工程化学教案第八章

工程化学教案第八章••1工程化学教案——第八章化学与工程材料主讲教师：董文魁、许力、李静萍等使用教材：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••2第八章化学与工程材料（讲授时数:14学时）一．学习目的和要求1．了解材料性能的内在存依据。2．了解常见金属材料的基本性质。3．了解常见无机非金属材料的基本性质。4.了解常见有机材料的基本性质。5.了解常见复合材料的基本性质。6.了解材料设计的一些理念。二．本章节重点、难点材料性能的内在存依据、常见金属材料的基本性质、常见无机非金属材料的基本性质、常见有机材料的基本性质、常见复合材料的基本性质、材料设计的一些理念。三．学时分配1．材料性能的内在存依据、了解常见金属材料的基本性质、常见无机非金属材料的基本性质（1学时）。2.常见有机材料的基本性质、了解常见复合材料的基本性质、材料设计的一些理念。四．教学内容：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。从使用角度看，它又分结构材料和功度、韧性等性能优良的材料。功能材料则是具有光、声、热、电、磁等特殊效应和功能的材料，如半导体材料、超导材料、磁性材料和光导材料等。现代工程技术人员应有丰工程化学教案第八章••3富的材料科学的知识和材料化学的基本观点，才能合理地选材、用材和节材，在工作中有所创造，有所前进。第一节材料性能的内在依据一、材料的重要性和分类人类对材料的认识和利用，经历了一个漫长的探索、发展的历史过程。最初，人类依靠大自然的恩赐，主要是从天然物中取得所需的材料，石器、骨器等成为人类利用的第一代材料，随着金属冶炼技术的发展，青铜、钢铁相继登上材料世界的舞台，各种合金材料的相继问世，使金属材料成为主导材料。20世纪初发展起来的高分子材料，扩大了材料的品种和范围，推动了许多新技术的发展，使人类进入了合成材料的时代。高分子材料在工农业生产中的地位日益重要，有逐步取代钢铁材料的霸主地位之势。近几十年来，新型无机非金属材料异军突起，发展极快，在材料世界中，和金属材料、有机高分子材料一起，三足鼎立。在此基础上，第四代材料——复合材料就应运而生，在能源开发、电子技术、空间技术、国防工业和环境工程等重要领域中大显身手。第五代材料——智能化材料又在研究和开发之中，这类材料本身具有感知、自我调节和反馈的能力，即具有敏感和驱动的双重功能，如同模仿生命系统的作用一样。它能像人的五官感知客观世界；又能能动地对外作功，发射声波，辐射热能和电磁波，甚至促进化学反应和改变颜色等类似于生命体的智慧反应。当然，这类材料智慧功能的获得是材料与电子、光电子技术结合的结果。由此可见，人类对材料的取得和使用是与社会生产力和科技发展水平紧密相连的。一个国家材料的品种、质量和产量，是直接衡量这个国家的科技和经济发展水平的重要标志之一。反过来，材料对发展经济，改善与提高人类文明的程度，又起到巨大的促进作用。现在，材料和能源、信息控制，被称为现代工业的三大支柱，其重要性更加突出。如果没有半导体材料的生产和发展，就不会有目前计算机技术的水平；如果不能获得高温、高强度的结构材料，也绝不会有现代的航空航天工业。正是由于低损耗光导纤维的问世，才能使长距离光信息传输得以实现；超导效应在20世纪初已被发现，然而只有当人们制备出临界转变温度较高（如液氮温区77K，液态CO2温区190K，甚至室温）的超导材料时，才可望超导发电、输电、超导磁悬浮列车等超导技术的实用化。材料世界••4丰富多彩、品种繁多，新的材料不断涌现、日新月异，为了研究、制备和开发、应用的方便，必须对材料进行分类。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。二、材料的组成、结构与性能现有材料种类极多，工程技术人员没必要也不可能掌握这些材料的特殊性能和应用细节，最重要的是记住一条基本原理：材料的性能取决于材料的化学组成和结构。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。例如，水H2O与过氧化氢H2O2，两种物质的分子中仅相差一个氧原子，但性质上完全不同：前者十分稳定，后者极易分解；前者呈中性，后者显弱酸性等等。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。钢中加铬，可提高钢的耐蚀性，但只有当钢中含铬量在13%以上时，才能成为耐蚀性强的不锈钢。在结构钢中，合金元素硼一般不得超过0.003%，若含硼量超过此值，会使该结构钢性能恶化，其塑性特别是韧性将明显下降，甚至出现脆性。材料的性能与内部的化学组分的密切关系，这可以从杂质对材料性能的影响得到说明。杂质的存在，会使材料的机械性能、电性能等恶化，因此，提高材料的纯度是增强材料特性的重要途径。在现代高新技术中，对材料纯度要求越来越高，比如半导体硅的纯度要求达到8~12个“9”（即99.999999%~99.9999999999%），才能符合半导体工艺的要求。另一方面，又要在高纯的硅中有控制地掺入少量的杂质，以提高其半导性能，并工程化学教案第八章••5使之具有不同的半导类型和特性。由此可见，材料的组成对于控制、改变材料性能有重要作用。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。因此，表现出与金属键有关的一系列特性，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（铸造、锻压、焊接和切削加工等）等。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。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。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：①结合力较弱、耐热性差，大多数有机高分子材料的使用温度不超过200℃。有的高分子材料易燃，使用安全性差。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。••63.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。同时，实践中发现，不少晶格类型相同的物质，也具有相似或相近的性质。例如，碳的两种同素异形体——金刚石和石墨的不同性质，产生于晶格类型的不同。金刚石属立方晶型，而石墨则为六方层状晶型。与碳元素同为“等电子体”（组成中每个原子的平均价电子数相同）的氮化硼BN，也有立方和六方两种晶型。立方BN的主要性质与金刚石相近，硬度近于10，有很好的化学稳定性和抗氧化性，用作高级磨料和切割工具。六方BN性质则与石墨相近，较软（硬度仅为2），高温稳定性好，作为高温固体润滑剂，比石墨效果还好，故有“白色石墨”之称。又如，19世纪末，曾发现了石英晶体具有压电效应，即晶体在外界机械力作用下发生极化，导致晶体两端表面出现符号相反的束缚电荷的效应，其电荷密度同外力大小成比例，实现了机械能与电能间的相互转换。以后的研究证明，石英的压电效应是由于其晶体不具有对称中心。后来陆续发现若干物质也具有压电性质，同时晶体中也无对称中心。由此得出结论，凡是在结构中无对称中心的晶体均有压电性。这样，就大大地开阔了人们的视野，拓宽了寻找新材料的范围。除晶体外，固体材料的另一大类是非晶体。这类材料结构中，原子或分子不呈规则排列的状态，其外观与玻璃相似，故非晶态也称玻璃态。非晶态固体，由液态到固态没有突变现象，表明其中粒子的聚集方式和通常液体中粒子的聚集方式相同。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，这将在本章的有关部分加以介绍。4.结构缺陷与材料性能系晶体中点缺陷示意图在材料的组成和基本结构相同的情况下，固体结构中的缺陷对材料的性能也会产生重大的影响。固体中的缺陷结构，主要有以下几类。（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。点缺陷包括：①空位：在晶格点上没有粒子占据而空出某些位置。②置换粒子：结点上的原来粒子被不同类的粒子所取代，后者即称置换粒子。工程化学教案第八章••7③间隙粒子：半径较小的粒子进入晶格结点粒子间的空隙处。点缺陷是由于晶体中粒子的热运动、迁移而产生的。当晶体中接受外界的能量大到足以使粒子离开其平衡位置时，就会在原来的平衡位置上造成一个空位。脱离平衡位置的粒子成为脱位粒子。空位和脱位粒子仍处于不停的热运动中，不断产生新的空位，从而形成空位的移动。温度升高，粒子脱位形成空位的几率增大，空位“浓度”将迅速增加。因此，点缺陷又被称为“热缺陷”。（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。多晶体中不同晶粒间的交界面，称晶界。晶界有一些特殊的性质。如晶界原子有较高的能量；晶界处的熔点较低，在晶界容易有杂质集中或偏析；在晶界粒子的扩散比晶粒内部要快得多以及晶界容易俘获电子从而形成势垒，等等。上述结构缺陷的存在，对材料性能通常带来两方面的影响，既有使材料某些性能下降的一面（如位错可使一般金属材料的强度降低2~3个数量级），也有使材料显示出特殊的热、电、磁和光学性质，发展为功能材料的一面。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。三、工程材料与元素周期表前面讨论了物质的组成、结构和性能间的关系，而元素单质及化合物在组成、结构和性质的变化规律和内在联系，都被统一在自然界的重要规律之一的元素周期律中。反映这一重要定律的元素周期表，不仅对与工作材料有关的元素和相应化合物进行了恰当的分类，提供了合理的解释，而且为寻找新的工作材料，