金属固溶体

1 合金材料,即使在新材料层出不穷的今天，合金材料依然在国民经济中具有极其重要和不可替代的作用。109种元素中，有87种为金属。 无论从工程使用对材料性能的要求上，还是从制备的经济角度上，纯金属材料多数是不可取的。 合金材料的特点： 结合力：金属键； 组织结构：金属固溶体，金属化合物，金属混合物； 性能：电、热传导性良好，高机械强度，及良好的机械加工性；,金属固溶体 一种溶质原子溶于溶剂金属的晶体中形成的均匀的固态溶液。可分为置换固溶体和间隙固溶体。 可与Fe形成置换固溶体的如：V、Cr、Mn、Co等；而H、B、C、N等非金属元素，易与副族金属元素形成间隙固溶体。 此种合金可加强材料的硬度，同时也使延展性和导电性降低。 金属化合物 表现为与金属固溶体不同的相组成。 如Mg2Pb、CuZn，以及金属硼化物、碳化物、氮化物等。其中d区金属的碳化物及氮化物具有高熔点、高硬度。 金属混合物 混合物各组分分布不完全均一。如低熔点合金。,常见的金属及合金材料 镁及镁合金：轻金属，机械强度低，化学性质活泼极易氧化。主要用途为配置合金，加入元素Al、Zn、Mn等。合金用于仪器仪表、飞机部件等； 铝及铝合金：轻金属，良导电、导热性，且Al2O3氧化膜保护优良。用于建材、导线、食品包装等。合金加入元素Mg、Cu等形成硬铝，用于飞机蒙皮，内燃机活塞、气缸等； 钛及钛合金：轻金属，高熔点、高强度，600以下抗氧化。加入元素Al、V、Cr、Mn、Mo、Fe等。是航空航天的重要结构材料； 合金钢及硬质合金： 合金钢是在碳钢中加入Ti、Zr、V、Cr、Mn、Ni、等，形成固溶体或金属化合物。高硬度、耐磨、耐热，晶粒细； 硬质合金为第、副族金属与C、N、B形成的化合物，有很高的硬度和熔点，用于制造刀具及钻头等。,2 陶瓷材料,传统陶瓷材料主要指硅酸盐陶瓷。是以天然硅酸盐矿物为原料，经配料、成型、烧制等工艺制得。 新的陶瓷材料在原料中发展了氧化物及人工合成原料；在性能上发展了具有特殊性能的功能陶瓷和结构陶瓷材料特种陶瓷。 陶瓷材料的特点： 结合力：离子键及共价键为主要结合力； 工艺：先成型，后烧成； 组织结构：包括晶体相、玻璃相(非晶相)和气孔； 性能：耐高温、耐磨、耐腐蚀、高硬度、高强度及其它特殊性能(压电性、磁性和光学性能)，但脆性大；,材料的物理性能与材料结构(如键的性质、原子或分子在空间的排列或堆积方式等)具有密切联系。 通常在陶瓷材料中可有： 两元素电负性差较大(一般1.7)者，形成离子键化合物(如MgO，Al2O3，ZrO2等)； 电负性相近者，形成共价键(如金刚石，Si3N4，BN,Si，Ge，GaAs等)， 二者间的形成过渡型(如半导体)。,离子晶体 离子型晶体的3种典型构型,离子型晶体的晶格能uHm 标态下，将单位物质的量的离子型晶体中的离子分离为互相远离的气态离子时的焓变，称为该晶体的晶格能(点阵能)。量级约在几百几千kJ·mol1。 晶格能愈大，离子键愈强，晶体愈稳定。反之亦反。,离子晶体的特点 熔点和硬度：离子间强的静电引力，使其晶格能较大，所以其具有较高的熔点和硬度。且对同类型离子晶体，随离子电价数愈高，核间距愈小，熔点、硬度愈高。但离子晶体较脆，受冲击时，发生位错。 极易溶于极性溶剂，而不溶于非极性溶剂。且晶格能较小，水化热较大时，更易溶于水。 熔融态及水溶液中均可导电，但固态时不导电。 晶体缺陷 晶体生长时常受到干扰，导致长成的结构不“完美”，即产生缺陷。如几何图形缺陷空位；原子数比缺陷非整数；杂质的存在或掺入等。 缺陷影响其物理性质，如常对电、磁、光学及机械性能起决定性作用。,硅酸盐结构 硅酸盐是陶瓷材料的重要原料。研究发现，硅酸盐是由硅氧四面体SiO4为基本结构单元的各种硅氧集团组成的。 其晶体结构分为：,岛状硅酸盐(无共顶点) (a) ：SiO44， 如镁橄榄石Mg2SiO4，锆英石ZrSiO4等； 鼓型(双四面体)硅酸盐(单共顶点)(b)：Si2O76， 如硅钙石Ca3Si2O7； 环状及链状硅酸盐(二共顶点) ： Si6O1812、辉石(SiO3)n2n 及 闪石(Si4O11)n2n，正离子为Mg2+、Ca2+等。如闪石结构的石棉； 层状硅酸盐(三共顶点)：(Si4O10)n4n，如高岭石、云母、滑石等； 骨架状硅酸盐(四共顶点)： SiO4四面体构成三维骨架状结构。如方石英(SiO2)、沸石、长石。,(a),(b),半导体 金属导体、半导体、绝缘体可以电导率区别，10 S·m-1者为导体；10-11 S·m-1者为绝缘体；介于10-11 10 S·m-1间者为半导体。 多数离子晶体(固态NaCl、CaO)和分子晶体(CO2、CCl4)为绝缘体。 单质半导体如Si及Ge。应用最广的化合物半导体为、族化合物。如GaAs、InSb、GaP、ZnO、CdS、ZnSe等，以及SnO2、PbS、PbSe等。 结合力：介于离子键向共价键间的过渡键型。 导电机理：热激发(满带导带)产生的价电子和空穴两类载流子的迁移而导电，电导率随T升高而增加。 分类为：本征半导体和杂质半导体。 应用：制造特殊功能元器件。,非晶态(玻璃态)固体 与晶体在三维空间有序的排列不同，非晶是长程无序的。即在较大距离上结构无周期性，但近程(几个Å内)结构是有序的。 如石英玻璃(SiO2)被认为是无规网络结构，无对称性； 普通玻璃为：Na2O · CaO · 6SiO2； 熔融态时具有较大粘度，无确定的熔点，只有软化点； 玻璃的透明度好，表明光滑，耐酸蚀； 掺入某些金属氧化物或盐，可得到改性玻璃； 将玻璃拉丝(d=5µm)玻璃纤维，其力学性能大大改变，变得柔软而富有弹性，拉伸度比尼龙纤维还高，是制造复合材料的重要原料。,陶瓷材料的一些应用 高温氧化超导体 从1911年发现金属的超导现象至1986年，已知的上千种超导材料的临界温度均低于23.3K。使其应用受到限制。1986年瑞士IBM公司的J.G.Bednorz和K.A.Müller获得Tc为35K的超导体。所谓高温超导体其组成通式为： AxByCuzOw(A=La,Y，B=Ba,Sr) 表5-2 部分含铜氧化物的高温超导体,当超导体可在液氮(77K)下工作时，即向实用化迈进。,压电陶瓷 一种将电能转换为机械能或相反过程的陶瓷功能材料。压电瓷是多晶烧结体，比单晶压电材料制造简便，成本低，适于大量生产。因为多晶，所以整体是无规的，表现出各向同性。 如BaTiO3在居里温度以上为立方晶系，无压电性；居里温度以下为四方晶系，具有压电性。 将BaTiO3由居里温度以上冷却至以下时，结构由立方晶系变温四方晶系，各晶胞发生极化。若在将电场下进行冷却，自发极化方向将按电场取向排列。而此时施加一与极化平行且反向的外压时，可释放出原来被表面吸附的电荷陶瓷片放电。撤除应力，陶瓷片恢复原状态。 锆钛酸铅Pb(Ti0.5Zr0.5)O3，PZT 与BaTiO3具有相同构型，成为用途广泛的压电材料，如话筒、电磁点火系统、打火机等。,分子筛 一种人工合成的泡沸石型水合铝硅酸盐晶体。化学通式为： M2/xO·Al2O3·mSiO2·nH2O M为金属，x为M的氧化值。 分子筛可筛分不同大小的分子。小于筛孔的分子可被吸附于分子筛孔穴内，而大于筛孔的分子则不被吸附可通过分子筛。 分子筛具有高选择性(随分子极性而增强)，可用于气体分离及提纯，可作高效干燥剂，可用于环保吸附有害气体，也被研究当作一些化学反应的催化剂。,3 合成高分子材料,20世纪初，人工合成的第一种高分子聚合物(简称高聚物，高分子)酚醛树脂投产，其在短时间内迅速发展。目前被称为“三大合成材料”的合成塑料、合成橡胶及合成纤维的应用，已渗透到国民经济的各个领域。 合成高分子材料的特点： 结合力：共价键； 组织结构：热塑性，热固性；晶态与非晶态共存； 共性：低密度(1.01.5g·cm-3)，较高的机械强度，优于金属的化学稳定性(聚四氟乙烯，聚甲醛等)，优良的电绝缘性，易加工成型，但耐热性较差；,(a),(b),(c),高聚物的类型与特点 线型、支化及交联高聚物 聚乙烯为线型(直链)聚合物 (a) ，如高密度聚乙烯(低压0.21.5 MPa聚乙烯)即为支化度较低，结晶度较大的聚乙烯，用于制薄膜； 支化高聚物(b)，如低密度聚乙烯(高压150 MPa聚乙烯)即为支化度较高，结晶度较小的聚乙烯，用于制瓶、管、棒等；,二者称为热塑性聚合物，加热时能流动，可塑制成一定形状。如聚烯烃、聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)、聚酰胺(尼龙)等。 交联高聚物(c)，可视为是许多线型或支链型大分子以化学键连接而成的体型结构。 轻度交联者(天然橡胶、丁苯橡胶)为网状，受热可软化，但不熔融；酚醛、尿醛及醇酸等树脂，成型加工时固化成为体型结构，继续加热不再塑化热固性聚合物。,工程塑料 是一类于20世纪60年代新兴的高分子合成材料，其机械强度好，可替代金属材料。广泛应用于机械制造业、仪表工业、交通工业、化学工业，乃至尖端科学。 较广泛应用的工程塑料品种有：,聚酰胺：,O O NHR1NHCR2C,n,聚甲醛：,n,OCH2,聚酰胺塑料作为结构材料，因其冲击耐性、耐磨性、自润滑性和无音性均较好，可制轴承、齿轮和滚珠辊轴等；又因其耐油，可制输油管；聚酰胺纤维锦纶，可用于制轮胎帘子线。,聚甲醛是具优良性能的工程塑料。机械强度大，刚性高，尺寸稳定性好，原料丰富便宜，产生工艺及设备简单；,聚碳酸酯：,CH3 O | O C OC | CH3,n,聚砜：,CH3 O | O C O S | CH3 O,n,聚碳酸酯抗冲击强度高，且抗张、抗弯、抗压，并在宽温度范围及潮湿条件下具优异电性能。可制齿轮、汽车外壳、电容器及高级绝缘材料。,聚砜分子链中含相当数量的苯环，降低了链的柔顺性，增强了链的刚性和热稳定性，可在150下长期使用。,4 复合材料,当单一的金属、非金属或高分子材料不能满足科技飞速发展时，产生的复合材料技术。即将不同性能的材料复合在一起，从而获得单一材料不具备的优越性能。 复合材料的特点： 组织结构：增强材料部分基体材料部分； 共性：比强度高，比模量高；抗疲劳性、耐磨、自润滑性能好；化学稳定性好。 几类先进的复合材料 树脂基复合材料：如玻璃钢、碳纤维增强树脂复合材料等 金属基复合材料： 陶瓷基复合材料,5 环境材料,指与环境相适应的材料，是新兴的材料领域。目的是：节约资源和能源，减少污染，减少温室效应及对臭氧层的破坏。 环境材料的特点：易回收，可循环使用； 环境材料不是某一类材料系统，名称起源于它对环境的功能和贡献。 环境材料分类 按功能用途、对地球环境的贡献、对人类健康的贡献分为： 循环材料 净化材料 绿色能源材料 绿色建材,