【正文】 ? ? 23 硅中。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、著名的高能物理學(xué)家丁肇中教授領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)大規(guī)模的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，模擬宇宙初開時(shí)大爆炸過程所需的11tBGO 晶體。結(jié)構(gòu)陶瓷具有高硬、高強(qiáng)、耐磨耐蝕、耐高溫和潤滑性好等性能，用作機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件的陶瓷材料。在高純 Al2O3中加入少量的 MgO、 Y2O3，經(jīng)特殊燒結(jié)，可制成微晶氧化鋁，透光性很強(qiáng)，用作高壓鈉燈燈管等高溫透明部件。 SiC 為很強(qiáng)的共價(jià)鍵，故 SiC 屬原子晶體，熔點(diǎn)高（ 2450℃），硬度大（ )，是重要的工業(yè)磨料。目前一些發(fā)達(dá)國家的汽車公司試制了無冷卻式陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)汽車，我國也在 1990 年裝配了一輛并完成了試車。這種現(xiàn)象，稱壓電效應(yīng)，通過這一效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能間的相互轉(zhuǎn)變。通常將沖擊或靜壓等機(jī)械力施加至壓電陶瓷上即可產(chǎn)生 10kV 左右的脈沖高電壓，應(yīng)用最廣的有鈦酸鋇系、鈦酸鉛系和鋯鈦酸鉛系（ PTZ）。光導(dǎo)纖維要求質(zhì)輕，柔軟彎曲自如，傳光效率高，抗機(jī)械振動(dòng)，耐蝕性好，光纖通信的容量比微波通信大 103~104 倍，能量損耗小，抗（雷電）干擾力強(qiáng)，保密性好。 km1 時(shí)，則可傳輸 2500km。研究證明，如在離子晶體結(jié)構(gòu)中存在著非密堆積或一定量的空位、間隙離子等缺陷，則可借助這些缺陷實(shí)現(xiàn)某些離子的擴(kuò)散。 （ 4）磁性陶 瓷 磁性陶瓷主要指鐵氧體。它主要有鋇鐵氧體和鍶鐵氧體，通式為 MO178。據(jù)此，就可將溫度、壓力、濕度、光波、熱量、振動(dòng)、氣氛等外界信息統(tǒng)統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槊舾胁牧习l(fā)出的電信號(hào)，再通過電子線路進(jìn)行放大處理，其 結(jié)果最后用儀表指示，或用熒光屏顯示，或直接輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制 。下面介紹工程中常用的兩類重要有機(jī)化合物。因此，當(dāng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)或工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力。在潤滑油或潤滑脂中都添加一些其他組分以改善其性能。如以辛酸為潤滑劑，摩擦系數(shù)為 ，且效果不穩(wěn)定，在應(yīng)力太大或摩擦?xí)r間過長，會(huì)在金屬的凸出部分形成黏著；用十二烷酸潤 滑時(shí)，摩擦系數(shù)降至 ，而不加潤滑劑的表面清潔的鋼對(duì)鋼板的摩擦系數(shù)為 ，由此可看出潤滑劑在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用了。 二、有機(jī)高聚物概述 1. 有機(jī)高聚物的結(jié)構(gòu) 特征 有機(jī)高聚物，又稱高分子化合物，是相對(duì)分子質(zhì)量很大的化合物。帶有吸附膜的金屬板，在作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，只需克服微弱的分子間力，因而使摩擦系數(shù)大大下降。 合成潤滑油包括醇、脂肪酸、酯等有機(jī)物化合和有機(jī)高聚物。 從這一規(guī)則可以推知，有機(jī)物中那些中等極性的化合物，如醇、醚、酮和酯類以及若干鹵代烴類，應(yīng)當(dāng)是 適應(yīng)面廣，溶解力強(qiáng)的常用工業(yè)溶劑。 一、重要有機(jī)化合物 有機(jī)化合物，就是碳的化合物。因此這類材料被稱為敏感材料。 軟磁鐵氧體已廣泛用于廣播、通訊和電視工業(yè)，是磁性天線、中周變壓器、增感線圈等的重要材料，主要用作磁芯材料和錄音、錄像磁頭，其中的 Mn Zn 鐵氧體和 NiZn鐵氧體分別是高導(dǎo)磁率和高頻軟磁材料中性能最好的。一、二維的導(dǎo)電是“各向異性”的。 （ 3）固體電解質(zhì) 前已指出，離子晶體通常屬于絕緣體，因?yàn)槠渲袩o可自由移動(dòng)的離子或電子。 如果光導(dǎo)纖維的光損耗為 分貝每公里（ dB178。 ? ? 26 （ 2）光導(dǎo)纖維 光通信是當(dāng)代新技術(shù)革命的重要內(nèi)容，也是信息社會(huì)的重要標(biāo)志。在它們內(nèi)部原本存在自發(fā)極化的傾向，但在燒結(jié)時(shí)顆粒的極化方向是無序的，從而在宏觀上相互抵消。晶體帶電的大小，與所受的機(jī) 械力成正比。 工程化學(xué)教案 第八章 ? ? 25 陶瓷材料可在遠(yuǎn)比金屬材料高得多的使用溫度下工作，因此，高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料最大的應(yīng)用領(lǐng)域是噴氣技術(shù)、磁流發(fā)電和宇航技術(shù)。它的導(dǎo)熱性好且膨脹系數(shù)小，可經(jīng)受低溫高溫、驟冷驟熱反復(fù)上千次的變化而不破壞，因此是十分理想的高溫結(jié)構(gòu)材料。 純氧化鋁為無色或白色晶體，燒結(jié)致密的 Al2O3 陶瓷硬度大、耐高溫、抗氧化，耐急冷急熱，可使用溫度高達(dá) 1980℃，機(jī)械 強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，且有高絕緣性，因此，用途極廣。 三、精細(xì)陶瓷材料 精細(xì)陶瓷，又稱為“現(xiàn)代 陶瓷”。這就是 BGO 的“眼睛”作用，即可用作高能粒子的“控測(cè)器”。但制作時(shí)，需將高純的單晶硅切割、研磨成 200~300μ m 的薄片，加工費(fèi)用高而導(dǎo)致其成本增高，難于工業(yè)化。因此，純粹的非晶硅，并非理想的半導(dǎo)體材料。 2. 非晶硅及太陽能電池 如前所述，晶體硅是電子技術(shù)中人們矚目的中心。這些化合物中正、負(fù)離子數(shù)之比，不再是簡(jiǎn)單的整數(shù)比，故又稱非整比化合物。此外雜質(zhì)原子的外層電子數(shù)與硅（或鍺）越不同，其溶解度也越小。 高純半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能很差，常用“摻雜”來改善其導(dǎo)電性，如在鍺中摻入 1%的雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力可提高百萬倍。 m）和絕緣體（≥ 1010Ω178。第三個(gè)特點(diǎn)是非晶態(tài)金屬優(yōu)良的磁化性能；低損耗、高磁導(dǎo)，成為引人注目的新型材料。 能形成非晶態(tài)的合金有以下兩大類：一類是金屬之間的合金，典型的有 Cu60、 Zr? ? 20 La7 Au2 U70、 Cr30 等；另一類是金屬與某些非金屬（最有效的是 B、 P、 Si）組成的合金，例如 Fe80B Fe40Ni40P14O6 和 Fe5Co70Si15B10 等。 目前正在研究或接近實(shí)用的儲(chǔ)氫材料有： Mg2Cu、 TiFe、 TiMn、 TiCr LaNi ZrMn2和含稀土金屬（ La、 Ce） Ni、 Zr、 Al 或 Cr Mn 組成的多元合金。我國生產(chǎn)的釹鐵硼合金的 磁工程化學(xué)教案 第八章 ? ? 19 性能，在國際上處于領(lǐng)先地位。但在 鐵磁性材料內(nèi)部還存在著稱為“磁疇”的許多局部小區(qū)域，在這些小區(qū)域內(nèi)，相鄰的原子磁矩取向一致，趨于相互平行的排列；而各磁疇間的自發(fā)磁化方向是無序的，因此整塊材料的宏觀磁矩為零，對(duì)外不顯示磁性。 4. 磁性合金 材料在外加磁場(chǎng)中，可表現(xiàn)出三種情況：①不被磁場(chǎng)吸引的，叫反磁性材料；②微弱地被磁場(chǎng)所吸引的物質(zhì)，叫順磁性材料；③被磁場(chǎng)強(qiáng)烈地吸引的物質(zhì)，稱鐵磁性材料，其磁性隨外磁場(chǎng)的加強(qiáng)而急劇增高，并在外磁場(chǎng)移走后，仍能保留磁性。 鈦的另一個(gè)重要特性是密度小。鈦在地 殼中較豐，遠(yuǎn)高于 Cu、 Zn、 Sn、 Pb 等常見金屬。從周期表中看，Ⅵ B 元素金屬鍵在同一周期內(nèi)最強(qiáng)。 2. 耐熱合金 這類合金又稱高溫合金，它對(duì)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。實(shí)驗(yàn)證明，在不銹鋼中，含 Cr 量一般應(yīng)大于 13%時(shí)才能起抗蝕作用， Cr 含量越高，其耐蝕性越好。 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。 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。 工業(yè)中廣泛使用的銅合金有黃銅、青銅和白銅等。 鋁合金的突出特點(diǎn)是密度小、強(qiáng)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(qiáng)度，稱為防銹鋁合金，用于制造油箱、容器、管道、鉚釘?shù)?。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(jìn)行機(jī)械加工，是煉鋼的原料，故又稱煉鋼生鐵。隨含碳量升高，碳鋼的硬度增加，韌性下降 。 3. 機(jī)械混合物 兩種金屬在熔融時(shí)互溶，但凝固時(shí)分別結(jié)晶，整個(gè)合金組織不均勻而且成分不同的微晶體的機(jī)械混合物。間隙固溶體中，溶質(zhì)數(shù)量常被限制在百分之幾內(nèi)。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)。它們的特點(diǎn)是高的化學(xué)惰性、價(jià) 格昂貴。我國稀土資源為世界? ? 12 之首，稀土元素在國民經(jīng)濟(jì)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(kuò)大。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。 (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(dòng)加熱器，金屬棒受熱部分逐漸熔化。 2. 冶煉：金屬的冶煉主要有濕法冶金和火法冶金兩種過程。金屬作為材料，其價(jià)值不僅取決于它在地殼中的含量和獨(dú)特的性能，在很大程度上還取決于其冶煉的難易程度。需要說明的是，除上述因素外，在選擇和應(yīng)用材料時(shí)，還應(yīng)從材料的加工工藝和加工形態(tài)方面加以考慮。同時(shí)，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。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。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(gè)重大進(jìn)展。下面舉出兩個(gè)典型例證，加以說明。在金屬與非金屬之間一條梯形的分界線。晶界有一些特殊的性質(zhì)。脫離平衡位置的粒子成為脫位粒子。 4. 結(jié)構(gòu)缺陷與材料性能系 晶體中點(diǎn)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(duì)材料的性能也會(huì)產(chǎn)生重大的影響。后來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)若干物質(zhì)也具有壓電性質(zhì)，同時(shí)晶體中也無對(duì)稱中心。同時(shí)，實(shí)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)。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。一般金屬及其合金的使用溫度不超過 1000℃。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。含碳量在上述兩者（ ％～ %）之間，則稱鋼。 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)。反過來，材料對(duì)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。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(shì)。 、 了解 常見復(fù)合材料的基本性質(zhì)、材料設(shè)計(jì)的一些理念。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(duì)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(shí)數(shù) : 14 學(xué)時(shí)） 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)。 三． 學(xué)時(shí)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(shí)）。 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(dòng)了許多新技術(shù)的發(fā)展，使人類進(jìn)入了合成材料的時(shí)代。一個(gè)國家材 料的品種、質(zhì)量和產(chǎn)量，是直接衡量這個(gè)國家的科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。本章將對(duì)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。含碳量在 %以上時(shí)稱鑄鐵，其質(zhì)硬而脆。在現(xiàn)代高新技術(shù)中，對(duì)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(gè)“ 9”（即 %~%），才能符合半導(dǎo)體工藝的要求。因?yàn)闇囟壬撸菇饘僦性娱g距變大，作用力減弱，機(jī)械強(qiáng)度迅速下降。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。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(diǎn)上的粒子和化學(xué)健類型不同這兩方面考慮的。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(duì)稱中心。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。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(shí)，就會(huì)在原來的平衡位置上造成一個(gè)空位。 多晶體中不同晶粒間的交界面，稱晶界。因此，典型金屬集中于表的左側(cè)，非金屬元素集中于表的右部，中部為過渡金屬，表的? ? 8 左下方為最強(qiáng)的金屬，右上方是最活潑的非金屬元素。它為研究工作者提供了新思路，為創(chuàng)造新型材料開辟了更廣闊的途徑。后來發(fā)現(xiàn)，如在硅晶體中摻入少量Ⅲ A 或Ⅴ A 元素，則可獲得缺少電子，出現(xiàn)“空穴”的