工程化学——化学及工程材料.pptVIP

* * 第八章 化学与工程材料 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，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。 第一节 材料性能的内在依据 一、材料的重要性和分类 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 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。 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。 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。其特性如金属光泽、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。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： 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。 ①结合力较弱、耐热性差，大多数有机高分子材料的使用不超过200℃。 3. 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。 除晶体外，固体材料的另一大类是非晶体。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。 4. 结构缺陷与材料性能系 （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。 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。 （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