大学化学：第6章化学与工程材料

化学与工程材料

带你走向未来什么是材料？

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。工程材料：在工程技术中应用的材料。工程材料分为结构材料和功能材料。内容提要材料性能的内在依据

几种材料简介材料的设计材料性能的内在依据材料的重要性和分类

材料的组成、结构与材料性能

工程材料与元素周期表

材料的重要性和分类第一代材料石器、骨器第二代材料青铜、钢铁第三代材料高分子材料第四代材料复合材料第五代材料智能化材料

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，是直接衡量的这个国家的科技和经济发展水平的重要标志之一。材料的组成、结构与材料性能基本原理：性能取决于化学组成和结构。材料的组成和材料性能化学键类型与材料性能晶体结构与材料性能结构缺陷与材料性能材料的组成和材料性能碳含量名称性质0.04%以下熟铁其质很软，不能作结构材料使用2.0%以上铸铁其质硬而脆0.7~1.8%钢兼有较高的强度和韧性水：H2O，十分稳定，呈中性；过氧化氢：H2O2，极易分解；显弱酸性。杂质的存在，会使材料的机械性能、电性能等恶化在高纯的硅中有控制地掺入少量杂质，以提高其半导性能，并使之具有不同的半导类型和特性化学键类型与材料性能

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。

特性：金属光泽、良好的导热导电性，较高的强度和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。两大缺点：

（1）易受周围介质作用而产生程度不同的腐蚀。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。一般金属及其合金的使用温度不超过1000℃。化学键类型与材料性能

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、氮化物等非金属化合物为存在形式

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。存在脆性大和成型加工困难等缺点化学键类型与材料性能

有机高分子材料，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，或以共价键相“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。

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，表现为变软发粘或变硬发脆，性能恶化。晶体结构与材料性能同素异形体碳

晶体结构与材料性能同素异形体六方层状晶型氮化硼

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

较软，高温稳定性好，作为高温固体润滑剂，比石墨效果还好。晶体结构与材料性能

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。结构缺陷与材料性能（1）点缺陷

①空位②置换粒子③间隙粒子（2）线缺陷：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：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。原子具有较高的能量；熔点较低；易有杂质集中或偏析；粒子的扩散比晶粒内部要快得多；晶界容易俘获电子从而形成势垒。工程材料与元素周期表周期表中元素的分类工程材料与元素周期表周期表中元素的分类同一主族元素自上而下金属性递增；

同周期元素自左至右非金属性递增。

工程材料与元素周期表（1）半导体材料的发展(半导体)本征半导体：Si、Ge

掺杂半导体：掺入少量ⅢA或ⅤA素元素化合物半导体：第ⅢA和ⅤA元素的化合物，如GaAs；第Ⅱ族与ⅥA元素的化合物，如CdS等；第Ⅰ族与ⅦA元素的化合物，如AgI等。

工程材料与元素周期表（2）超导材料的研制

超导材料有三个关键的临界值，即临界温度Tc、临界电流密度Jc和临界磁场Hc。这三个临界值越高，超导体的实用价值越大。这方面元素周期表提供了帮助，它指出了组成超导材料的元素在周期表中的位置。几种材料简介特种

合金耐热合金铝锂合金钛合金磁性合金贮氢合金超塑性合金.非晶态

材料非晶态金属非晶硅精细陶

瓷材料结构陶瓷材料功能陶瓷材料光导纤维固体电解质磁性陶瓷传感材料温度传感湿度传感气体传感压力传感纳米材料纳米粉纳米管纳米层形状记忆材料形状记忆合金形状记忆陶瓷形状记忆树脂有机高聚物合成树脂于塑料粘结剂功能高分子通用塑料工程塑料热塑性热固性离子交换树脂高分子分离膜感光树脂导电高聚物复合材料颗粒增强复合材料纤维增强复合材料超导材料生物医用材料未来材料发展的方向可再生资源可持续发展可循环使用对环境友好合金的发展中国的冶金工业发展到明代末期开始停滞下来；18世纪至19世纪，欧洲科学家陆续发现了新的金属元素more>>；1874年，德国人仿制中国的白铜得到德国银；1868年，在铁中加入锰和锡，得到著名的可锻造的自硬钢，解决了钢的加工切削问题。合金的发展硅钢的出现使制造各种电机和变压器成为可能；1896年，瑞士人发明一种低膨胀系数的镍合金钢，成为因瓦合金；1898年，美国人泰勒用钨铬钢取代了锰铬钢，从而创立了高速钢，切削速度提高到20米/秒。金属元素的大量发现1751年，瑞士皇家科学院院士艾克舍尔发现镍；1774年，德国人舍勒发现锰；1781年，又发现钨；1797年，法国人沃克兰发现铬；1804年，李奇特才成功分离出几两镍。储氢材料

氢能是最有希望的取之不尽、用之不竭的新能源。然而，氢的储存却是个难题。氢气比重小，用150个大气压把氢气压进钢瓶中，氢气的重量不到钢瓶的1/100，同时还有爆炸的危险；

液氢必须在-253℃储存才行，这就需要大量的绝热材料来保护。宇宙火箭上的液氢贮箱的体积占1m3以上。为此，科学家寻找这样的一种材料，能像海棉吸水一样去吸贮氢气。

储氢材料（1）材料活性大，吸附氢量大并易于获得，价格低廉；（2）材料用于吸附氢时，标准生成焓要小，用来储热时标准反应焓要大；（3）材料吸氢-解析的速率要大；氢的平衡压差要小；（4）在使用过程中，材料破碎和粉化率低，力学性能不能有明显的降低。储氢材料应用范围：1）氢制冷取暖设备；2）氢的分离精制；3）核聚变；4）其他用途：能量变换驱动机器；氢－空气燃料电池；合成氢的催化剂；非晶态金属

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，高温下液态时原子的无序状态，被迅速“冻结”而形成无定形的固体，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。非晶态金属

20世纪30年代克拉默把金属加热至沸腾，使金属原子被蒸发出来然后又让它们快速沉积下来。就得到了金属玻璃薄膜。

1959年杜沃兹等科学家找到了制造金属玻璃的简捷方法——骤冷法。制备非晶态合金的实验技术和工业方法有气相沉积法、激光表层熔化法、离子注入法等。较快速、经济是化学沉积法和电沉积法。

非晶态金属

首先它有非常高的硬度和强度，金属玻璃比现有的金属都要硬得多、牢固得多，而且它同时拥有高强度和高韧性。高强度控制电缆和橡胶轮胎的增强带。

金属玻璃耐腐蚀性能非常好。许多金属玻璃的耐腐蚀性能比最好的不锈钢还要高100倍。

具有良好的软磁性，制造变压器的铁芯会节省许多宝贵的电能。

有明显的催化性能；它还可作为储氢材料。有机金属人们的印象中塑料一般都是绝缘的；1970年的一天，一张银光闪闪的聚乙炔薄膜被合成出来了。它的导电能力比一般塑料要高一百到一亿倍；聚乙炔中掺入碘而使其导电性能提高了一万亿倍，达到半导体的导电水平；

将刚合成出的聚乙炔进行特殊的熟化和拉伸取向处理，然后再掺入碘，聚乙炔的导电性能提高了1000倍。对上述的方法又进行了改进，使得制成的聚乙炔的导电性能竟然超过钢三倍而成了真正的导电塑料了。有机金属的应用塑料电池（体积小、重量轻、可反复充电，寿命长）廉价而高效的太阳能电池（导电塑料的导电性能可任意设计）超导塑料（已某些导电塑料在低温下有超导现象）有机金属的应用作为未来机器人的人工肌肉，导电塑料在电化学方法作用下像人的肌肉一样也能伸缩运动；电致变色的显示元件；在传感器、电磁屏蔽、催化、抗静电等方面。纳米材料1984年，德国物理学家格莱特得到了只有几个纳米大小的纳米粉末；无论是金属还是陶瓷，大都呈黑色，跟烟灰没什么差别；早在公元前12世纪中国人就开始制备和利用这种纳米材料了；德国材料科学家在20世纪90年代初发明的较为通用的金属纳米粉生产方法；一旦材料被制成纳米材料后，原材料的磁性、内部压力、光吸收、热阻、熔点等性能都显示出令人想象不到的变化。纳米管纳米材料的应用低温条件下可烧结成合金；一般互不相溶的金属冶炼成合金；纳米陶瓷则具有很好的韧性和延展性能；可制备各种高性能的催化剂；氧化物纳米颗粒的特点是在电场作用或光照射下迅速改变颜色；半导体纳米材料的特性是可以发出各种颜色的光，可制成超小型的激光光源；磁性纳米微粒用其作磁记录材料可大大提高信噪比，改善音质图像质量；对电磁波在较宽的范围内有强吸收，也成为性能优异的隐身材料；超导材料

1911年的一天，荷兰的著名物理学家昂纳斯发现汞在4.2K下，电阻突然降低而成为“零电阻”；后来人们又发现铅在7.2K时也变成超导体。

1930年，迈斯纳发现了转变温度达11K的氮化铌（NbN）

1941年贾斯蒂改变氮化铌的制备工艺使转变温度升至15K超导材料

1953年美国的赫姆等人发现了转变温度为17K的化合物硅化钒(VSi);

德国出生的美国晶体学家玛蒂亚斯经过17年的奋斗终于得到了转变温度为20.8K的新材料，NbSn,俗称铌三锡;

1973年6月，美国威斯汀豪斯公司得到了转变温度为22.3K的NbGe,俗称铌三锗;

贝尔实验室的特斯塔迪制出了23.2K的NbGe，这一转变温度记录一直保持了很长时间。

1986年1月美国科学家发现钡镧铜氧化合物的转变温度达30k；超导材料的应用

超导材料制成的磁悬浮列车，可以使列车悬浮在轨道上高速运行，甚至比飞机还快而且噪声低、振动小、污染小。

由于超导材料没有电阻，可以节约大量的能源，超导电机体积小，输出功率大。

利用超导材料产生的超强磁场可用于热核反应堆、超导磁流体发电。超导加速器产生的π介子等治疗癌症及外科手术。

超导磁分离技术可用于生物工程中：如让红血球从血浆中分离、将病毒及细菌从生活废水中去除。超导材料的应用

利用超导材料研制超导计算机，一台计算机只需一节电池就能工作了。

这项技术亦可用于回收稀有金属、去除矿物中的杂质、化工废水的净化、水的磁化。

两块超导体中间夹一薄层绝缘体，就构成了具有约瑟夫森效应的超导结，可以进行灵敏度极高的各种电子学测量，超导电子相机可有效扩大天文望远镜的极限观测能力。材料的设计

有机合成中要做到反应的专一性；反应位点的专一性；立体结构的专一性；

美国化学家Woodward等人在1973年合成了VB12

；

1965年，