材料與化學(xué)
銅臭 / 2022-07-14
從近代科技史來看，新材料的使用對社會經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展起著巨大的推動作用。例如鋼鐵材料的出現(xiàn)，孕育了產(chǎn)業(yè)革命;高純半導(dǎo)體材料的制造，促進(jìn)了現(xiàn)代信息技術(shù)的建立和發(fā)展;先進(jìn)復(fù)合材料和新型超合金材料的開發(fā)，為空間技術(shù)的發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ);新型超導(dǎo)材料的研制，大大推動了無損耗發(fā)電、磁流發(fā)電及受控?zé)岷朔磻?yīng)堆等現(xiàn)代能源的發(fā)展:納米材料的發(fā)展和利用，促進(jìn)了多學(xué)科的發(fā)展，并將人類帶人了一個奇跡層出不窮的時代。材料的品種繁多，迄今注冊的已達(dá)幾十萬種，每年還以5%左右的速度繼續(xù)增長。
化學(xué)和物理學(xué)是材料科學(xué)的基礎(chǔ)。材料物理學(xué)是把凝聚態(tài)物質(zhì)的基本概念試圖應(yīng)用于復(fù)雜和多相介質(zhì)，包括材料中的問題。材料化學(xué)是-一門以現(xiàn)代材料為主要研究對象，研究材料的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)(電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu))與材料性能之間的關(guān)系及其合成制備方法、檢測表征、材料與環(huán)境協(xié)調(diào)等問題的科學(xué)。
科學(xué)工作者根據(jù)材料的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將材料分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料四大類。也可根據(jù)材料的性能特征，將其分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。還可根 據(jù)材料的用途將其分為建筑材料、能源材料、航空材料和電子材料等。本節(jié)將按照第一- 種分類對四類材料分別加以介紹.此外,對于新興的納米材料進(jìn)行初步探討,并討論其中的化學(xué)問題。
6.1.1金屬材料
金屬材料是以金屬元素為基礎(chǔ)的材料。純金屬的直接應(yīng)用很少，因此金屬材料絕大多數(shù)是 以合金的形式出現(xiàn)，合金是由一種金屬與一 種或幾種其他金屬、非金屬熔合在一起生成的具有金屬特性的物質(zhì)。金屬材料一般具有優(yōu)良的力學(xué)性能、可加工性及優(yōu)異的物理特性。金屬材料的性質(zhì)主要取決于它的成分、顯微組織和制造工藝，人們可以通過調(diào)整和控制成分、組織結(jié)構(gòu)和工藝，制造出具有不同性能的工藝材料。在近代的物質(zhì)文明中，金屬材料如鋼鐵、鋁、銅等起了關(guān)鍵作用，至今這類材料仍具有強(qiáng)大的生命力。
6.1.1.1金屬單質(zhì)
迄今為止，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的元索和人工合成的元素加在一起，共有117種，其中金屬元素94種，占元素總數(shù)的4/5。它們位于元素周期表中硼一硅一砷一碲一砹和鋁一鍺一銻一釙構(gòu)成的對角線的左下方。對角線附近的鍺、砷、銻、碲等為準(zhǔn)金屬，即性質(zhì)介于金屬和非金屬之間的單質(zhì)，準(zhǔn)金屬大多可作半導(dǎo)體。
地球上金屬資源極其豐富，除了金、鉑等極少數(shù)金屬以單質(zhì)形態(tài)存在于自然界以外，絕大多數(shù)金屬在自然界中以化合物的形式存在于各種礦石中，此外，海水中含有大量的鉀、鈣、鈉、鎂的氯化物、碳酸鹽等。
6.1.1.2合金
雖然純金屬具有良好的塑性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性，但純金屬的性能往往不能滿足生產(chǎn)需要，實(shí)際應(yīng)用最多的是各種合金。合金是由一種金屬與另種或幾種其他金屬或非金屬熔合在一起形成的具有金屬特性的物質(zhì)。
A 合金的結(jié)構(gòu)和類型
按其結(jié)構(gòu)，合金可分為以下三種類型:
(1)固溶體。以一種金屬為溶劑，另一種金屬或非金屬為溶質(zhì)，共熔后形成的固態(tài)金屬，稱作固溶體。固溶體保持了溶劑金屬的晶格類型，溶質(zhì)原子可以不同方式分布于溶劑金屬的晶格中，根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中位置的不同，可分為取代固溶體和間陳固溶體兩種，如圖6-1所示。
(2) 金屬化合物。當(dāng)兩種組分的原子半徑和電負(fù)性相差較大時，可形成金屬化合物。金屬化合物的晶格不同于原來金屬的晶格。但往往比純金屬有更高的熔點(diǎn)和砸度。例如鐵礎(chǔ)合金中形成的Fe?C,稱作滲碳體。
(3)機(jī)械混合物。兩種金屬在熔融狀態(tài)時完全互熔，但凝固后各組分又分別結(jié)晶，組成兩種金屬晶體的混合物，整個金屬不完全均勻。例如鋼中，滲碳體和鐵素體相間存在，形成機(jī)械混合物。機(jī)械混合物的主要性質(zhì)是各組分金屬的平均性質(zhì)。
B 合金材料
a 鋼鐵
鋼鐵是鐵碳合金的總稱。根據(jù)含碳量的不同，鐵碳合金分為鋼與鑄鐵兩大類，鋼是含碳量 小于1. 8%的鐵碳合金。碳鋼是最常用的普通鋼，冶煉方便、加工容易，在多數(shù)情況下可滿足使用要求。按照含碳量的不同，碳鋼又分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。隨含碳量的升高，碳鋼的硬度增加、韌性下降。在碳鋼的基礎(chǔ)上加人一些合金元素，如Si、W、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Ti等，可使鋼的組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而具有一些特殊性能。如加入一定量的Cr和Ni等可煉成不銹鋼，加入Mn可煉成特別硬的錳鋼。
煉鋼實(shí)際上調(diào)整鐵中碳的含量，同時除去一- 些有害的雜質(zhì)，如硫、磷等。碳在鋼中的存在方式是填充在鐵晶格的孔隙中，形成間隙合金。碳以四種方式存在于鐵晶格中，形成奧氏體、馬氏體、滲碳體和鐵素體四種物相。奧氏體是碳原子間充在γ-Fe晶格間隙位置上的間隙固溶 體(圖6-2 (a));馬氏體是碳原子在α-Fe中形成的過飽和的間隙固溶體(圖6-2 (b)); 滲碳 體是鐵和碳形成的間隙化合物(Fe?C); 鐵素體是碳在a-Fe中形成的間隙固溶體。
b 鋁合金
鋁在地殼中的含量僅次于氧和硅，是金屬中含量最高的。純鋁的密度較低，為2. 7g/cm³，是鋼密度的1/3。純鋁有著良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性(僅次于Au、Ag、Cu)，延展性。鋁還具有良好的耐腐蝕性。鋁與氧的親和力很大，在大氣中常溫下即能與氧化合，形成一層致密的Al?O?薄膜，保護(hù)內(nèi)層金屬不再氧化。
純鋁的機(jī)械性能不高，不適宜作承受較大載荷的結(jié)構(gòu)件。為了提高鋁的機(jī)械性能，在純鋁中加人某些合金元素，如Cu、Mg、Zn、Si、Mn和稀土元素等，制成鋁合金。鋁合金的突出特 點(diǎn)是密度小、強(qiáng)度高。鋁中加入Mn、Mg形成的Al-Mn、Al-Mg 合金有很好的耐腐蝕性、良好的塑性和較高的強(qiáng)度，稱為防銹鋁合金，用于制造油箱、容器、管道和鉚釘?shù)?。鋁中加入Cu、Mg、Zn等形成的AI-Cu-Mg和Al-Cu-Mg-Zn系合金的強(qiáng)度較防銹鋁合金高，稱為硬鋁合金，但防蝕性能下降。新近開發(fā)的高強(qiáng)度硬鋁，強(qiáng)度進(jìn)一步提高，而密度比普通硬鋁合金減小15%， 且能擠壓成型，可用作摩托車骨架和輪圈等構(gòu)件。Al-Li 合金可制作飛機(jī)零件和承受載荷的高級運(yùn)動器材。目前，高強(qiáng)鋁合金廣泛用于飛機(jī)、艦艇和載重汽車等制造，可增加載重量，提高運(yùn)行速度，并具有抗海水腐蝕、避磁性等優(yōu)點(diǎn)。
c 鈦合金
鈦是地殼中儲藏量最豐富的元素之一，含量占地殼質(zhì)量的0.61%，在諸元素的分布序列中居第九位。金屬鈦為銀白色，外觀似鋼，熔點(diǎn)達(dá)1672°C,比鐵和鎳的熔點(diǎn)都高，屬難熔金屬，是一種很好的熱強(qiáng)合金材料。鈦的優(yōu)良性能是密度小、強(qiáng)度高。鈦的韌性強(qiáng)于鐵，而密度只有鐵的一半多一點(diǎn)，而且不會生銹。鈦的密度比鋁大不到2倍，強(qiáng)度卻比鋁高3倍，而且耐熱性優(yōu)于鋁。
液態(tài)鈦幾乎能溶解所有的金屬，形成固溶體或金屬化合物等多種合金。鈦合金在冶金、電力、化工、石油、航空航天及軍事工業(yè)中有著廣泛應(yīng)用。例如Ti-6A1-4V合金具有較高的機(jī)械性能和高溫變形能力，穩(wěn)定性高，可在較寬的溫度范圍內(nèi)使用，而用于制造波音747飛機(jī)主起 落架的承力結(jié)構(gòu)件; Ti-6Al-2Sn-4Zn-2Mo、Ti-7. 7Al-11Zr-0.6Mo-1Nb合金可在500°C以上長期 工作而用于制造汽車排氣閥; Ti-5AI-2. 5Sn(低氧)和Ti-6AI-4V(低氧)又是重要的低溫材料，它們的使用溫度分別可達(dá)到-253°C和-196°C，可用作宇宙飛船中的液氫容器和低溫高壓容 器。此外，鈦及其合金的耐腐蝕性也尤為突出，如Ti-0.2Pd和Ti-0.8Ni-0.3Mo在濃度為20% 的鹽酸中年腐蝕速率只有0. 255mm,是純鈦年腐蝕速率的1/100。由于鈦及其合金具有許多優(yōu)異的性能，因而鈦享有“第三金屬”和“未來的金屬”的美稱。
d儲氫材料
某些過渡金屬和合金，由于其特殊的晶格結(jié)構(gòu)等原因，氫原子比較容易透人金屬晶格的四 面體或八面體間隙位中，形成金屬氫化物，這類材料可以貯存比其體積大1000 ~ 1300倍的氫，貯存氫的密度比液氫還高。由于氫與金屬的結(jié)合力較弱，加熱時氫就能從金屬中放出。這實(shí)際上是金屬吸氫和放氫的可逆過程，叫做可逆貯氫。稀土尤其是鑭和鎳的金屬間化合物，例如LaNi?具有較好的貯氫性能，其吸氫和釋放氫的過程可以用下式表示
LaNi?+3H?⇔LaNi?H?+Q
目前，正在研究和接近實(shí)用的貯氫材料有: Mg?Cu、 TiFe、TiMn、TiCr?、 LaNi?、ZrMn?和 含稀土金屬(La、Ce)的Ni、 Zr、 Al或Cr-Mn組成的多元合金。
![2,2-雙[4-(4-氨基苯氧基苯)]六氟丙烷](images/202103/thumb_img/3458_thumb_G_1615773264954.jpg)
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