工程化学电子教案6

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1、 第六章 化学与材料内容提要和学习要求: 本章主要介绍工程技术中常用的材料， 主要包括金属材料、电子管和半导体材料以 及新型结构材料和新型功能材料。在讨论中 ，我们将结合周期系叙述这些材料的重要物 理化学性质以及它们在生产实践中的应用 。学习本章的目的、要求为：（1）掌握常见金属元素的分布、制备和用途。 了解合金的类型及特性。 （2）了解电子管和半导体材料的类别和特性。 （3）了解常见非金属元素的分布、制备和用途 。了解耐热、高硬、高强结构材料的类型和特性 。 （4）了解新型无机结构材料和新型无机功能材 料的主要类型及特性。 6.1 材料科学发展简介 人类社会发展的历史证明，材料是社会 进步的

2、物质基础与先导。它是人类赖以生存 和发展、征服自然和改造自然的物质基础； 是人类进步的里程碑。纵观人类利用材料的 历史，可以清楚地看到，每一种重要的新材 料的发现和应用，都把人类支配自然的能力 提高到一个新的水平。材料科学技术术的 每一次重大突破都会引起生产产技术术的 革命，大大加速社会发发展的进进程，给给 社会生产产和人们们生活带带来巨大的变变化 ，把人类类物质质文明推向前进进。 第一代为为天然材料:在原始社会，由于生产产技术术水平很低，人类类所用的材料只能是自然界的动动物、植物和矿矿物，例如兽兽皮、甲骨、羽毛、树树木、草叶、石块块、泥土等。 n 第二代为烧炼为烧炼 材料 烧炼烧炼 材料是烧

3、结烧结 材料和冶炼炼材料的 总总称。随着生产产技术术的进进步，人类类早已 能够够用天然的矿矿土烧烧制砖砖瓦和陶瓷，以 后又制出了玻璃和水泥，这这些都属于烧烧 结结材料。从各种天然的矿矿石中提炼炼出铜铜 、铁铁等金属，则则属于冶炼炼材料。 n 第三代为为合成材料 随着有机化学的发发展，在20世纪纪初就已出现现了化工合成产产品，其中合成塑料、合成纤维纤维 、合成橡胶已广泛地用于生产产和生活中了。 n 第四代为为可设计设计 材料 随着高新技术术的发发展，对对材料提出了更高的要求，前三代那样单样单 一性能的材料已不能满满足需要，于是一些科技工作者开始研究用新的物理、化学方法，根据实际实际 需要去设计设

4、计特殊性能的材料。近代出现现的金属陶瓷、铝铝塑薄膜等复合材料就属于这这一类类。 n n 第五代为为智能材料 智能材料是指近三四 十年来研制出的一些新型功能材料，它们们 能随着环环境、时间时间 的变变化改变变自己的性能 或形状，好像具有智能。现现在研究成功并 崭崭露头头角的形状记忆记忆 合金就属于这这一类类。 n 6.2 金属及合金材料 n1. 铁（Fe）和镍（Ni） n 铁和镍是周期系第VIII族元素。具有银 白色金属光泽。它们的比重分别为 7.1和 6.59，熔点为1535和1452，沸点为 2753和2730。镍坚 硬，铁较软 且具 有韧性。它们都有磁性。 n n铜铜是周期系第I副族元素，

5、有特殊的红红色。其晶体为为面心立方晶格，硬度为为3，熔点1083，沸点2310。延展性好，它的导导电电与传热传热 性极好，仅仅次于银银。 n n3. 锌（Zn） n 锌锌是周期系第II副族元素。有青白色的金属光泽泽、比重7.14。硬度2.5，熔点419.4，在907时时气化。在常温下性脆，热热到100150时时呈展性；在200以上又变变脆，甚至可压压成粉末。 n n4. 铝铝（Al） n 铝铝是周期系第III主族元素。具有银银白色 金属光泽泽，比重2.7，熔点659.8，沸点 2270。富有延展性，电导电导 率很高，约为约为 铜铜的60%，但比铜轻铜轻 ，故等长长同重的铝线铝线 ，电导电导 率

6、为铜线为铜线 的两倍。 n 铝铝的电电子层结层结 构是1S2、2S22P6、 3S23P1。化合价为为3。 n 铝广泛用来制造厨房用具及其他家庭用品。镀 在铁器表面可防止腐蚀。铝粉与油类混合可用 作涂料。与硝酸铵及炭粉混合可制成炸药。铝 也可用作导线。铝的最重要用途是制铝合金， 质坚硬而轻，如镁铝合金（含镁10%30%）和坚铝（93%95%)。 n5. 锡（Sn）与铅(Pb) n 锡与铅为周期系第IV主族元素。 n 日常见到的锡是白锡，它是银白色柔软的金 属，具有延展性，比重7.31，熔点231.8，沸点 236.2。白锡和脆锡都是金属晶格，灰锡则是与 金刚石相似的原子晶格。 n 铅是比重较大

7、（11.34），较柔软的金属，略 带灰色，具有展性和延性。它是金属晶格。熔点 327.5，沸点1755。 n 2.合金钢材料n金属和其它单质共熔后的生成物叫做合金 。不同组成的合金，有时能保持各组分金 属的可贵性质，还能增加新的特性。例如 在低强度轻金属铝中加入铜和镁，不但仍 保持铝的轻的性质，而且还增加了非常坚 硬的、高强度的优越性能。不同金属混合 熔融，再冷却后所得的合金，从它们的结 构上看，大体上可分为三种类型：金属混 合物、金属固溶体和金属互化物。 n n（1）金属混合物 两种金属在熔融状态时，虽然完全互溶，但在凝固时就分别结晶出来，组成两组金属晶体的混合物。金属的导电和导热等性质主要

8、是组分金属的平均性质。 n n（2）金属固溶体、金属互相溶解所组成的固态溶液称为金属固溶体。各组分的原子半径、熔化温度、晶格常数、原子结构的相似性等，对组成固溶体有很大的影响。固溶体可分为取代固溶体与填充固溶体两种。 n n 取代固溶体 原子半径和性质质相似的金 属易成固溶体。在固溶体内，溶剂剂金属保 持原有的晶格，而熔质质金属的原子取代溶 剂剂晶格内若干位置，例如铜铜与锌组锌组 成a黄 铜铜，在这这固溶体合金中，保持纯铜纯铜 的原来 的体心立方晶格，而锌锌原子无秩序地取代 晶格中的铜铜原子的位置。 n n 填充固溶体 当溶质质原子远远小于溶剂剂原 子时时，溶质质原子的溶入，一般是填入溶剂剂

9、原子之间间的空隙之中，这样组这样组 成的合金称 为为填充固溶体，最普通的溶质质原子是氢氢、 硼、碳、氮等。产产生此类类合金时时，溶剂剂的 晶格构造还还是保持不变变，因此能被容纳纳的 溶质质原子的大小与溶剂剂原子的大小之比应应 有一定的限度。其结结构组组成常为为M2X和MX ，式中M为过为过 渡元素，X为为碳、硼，氮和 氢氢等。 n n（3）金属互化物 金属互化物又称中间合金，因 为它的组成介于两个组分的饱和溶液的组成之间 ，它的晶格也不同于组分金属的晶格。以铜与锌 的合金为例，锌溶入铜内形成黄铜，具有铜 的体心六方晶格，但当锌在铜内的含量达到32原 子百分数时，即达饱和程度。锌的含量如再增加

10、，就出现新的晶格，它不同于铜的体心立方晶格 ，也不同于锌的立方密集晶格。具有这样晶格的 合金称为黄铜，其组成可以CuZn表之。当锌的 含量继续增高时，还有两个不同的合金出现： 黄铜Cu5Zn8和黄铜CuZn3 5.合金钢材料n不同金属混合熔融，待其自行凝固，可以 组组成不同类类型的合金，并且组组成的合金往 往具有原来金属所不具备备的特性。根据这这 种道理，在炼钢时炼钢时 常常加入一些金属，以 制备备具有高熔点金属、高硬度，耐腐蚀蚀性 等其他特殊性能的合金钢钢。 n n（1）高熔点合金钢钢的材料 所有高熔点， 几乎都集中在周期系数的第IV、V、VI类类副 族。当这这些元素与主体金属形成金属互化

11、物或以碳化物、硼化物、氮化物的形式与 主体金属组组成合金时时，按前面所提到的道 理，就应应具有较较高的熔点和较较大的硬度。 下面介绍绍一下钛钛，钼钼、钨钨及其合金。 n 钛（Ti）钛是第IV类的副族元素，纯 净的金属钛其外形与钢相似。钛的比重为 4.5，熔点为1725。钛有两种结晶构型： 纯钛具有很高的韧性，其韧性超过纯 铁的二倍，然而钛却又具有良好的可塑性 ，加压即可进行处理。金属钛中如有杂质 存在时，特别是吸收了气体时就会变脆。 n n 钼（Mo） 钼是第VI类的副族元素，它是 银白色的金属，而粉末状态的钼则呈暗灰 色或黑色。纯的金属钼硬度很大，而且具 有良好的可塑性；它不论在受热或冷却的

12、 状态下都能承受加压处理。 n n钨（W） 钨是第VI类的副族元素，是银白色的金 属。粉末状的钨则呈灰色或黑色。钨是一种最难 熔的金属，它的熔点为3400左右。纯净的金属 钨是可塑的，并且容易加工进行处理。可以把钨 拉成直径达10微米的金属丝。然而钨同时又具有 很高的韧性，钨的韧性可以说是各种纯净金属中 最强的。块状的金属钨常温下对于空气和水都是 稳定的。粉末状的钨会被潮湿的空气所部分氧化 。如果把金属钨加热到红热的温度时，不论是在 空气中或氧气中，它都会迅速地被氧化，生成三 氧化钨WO3。因此，钨用做灯丝时，要使它和空气 隔绝。 n （2）耐蚀性的合金钢材料n n 耐蚀性的金属位于周期系第V

13、、VI类副族 。这是因为它们在腐蚀介质中很容易钝化 。为了得到钝化膜，这些金属就必须在主 体金属中分布均匀。因此，现代工业上的 耐蚀合金大都是耐蚀金属的固溶体。 n n 铌(Nb)和钽(Ta) 它们是周期系第V类副族 元素，它们的化学性质极相似，这是由于 “镧系收缩”的缘故。 n 铌（Nb）和钽（Ta）在外形上和铂很相似 ，它们都是硬度较大的金属，同时还具有 高度的可塑性；特别是钽，它能在冷却状 态被打成薄片或拉成细丝。 n n 铬铬（Cr） 它是第VI副族元素，具有灰白 色金属光泽泽，比重较较大，熔点高，硬度大 ；是金属中最硬的一个。在一般情况下很 稳稳定，不与水及空气作用，在常温时时能熔

14、于稀HCl和H2SO4，但不溶于NHO3，这这是 因为为在Cr表面形成了一层层Cr2O3保护护薄膜 的缘缘故。 6.稀土金属n “稀土”是18世纪初沿用下来的旧名，因为当 时用以提取这类元素的矿物比较稀少，而且获得 的氧化物难熔化，也难溶于水，很难分离，其外 观酷以“土壤”。其实，稀土既不稀也非土。它 在地壳中的藏量很丰富，我国储量也很多。由于 稀土金属的性质，诸如电极电势、氧化物的酸碱 性，溶解度等，彼此间都很接近，所以分离和制 取相当困难，在工业上通常应用的是稀土的混合 金属。未分离的稀土称为“混合稀土”。 n“混合稀土”因对钢液有脱氧，脱硫及清 除有害杂质等作用而在冶金方面得到应用 。微

15、量稀土溶液可以大大改变（甚至根本 改变）合金的性质，因此被称为冶金工业 的维生素。 6.3 电子管和半导体材料n1. 电子管材料 n 在现代科学领域中，电子管已成为一个极其 重要的科学技术部门。电子仪器的生产，随着日 益广泛的应用，例如自动化生产，发电站的动力 系统控制、雷达、电视、电影、传真电报等也在 迅速逐年增加。作为电子仪器中的重要组成部分 电子管材料与光电管的研究，显然有它的特 殊意义。 n 在周期系中，第I、II主族元素，特别是原子 量较大的如铯、锶、钡等元素能够作光电管材料 和电子管材料。 n n 铯（Cs） 铯是周期系第I主族元素，纯铯 是淡黄色金属，熔点28.5，并具有高度 的

16、柔软性和可塑性。 n 铯的电子层结构为：1s2、2s22p6、 3s23p63d10、4s24p64d10，5s25p6、6s1。由此 可见，铯原子的最外层只有一个S电子，而 且原子半径较大，这就决定了铯的化学活 泼性是很强的。 n n锶和钡的电子层结构分别是1s2、2s22p6、 3s23p63d10、4s24p2、5s2；1s2、2s22p6、 3s23p63d10、4S24p24d10、5s25p6、6s2。从它们的 结构上看，它们的最外层中有二个价电子，由于 核电荷比同周期中的碱金属增加一个单位，因而 它们的原子半径也就相应地小了一些，例如铯的 半径为2.72 ，Ba为2.24 ，因此使得锶和钡失掉一 个价电子要比碱金属为困难。关于这点可以从它 们的电离能的数值看出来。 n n2. 半导体材料 n半导导体是现现代科学技术术的尖端。目前，半导导体已