【正文】 子半徑的差值。下面將無機(jī)半導(dǎo)體材料大致分類。半導(dǎo)體也就由此而區(qū)分為兩種類型，以電子導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體，叫 n 型半導(dǎo)體；空穴導(dǎo)電為主的，則叫 p 型半導(dǎo)體。 前已指出，解釋固體導(dǎo)電行為的是能帶理論。 一、半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體是指室溫電阻率為 104~1010Ω178。此外，非晶態(tài)金屬有明顯的催化性能，它還可作為儲(chǔ)氫材料。其耐磨性也明顯地高于鋼鐵材料。 除熔體急劇冷法外，目前制備非晶態(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)的是化學(xué)沉積法和電沉積法。但如將某些金屬熔體，以極快的速率急劇冷卻，例如每秒鐘冷卻溫度大于 100 萬度 ，則可得到一種嶄新的材料。 儲(chǔ)氫材料既可作為氫的輸送介質(zhì)，還有一系列其他的用途，如作能量轉(zhuǎn)換介質(zhì)，分離氫，精制和分離氫的同位素，催化劑和敏感元件等。②材料用于吸附氫時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)生成焓要小，用來儲(chǔ)熱時(shí)Δ rH m氫的平衡壓差要小。 六、貯氫材料 某些金屬或合金，具有吸收氫氣的能力，它們在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο?，可與氫反應(yīng)生成金屬氫化物，吸收并儲(chǔ)存氫氣；而在另一溫度和壓力下，金屬氫化物又會(huì)分解并釋放氫氣。 金屬中組成永磁材料的主要元素是 Fe、 Co、 Ni 和某些稀土元素。因此鐵磁性材料與磁場間的相互作用，要比順磁性物質(zhì)大得多。放入磁場時(shí)，原子磁矩沿磁場方向取向而略有偏轉(zhuǎn)，表現(xiàn)出微弱的磁化，除去外磁場，原子磁矩又混亂分布，磁化消失。 物質(zhì)的磁性與其內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)有關(guān)。鈦合金已廣泛用于國民經(jīng)濟(jì)各? ? 18 部門，它是火箭、導(dǎo)彈和航天飛機(jī)不可缺少的材料；船舶、化工、電子器件和通訊設(shè)備以及若干輕工業(yè)部門中要大量應(yīng)用鈦合金。 液態(tài)的鈦幾乎能溶解所有的金屬，形成固溶體或金屬化合物等各種合金。鈦和鈦合金有優(yōu)異的耐蝕性，僅為氫氟酸和中等濃度的強(qiáng)堿溶液所侵蝕。 純鈦機(jī)械性能強(qiáng)，可塑性好，易于加工。其中鎳基合金是最優(yōu)的超耐熱金屬材料，組織中基體是 Ni Cr Co 的固溶體和 Ni3Al 金屬化合物，經(jīng)處理后，其使用溫度可達(dá) 1000~1100℃。 (2) 加入能形成各種碳化物或金屬間化合物的元素，以使鋼基體強(qiáng)化。 提高鋼鐵高溫強(qiáng)度的方法很多，從結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的化學(xué)觀點(diǎn)看，大致有兩種主要方法： (1) 增加鋼中原子間在高溫下的結(jié)合力。如用熱力學(xué)溫度表示熔點(diǎn)，則金屬熔點(diǎn) Tm 的 60%，被定義為理論上可使用溫度上限 Tc，即 Tc=。鋼中加入 Cu 與 P 或 P 與 Cr 均可促進(jìn)這種保護(hù)膜的生成，由此可用 Cu、 P 或 P、 Cr 制成耐大氣腐蝕的低合金鋼。這是因?yàn)榉茄趸运岵灰资购辖鹕裳趸ぃ瑫r(shí)對氧化膜還有溶解作用。 (2) 加入易鈍化合金元素，如 Cr、 Ni、 Mo 等，可提高基體金屬的耐蝕性。 (1) 提高金屬或合金的熱力學(xué)穩(wěn)定性，即向原不耐蝕的金屬或合金中加入熱力學(xué)穩(wěn)定性高的合金元素，使形成固溶體以及提高合金的電極電勢，增強(qiáng)耐蝕性。 (2) 易于鈍化的金屬不少金屬可在氧化性介質(zhì)中形成具有保護(hù)作用的致密氧化膜，這種現(xiàn)象稱為鈍化，金屬中最容易鈍化的是 Ti、 Zr、 Ta、 Nb、 Cr、 Al 等。本節(jié)只能簡要介紹其中幾個(gè)大類。鋁青銅的耐蝕性比錫青銅還好。加入少量 Sn，具有很好的抗海水腐蝕的能力，被稱為海軍黃銅。有極好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性，其導(dǎo)電性僅次于銀而居金屬中的第二位。新近開發(fā)的高強(qiáng)度硬鋁，強(qiáng)度進(jìn)一步提高，而密度比普通硬鋁減小 15%，且能擠壓成型，可用作摩托車骨架和輪圈等構(gòu)件。 cm3，有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性（僅次于 Au、 Ag、 Cu），延展性好、塑性高 ，可進(jìn)行各種壓力加工。若碳以球狀石墨分布則稱球墨鑄鐵，其機(jī)械性能、加工性能接近于鋼。生鐵硬而脆，但耐壓耐磨。經(jīng)常加入鋼中的合金元素有 Si、 W、 Mn、 Cr、? ? 14 Ni、 Mo、 V、 Ti 等。碳鋼是最常用的普通鋼，冶煉方便、加工容易、價(jià)格低廉、而且在多數(shù)情況下能滿足使用要求，所以應(yīng)用十分普遍。 四、常用合金 1. 鋼鐵 鋼鐵是鐵與 C、 Si、 Mn、 P、 S 以及少量的其他元素所組成的合金。用于制造超音速飛機(jī)的機(jī)翼，不需氧化保護(hù)即可抵抗 1300℃高溫侵襲；用以制作葉輪和無冷卻裝置的噴口，可使發(fā)動(dòng)機(jī)的拉力提高 25%，重量減輕 40%；用以制作氣缸套、渦輪機(jī)部件，可使廢氣排出量減少一半，使用品質(zhì)較低的燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命也將大大提高。碳與許多金屬在合金中可形成間隙化合物。在間隙固溶體中，溶質(zhì)原子比溶劑原子小得多，其半徑至少小 40%，因此，前者可進(jìn)入后者的晶格間隙中所示。 1. 固溶體 固溶體結(jié)構(gòu)示意圖 一種金屬與另一種金屬或非金屬熔融時(shí)相互溶解、凝固時(shí)形成組成均勻的固體，就稱金屬固溶體。 8. 錒系金屬區(qū)這類金屬在自然界存在的很少，大多是人造元素，除在原子能工業(yè)中應(yīng)用 外，在科學(xué)研究中有較大的意義。 Cu 價(jià)較低廉，傳熱、導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能優(yōu)良，是電氣工業(yè)中不可缺少的材料，其合金廣泛用于機(jī)械工業(yè)中。 Co、 Ni 及其合金具有特殊的高溫強(qiáng)度，是重要的戰(zhàn)略物資。這類金屬中金屬鍵強(qiáng)度大，熔點(diǎn)很高，都在 1700℃以上，其中以 W 的熔點(diǎn)最高為 3410℃，并且硬度大，而Cr 是所有金屬中最硬的，是制造耐磨、耐熱耐腐蝕材料的理想金屬。由于原子結(jié)構(gòu)相似，半徑相近，這些元素性質(zhì)十分相似，在自然界常共生在一起。 2. 輕金屬區(qū)：包括 Be、 Mg、 Al 三個(gè)金 屬元素，其密度均小于 5g178。 (4) 氧化雜質(zhì)法：如煉鋼過程， 就是將生鐵中的碳用氧化燃燒法部分除去，以達(dá)到合適的碳含量。這種過程可進(jìn)行多次，每進(jìn)行一次，金屬的純度就提高一次。 (1) 熱分解法：利用某些金屬易形成液態(tài)或氣態(tài)化合物，又易分解的性質(zhì)提純金屬。這種方法適于處理金屬含量較低或組分較復(fù)雜的原 料，廣泛用于有色和稀有金屬的生產(chǎn)。例如，許多礦石先經(jīng)鍛燒，制成較易被還原的金屬氧化物形式。因?yàn)槟菚r(shí)的鋁是用金屬鈉還原氧 化鋁來制取的，成本極高。它們?yōu)槿祟惖纳詈蜕a(chǎn)提供了雄厚的物質(zhì)基礎(chǔ)，陸地上可用來制取金屬的礦石，大約有以下八大類： 1. 天然金屬礦； 2. 氧化物礦； 3. 碳酸鹽礦； 4. 硅酸鹽礦； 5. 硫酸鹽礦； 6. 磷酸鹽礦； 7. 鹵化物礦等； 8. 硫化物礦。但其加工形態(tài)不同，其物性和用途會(huì)有? ? 10 較大變化。在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中其應(yīng)用前景是極其廣闊的。 利用超導(dǎo)材料，人們在 1961 年首次制成超導(dǎo)磁體。 1985年，在超導(dǎo)材料的研究上獲得重要突破，研究人員發(fā)現(xiàn)了具有超導(dǎo)性的陶瓷材料 BaLa Cu O 系，并預(yù)測有相當(dāng)高的 Tc 的可能性。目前主更有：① Nb Ti 類超導(dǎo)合金，其價(jià)格較低，易加工處理，是制造超導(dǎo)體的重要材料；② Nb3Sn 和 V3Ga 等類金屬互化物。 超導(dǎo)材料 有三個(gè)關(guān)鍵的臨界值，既臨界溫度 Tc，臨界電流密度 Jc 和臨界磁場 Hc，這三個(gè)臨界值越高，超導(dǎo)體的實(shí)用價(jià)值就越大。 即Ⅲ A 或Ⅴ A 元素的化合物（如 Ga、As），第Ⅱ B 族與Ⅵ A 元素的化合物（如 CdS 等）以及第Ⅰ B 與Ⅶ A 元素的化合物（如 AgI等），也都具有半導(dǎo)體性質(zhì)。利用 Si、 Ge 制備的半導(dǎo)體材料，稱為本征半導(dǎo)體。其中大多數(shù)不穩(wěn)定，硼的熔點(diǎn)太高，難于實(shí)用；磷有毒，不能單獨(dú)應(yīng)用。 2. 工程材料與元素周期表 在尋找、發(fā)展、開拓新的 工程材料過程中，元素周期表起著重要的指導(dǎo)作用。通常根據(jù)其物理性質(zhì)又可分為四大類，即輕金屬和脆性、展性以及低熔點(diǎn)重金屬。 1. 周期表中元素的分類 圖 82 周期表中元素的分類根據(jù)原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) ，元素周期表中金屬性和非金屬性的變化規(guī)律是：同一主族元素自上而下金屬性遞增；同一周期元素自左至右非金屬性遞增。 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(cuò)可使一般金屬材料的強(qiáng)度降低 2~3 個(gè)數(shù)量級），也有使材料顯示 出特殊的熱、電、磁和光學(xué)性質(zhì)，發(fā)展為功能材料的一面。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。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。 點(diǎn)缺陷是由于晶體中粒子的熱運(yùn)動(dòng)、遷移而產(chǎn)生的。 （ 1）點(diǎn)缺陷：是在晶格結(jié)點(diǎn)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(shí)際晶體中最常見、最簡單的結(jié)構(gòu)缺陷。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。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。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(shí)現(xiàn)了機(jī)械能與電能間的相互轉(zhuǎn)換 。金剛石屬立方晶型，而石墨則為六方 層狀晶型。 ? ? 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。這類材料的主要缺點(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 200℃。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(jià)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。 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。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(jì) ；②高溫強(qiáng)度差。 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。雜質(zhì)的存在，會(huì)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。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。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。組成不同，便會(huì)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(shí)。各類材料在制備、性能和應(yīng)用上，都有許多共性。如果沒有半導(dǎo)體材料的生產(chǎn)和發(fā)展，就不會(huì)有目前計(jì)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(huì)有現(xiàn)代的航空航天工業(yè)。 由此可見，人類對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。在此基礎(chǔ)上，第四代材料 —— 復(fù)合材料就應(yīng)運(yùn)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。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(tái)，各種合金材料的相繼問世，使金屬材料成為主導(dǎo)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。 二． 本章節(jié)重點(diǎn)、難點(diǎn) 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(jì)的一些理念。 3． 了解 常見無機(jī)非金屬材料的基本性質(zhì)。 2． 了解常見金屬材料的基本性質(zhì)。 6. 了解材料設(shè)計(jì)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(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)，它是人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)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。 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(shí)和利用，經(jīng)歷了一個(gè)漫長的探索、發(fā)展的歷史過程。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。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?，F(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。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。 1. 材料的組成和性能 以化學(xué)觀點(diǎn)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。鋼鐵的性質(zhì)與其中碳含量密切 相關(guān)。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。 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。由此可見，材料的組成對于控制、改變材料性能有 重要作用。但金屬材料也表現(xiàn)出與金屬相聯(lián)系的兩大缺點(diǎn)：①易受周圍介質(zhì)作用而產(chǎn)生程度不同的腐蝕。因此，金屬材料的應(yīng)用受到限制。 有機(jī)高分子材料（或稱有機(jī)高聚物），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。因此，發(fā)展十分迅速，應(yīng)用日益廣泛。在選擇、使用材料時(shí)，必須注意這些主要特性。 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。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。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。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。固體中的缺陷結(jié)構(gòu)，主要有以下幾類。 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(diǎn) 粒子間的空隙處。空位和脫位粒子仍處于不停的熱運(yùn)動(dòng)中，不斷產(chǎn)生