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1、2018年9月16日3时37分,第五章 无机工程材料中的化学知识,5-1 金属材料中的化学知识 (了解),大多数金属元素最外层的 s电子少而次外层 d电子多，原子半径大，电离能小易失去电子，因而具有还原性。传统上把金属材料中的铁、铬、锰及其合金称为黑色金属材料，钢铁以外的金属称为有色金属。有色金属分为：轻金属：铝、镁、钛等金属及其合金。重金属：铜、镍、铅、锌、锡等金属及其合金。稀有金属：高熔点金属：钨、钼铌、钽、镐、铪、铼等金属及其合金。,2018年9月16日3时37分,5-1-2 合金及其类型,从矿物中提炼金属的过程称为冶炼，冶炼方法一般有：(了解) 热分解法： 2HgO 2Hg + O2
2、(不活泼金属) 还原法： ZnO + C Zn + CO (较活泼金属)Cr2O3 + 2Al Al2O3 +2Cr 电解法： 2NaCl(融熔) 电解 2Na + Cl2 (活泼金属),2018年9月16日3时37分,纯金属有很好的塑性、导电性和导热性，但它们的强度、硬度都较低，性能单一，资源有限，价格高，所以实际应用的通常都是合金。,2018年9月16日3时37分,一. 混合物合金 (理解),混合物合金是多种金属晶体混合而成的机械混合物。在显微镜下可观察到它们各自的晶体。 （1）混合物合金的导电、导热性等性质是其各组分金属的平均值。 （2）混合物合金的熔点低于任一组元金属。例如焊锡用的锡铅
3、合金就是混合物合金。,2018年9月16日3时37分,二. 固溶体合金（理解）,固溶体合金是在凝固时也相互“溶解”在一起的。一般有取代(置换)型和间充(间隙)型两种。,纯金属 取代型合金 间充型合金,2018年9月16日3时37分,1 取代型： 一般说来，固溶体合金的溶剂和溶质的原子半径相差不大的金属容易形成取代型固溶体。例如黄铜就是锌原子部分地取代了溶剂铜原子。 2 间充型：当原子半径小(r溶质/r溶剂)0.59 的溶质原子，如H,B,C,N,O 等易钻入溶剂金属的空隙中去，形成间隙型固溶体。,2018年9月16日3时37分,无论是取代型还是间隙型固溶体，基本上保持溶剂金属的性质，但硬度有所
4、增强，韧性有所降低。例如黄铜比紫铜硬一些，脆一些。铁中溶入碳0.12-0.20%，硅0.40-0.60%，锰1.30-1.60%就能做成16Mn锰钢，强度和硬度大大地增强。引起固溶体强化的主要原因是溶质的溶入引起金属晶体的晶格扭曲畸变，致使晶体所变形抗力增大。,2018年9月16日3时37分,三. 金属型化合物合金（理解）,金属化合物合金是溶质在金属中溶解饱和后，溶质和金属生成具有正常化合价或不符合正常化合价的化合物，这些化合物和金属固溶体生成的合金称金属化合物合金。金属化合物合金的熔点常比组分的金属更高，硬度、脆度也更大。例如：Mg2Si在铝合金中起强化作用。在钢中含有FeS， 就会引起脆性
5、。,2018年9月16日3时37分,5-1-3 副族元素碳化物等金属型化合物的形成和应用 （了解）,C、N、B 等 P区比较小的元素溶于铁后形成间隙式固溶体，超过极限的那部分与金属形成化合物，如Fe3、Fe4N、Fe3N、Fe2N、Fe2B、FeB等。从书上表5.1 可以看出 d区元素的碳化物的熔点、硬度、和稳定性温度范围在同一周期中自左向又逐渐降低。这是金属的 d电子越少与碳的形成本的化学键越牢固，熔点就越高，硬度就越大。铜的 d轨道已充满，即使在较高的温度下也不能形成化合物。因此在钢渗碳时，可用镀铜的方法来保护那些不需要渗碳的地方。,2018年9月16日3时37分,Mn溶入铁能提高钢的强度
6、。若入少量 V、Nb、Ti、Mo、W 等金属，使碳化物在一定的条件下从固溶体中沉淀出来，有效地提高钢的强度。碳素钢的红硬性差，在200-250 时硬度急剧下降，在500时已无切削能力，若加入W、Mo、V、Cr等的碳化物，即使在500-600仍有切削能力。由于氢原子半径小能扩散渗入钢铁内部，形成间隙型金属化合物使钢铁变脆 (称氢脆). 钢的氢脆会造成钢的表面硬度和内部强度的降低。,2018年9月16日3时37分,5-1-6 金属材料腐蚀的防止,一. 防腐的重要性（了解）二. 金属材料的防腐措施,2018年9月16日3时37分,二. 金属材料的防腐措施（理解）, 正确选用金属材料1. 选择性能合适
7、的金属材料。2. 易于加工成型。3. 耐腐蚀。一般纯金属比合金耐腐，不锈钢是理想的耐腐材料，但对耐氟化物还不如普通结构钢。4. 考虑价格和供应情况。5.考虑毒性等。替代材料有：塑料 橡胶 陶瓷 石墨 木材等。,2018年9月16日3时37分, 隔绝介质与金属材料表面的接触1. 金属覆盖层：电镀、喷镀等。2. 非金属覆盖：油漆、喷塑、搪瓷等。3. 转化膜层：发蓝、发黑、电化铝等。,2018年9月16日3时37分, 控制环境和改善介质1. 干燥空气:如用硅胶(Na2SiO3加酸得到的多聚硅酸钠)，其中有CoCl2作指示剂CoCl26H2O粉红 52.25CoCl22H2O紫红90 CoCl2H2O
8、蓝紫 120 CoCl2蓝2. 恒温：温度变化能使水凝聚。3. 去氧封存：真空、稀有气体保护。,2018年9月16日3时37分, 缓蚀剂法：使溶液中产生沉淀或保护层降低腐蚀速率。 1无机缓蚀剂：氧化性的有铬酸钾、重铬酸钾、亚硝酸钠（防锈水的主要成分） 非氧化性的有氢氧化钠、碳酸钠磷酸钠等 如 3Fe2+ + 2PO43- Fe3(PO4)2 2有机缓蚀剂：琼脂、糊精、胺类、乌洛托品等,2018年9月16日3时37分, 电化学保护法（掌握）把金属置于腐蚀电池的阴极，防止腐蚀。1. 牺牲阳极保护法把比被保护金属更活泼的金属与被保护金属相连组成腐蚀电池，这样被保护金属在阴极，不被腐蚀，被保护。活泼金
9、属被腐蚀。,阴极：O2 + 2H2O + 4e = 4OH- 阳极：M ne = Mn+,2018年9月16日3时37分,2. 外加电流阴极保护法,把被保护金属与电池的负极相连，这样保护金属。外加电流保护法和牺牲阳极保护法合用效果更佳。,现在还有阳极保护法，利用阳极极化，使金属钝化，保护金属。但此法技术难度大，易弄巧成拙，谨慎使用。,2018年9月16日3时37分,第二节 陶瓷材料中的化学知识,5-2-1 陶瓷的概念,一. 陶瓷的定义和发展简介（了解）陶瓷最早是陶器和瓷器的总称，后来泛指整个硅酸盐材料和氧化物类陶瓷材料。我国是最早制造和使用陶瓷的国家，英文china 就表示瓷器。现在，陶瓷材料
10、已被看作经过高温烧结而成的所有的无机非金属材料的简称。,2018年9月16日3时37分,二. 陶瓷材料的特点,1. 陶瓷中化学键和结构特点（了解）陶瓷晶体中粒子之间由混合型化学键键合的，既有离子键成分又有共价键成分。因此陶瓷晶体中有离子晶体和共价晶体的特征，具有熔点高、硬度大、强度大、脆性大、无延展性、热膨胀系数小等特点。,2 陶瓷性能的特点（掌握） 优点：极好的耐热性和耐腐蚀性。缺点：脆性大,2018年9月16日3时37分,有关陶瓷的脆性：这是至今为止人们还没有完全解决的问题。需要进一步研究与探索。 紧挨着我的知识躺着的，是我黑色的无知。尼采查拉图斯特拉如是说,2018年9月16日3时37分
11、,5-2-2 陶瓷材料的显微结构特征 （理解）,陶瓷材料一般由晶相、气相和玻璃相组成,2018年9月16日3时37分,一. 晶相陶瓷有时不止有一个晶相，有主晶相、次晶相、第三晶相等。主晶相往往决定了陶瓷材料的化学和物理性能。晶粒的大小受材料配方和烧制条件控制,2018年9月16日3时37分,二. 玻璃相玻璃相是一种非晶态的低熔点固相。陶瓷的釉层是玻璃相。瓷料的组成物和混入的杂质在烧结时常常形成玻璃相。陶瓷的组织中，玻璃相有时可达20-60%。 缺点：使陶瓷的机械强度降低，热稳定性差。介电损耗增加,2018年9月16日3时37分,三. 气相气相是陶瓷材料中存在的气孔，在烧结过程中不可避免地被保留
12、下来，一般占体积的5-10% 以上。也可人为地制造多孔陶瓷，其含孔量达30-50%以上。 优点：气孔均匀地存在，可提高陶瓷的绝热性，降低比重。 缺点：气孔存在影响陶瓷的抗电击穿能力，易产生裂纹，透明度和机械强度也降低。,2018年9月16日3时37分,5-2-3 现代陶瓷的性能和用途简介（了解）,现代陶瓷可分为结构陶瓷和功能陶瓷。 一. 结构陶瓷材料1. 氧化铝陶瓷 ： -Al2O3俗称刚玉， 优点：硬度大、耐高温、耐骤冷热、耐氧化、绝缘。 缺点：脆性大。,2018年9月16日3时37分,2. 氮化硅： Si3N4是原子晶体，硬度为 9，导热性好，膨胀系数小。3. 碳化硅SiC 俗称金刚沙，硬
13、度大、熔点高、耐腐蚀、膨胀系数小。4. 氧化锆ZrO2陶瓷强度大、韧性好、熔点高，俗称陶瓷钢。,2018年9月16日3时37分,功能陶瓷（了解）,1. 电容器陶瓷2. 铁电陶瓷3. 半导体陶瓷 热敏陶瓷：热敏电阻。 压敏陶瓷：受压产生电动势 光敏陶瓷：把光转换成电能 气敏陶瓷：遇氧化(还原)性气体电阻发生变化 湿敏陶瓷： 遇水电阻发生变化,2018年9月16日3时37分,4. 磁性陶瓷磁性陶瓷又称铁氧体陶瓷。5. 超导材料：低温下电阻等于零。6. 智能陶瓷：能像生命一样感知客观世界。7. 生物陶瓷：用于替换、修补人体器官。,2018年9月16日3时37分,第六章 有机化合物,6-2表面活性剂6
14、-4有机高分子化合物,2018年9月16日3时37分,6-2-1 表面张力和表面活性剂（理解）,1. 表面张力 (即表面能)表面张力是物体表面的收缩力, 通常用表面能表示它的大小.纯水在20的表面能为0.073JM-2, 大多数有机液体的表面能较小, 仅0.020.03JM-2。,2018年9月16日3时37分,2. 表面活性剂水的表面张力因加入溶质而有所改变。例如无机盐, 不挥发性酸, 碱等能使水的表面张力增大。我们把这些能使表面张力增大的物质称为非表面活性剂。矿泉水含有大量无机盐, 表面张力大。例如杭州的虎跑水上小心地放上铝分币不会下沉, 就是虎跑水表面张力大的缘故。,2018年9月16日
15、3时37分,一 结构特点：（两亲结构）表面活性剂一般都是线性分子. 它包含与水作用的较强的亲水基团 (又称憎油基团); 和易与“油性”烷烃等分子接近的亲油基团 (又称憎水基团)。表面活性剂的示意结构为“-o”，其中“-”为亲油基团，“o”为亲水基团。例如硬脂酸C17H35COONa的“-”是“C17H35-”，“o”是“-COONa”。一般可用 R表示有机物的主要部分, 如 R-COONaC-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-COONa,6-2-2 表面活性剂的结构特点和分类（掌握）,2018年9月16日3时37分,二 表面活性剂可分为四大类：（掌握） 1. 阴离
16、子型, 在水中离解出起活性作用的部分是阴离子. 如: 烷基苯磺酸钠,2018年9月16日3时37分,2 阳离子型：在水中离解出起活性作用的部分是阳离子， 如：十二烷基三甲基季胺化氯,2018年9月16日3时37分,3. 非离子型在水中不离解, 极性基部分大多数为聚氧乙烯基结构, 由所含的氧乙烯基数目来控制的它的亲水性能. 如称为“平平加”的聚氧乙烯烷基醇醚R-O-(CH2CH2O)n H,2018年9月16日3时37分,4. 两性型在水溶液中离解出起活性作用的部分既有阴离子又有非离子, 或既有阳离子又有非离子, 或既有阴离子又有阳离子。例如：蛋黄, 种子中的卵磷脂,-OOCR“ O CH2CHCH2 - O-P - O - CH2CH2 - N+(CH3)3 -OOCR O-,
