XXXX黄荣华动力工程化学第四章

第五章化学与材料材料学一个新的独立的科学门类，与物理、化学、力学、机械、冶金、化工等传统科学门类水乳交融，但是具有其独特的鲜明的个性。也正是因为与各个传统科学门类水乳交融，材料学科在不同的场合就被划分成了材料物理、材料化学、材料力学、材料工程学等诸多分支。第一节什么是材料材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。师昌绪主编：《材料大辞典》p.58材料是“具有一定性能的物质,可以用来制成一些机器、器件、结构和产品”。美国科学院、美国工程院联合编写《材料：人类的需求》材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质材料=物质Materials=Matter水是材料？冰是材料？材料的定义：人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质1.1分类金属材料(Metal)钢铁材料、非铁材料、合金有机高分子材料(Polymer)天然的、合成的无机非金属材料(Ceramics)陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型陶瓷复合材料(Composites)按材料的用途分类结构材料支撑件、连接件、传动件、紧固件等功能材料磁性材料、电子材料、信息记录材料、光学材料、敏感材料、能源材料、生物医学材料等结构材料与功能材料的划分并不严格生物医学材料？第二节金属材料由金属或由以金属元素为主形成的具有一般金属特性的材料称为金属材料。金属单质合金由一种金属与其它金属或非金属融合在一起形成的具有金属特性的物质。如:钢、铝合金定义2.1金属的分类（1）按化学活泼性分类活泼金属(s区、IIIB族)中等活泼金属(d区、ds区、p区)不活泼金属(d区)2.2金属的性质(1)物理性质①光泽大多数金属呈银白色光泽。②密度除锂、钠、钾比水轻外，其余金属的密度都大于1g·cm-3。最轻的金属是锂，最重的金属是锇。③熔点S区金属原子半径较大，多数熔点较低。d区金属熔点大都较高。VB-VIIB族金属(除锰外)是高熔点金属。VB-VIIB族金属熔点较高与它们的价电子较多且原子半径较小有关；IIB金属熔点较低与其无未成对电子有关；P区金属则是它们的晶体结构由原子晶体向分子晶体逐渐转变的趋势。熔点最高的金属是钨，熔点最低的金属是汞。IIB族和P区金属是低熔点金属。④导电性金属一般是良导体，尤其ds区的银、铜和p区的铝。金属的导电性一般随温度的升高而下降，杂质对金属的导电性能力影响很大，一般说来，金属纯度越高，导电性越好。⑤导热性导电性好的金属一般导热性能也较好。⑥延展性延展金属时，虽然发生了变形，但并不破坏金属键，故不发生断裂。⑦热膨胀性如镓、锑：“热缩冷胀”⑧磁性铁磁材料顺磁材料逆磁材料铁、钴、镍等锰、铬、钼、钨等铜、锡、铅、锌等居里点铁磁材料加热到某一温度时失去磁性，此点称为居里点。绝大多数都是热胀冷缩，但少数金属例外。金属单质的化学性质主要表现为还原性。M→Mn++ne-(2)化学性质①金属与氧(空气)的作用绝大多数金属都能与氧作用。金属性越强，与氧的反应越激烈。有的氧化物结构疏松不能阻止氧化反应的继续进行，而有的结构非常致密，有效防止金属的进一步氧化而使金属钝化。通式mM+O2→MmOnn2②金属与水的作用金属与水作用的难易程度与两个因素有关：a.金属电极电势b.反应产物的性质M(s)+nH2O(l)→M(OH)n(s)+H2(g)n2周期系主族中活泼金属都能与水作用，反应的激烈程度符合周期中金属活泼性自上而下、自右而左增强的规律。③金属与酸、碱的作用•金属与酸的反应用金属活动序或电极电势来判断。a.金属活动序与周期系中元素周期性递变的规律不完全一致。b.由于钝化膜，有些活泼金属难溶于浓硫酸和浓硝酸。•金属能否与强碱反应，主要取决于两个因素：a.在强碱介质中金属能否与水作用。b.生成的氢氧化物是否可溶于碱（既生成的氢氧化物是否具有两性）。2.3合金合金的结构和类型合金材料(1)合金的结构和类型合金从结构上可分为以下三种基本类型：①混合物合金两种或多种金属的机械混合物。熔融:完全或部分互溶凝固:金属各自结晶混合物合金的导电、导热等性质与组分金属有很大的不同。②固溶体合金两种或多种金属不仅熔融时能相互溶解，而且凝固时也能保持互溶状态的固态溶液。纯金属的晶格取代固溶体的晶格间隙固溶体的晶格溶剂原子溶质原子③金属化合物合金两种金属元素原子的外层电子结构、电负性和原子半径差别较大时所形成的金属化合物。通常分为正常价化合物和电子化合物。正常价化合物：金属原子间通过化学键形成，成分固定，符合氧化数规则。电子化合物：金属原子间通过金属键形成，成分在一定范围内变化，不符合氧化数规则。(2)合金材料（1）铁的合金—钢铁:地壳中藏量4.2%，仅次与铝。Fe3O4磁铁矿磁性化合物Fe2O3赤铁矿紫红色2Fe2O3·3H2O褐铁矿棕黄色FeS2黄铁矿金黄色熟铁铁按含碳量多少可分为：碳素钢生铁(0.25%)韧性好,强度低,焊接性能优良薄铁皮、铁丝铁管等低碳钢中碳钢高碳钢0.1%韧性好,可锻打成型锻铁铁勺,锅铲(0.25~0.6%)强度较高,韧性较好铁轨车轮等(0.6~1.7%)硬而脆，弹性较好医疗器具，弹簧工具等(1.7~4.5%)硬而脆,可浇铸成型铸铁机床车身,内燃机汽缸镍钢含镍36%,几乎不热胀冷缩,可制造精密仪器零件。钨钢含钨18%,即使赤热仍坚硬制造高速切削车床的车刀。钒钢(少量)钢的弹性增加1倍，制造各种弹簧。硅钢含硅2.5%，用作变压器的铁心。不仅减少其发热，还节省能源。不锈钢含铬,锰等,抗蚀性能优良。含铬12%合金钢：①铝合金（2）轻质合金铝:地壳中藏量为7.45%,是含量最多的金属。目前年产量仅次于铁。密度小，导电性好，常用铝代替铜制造电线。硬铝合金:加入少量铜、锰、镁等金属，再经过热处理使其强度大为提高。俗称“钢精”。轻盈美观不易生锈铝合金强度可与钢媲美，但却比其轻近1/4，可广泛用于航空航天业.钛:拉丁文“Titanium”特点：a.密度较小b.钛合金强度高c.抗蚀性好d.工作温度范围宽(-200~500℃)②钛合金由于钛合金抗蚀性好，工作温度范围宽，可用作液氮或液氦等的低温容器。钛合金强度高，几乎是铝合金的5倍。热处理后，它的强度与高强度钢相当，但密度仅为钢的57%。“空间金属”美国新式战斗机含钛量大于90%“深海金属”1977年，前苏联用3500多吨钛制造当时航行速度最快的核潜艇。1910年,世界钛生产量0.2克1947年,世界钛生产量2吨1955年,世界钛生产量2万吨1962年,世界钛生产量10万吨1972年,世界钛生产量20万吨目前，每年用于航天业的钛大于1千吨。未来的钢铁，21世纪的金属（3）硬质合金以硬质化合物为硬质相，以金属或合金作粘接相的复合材料。第Ⅳ〜ⅥB金属与C、N、B所形成的间隙化合物，如WC。形状记忆合金的简称，指在一定外力作用下，使其几何形态发生改变。但当加热到某一温度时，它又能够完全恢复到变形前的几何形态。在医疗器械，减震消噪，生活用品等方面具有广阔的应用前景。（4）记忆合金形状记忆合金欧洲航天计划研制出来数种被称作形状记忆合金的奇异材料，这些材料可以像橡皮筋一样拉伸，但是能够记住初始形状，拉伸之后一旦加热到一定温度就会变回原来的形状。形状记忆合金可以用作航天器上的轻型温度控制调节器。在太空中形状记忆合金可以被用来在航天器发射之后释放太阳能电池板；形状记忆合金在医学领域有很多应用，其中一项应用就是控制牙齿移动的正牙弹簧。另外一个使用形状记忆合金技术的医学仪器就是一个非常细的管子，这个管子可以插入血管里，到达损坏的血管之后再变回原来大小。两种特定金属的合金，一种可以大量吸进H2，形成稳定氢化物；而另一种金属与氢的亲和力小，使氢很容易在其中移动。是开发利用氢能源、分离精制高纯氢的理想材料。（5）储氢合金第三节：无机非金属材料化学性质举例---硅Si+O2===SiO2Si+2F2==SiF4Si+4HF==SiF4↑+2H2↑Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑Si+2Cl2==SiCl4△水晶坚硬难熔的固体，熔沸点比较高，不溶于水，硬度比较大。二氧化硅(SiO2）物理性质熔沸点高、硬度大与水反应不反应与碱反应SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O与碱性氧化物反应SiO2+CaO==CaSiO3与酸反应SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O与碳反应SiO2+2C==Si+2CO什么是无机非金属材料？金属材料和有机高分子材料以外的固体材料通称为无机非金属材料。主要特性：熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐氧化、弹性模量大、强度高。一般为脆性材料传统陶瓷3.1无机非金属材料的种类陶瓷水泥玻璃特种陶瓷结构陶瓷功能陶瓷3.2陶瓷材料3.2.1物质结构陶瓷材料的结合键陶瓷材料的组成相的结合键为离子键（MgO、Al2O3）、共价键（金刚石、Si3N4）以及离子键与共价键的混合键以离子键结合的晶体称为离子晶体。离子晶体在陶瓷材料中占有很重要的地位。它具有强度高、硬度高、熔点高、等特点。但这样的晶体脆性大，无延展性，热膨胀系数小，固态时绝缘，但熔融态可导电等特点。金属氧化物晶体主要以离子键结合，一般为透明体。陶瓷材料的结合键以共价键结合的晶体称为共价晶体。共价晶体具有方向性和饱和性，因而共价键晶体的原子堆积密度较低。共价键晶体具有强度高、硬度高、熔点高、结构稳定等特点。但它脆性大，无延展性，热膨胀系数小，固态、熔融态时都绝缘。最硬的金刚石、SiC、Si3N4、BN等材料都属于共价晶体。陶瓷材料的相组成晶体相晶体相是陶瓷材料最主要的组成相，主要是某些固溶体或化合物，其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料的特性和应用。晶体相又分为主晶相、次晶相和第三相。陶瓷中晶体相主要有含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐等）、氧化物（MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC，Si3N4）等。硅氧四面体是硅酸盐陶瓷中最基本的结构单元。玻璃相玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分，其结构类似于玻璃。玻璃相的作用是：熔点低，将分散的晶体相粘结起来，填充晶体之间的空隙，提高材料的致密度；降低烧成温度，加快烧结过程；阻止晶体转变、抑止晶粒长大。玻璃相对陶瓷强度、介电常数、耐热性能是不利的。气相（气孔）陶瓷中气孔主要是坯体各成分在加热过程中单独或互相发生物理、化学作用所生成的空隙。这些空隙可由玻璃相来填充，还有少部分残留下来形成气孔。气孔对陶瓷的性能是不利的。它降低材料的强度，是造成裂纹的根源。3.2.2陶瓷材料的性能特点力学性能硬度陶瓷的硬度很高，多为1000Hv～1500Hv（普通淬火钢的硬度500～800Hv）。陶瓷硬度高的原因是离子晶体中离子堆积密度大、以及共价晶体中电子云的重叠程度高引起的。刚度陶瓷的刚度很高。刚度是由弹性模量衡量的，而弹性模量又反映其化学键的键能。离子键和共价键的键能都要高于金属键，因此陶瓷材料的弹性模量要高于金属材料。力学性能强度强度陶瓷材料的强度取决于键的结合力，理论强度很高。但陶瓷中由于组织的不均匀性，内部杂质和各种缺陷的存在，使得陶瓷材料的实际强度要比理论强度低100多倍。陶瓷材料的强度也受晶粒大小的影响。晶粒越细，强度越高。此外，陶瓷材料一般具有优于金属材料的高温强度，高温抗蠕变能力强，且有很高的抗氧化性。常用于高温材料。力学性能塑性与韧性陶瓷材料的塑性和韧性低，这是陶瓷最大的弱点。陶瓷材料受到载荷时在不发生塑性变形的情况下，就发生断裂。断裂是裂纹形成和扩展的过程。陶瓷内部和表面所产生的微裂纹，由于裂纹尖端的应力集中，内部裂纹在受到外应力时扩展很快，这是导致陶瓷材料断裂的根本原因。热学性能熔点陶瓷材料由离子键和共价键结合，因此具有较高的熔点。热容热膨胀陶瓷材料在低温下热容小，在高温下热容增大。陶瓷材料的热膨胀系数小，这是由晶体结构和化学键决定的。一般为10－5～10－6/K。电学性能陶瓷材料是良好的绝缘体。可用于隔电的绝缘材料；陶瓷还具有介电特性，可作为电器的介质。陶瓷材料的介电损耗很小，可大量制造高频、高温下工作的器件。陶瓷材料由于晶界和气孔的存在，一般是不透明的。可以通过烧结方法的改变和