Download
1 / 78
780 likes | 960 Views
第六章 化学与材料 内容提要和学习要求 : 本章主要介绍工程技术中常用的材料，主要包括金属材料、电子管和半导体材料以及新型结构材料和新型功能材料。在讨论中，我们将结合周期系叙述这些材料的重要物理 — 化学性质以及它们在生产实践中的应用。. 学习本章的目的、要求为： （ 1 ）掌握常见金属元素的分布、制备和用途。了解合金的类型及特性。 （ 2 ）了解电子管和半导体材料的类别和特性。 （ 3 ）了解常见非金属元素的分布、制备和用途。了解耐热、高硬、高强结构材料的类型和特性。 （ 4 ）了解新型无机结构材料和新型无机功能材料的主要类型及特性。.
E N D
第六章 化学与材料内容提要和学习要求: 本章主要介绍工程技术中常用的材料，主要包括金属材料、电子管和半导体材料以及新型结构材料和新型功能材料。在讨论中，我们将结合周期系叙述这些材料的重要物理—化学性质以及它们在生产实践中的应用。
学习本章的目的、要求为：（1）掌握常见金属元素的分布、制备和用途。了解合金的类型及特性。 （2）了解电子管和半导体材料的类别和特性。 （3）了解常见非金属元素的分布、制备和用途。了解耐热、高硬、高强结构材料的类型和特性。 （4）了解新型无机结构材料和新型无机功能材料的主要类型及特性。
6.1 材料科学发展简介 人类社会发展的历史证明，材料是社会进步的物质基础与先导。它是人类赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础；是人类进步的里程碑。纵观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要的新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力
提高到一个新的水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的革命，大大加速社会发展的进程，给社会生产和人们生活带来巨大的变化，把人类物质文明推向前进。
第一代为天然材料: 在原始社会，由于生产技术水平很低，人类所用的材料只能是自然界的动物、植物和矿物，例如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等。
第二代为烧炼材料 烧炼材料是烧结材料和冶炼材料的总称。随着生产技术的进步，人类早已能够用天然的矿土烧制砖瓦和陶瓷，以后又制出了玻璃和水泥，这些都属于烧结材料。从各种天然的矿石中提炼出铜、铁等金属，则属于冶炼材料。
第三代为合成材料 随着有机化学的发展，在20世纪初就已出现了化工合成产品，其中合成塑料、合成纤维、合成橡胶已广泛地用于生产和生活中了。
第四代为可设计材料 随着高新技术的发展，对材料提出了更高的要求，前三代那样单一性能的材料已不能满足需要，于是一些科技工作者开始研究用新的物理、化学方法，根据实际需要去设计特殊性能的材料。近代出现的金属陶瓷、铝塑薄膜等复合材料就属于这一类。
第五代为智能材料智能材料是指近三四十年来研制出的一些新型功能材料，它们能随着环境、时间的变化改变自己的性能或形状，好像具有智能。现在研究成功并崭露头角的形状记忆合金就属于这一类。第五代为智能材料智能材料是指近三四十年来研制出的一些新型功能材料，它们能随着环境、时间的变化改变自己的性能或形状，好像具有智能。现在研究成功并崭露头角的形状记忆合金就属于这一类。
6.2 金属及合金材料 • 1. 铁（Fe）和镍（Ni） • 铁和镍是周期系第VIII族元素。具有银白色金属光泽。它们的比重分别为7.1和6.59，熔点为1535℃和1452℃，沸点为2753℃和2730℃。镍坚硬，铁较软且具有韧性。它们都有磁性。
铜是周期系第I副族元素，有特殊的红色。其晶体为面心立方晶格，硬度为3，熔点1083℃，沸点2310℃。延展性好，它的导电与传热性极好，仅次于银。铜是周期系第I副族元素，有特殊的红色。其晶体为面心立方晶格，硬度为3，熔点1083℃，沸点2310℃。延展性好，它的导电与传热性极好，仅次于银。
3. 锌（Zn） • 锌是周期系第II副族元素。有青白色的金属光泽、比重7.14。硬度2.5，熔点419.4℃，在907℃时气化。在常温下性脆，热到100℃～150℃时呈展性；在200℃以上又变脆，甚至可压成粉末。
4. 铝（Al） • 铝是周期系第III主族元素。具有银白色金属光泽，比重2.7，熔点659.8℃，沸点2270℃。富有延展性，电导率很高，约为铜的60%，但比铜轻，故等长同重的铝线，电导率为铜线的两倍。 • 铝的电子层结构是1S2、2S22P6、3S23P1。化合价为＋3。
铝广泛用来制造厨房用具及其他家庭用品。镀在铁器表面可防止腐蚀。铝粉与油类混合可用作涂料。与硝酸铵及炭粉混合可制成炸药。铝也可用作导线。铝的最重要用途是制铝合金，质坚硬而轻，如镁铝合金（含镁10%─30%）和坚铝（93%─95%)。铝广泛用来制造厨房用具及其他家庭用品。镀在铁器表面可防止腐蚀。铝粉与油类混合可用作涂料。与硝酸铵及炭粉混合可制成炸药。铝也可用作导线。铝的最重要用途是制铝合金，质坚硬而轻，如镁铝合金（含镁10%─30%）和坚铝（93%─95%)。
5. 锡（Sn）与铅(Pb) • 锡与铅为周期系第IV主族元素。 • 日常见到的锡是白锡，它是银白色柔软的金属，具有延展性，比重7.31，熔点231.8℃，沸点236.2℃。白锡和脆锡都是金属晶格，灰锡则是与金刚石相似的原子晶格。 • 铅是比重较大（11.34），较柔软的金属，略带灰色，具有展性和延性。它是金属晶格。熔点327.5℃，沸点1755℃。
2.合金钢材料 • 金属和其它单质共熔后的生成物叫做合金。不同组成的合金，有时能保持各组分金属的可贵性质，还能增加新的特性。例如在低强度轻金属铝中加入铜和镁，不但仍保持铝的轻的性质，而且还增加了非常坚硬的、高强度的优越性能。不同金属混合熔融，再冷却后所得的合金，从它们的结构上看，大体上可分为三种类型：金属混合物、金属固溶体和金属互化物。
（1）金属混合物 两种金属在熔融状态时，虽然完全互溶，但在凝固时就分别结晶出来，组成两组金属晶体的混合物。金属的导电和导热等性质主要是组分金属的平均性质。
（2）金属固溶体、金属互相溶解所组成的固态溶液称为金属固溶体。各组分的原子半径、熔化温度、晶格常数、原子结构的相似性等，对组成固溶体有很大的影响。固溶体可分为取代固溶体与填充固溶体两种。
①取代固溶体原子半径和性质相似的金属易成固溶体。在固溶体内，溶剂金属保持原有的晶格，而熔质金属的原子取代溶剂晶格内若干位置，例如铜与锌组成a─黄铜，在这固溶体合金中，保持纯铜的原来的体心立方晶格，而锌原子无秩序地取代晶格中的铜原子的位置。①取代固溶体原子半径和性质相似的金属易成固溶体。在固溶体内，溶剂金属保持原有的晶格，而熔质金属的原子取代溶剂晶格内若干位置，例如铜与锌组成a─黄铜，在这固溶体合金中，保持纯铜的原来的体心立方晶格，而锌原子无秩序地取代晶格中的铜原子的位置。
②填充固溶体当溶质原子远小于溶剂原子时，溶质原子的溶入，一般是填入溶剂原子之间的空隙之中，这样组成的合金称为填充固溶体，最普通的溶质原子是氢、硼、碳、氮等。产生此类合金时，溶剂的晶格构造还是保持不变，因此能被容纳的溶质原子的大小与溶剂原子的大小之比应有一定的限度。其结构组成常为M2X和MX，式中M为过渡元素，X为碳、硼，氮和氢等。②填充固溶体当溶质原子远小于溶剂原子时，溶质原子的溶入，一般是填入溶剂原子之间的空隙之中，这样组成的合金称为填充固溶体，最普通的溶质原子是氢、硼、碳、氮等。产生此类合金时，溶剂的晶格构造还是保持不变，因此能被容纳的溶质原子的大小与溶剂原子的大小之比应有一定的限度。其结构组成常为M2X和MX，式中M为过渡元素，X为碳、硼，氮和氢等。
（3）金属互化物 金属互化物又称中间合金，因为它的组成介于两个组分的饱和溶液的组成之间，它的晶格也不同于组分金属的晶格。以铜与锌的合金为例，锌溶入铜内形成─黄铜，具有铜的体心六方晶格，但当锌在铜内的含量达到32原子百分数时，即达饱和程度。锌的含量如再增加，就出现新的晶格，它不同于铜的体心立方晶格，也不同于锌的立方密集晶格。具有这样晶格的合金称为─黄铜，其组成可以CuZn表之。当锌的含量继续增高时，还有两个不同的合金出现：─黄铜Cu5Zn8和─黄铜CuZn3
5.合金钢材料 • 不同金属混合熔融，待其自行凝固，可以组成不同类型的合金，并且组成的合金往往具有原来金属所不具备的特性。根据这种道理，在炼钢时常常加入一些金属，以制备具有高熔点金属、高硬度，耐腐蚀性等其他特殊性能的合金钢。
（1）高熔点合金钢的材料所有高熔点，几乎都集中在周期系数的第IV、V、VI类副族。当这些元素与主体金属形成金属互化物或以碳化物、硼化物、氮化物的形式与主体金属组成合金时，按前面所提到的道理，就应具有较高的熔点和较大的硬度。下面介绍一下钛，钼、钨及其合金。（1）高熔点合金钢的材料所有高熔点，几乎都集中在周期系数的第IV、V、VI类副族。当这些元素与主体金属形成金属互化物或以碳化物、硼化物、氮化物的形式与主体金属组成合金时，按前面所提到的道理，就应具有较高的熔点和较大的硬度。下面介绍一下钛，钼、钨及其合金。
钛（Ti）钛是第IV类的副族元素，纯净的金属钛其外形与钢相似。钛的比重为4.5，熔点为1725℃。钛有两种结晶构型： 纯钛具有很高的韧性，其韧性超过纯铁的二倍，然而钛却又具有良好的可塑性，加压即可进行处理。金属钛中如有杂质存在时，特别是吸收了气体时就会变脆。
钼（Mo） 钼是第VI类的副族元素，它是银白色的金属，而粉末状态的钼则呈暗灰色或黑色。纯的金属钼硬度很大，而且具有良好的可塑性；它不论在受热或冷却的状态下都能承受加压处理。
钨（W） 钨是第VI类的副族元素，是银白色的金属。粉末状的钨则呈灰色或黑色。钨是一种最难熔的金属，它的熔点为3400℃左右。纯净的金属钨是可塑的，并且容易加工进行处理。可以把钨拉成直径达10微米的金属丝。然而钨同时又具有很高的韧性，钨的韧性可以说是各种纯净金属中最强的。块状的金属钨常温下对于空气和水都是稳定的。粉末状的钨会被潮湿的空气所部分氧化。如果把金属钨加热到红热的温度时，不论是在空气中或氧气中，它都会迅速地被氧化，生成三氧化钨WO3。因此，钨用做灯丝时，要使它和空气隔绝。
（2）耐蚀性的合金钢材料 • 耐蚀性的金属位于周期系第V、VI类副族。这是因为它们在腐蚀介质中很容易钝化。为了得到钝化膜，这些金属就必须在主体金属中分布均匀。因此，现代工业上的耐蚀合金大都是耐蚀金属的固溶体。
铌(Nb)和钽(Ta) 它们是周期系第V类副族元素，它们的化学性质极相似，这是由于“镧系收缩”的缘故。 • 铌（Nb）和钽（Ta）在外形上和铂很相似，它们都是硬度较大的金属，同时还具有高度的可塑性；特别是钽，它能在冷却状态被打成薄片或拉成细丝。
铬（Cr）它是第VI副族元素，具有灰白色金属光泽，比重较大，熔点高，硬度大；是金属中最硬的一个。在一般情况下很稳定，不与水及空气作用，在常温时能熔于稀HCl和H2SO4，但不溶于NHO3，这是因为在Cr表面形成了一层Cr2O3保护薄膜的缘故。铬（Cr）它是第VI副族元素，具有灰白色金属光泽，比重较大，熔点高，硬度大；是金属中最硬的一个。在一般情况下很稳定，不与水及空气作用，在常温时能熔于稀HCl和H2SO4，但不溶于NHO3，这是因为在Cr表面形成了一层Cr2O3保护薄膜的缘故。
6.稀土金属 • “稀土”是18世纪初沿用下来的旧名，因为当时用以提取这类元素的矿物比较稀少，而且获得的氧化物难熔化，也难溶于水，很难分离，其外观酷以“土壤”。其实，稀土既不稀也非土。它在地壳中的藏量很丰富，我国储量也很多。由于稀土金属的性质，诸如电极电势、氧化物的酸碱性，溶解度等，彼此间都很接近，所以分离和制取相当困难，在工业上通常应用的是稀土的混合金属。未分离的稀土称为“混合稀土”。
“混合稀土”因对钢液有脱氧，脱硫及清除有害杂质等作用而在冶金方面得到应用。微量稀土溶液可以大大改变（甚至根本改变）合金的性质，因此被称为冶金工业的维生素。“混合稀土”因对钢液有脱氧，脱硫及清除有害杂质等作用而在冶金方面得到应用。微量稀土溶液可以大大改变（甚至根本改变）合金的性质，因此被称为冶金工业的维生素。
6.3 电子管和半导体材料 • 1. 电子管材料 • 在现代科学领域中，电子管已成为一个极其重要的科学技术部门。电子仪器的生产，随着日益广泛的应用，例如自动化生产，发电站的动力系统控制、雷达、电视、电影、传真电报等也在迅速逐年增加。作为电子仪器中的重要组成部分──电子管材料与光电管的研究，显然有它的特殊意义。 • 在周期系中，第I、II主族元素，特别是原子量较大的如铯、锶、钡等元素能够作光电管材料和电子管材料。
铯（Cs） 铯是周期系第I主族元素，纯铯是淡黄色金属，熔点28.5℃，并具有高度的柔软性和可塑性。 • 铯的电子层结构为：1s2、2s22p6、3s23p63d10、4s24p64d10，5s25p6、6s1。由此可见，铯原子的最外层只有一个S电子，而且原子半径较大，这就决定了铯的化学活泼性是很强的。
2. 半导体材料 • 半导体是现代科学技术的尖端。目前，半导体已在整流器，检波器和放大器等装置中得到了广泛应用。特别是半导体热敏电阻和光敏电阻在自动控制和远程控制中占着重要地位。此外，半导体还能将热能变成电能或者将光能转变成电能。因此，随着科学与生产的飞跃发展，半导体的应用将更加广泛。
(1)杂质半导体 • 半导体禁带宽度较窄，不要太多的热，电、磁或其它形式的能量就能使价电子游发到空带（又称导带）中去。当一个电子从满带（又称为价带）激发到导带时，在价带中就留下一个空穴。当在势场作用下，如果电子连续地由一个方向进入空穴，则会导致空穴往相反方向移动。这就是说，带负电荷的电子往一个方向运动，相应于带正电荷的空穴往相反方向移动，因而空穴可以看成是带正电荷的载流子。
6.4 无机非金属材料 • 无机非金属材料包括范围极广，除单晶硅（Si）或金刚石（C）那样的非金属单质外，像矾土（Al2O3）那样的由金属和非金属元素组成的化合物也属于无机非金属材料的范畴。对于水泥、硅酸盐等无机非金属材料的知识已经了解较多，现主要介绍陶瓷和高能燃料的一些知识。
这样，激发到导带的电子和留在价带中的空穴对导电都有贡献。上述电子导电和空穴导电的行为可以借助于热或光能的激发而产生，也可以借助于把某些杂质元素适当地引入半导体晶体中而产生。前者称为本征激发，其材料称为本征半导体。后者称为非本征激发，其材料称为非本征半导体或杂质半导体。这样，激发到导带的电子和留在价带中的空穴对导电都有贡献。上述电子导电和空穴导电的行为可以借助于热或光能的激发而产生，也可以借助于把某些杂质元素适当地引入半导体晶体中而产生。前者称为本征激发，其材料称为本征半导体。后者称为非本征激发，其材料称为非本征半导体或杂质半导体。
(2)化合物半导体 • 除了上述的半导体以外，还有很多合金和化合物半导体，它们之中有些由半导体元素形成，有些由非半导体元素形成。氧化铜是最老的商用半导体材料，广泛地用在铜─氧化铜整流器中。化合物半导体的优点是它们具有范围较宽的禁带和迁移率。因此，这类材料所具有的性能可以相当好地满足科学技术和工程实际对半导体器件的多种要求。
1. 高温陶瓷 • 陶瓷材料是一种多晶体结构的材料，是通过对粉体材料的成型和烧结过程而得到的。陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、高强度（抗压）、高硬度和电绝缘等良好性能。传统的陶瓷是以粘土和石粉为原料，用水拌和，成型干燥后烧制而成的。传统陶瓷的最高耐温为1300℃，并且易碎。
2. 超硬陶瓷 • (1)人造金刚石 • 金刚石可作为宝石，由于它极硬，所以在工业上也有广泛的其它用途。工业用金刚石的来源主要是人工合成的金刚石，其强度、硬度并不亚于天然金刚石。人造金刚石一般由静水超高压高温合成法和冲击波超高压高温合成法两种方法制成。
静水超高压高温合成法是以熔融的Ni, Co, Fe, Mn等金属及其合金相为催化剂，在50kPa～60kPa，1300℃～1600℃左右的高温高压条件下使石墨转变成金刚石。催化剂与石墨分别做成薄片状交替叠放或做成颗粒均匀混合，反应后经化学处理将所合成的人造金刚石与未转变的石墨、催化剂分离。
冲击波超高压高温合成法是利用火药爆炸产生高压（压力可达40GPa，比静水压高得多），因此，在石墨向金刚石的转变过程中不需要催化剂，但由于冲击高压的瞬间性，晶粒不能长大，只能形成微细粉末。冲击波超高压高温合成法是利用火药爆炸产生高压（压力可达40GPa，比静水压高得多），因此，在石墨向金刚石的转变过程中不需要催化剂，但由于冲击高压的瞬间性，晶粒不能长大，只能形成微细粉末。
(2)立方晶体氮化硼 • 氮化硼又称白石墨，其晶体结构和滑润性与石墨相似。因此，与石墨在高压高温下转变为金刚石类似，六方晶型的氮化硼在高压高温下也会转变为和金刚石类似晶型的立方晶体氮化硼。这种氮化硼中B-N键长(0.156nm)与金刚石中C-C键长(0.154nm)相近，相对密度也和金刚石相近，虽硬度略逊于金刚石，但耐热性比金刚石高。
(3)碳化硅 • 碳化硅晶体结构也和金刚石相似，可以看成是金刚石晶体中有半数的碳原子被硅原子所取代而形成的原子晶体，熔点高达2827℃，硬度近于金刚石，故又称金刚砂。 • 碳化硅由石英砂与过量焦炭的混合物在电炉中加热而制得。
(4)人造宝石 • 人造宝石中有和天然宝石化学成分相同的，也有不同的。表6.2列出了人造宝石的主要性质。人工高温烧结的氧化铝称为人造刚玉，其抗弯强度大、韧性较好，但硬度较低，适用于磨削抗张强度大和有韧性的材料，如碳钢、合金刚等。刚玉中含有少量其它氧化物后，则呈现不同的颜色，如含少量的Cr2O3是红宝石，含少量铁和钛的氧化物是蓝宝石。
3.高能燃料 • 我们在日常生活中知道凡是能供给热源的物质就是燃料。作为燃料本身必定具有可燃性（通常指与氧化合），反应时能放出热量。高能燃料则是一种在反应过程中能放出巨大热能的物质。到目前为止，能够作用高能燃料的较为合适的物质是硼氢化合物及其衍生物（即与硼相化合的氢原子被其他原子或原子团取代后的化合物）。
(1)双硼氢的结构 • 硼化物中，B原子也可互相结合形成含有多于两个B原子的氢化物，并按所含的B的原子数而分别称为双硼氢、三硼氢……等等。它们的通式为BnHn+4。但从未发现含有超过十个B原子的硼氢化物，其原因至今尚未查明。
(2)双硼氢的性质 • 双硼氢是比较稳定的无色气体，溶点-165.5℃，沸点-92.5℃。 • 与普通氢化物不同，气态双硼氢在室温时缓慢分解，生成高级硼氢化合物和H2： • 2B2H6 B4H10＋H2 • 所生成的H2阻碍进一步分解，温度高于300℃时才迅速分解为硼和氢。
