使用教材：许力等编著，《工程化学》，兰州大学出版社 授课对象：非化学类各专业学生 主讲教师：董文魁、许力、李静萍等

1. 工程化学——第八章 化学与工程材料 使用教材：许力等编著，《工程化学》，兰州大学出版社 授课对象：非化学类各专业学生 主讲教师：董文魁、许力、李静萍等

2. 第八章 化学与工程材料 材料是指经过某种加工（包括开采和运输），具有一定的组分、结构和性能，适合于一定用途的物质，它是人类生活和生产活动的重要物质基础，一切工业过程都离不开材料，在工程技术中应用的材料，通称工程材料。

3. 第一节 材料性能的内在依据 一、材料的重要性和分类 分类的方法很多，按材料的化学组成分类是基本方法，即根据材料的化学组成及结构，分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三大类。各类材料在制备、性能和应用上，都有许多共性。本章将对这三大类工程材料及由它们组合的复合材料，分别进行讨论。

4. 二、材料的组成、结构与性能 1. 材料的组成和性能 以化学观点看，所有的材料都是由己知的112种元素单质和它们的化合物组成的。组成不同，便会得到物理、化学性质迥异的物质，这是人们熟知的事实。 材料内部某种或某些化学成份在含量上的变化，引起材料性能变化的典型例子是钢铁。钢铁的性质与其中碳含量密切相关。不含碳或含碳极少（0.04%以下）的铁称熟铁，其质很软，不能作结构材料使用。含碳量在2.0%以上时称铸铁，其质硬而脆。含碳量在上述两者（0.7％～1.8%）之间，则称钢。钢兼有较高的强度和韧性，因此在工程上获得广泛的应用，主要机器零部件和工程结构都是由钢材制成的。与此相似，合金钢的性能是以合金元素的一定含量为条件的。

5. 2. 化学键类型与材料性能 化学键类型是决定材料性能的主要依据，三大类工程材料的划分，就是按各类材料起主要作用的化学键类型。 金属材料，以金属键为其中的基本结合方式，并以固溶体和金属化合物合金形式出现。其特性如金属光泽、良好的导热导电性，较高的强度、硬度和良好的机械加工性能。但金属材料也表现出与金属相联系的两大缺点：①易受周围介质作用而产生程度不同的腐蚀。尽管人们采取了各种防蚀措施，每年全世界范围因腐蚀而损失的金属，仍数以千万吨计；②高温强度差。因为温度升高，使金属中原子间距变大，作用力减弱，机械强度迅速下降。一般金属及其合金的使用温度不超过1000℃。因此，金属材料的应用受到限制。

6. 无机非金属材料多由非金属元素或非金属元 素与金属元素所组成。以离子键或共价键为结合方式，以氧化物、碳化物等非金属化合物为存在形式，因而具有许多独特的性能，如硬度大、熔点高、耐热性好、耐酸碱侵蚀能力强，是热和电良好的绝缘体。但存在脆性大和成型加工困难等缺点，尚需进一步解决若干理论和技术问题，才能扩大其应用范围。

7. 有机高分子材料（或称有机高聚物），主要是由以共价键结合的烃及其衍生物以“大分子链”组成的聚合物为基础的材料。这些“大分子链”长而柔曲，相互间以范德华力结合，或以共价健相“交联”产生网状或体型结构；或以线型分子链整齐排列而形成高聚物晶体。正是由于这类化合物结构上的复杂性，赋予有机高分子材料多样化的性能。它们质轻、有弹性、韧性好、耐磨、自润滑、耐腐蚀、电绝缘性好，不易传热，成型性能好，其比强度（材料的强度与密度之比）可达到或超过钢铁。因此，发展十分迅速，应用日益广泛。这类材料的主要缺点是：

8. ①结合力较弱、耐热性差，大多数有机高分子材料的使用不超过200℃。①结合力较弱、耐热性差，大多数有机高分子材料的使用不超过200℃。 ②在溶剂、空气和光线作用下，易产生老化现象，表现为变软发黏或变硬发脆，性能恶化。在选择、使用材料时，必须注意这些主要特性。

9. 3. 晶体结构与材料性能 晶体结构与物质性质的关系，已在第五章中讨论过。四大晶体类型：离子、原子、分子和金属晶体的区分，主要是从晶格结点上的粒子和化学健类型不同这两方面考虑的。 除晶体外，固体材料的另一大类是非晶体。近代研究指出，非晶态的结构可用“远程无序、近程有序”来概括。由此产生了非晶态固体材料的许多重要特性。

10. 4. 结构缺陷与材料性能系 （1）点缺陷：是在晶格结点上的粒子和粒子间隙处产生的偏离理想晶体的缺陷，是实际晶体中最常见、最简单的结构缺陷。

11. （2）线缺陷： 是晶体中某处一列或若干列原子发生的规律性错排现象，通常称为位错，是晶体中存在的较普遍的一种缺陷形式。 （3）晶界： 实际晶体在生长时，常是在许多部位同时发展，结果得到的不是同一晶格贯穿其中的单晶，而是由许多取向不同的细小晶粒不规则堆砌起来的多晶体。由于细小单晶各异性的相互抵消，多晶体一般不表现各向异性。 掌握缺陷产生的原因和规律，对于制备、加工和使用材料，是有重要意义的。

12. 三、工程材料与元素周期表 1. 周期表中元素的分类 图8-2周期表中元素的分类根据原子结构的特点，元素周期表中金属性和非金属性的变化规律是：同一主族元素自上而下金属性递增；同一周期元素自左至右非金属性递增。因此，典型金属集中于表的左侧，非金属元素集中于表的右部，中部为过渡金属，表的左下方为最强的金属，右上方是最活泼的非金属元素。在金属与非金属之间一条梯形的分界线。 稀有气体与非金属元素数量不多，而金属元素却有88种。通常根据其物理性质又可分为四大类，即轻金属和脆性、展性以及低熔点重金属。密度小于5g·cm-3者叫轻金属，大于5g·cm-3者称为重金属。

13. 2. 工程材料与元素周期表 在寻找、发展、开拓新的工程材料过程中，元素周期表起着重要的指导作用。 （1）半导体材料的发展 元素周期表中，在金属与非金属的分界线附近有12种具有半导体性质的元素，即它们导电性介于金属导体和非金属绝缘体之间，其导电能力随温度升高或光的照射而增大。其中大多数不稳定，硼的熔点太高，难于实用；磷有毒，不能单独应用。因此，首先用作半导体材料的是ⅣA元素锗Ge。

14. （2）超导材料的研制 1911年，荷兰科学家发现汞在4.2K下，电阻突然降低而成为“零电阻”这种状态称为“超导状态”。在一定温度下具有超导电性的物体，则称超导体或超导材料。

15. 可以看出： ①可构成超导材料的组成元素是很多的； ②少数元素单质可制得超导材料，但绝大多数超导材料是由多种元素构成的合金或化合物制得的。它们的Tc和Jc值都比较高。 目前主要有： ①Nb、Ti类超导合金，其价格较低，易加工处理，是制造超导体的重要材料。 ②Nb3Sn和V3Ga等类金属互化物。超导化合物的Tc值要比超导合金高，且可通过调整、改进组成来进一步提高Tc值。

16. 表8-1中列出若干超导合金和超导化合物的超导临界温度Tc值。尽管如此，这些超导材料的Tc值都不太高，难于实用。表8-1中列出若干超导合金和超导化合物的超导临界温度Tc值。尽管如此，这些超导材料的Tc值都不太高，难于实用。 总之，影响材料性能的因素很多，很复杂，只要能掌握原理，综合分析，就能实现合理选材、用材和节材。

17. 第二节金属材料 一、金属的存在和冶炼 陆地上可用来制取金属的矿石，大约有以下八大类： 1. 天然金属矿，如金、银、铂、汞等贵金属，常可以单质形式存在； 2. 氧化物矿，如铝矾土Al2O3·nH2O，赤铁矿Fe2O3和锡石SnO2等； 3. 碳酸盐矿，如石灰石CaCO3，孔雀石Cu2(OH)2CO3等； 4. 硅酸盐矿，如绿柱石Be3Al2Si6O18,高岭石(Al2Si2O7·2H2O)等； 5. 硫酸盐矿，如重晶石BaSO4，石膏CaSO4·2H2O等；

18. 6. 磷酸盐矿，如磷酸钙Ca3(PO4)2和磷酸稀土矿等； 7. 卤化物矿，如岩盐NaCl、光卤石KCI·MgCl2·6H2O等； 8. 硫化物矿，如闪银矿Ag2S、硫铁矿FeS2、辉钼矿MoS2等。 从矿石中制取金属单质的过程，称冶金。

19. 冶金过程，主要包括三步：预处理、还原冶炼和精炼。冶金过程，主要包括三步：预处理、还原冶炼和精炼。 1. 预处理：用物理或化学的方法除去矿石的杂质“富集”所需的成分或制成下一步骤所需的形式。例如，许多矿石先经锻烧，制成较易被还原的金属氧化物形式。如黄铁矿煅烧为Fe2O3，菱锌矿煅烧为ZnO等。 2. 冶炼：金属的冶炼主要有湿法冶金和火法冶金两种过程。湿法冶金是将矿石置于溶液中溶解、浸出、分离其中的金属组分，再用沉积、净化、电解等方式获得纯金属。这种方法适于处理金属含量较低或组分较复杂的原料，广泛用于有色和稀有金属的生产。火法冶金是将矿石在高温下还原为金属的过程，这是当前最主要的冶金方法，电解熔盐或氧化物制取活泼金属（如Na、K、Mg、Al）和热还原法冶炼金属都属于这类方法。热还原法是效率最高、应用最广的冶炼方法，是在加热条件下，用C，CO，H2和Al等还原剂将金属从相应的氧化物中还原出来。

20. 3. 精炼：是进一步除去冶炼所得金属产品中的杂质的过程。 二、金属元素 按金属元素的主要物理、化学性质统一考虑，根据其性能特点，可将金属分为八类即碱土金属、轻金属、稀有金属、易熔金属、难熔金属、铁族金属、贵金属和锕系金属（尚不包括新发现的104～112号元素）。

21. 三、合金 尽管金属单质有数十种之多，但纯金属的性能往往不能满足生产和科研的需要，实际上应用最多的是各种合金。含金是一种金属与另一种或几种其他金属或非金属熔合而具有金属特征的物质。按其结构，合金可以有三种基本类型。 1. 固溶体 一种金属与另一种金属或非金属熔融时相互溶解、凝固时形成组成均匀的固体，就称金属固溶体。 2. 金属化合物（金属互化物） 如两种组分原子半径和电负性相差较大时，则易形成金属化合物。碳与许多金属在合金中可形成间隙化合物。这类化合物一般硬而脆，熔点较高。

22. 3. 机械混合物 两种金属在熔融时互溶，但凝固时分别结晶，整个合金组织不均匀而且成分不同的微晶体的机械混合物。在钢中，渗碳体和铁素体相间存在，形成的就是一种机械混合物。 四、常用合金 1. 钢铁 钢铁是铁与C、Si、Mn、P、S以及少量的其他元素所组成的合金。 2. 铝合金 铝是分布较广的元素，在地壳中含量仅次于氧和硅，是金属中含量最高的。纯铝密度较低，为2.7g·cm-3，有良好的导热、导电性（仅次于Au、Ag、Cu），

23. 延展性好、塑性高，可进行各种压力加工。铝的化学性质活泼，在空气中迅速氧化形成一层致密、牢固的氧化膜，而具有良好耐蚀性，但纯铝的强度低，只有通过合金化才能得到可作结构材料使用的各种铝合金。延展性好、塑性高，可进行各种压力加工。铝的化学性质活泼，在空气中迅速氧化形成一层致密、牢固的氧化膜，而具有良好耐蚀性，但纯铝的强度低，只有通过合金化才能得到可作结构材料使用的各种铝合金。 3. 铜合金 纯铜呈紫红色，故称紫铜。有极好的导热、导电性，其导电性仅次于银而居金属中的第二位。有优良的化学稳定性和耐蚀性能，是优良的电工用金属材料。工业中广泛使用的铜合金有黄铜、青铜和白铜等。

24. 五、特种合金 目前工业上应用的合金种类数以千计。本节只能简要介绍其中几个大类。 1. 耐蚀合金 金属材料在腐蚀性介质中所具有的抵抗介质侵蚀的能力，称金属的耐蚀性。 2. 耐热合金 这类合金又称高温合金，它对于在高温条件下的工业部门和应用技术，有着重大的意义。 3. 钛合金 钛在地壳中较丰，远高于Cu、Zn、Sn、Pb等常见金属。我国钛的资源极为丰富，仅四川攀枝花地区发现的特大型

25. 钒钛磁铁矿中，伴生钛金属储量达4.2亿吨，接近国外探明钛储量的总和。钒钛磁铁矿中，伴生钛金属储量达4.2亿吨，接近国外探明钛储量的总和。 纯钛机械性能强，可塑性好，易于加工。如有杂质，特别是O、N、C等元素存在，会提高钛的强度和硬度，但可降低其塑性，增加脆性 4. 磁性合金 材料在外加磁场中，可表现出三种情况：①不被磁场吸引的，叫反磁性材料；②微弱地被磁场所吸引的物质，叫顺磁性材料；③被磁场强烈地吸引的物质，称铁磁性材料，其磁性随外磁场的加强而急剧增高，并在外磁场移走后，仍能保留磁性。在金属材料中，Fe、Co、Ni等少数金属是铁磁性的。

26. 六、贮氢材料 某些金属或合金，具有吸收氢气的能力，它们在适当的温度和压力下，可与氢反应生成金属氢化物，吸收并储存氢气；而在另一温度和压力下，金属氢化物又会分解并释放氢气。利用这一反应的可逆性，可将这些氢化物作为储存氢气的“仓库”。 七、非晶态金属 金属及合金极易结晶，传统的金属材料都以晶态形式出现。但如将某些金属熔体，以极快的速率急剧冷却，例如每秒钟冷却温度大于100万度，则可得到一种崭新的材料。由于冷却极快，高温下的液态原子的无序状态，被迅速“冻结”而形成无定形固体，这称为非晶态金属；因其内部结构与玻璃相似，故又称金属玻璃。

27. 第三节 无机非金属材料 无机非金属材料所包括的范围极广，如非金属单质、非金属化合物和无机盐类以及无机高分子化合物等都是。其品种、数量极多，使用历史最长，近来又发展很快，不少材料与高新技术的发展密切相关，是十分重要的一大类工程材料。 一、半导体材料 半导体是指室温电阻率为10-4~1010Ω·m，处于导体（电阻率大约10-4Ω·m）和绝缘体（≥1010Ω·m）之间的材料，它已成为当前无线电电子技术、计算机技术和新能源利用技术等高新技术中不可缺少的重要材料。

28. 二、高技术晶体材料——BGO BGO是Bi2O2GeO2系化合物锗酸铋的总称,目前往往特指其中的Bi4Ge3O12。这是一种闪铄晶体，无色透明；当一定能量的电子、γ射线或重带电粒子进入时，它能发出蓝绿色的荧光，记录荧光的强度和位置，就能计算出入射电子等粒子的能量和位置。这就是BGO的“眼睛”作用，即可用作高能粒子的“控测器”。 美国科学家Weber首先预言了BGO作为新一代闪铄体的应用前景，而我国科学家把BGO晶体推向了工业生产，至今在世界上处于领先地位。诺贝尔奖获得者、著名的高能物理学家丁肇中教授领导的一项大规模的科学实验，

29. 模拟宇宙初开时大爆炸过程所需的11tBGO晶体,就是我国提供的。模拟宇宙初开时大爆炸过程所需的11tBGO晶体,就是我国提供的。 三、精细陶瓷材料 精细陶瓷，又称为“现代陶瓷”。它大体上可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。结构陶瓷具有高硬、高强、耐磨耐蚀、耐高温和润滑性好等性能，用作机械结构零部件的陶瓷材料。功能陶瓷则是具有声、光、热、电、磁特性和化学、生物功能的迎接瓷材料。

30. 第四节 有机和高聚物材料 工程上应用的有机化合物和有机高聚物，数以万计，限于本书篇幅，只能按应用类型择要介绍。 一、重要有机化合物 有机化合物，就是碳的化合物。它有着广泛而重要的用途，并在生物的生命活动中起着重要作用，与人类关系极为密切。 二、有机高聚物概述 有机高聚物，又称高分子化合物，是相对分子质量很大的化合物。它的分子中可含有成千上万、甚至几十万个原子，原子间彼此以共价键相连，形成相对分子质量在103~106间的大分子，这与前述的一般低分子化合物

31. 显著不同。 高聚物虽然相对分子质量很大，但其化学组成一般却不复杂。它们都是一种或几种简单的低分子化合物(称为单体)聚合而成的。 高聚物是由特定的结构单位多次重复而成的。这种特定的结构单位，称为链节(注意，它不一定和单体组成相同)。 三、重要有机高聚物 1. 合成树脂与塑料 由单体经加聚和缩聚反应所得的高聚物，通称合成树脂。它是塑料的主要成分，起黏结剂的作用，将塑料中的其他组分黏结成整体。因此，塑料就以合成树脂命名。塑料是在一定温度和压力下可塑制成型的有机高聚物材料的通称。

32. 谢谢!