【導讀】1．了解材料性能的內在存依據。3．了解常見無機非金屬材料的基本性質。度、韌性等性能優(yōu)良的材料。功能材料則是具有光、聲、熱、電、磁等特殊效應和功能。現代工程技術人員應有豐。有所創(chuàng)造，有所前進。金材料的相繼問世，使金屬材料成為主導材料。子材料在工農業(yè)生產中的地位日益重要，有逐步取代鋼鐵材料的霸主地位之勢。由此可見，人類對材料的取得和使用是與社會生產力和科技發(fā)展水平緊密相連的?，F在，材料和能源、信息控制，被稱為現代工業(yè)的三大支柱，其重要性更加突出。方便，必須對材料進行分類。本章將對這三大類工程材料及由它們。鋼鐵的性質與其中碳含量密切相關。含碳量在%以上時稱鑄鐵，其質硬而脆。鉻量在13%以上時，才能成為耐蝕性強的不銹鋼。過%，若含硼量超過此值，會使該結構鋼性能惡化，其塑性特別是韌性將明顯下降，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，仍數以千萬噸計；

　　

【正文】 燒結致密的 Al2O3 陶瓷硬度大、耐高溫、抗氧化，耐急冷急熱，可使用溫度高達 1980℃，機械 強度高，化學穩(wěn)定性好，且有高絕緣性，因此，用途極廣。 氧化鋁陶瓷是使用最早的結構陶瓷，用作機械部件、工具和刀具，在高溫下其強度基本不變，還可剪、切磁性材料。在高純 Al2O3中加入少量的 MgO、 Y2O3，經特殊燒結，可制成微晶氧化鋁，透光性很強，用作高壓鈉燈燈管等高溫透明部件。少量的 Cr2O3 和Al2O3形成的固溶體，稱紅寶石，是性能優(yōu)良的固體激光材料。 （ 2）氧化鋯結構陶瓷 氧化鋯 ZrO2 是最有希望實際應用的高溫結構陶瓷材料。以離子鍵為主要結合方式的陶瓷，最大的弱點是其脆性，這是制約其作為結構材料大量應用的 主要障礙。而以 ZrO2為主體的增韌陶瓷，克服了傳統(tǒng)陶瓷的弱點，具有很高的強度和韌性，能承受鐵錘的敲擊，強度可與高強高合金鋼媲美，故有“陶瓷鋼”的美稱。 （ 3）氮化硅結構陶瓷 氮化硅 Si3N4 是灰白色固體，硬度為 9，是最硬的材料之一。它的導熱性好且膨脹系數小，可經受低溫高溫、驟冷驟熱反復上千次的變化而不破壞，因此是十分理想的高溫結構材料。 （ 4）碳化硅結構陶瓷 碳化硅 SiC，俗稱金剛砂。 SiC 為很強的共價鍵，故 SiC 屬原子晶體，熔點高（ 2450℃），硬度大（ )，是重要的工業(yè)磨料。如其中摻入某些雜質，會 使之成為半導體，作為高溫半導體，用于電熱元件。 碳化硅有很好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，熱膨脹系數小，其高溫強度是所有陶瓷材料中最好的。因此，作為高溫結構陶瓷，日益受到人們的重視。它最適宜的應用領域是高溫、耐磨和耐蝕的環(huán)境?，F已用作火箭噴嘴，熱電偶保護管，熱交換器和在耐磨、耐蝕的零件。 工程化學教案 第八章 ? ? 25 陶瓷材料可在遠比金屬材料高得多的使用溫度下工作，因此，高溫結構陶瓷材料最大的應用領域是噴氣技術、磁流發(fā)電和宇航技術。如用陶瓷制成內燃機一類的熱機，其熱效率可大為提高，（達 48%，而一般熱機僅為 30%），節(jié)省 20%~30%的燃料， 熱機重量還可減輕 1/3，前景誘人。目前一些發(fā)達國家的汽車公司試制了無冷卻式陶瓷發(fā)動機汽車，我國也在 1990 年裝配了一輛并完成了試車。但成本高，目前尚難大量應用。 2. 功能陶瓷材料 功能陶瓷材料是以其固有的特性或通過各種物理因素作用而顯示某種新性能的材料。它又分為單一功能、能量轉換材料、交互效應材料和敏感傳感材料幾大類。這些材料數量、品種之多，發(fā)展之快，應用范圍之廣都是結構材料所不及的。 （ 1）壓電陶瓷 某些晶體材料，當受外力作用時會產生形變，同時在對應的兩個面上會出現正、負電荷。晶體帶電的大小，與所受的機 械力成正比。反之，如往晶體上加電場，則晶體在一定面上會產生相應的形變。這種現象，稱壓電效應，通過這一效應可實現機械能和電能間的相互轉變。這已在前面介紹過。 壓電效應示意圖研究證明，壓電效應與晶體的結構有關。一般說，應滿足兩個條件：一是晶粒子要帶正、負電荷；二是粒子的排列為非中心對稱的，因此必須是離子晶體或離子團組成的分子晶體。 SiO2 是最先發(fā)現的壓電晶體。 具有壓電效應的陶瓷，稱壓電陶瓷。在它們內部原本存在自發(fā)極化的傾向，但在燒結時顆粒的極化方向是無序的，從而在宏觀上相互抵消。如將燒結體施加電場，便其極化方 向一致，就獲得單晶般的壓電性質。通常將沖擊或靜壓等機械力施加至壓電陶瓷上即可產生 10kV 左右的脈沖高電壓，應用最廣的有鈦酸鋇系、鈦酸鉛系和鋯鈦酸鉛系（ PTZ）。和壓電晶體相比，壓電陶瓷加工容易，價格便宜和壓電特性可控，是壓電材料中產量最大，用途最廣的一種。 壓電陶瓷在技術上有多方面的應用。它可制成各種換能器，廣泛用于計量、加工、聲納、遙控和無損探傷等儀器裝置。超聲診斷儀，可獲得 X患者無害；受到外力沖擊時，產生的電能可作高壓發(fā)生器。壓電陶瓷還可制作各種濾波器、壓力傳感和超聲傳感器等。 ? ? 26 （ 2）光導纖維 光通信是當代新技術革命的重要內容，也是信息社會的重要標志。光通信的關鍵是性能優(yōu)異的光導纖維。光導纖維要求質輕，柔軟彎曲自如，傳光效率高，抗機械振動，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，保密性好。因此，各國都競相大力發(fā)展光纖維通信，我國已建成橫貫東西、南北的幾條大干線。 光導纖維的質量要求極嚴，其純度要比半導體材料高出兩個數量級。目前使用的主要材料是超純的 SiO2，其光損耗低，資源豐富，成本較低，且用料很小，幾克的 SiO2 即可制成 1km 的光通信 用的玻璃絲。在制造工藝上，利用化學氣相沉積法，以 SiCl4 為原料，可制得純度極高，雜質含量（特別是 OH）降至十億分之一（μ g178。 kg1）以下的 SiO2。 如果光導纖維的光損耗為 分貝每公里（ dB178。 km1），傳輸距離可達 500km；如降至 104dB178。 km1 時，則可傳輸 2500km。用最新研制的氟化物（含 LaF3）玻璃制成的光導纖維，可將光信號傳輸到太平洋彼岸而不需任何中繼站。用光纖代替現有的電纜，可節(jié)省大量的（每公里可節(jié)省銅 、鉛 2~3t）有色金屬，經濟效益也是極為可觀的。因此，光導纖維廣 泛用于工業(yè)、國際、交通、精密儀器制造、宇航、醫(yī)學和通訊事業(yè)。 利用光纖還可制成各種傳感器，用以檢測溫度、壓力、磁場、電流、速度等。近來出現的光纖化學傳感器，可實現連續(xù)、自動、遙測檢測痕量物質，響應速度快，成本低，是很有效的分析新技術。 （ 3）固體電解質 前已指出，離子晶體通常屬于絕緣體，因為其中無可自由移動的離子或電子。 20 世紀初，曾發(fā)現碘化銀 AgI 晶體在 146℃以上具有異常高的離子導電率。研究證明，如在離子晶體結構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現某些離子的擴散。在外電場 作用下，這些離子晶體可通過上述離子的遷移而導電，其導電性能與強電解質液相近，故稱固體電解質，或快離子導體。 目前已發(fā)現的固體電解質大約有 300 多種。從導電性能上看，有一維、二維、三維導電之分。從結構上看，一維導體大多具單向隧道結構；二維導體大多屬層狀結構，離子容易在層內遷移，有較高的電導率。典型的固體電解質有β Al2O3，它含有單價陽離子工程化學教案 第八章 ? ? 27 的多鋁酸鹽。一、二維的導電是“各向異性”的。三維導體常具有骨架狀結構，其導電性最好，多面體連接的 Li3N 和人工合成的 Na1+xZr2P3xSi xO14 等。 （ 4）磁性陶 瓷 磁性陶瓷主要指鐵氧體。鐵氧體是一大類非金屬磁性材料，是以氧化鐵為主要組分的復合氧化物，包括常用的尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型鐵氧體材料。廣義的鐵氧體則泛指鐵族或過渡族金屬氧化物。它們的通式可表示為 MO178。 Fe2O3，其中 M 表示一價或二價金屬，如 Mg、 Mn、 Zn、 Ba 和 Li 等，以及三價的稀土金屬 Y、 Sm 等。磁性陶瓷都是半導體，又可分為軟磁、硬磁等多種磁性不同的鐵氧體材料。 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鐵氧體分別是高導磁率和高頻軟磁材料中性能最好的。 硬磁鐵氧體是磁化后不易退磁而能長期保留磁性的鐵氧體，是一種永磁材料。它主要有鋇鐵氧體和鍶鐵氧體，通式為 MO178。 6Fe2O3。與硬磁鋼比較，鐵氧體密度小、較輕，價格便宜，但性脆不易精加工。因此，鐵氧體在永磁材料中占有相當的比例，而且還可用于微波、磁泡和磁記錄技術中。 （ 5）傳感材料 許多精細陶瓷材料對于聲、光、熱、電、磁、力以及各種氣氛顯示出優(yōu)良的敏感特性，即當上述外界條件變化時，都會引起這類材料自身某些性質的改變。測量這些性質的變化，就可以“ 感知”外界的變化。因此這類材料被稱為敏感材料。 圖 89 傳感器工作原理一般來說，外界條件變化常能引起敏感材料電性能（如電阻）的改變。據此，就可將溫度、壓力、濕度、光波、熱量、振動、氣氛等外界信息統(tǒng)統(tǒng)轉變?yōu)槊舾胁牧习l(fā)出的電信號，再通過電子線路進行放大處理，其 結果最后用儀表指示，或用熒光屏顯示，或直接輸入計算機進行控制 。這就是傳感器的工作原理，故也被稱為敏感傳感材料，其類型極多。 近來，發(fā)展陶瓷傳感器的多功能化和集成化已成為研究熱點。多功能化是指一個敏感元件能檢測二個或更多的環(huán)境參數而又不相干擾；使現有的傳感器 與外部電路集成化，發(fā)展更靈巧的傳感器件，若與電子計算機配合，處理信息的速度可大為提高。日本? ? 28 松下公司研制的集成化超微粒傳感器能探測溫度、濕度、紅外線以及氧、甲烷等氣體，是多功能化和集成化的典型例證。 第四節(jié)有機和高聚物材料 工程上應用的有機化合物和有機高聚物，數以萬計，限于本書篇幅，只能按應用類型擇要介紹。 一、重要有機化合物 有機化合物，就是碳的化合物。它有著廣泛而重要的用途，并在生物的生命活動中起著重要作用，與人類關系極為密切。下面介紹工程中常用的兩類重要有機化合物。 1. 有機溶劑 物質間的相互溶解是 — 個復雜的物理、化學過程，至今尚未找到可預測物質的溶解性的普遍規(guī)律，只有兩條經驗可供定性判斷。在此，只介紹“相似相溶”規(guī)則。 (1)“相似相溶”規(guī)則 即物質的極性和結構相似者，容易相互溶解，比如極性分子易溶于極性溶劑，而非極性分子易溶于非極件或弱極性的溶劑之中。水是很好的溶劑，其極性很強，而大部分的有機物或有機高聚物都是極性較小或非極性的物質。因此它們大都不溶于水，而易溶于與其極性相近或結構相似的有機溶劑之中。 從這一規(guī)則可以推知，有機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，應當是 適應面廣，溶解力強的常用工業(yè)溶劑。 (2)溶解度參數相近規(guī)則（略） 2. 潤滑油 金屬和其他固體的微觀表面凹凸不平，兩金屬平板接觸時，真實的接觸面積僅為宏觀接觸面積的幾百分之一到十萬分之一。因此，當機器運轉或工件相對運動時，會產生很大的摩擦力。有人甚至估計世界能源約有 1/3 被消耗在摩擦上，約有 80％的零件是因摩擦而造成破壞的。為減少摩擦，降低能耗，延長機器的使用壽命，需使用油脂或其他潤滑劑把摩擦面隔開，進行潤滑。 工業(yè)上常用的潤滑油有礦物油、合成油、潤滑脂和潤滑乳化液。礦物油的主要成分是烴類及烴的含氧、 硫和氮的衍生物混合而成的，它們是石油分餾的產物。不同的原油所得工程化學教案 第八章 ? ? 29 的礦物油，其組成不同。 合成潤滑油包括醇、脂肪酸、酯等有機物化合和有機高聚物。 在礦物油和合成油中加入某些金屬 (鉀、鈉、鋰、鈣、鋇、鋁等 )的脂肪酸鹽 (俗稱金屬皂 )，使油增稠，即可得到潤滑脂。在潤滑油或潤滑脂中都添加一些其他組分以改善其性能。例如加入抗氧化劑，防止或延緩油的氧化；加入緩蝕劑，以防止或減少潤滑油及其使用過程中的產物對金屬的腐蝕；加入消泡劑，以減少油在運輸和使用時產生泡沫等。有時還需加增黏劑、降凝劑等添加劑。 潤滑作用的機理有各 種理論解釋。粗略地講，潤滑油分子與金屬表面形成分子膜，是潤滑的主要原因。首先，潤滑劑分子中的脂肪酸 (如油酸 )與金屬反應生成脂肪酸鐵，整齊排列于表面形成化學吸附膜；其余的極性分子，由于分子間力的作用，將極性強的一端朝向金屬表面，形成物理吸附膜。帶有吸附膜的金屬板，在作相對運動時，只需克服微弱的分子間力，因而使摩擦系數大大下降。實驗證明，在一定限度內，分子鏈越長，潤滑劑的潤滑性越好，效果越穩(wěn)定。如以辛酸為潤滑劑，摩擦系數為 ，且效果不穩(wěn)定，在應力太大或摩擦時間過長，會在金屬的凸出部分形成黏著；用十二烷酸潤 滑時，摩擦系數降至 ，而不加潤滑劑的表面清潔的鋼對鋼板的摩擦系數為 ，由此可看出潤滑劑在工業(yè)生產中的重要作用了。 摩擦與潤滑示意圖從分子結構來看，理想的潤滑劑應有下列特點：①分子中有極性基團，以促進潤滑劑在金屬表面上的潤滑、擴散及吸附定位。②分子中有能與金屬或表面上的金屬氧化膜形成化學鍵的原子或原子團，易形成牢固的吸附層。③分子有較長的碳氫鏈，鏈間側向的作用力較大。這樣，它們就可承受大的壓力而不易離開金屬表面，仍可保持表面膜。從而顯示出很好的潤滑性能。 二、有機高聚物概述 1. 有機高聚物的結構 特征 有機高聚物，又稱高分子化合物，是相對分子質量很大的化合物。它的分子中可含有成千上萬、甚至