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。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。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)。 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。 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。脫離平衡位置的粒子成為脫位粒子。 （ 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。晶界有一些特殊的性質(zhì)。 三、工程材料與元素周期表 前面討論了物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性能間的關(guān)系，而元素單質(zhì)及化合物在組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系，都被統(tǒng)一在自然界的重要規(guī)律之一的元素周期律中。在金屬與非金屬之間一條梯形的分界線。 cm3 者叫輕金屬，大于 5g178。下面舉出兩個典型例證，加以說明。隨著制備和提純技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，鍺的位置逐漸被半導(dǎo)體性更好、資源更豐富的同族元素硅 所取代。這類半導(dǎo)電稱摻雜半導(dǎo)體，其半導(dǎo)體性可以人為地控制，是半導(dǎo)體技術(shù)中的一個重大進展。 （ 2）超導(dǎo)材料的研制 1911 年，荷蘭科學(xué)家發(fā)現(xiàn)汞在 下，電阻突然降低而成為“零電阻”這種狀態(tài)工程化學(xué)教案 第八章 ? ? 9 稱為“超導(dǎo)狀態(tài)”。組成超導(dǎo)材料的元素在周期表中的位置 可以看出：①可構(gòu)成超導(dǎo)材料的組成元素是很多的；②少數(shù)元素單質(zhì)可制得超導(dǎo)材料，但絕大多數(shù)超導(dǎo)材料是由多種元素構(gòu)成的合金或化合物制得的。表 81 中列出若干超導(dǎo)合金和超導(dǎo)化合物的超導(dǎo)臨界溫度 Tc 值。同時，各國的研究均已表明，幾乎 所有的性能好， Tc 高的陶瓷超導(dǎo)材料都含有稀土元素。用作發(fā)電機，可大大提高電機的輸出功率，實現(xiàn)磁流發(fā)電，效率將從目前的 40%提高到 50~60%，并使輸電能耗減小一個數(shù)量級；如用于制造懸浮列車，車速可高達 590km178。需要說明的是，除上述因素外，在選擇和應(yīng)用材料時，還應(yīng)從材料的加工工藝和加工形態(tài)方面加以考慮。 總之，影響材料性能的因素很多，很復(fù)雜，只要能掌握原理，綜合分析，就能實現(xiàn)合理選材、用材和節(jié)材。金屬作為材料，其價值不僅取決于它在地殼中的含量和獨特的性能，在很大程度上還取決于其冶煉的難易程度。冶金過程，主要包括三步：預(yù)處理、還原冶煉和精煉。 2. 冶煉：金屬的冶煉主要有濕法冶金和火法冶金兩種過程。熱工程化學(xué)教案 第八章 ? ? 11 還原法是效率最高、應(yīng)用最廣的冶煉方法，是在加熱條件下，用 C， CO， H2和 Al 等還原劑將金屬從相應(yīng)的氧化物中還原出來。 (2) 區(qū)域精煉法：用環(huán)形加熱圈固定于含雜質(zhì)的金屬（如鍺）棒的周圍，緩慢移動加熱器，金屬棒受熱部分逐漸熔化。 (3) 電解精煉法：如精銅的電解精煉，其化學(xué)原理已在第四章中介紹過。同一大類金屬在性質(zhì)上有較大的相似性，可作為選擇、使用金屬材料的參考。它們的合金密度小而強度大，在航天、航空、汽車制造等部門中是最重要的輕型結(jié)構(gòu)材料。我國稀土資源為世界? ? 12 之首，稀土元素在國民經(jīng)濟各部門和國防尖端技術(shù)中有極重要的應(yīng)用，且領(lǐng)域還在不斷擴大。黑色金屬有優(yōu)良的綜合性質(zhì)且價格低廉。它們的特點是高的化學(xué)惰性、價 格昂貴。 Ga、 Ge、 As 作為重要的半導(dǎo)體材料，在高新技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用。含金是一種金屬與另一種或幾種其他金屬或非金屬熔合而具有金屬特征的物質(zhì)。固溶體可分成取代（置換）固溶體和間隙固溶體。間隙固溶體中，溶質(zhì)數(shù)量常被限制在百分之幾內(nèi)。鐵碳合金中形成的化合物組成為 Fe3C，稱滲碳體。 3. 機械混合物 兩種金屬在熔融時互溶，但凝固時分別結(jié)晶，整個合金組織不均勻而且成分不同的微晶體的機械混合物。它是工程技術(shù)中最重要的、用量最大的金屬材料。隨含碳量升高，碳鋼的硬度增加，韌性下降 。預(yù)計到 21 世紀初，合金鋼在鋼的總產(chǎn)量中的比例將有大幅度增長。白口鐵 中碳以 Fe3C 形態(tài)分布，斷口呈銀白色，質(zhì)硬而脆，不能進行機械加工，是煉鋼的原料，故又稱煉鋼生鐵。 2. 鋁合金 鋁是分布較廣的元素，在地殼中含量僅次于氧和硅，是金屬中含量最高的。 鋁合金的突出特點是密度小、強度高，鋁中加入 Mn、 Mg 形成的 Al Mn、 Al Mg合金有很好的耐蝕性，良好的塑性和較高的強度，稱為防銹鋁合金，用于制造油箱、容器、管道、鉚釘?shù)取? 目前高強鋁合金廣泛應(yīng)用于飛機、艦艇和載重的汽車等制造，可增加載重量及提高運行速度，并具有抗海水侵蝕，避磁性等特點。 工業(yè)中廣泛使用的銅合金有黃銅、青銅和白銅等。 青銅是人類使用歷史最久的金屬材料，它是 Cu Sn 合金，錫的加入明顯地提高了銅的強度，并使其塑性得到改善，抗腐蝕性增強，因此錫青銅多于齒輪等耐磨零件和耐蝕配件。 白銅是 Cu Ni 合金，有優(yōu)異的耐蝕 性和高的電阻，故用作苛刻腐蝕條件下工作的零件和電阻器的材料。純金屬中耐蝕性高的通常具備下述三個條件之一： (1) 熱力學(xué)穩(wěn)定性高的金屬通?？捎闷錁藴孰姌O電勢來判斷，其數(shù)值較正者穩(wěn)定性較高；較負者則穩(wěn)定性較低。 因此，工業(yè)上根據(jù)上述原理，采用合金化方法獲得一系列耐蝕合金。即屬此類。實驗證明，在不銹鋼中，含 Cr 量一般應(yīng)大于 13%時才能起抗蝕作用， Cr 含量越高，其耐蝕性越好。例如鋼能耐大氣腐蝕是由于其表面形成結(jié)構(gòu)致密的化合物羥基氧化鐵［ FeOx178。 2. 耐熱合金 這類合金又稱高溫合金，它對于在高溫條件下的工業(yè)部門和應(yīng)用技術(shù)，有著重大的意義。 提高鋼鐵抗氧化性的途徑有二： (1) 在鋼中加入 Cr、 Si、 Al 等合金元素，或者在鋼的表面進行 Cr、 Si、 Al 合金化處理。從周期表中看，Ⅵ B 元素金屬鍵在同一周期內(nèi)最強。例如，加入 W、 Mo、 V、 Nb 可生成 WC、 W2C、 MoC、 Mo2C、VC、 NbC 等碳化物，從而增加了鋼鐵的高溫強度。鈦在地 殼中較豐，遠高于 Cu、 Zn、 Sn、 Pb 等常見金屬。 鈦是容易鈍化的金屬，且在含氧環(huán)境中，其鈍化膜在受到破壞后還能自行愈合。 鈦