材料与化学
铜臭 / 2022-07-14
从近代科技史来看，新材料的使用对社会经济和科技的发展起着巨大的推动作用。例如钢铁材料的出现，孕育了产业革命;高纯半导体材料的制造，促进了现代信息技术的建立和发展;先进复合材料和新型超合金材料的开发，为空间技术的发展奠定了物质基础;新型超导材料的研制，大大推动了无损耗发电、磁流发电及受控热核反应堆等现代能源的发展:纳米材料的发展和利用，促进了多学科的发展，并将人类带人了一个奇迹层出不穷的时代。材料的品种繁多，迄今注册的已达几十万种，每年还以5%左右的速度继续增长。
化学和物理学是材料科学的基础。材料物理学是把凝聚态物质的基本概念试图应用于复杂和多相介质，包括材料中的问题。材料化学是-一门以现代材料为主要研究对象，研究材料的化学组成、结构(电子结构、晶体结构和显微结构)与材料性能之间的关系及其合成制备方法、检测表征、材料与环境协调等问题的科学。
科学工作者根据材料的组成和结构特点将材料分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。也可根据材料的性能特征，将其分为结构材料和功能材料。还可根 据材料的用途将其分为建筑材料、能源材料、航空材料和电子材料等。本节将按照第一- 种分类对四类材料分别加以介绍.此外,对于新兴的纳米材料进行初步探讨,并讨论其中的化学问题。
6.1.1金属材料
金属材料是以金属元素为基础的材料。纯金属的直接应用很少，因此金属材料绝大多数是 以合金的形式出现，合金是由一种金属与一 种或几种其他金属、非金属熔合在一起生成的具有金属特性的物质。金属材料一般具有优良的力学性能、可加工性及优异的物理特性。金属材料的性质主要取决于它的成分、显微组织和制造工艺，人们可以通过调整和控制成分、组织结构和工艺，制造出具有不同性能的工艺材料。在近代的物质文明中，金属材料如钢铁、铝、铜等起了关键作用，至今这类材料仍具有强大的生命力。
6.1.1.1金属单质
迄今为止，人类已经发现的元索和人工合成的元素加在一起，共有117种，其中金属元素94种，占元素总数的4/5。它们位于元素周期表中硼一硅一砷一碲一砹和铝一锗一锑一钋构成的对角线的左下方。对角线附近的锗、砷、锑、碲等为准金属，即性质介于金属和非金属之间的单质，准金属大多可作半导体。
地球上金属资源极其丰富，除了金、铂等极少数金属以单质形态存在于自然界以外，绝大多数金属在自然界中以化合物的形式存在于各种矿石中，此外，海水中含有大量的钾、钙、钠、镁的氯化物、碳酸盐等。
6.1.1.2合金
虽然纯金属具有良好的塑性、导电导热性，但纯金属的性能往往不能满足生产需要，实际应用最多的是各种合金。合金是由一种金属与另种或几种其他金属或非金属熔合在一起形成的具有金属特性的物质。
A 合金的结构和类型
按其结构，合金可分为以下三种类型:
(1)固溶体。以一种金属为溶剂，另一种金属或非金属为溶质，共熔后形成的固态金属，称作固溶体。固溶体保持了溶剂金属的晶格类型，溶质原子可以不同方式分布于溶剂金属的晶格中，根据溶质原子在溶剂晶格中位置的不同，可分为取代固溶体和间陈固溶体两种，如图6-1所示。
(2) 金属化合物。当两种组分的原子半径和电负性相差较大时，可形成金属化合物。金属化合物的晶格不同于原来金属的晶格。但往往比纯金属有更高的熔点和砸度。例如铁础合金中形成的Fe₃C,称作渗碳体。
(3)机械混合物。两种金属在熔融状态时完全互熔，但凝固后各组分又分别结晶，组成两种金属晶体的混合物，整个金属不完全均匀。例如钢中，渗碳体和铁素体相间存在，形成机械混合物。机械混合物的主要性质是各组分金属的平均性质。
B 合金材料
a 钢铁
钢铁是铁碳合金的总称。根据含碳量的不同，铁碳合金分为钢与铸铁两大类，钢是含碳量 小于1. 8%的铁碳合金。碳钢是最常用的普通钢，冶炼方便、加工容易，在多数情况下可满足使用要求。按照含碳量的不同，碳钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。随含碳量的升高，碳钢的硬度增加、韧性下降。在碳钢的基础上加人一些合金元素，如Si、W、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Ti等，可使钢的组织结构和性能发生变化，从而具有一些特殊性能。如加入一定量的Cr和Ni等可炼成不锈钢，加入Mn可炼成特别硬的锰钢。
炼钢实际上调整铁中碳的含量，同时除去一- 些有害的杂质，如硫、磷等。碳在钢中的存在方式是填充在铁晶格的孔隙中，形成间隙合金。碳以四种方式存在于铁晶格中，形成奥氏体、马氏体、渗碳体和铁素体四种物相。奥氏体是碳原子间充在γ-Fe晶格间隙位置上的间隙固溶 体(图6-2 (a));马氏体是碳原子在α-Fe中形成的过饱和的间隙固溶体(图6-2 (b)); 渗碳 体是铁和碳形成的间隙化合物(Fe₃C); 铁素体是碳在a-Fe中形成的间隙固溶体。
b 铝合金
铝在地壳中的含量仅次于氧和硅，是金属中含量最高的。纯铝的密度较低，为2. 7g/cm³，是钢密度的1/3。纯铝有着良好的导电、导热性(仅次于Au、Ag、Cu)，延展性。铝还具有良好的耐腐蚀性。铝与氧的亲和力很大，在大气中常温下即能与氧化合，形成一层致密的Al₂O₃薄膜，保护内层金属不再氧化。
纯铝的机械性能不高，不适宜作承受较大载荷的结构件。为了提高铝的机械性能，在纯铝中加人某些合金元素，如Cu、Mg、Zn、Si、Mn和稀土元素等，制成铝合金。铝合金的突出特 点是密度小、强度高。铝中加入Mn、Mg形成的Al-Mn、Al-Mg 合金有很好的耐腐蚀性、良好的塑性和较高的强度，称为防锈铝合金，用于制造油箱、容器、管道和铆钉等。铝中加入Cu、Mg、Zn等形成的AI-Cu-Mg和Al-Cu-Mg-Zn系合金的强度较防锈铝合金高，称为硬铝合金，但防蚀性能下降。新近开发的高强度硬铝，强度进一步提高，而密度比普通硬铝合金减小15%， 且能挤压成型，可用作摩托车骨架和轮圈等构件。Al-Li 合金可制作飞机零件和承受载荷的高级运动器材。目前，高强铝合金广泛用于飞机、舰艇和载重汽车等制造，可增加载重量，提高运行速度，并具有抗海水腐蚀、避磁性等优点。
c 钛合金
钛是地壳中储藏量最丰富的元素之一，含量占地壳质量的0.61%，在诸元素的分布序列中居第九位。金属钛为银白色，外观似钢，熔点达1672°C,比铁和镍的熔点都高，属难熔金属，是一种很好的热强合金材料。钛的优良性能是密度小、强度高。钛的韧性强于铁，而密度只有铁的一半多一点，而且不会生锈。钛的密度比铝大不到2倍，强度却比铝高3倍，而且耐热性优于铝。
液态钛几乎能溶解所有的金属，形成固溶体或金属化合物等多种合金。钛合金在冶金、电力、化工、石油、航空航天及军事工业中有着广泛应用。例如Ti-6A1-4V合金具有较高的机械性能和高温变形能力，稳定性高，可在较宽的温度范围内使用，而用于制造波音747飞机主起 落架的承力结构件; Ti-6Al-2Sn-4Zn-2Mo、Ti-7. 7Al-11Zr-0.6Mo-1Nb合金可在500°C以上长期 工作而用于制造汽车排气阀; Ti-5AI-2. 5Sn(低氧)和Ti-6AI-4V(低氧)又是重要的低温材料，它们的使用温度分别可达到-253°C和-196°C，可用作宇宙飞船中的液氢容器和低温高压容 器。此外，钛及其合金的耐腐蚀性也尤为突出，如Ti-0.2Pd和Ti-0.8Ni-0.3Mo在浓度为20% 的盐酸中年腐蚀速率只有0. 255mm,是纯钛年腐蚀速率的1/100。由于钛及其合金具有许多优异的性能，因而钛享有“第三金属”和“未来的金属”的美称。
d储氢材料
某些过渡金属和合金，由于其特殊的晶格结构等原因，氢原子比较容易透人金属晶格的四 面体或八面体间隙位中，形成金属氢化物，这类材料可以贮存比其体积大1000 ~ 1300倍的氢，贮存氢的密度比液氢还高。由于氢与金属的结合力较弱，加热时氢就能从金属中放出。这实际上是金属吸氢和放氢的可逆过程，叫做可逆贮氢。稀土尤其是镧和镍的金属间化合物，例如LaNi₅具有较好的贮氢性能，其吸氢和释放氢的过程可以用下式表示
LaNi₅+3H₂⇔LaNi₅H₆+Q
目前，正在研究和接近实用的贮氢材料有: Mg₂Cu、 TiFe、TiMn、TiCr₂、 LaNi₅、ZrMn₂和 含稀土金属(La、Ce)的Ni、 Zr、 Al或Cr-Mn组成的多元合金。
![2,2-双[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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