［定稿］工程化学教案第八章

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。

因此，表现出与金属键有关的系列特性，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铸造锻压焊接和切削加工等等。

但金属材料也表现出与金属相联系的两大缺点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。

般金属及其合金的使用温度不超过。

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结合力较弱耐热性差，大多数有机高分子材料的使用温度不超过。

有的高分子材料易燃，使用安全性差。

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。

••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。

同时，实践中发现，不少晶格类型相同的物质，也具有相似或相近的性质。

例如，碳的两种同素异形体金刚石和石墨的不同性质，产生于晶格类型的不同。

金刚石属立方晶型，而石墨则为六方层状晶型。

与碳元素同为等电子体组成中每个原子的平均价电子数相同的氮化硼，也有立方和六方两种晶型。

立方的主要性质与金刚石相近，硬度近于，有很好的化学稳定性和抗氧化性，用作高级磨料和切割工具。

六方性质则与石墨相近，较软硬度仅为，高温稳定性好，作为高温固体润滑剂，比石墨效果还好，故有白色石墨之称。

又如，世纪末，曾发现了石英晶体具有压电效应，即晶体在外界机械力作用下发生极化，导致晶体两端表面出现符号相反的束缚电荷的效应，其电荷密度同外力大小成比例，实现了机械能与电能间的相互转换。

以后的研究证明，石英的压电效应是由于其晶体不具有对称中心。

后来陆续发现若干物质也具有压电性质，同时晶体中也无对称中心。

由此得出结论，凡是在结构中无对称中心的晶体均有压电性。

这样，就大大地开阔了人们的视野，拓宽了寻找新材料的范围。

除晶体外，固体材料的另大类是非晶体。

这类材料结构中，原子或分子不呈规则排列的状态，其外观与玻璃相似，故非晶态也称玻璃态。

非晶态固体，由液态到固态没有突变现象，表明其中粒子的聚集方式和通常液体中粒子的聚集方式相同。

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，这将在本章的有关部分加以介绍。

结构缺陷与材料性能系晶体中点缺陷示意图在材料的组成和基本结构相同的情况下，固体结构中的缺陷对材料的性能也会产生重大的影响。

固体中的缺陷结构，主要有以下几类。

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。

点缺陷包括空位在晶格点上没有粒子占据而空出些位置。

置换粒子结点上的原来粒子被不同类的粒子所取代，后者即称置换粒子。

间隙粒子半径较小的粒子进入晶格结点粒子间的空隙处。

点缺陷是由于晶体中粒子的热运动迁移而产生的。

当晶体中接受外界的能量大到足以使粒子离开其平衡位置时，就会在原来的平衡位置上造成个空位。

脱离平衡位置的粒子成为脱位粒子。

空位和脱位粒子仍处于不停的热运动中，不断产生新的空位，从而形成空位的移动。

温度升高，粒子脱位形成空位的几率增大，空位浓度将迅速增加。

因此，点缺陷又被称为热缺陷。

线缺陷是晶体中处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种缺陷形式。

晶界实际晶体在生长时，常是在许多部位同时发展，结果得到的不是同晶格贯穿其中的单晶，而是由许多取向不同的细小晶粒不规则堆砌起来的多晶体。

由于细小单晶各异性的相互抵消，多用具等方面得到了广泛应用。

但其弹性模量小，只有钢的，于是年代后出现了高强度高模量的碳纤维碳化硅纤维以及芳纶纤维为增强剂的第二代复合材料。

碳纤维重量轻强度高刚性好，耐腐蚀，且可与树脂金属陶瓷等复合，因此碳纤维复合材料••已成为工业上和尖端技术中必不可少的材料。

碳化硅纤维比碳纤维具有更好的耐高温性和化学惰性，纤维增强树脂复合材料的抗压强度是碳纤维增强复合材料的两倍。

芳纶纤维的强度比前几种纤维都高，是钢丝的倍，其绝缘性化学稳定性都很好，其复合材料已用于飞机船舶制造领域和兵器工业中。

热固性树脂特别适于用作基体材料，它们与其他组成物的各种纤维都极易黏合，这类树脂包括酚醛环氧聚酯和有机硅树脂等高聚物。

纤维增强金属树脂基的复合材料存在若干无法克服的弱点，例如，不能在高温下工作，耐磨性不高，尺寸不够稳定，使用期间逐渐老化等。

金属基复合材料则不存在这些问题。

纤维增强材料可最有效地增强金属基体，同时具有优良的耐热性。

纤维增强陶瓷以陶瓷材料为基体碳纤维硼纤维以及纤维为增强材料的纤维增强陶瓷材料的比强度高模量高耐高温耐磨耐蚀性能等方面几乎是无可比拟的。

航天飞机外壳上的绝热瓦，就是用纤维增强陶瓷材料制造的。

纤维增强陶瓷，也是改善陶瓷脆性的个有效方法。

这是因为这类材料受力时，其裂纹扩展到纤维时会受阻碍纤维断裂要消耗能量断裂的纤维要拨出时也要吸收能量。

凡此种种，都会大大减弱外力的作用而防止整体材料的断裂。

如碳纤维补强石英复合材料，其韧性可比纯石英材料提高三个数量级纤维增强氧化锆陶瓷，其断裂韧性可比氧化锆陶瓷提高倍以上，可望进入实用阶段。

随着科学技术的发展，各类复合材料必将会有更深入的研究获得更广阔的应用。

第六节材料的设计无论人类过去现在或将来，要想战胜疾病发展生产改善生活巩固国防，都需要不断地研究和生产新药物新染料新材料，进行材料的设计，这些都离不开材料设计中涉及的有机合成分子设计和无机合成等。

在有机合成中要做到三个专性，即反应的专性指有选择性地将个或组原子引入分子中，保证将原料有效地转变为产物反应位点的专性指分子中如有个以上能起反应的位点，使反应局限在特征的位点上和立体结构的专性指基团在三维空间排列上采取特定的构型。

有机化学家先后合成了叶绿素维生素牛胰岛素和其他许多复杂的化合物。

诺贝尔化学奖获得者美国化学家等人在年合成了，它的分子中单是杂环部分就含有个手性碳原子，共有个立体异构体，合成技术确属当时的最高水平。

年，我国合成了具有生物活性的结晶牛胰岛素，是世界上首次人工合成的蛋白质，使人类在认识生命揭示生命奥秘的伟大历程中迈出坚实的步。

年，我国又合成含有种氨基酸的人生长激素年，又合成了酵母丙氨酸转移核糖核酸，相对分子质量是牛胰岛素的倍，在人工合成生命物质的漫长征途上不断迈出新的步伐。

在传统的有机合成方法中，需要化学家熟知并应用大量典型的有机反应，根据合成原料和目标产物，设计合成路线，这是纯经验性的合成是否成功，在很大程度上取决于化学家的丰富经验智慧和技巧。

如今化学合成经历了从简单的天然产物到复杂的天然产物再到自然界没有的新型分子，正向着分子设计的战略目标前进。

所谓分子设汁，是指按预定的性能要求设计新型分子，运用量子化学方法处理分子结构与性能间的关系，按科学理论计算得出最佳的合成路线，再用各种手段与技能来合成目标产物。

分子设计突破了纯经验合成方法的框架。

年，美国化学家提出了有严格逻辑性的逆合成分析原理与各种官能团的转变加成和消去的原则和方法。

年，他和助手在此基础上，吸收计算机程序设计的思维方法，开发了第个计算机辅助有机合成程序，成为具有革命性的创举，并因此而获诺贝尔化学奖。

设计的发展使化学家的合成工作从根本上摆脱了纯经验的探索。

其基本原理简述如下。

设计系统分为两类经验性与非经验性系统。

在经验性合成系统中，有个存储了大量反应反应条件和产物等信息的数据库它只能以现有的合成反应为基础，不能探索前所未有的合成反应。

非经验性合成系统是用原子价电子和化学结构等信息建立数学模型，由计算机提出许多可能的合成路线，其中也许有若干无实际意义的路线，准确性较差，但包含了人们前所未知的合成路线，可启发人们发现新的反应尽管它目前仍处于实验室阶段，其应用前景是很广阔的。

五习题工程化学教案第八章化学与工程材料主讲教师董文魁许力李静萍等使用教材许力等编著，工程化学，兰州大学出版社授课对象非化学类各专业学生••第八章化学与工程材料讲授时数学时学习目的和要求了解材料性能的内在存依据。

了解常见金属材料的基本性质。

了解常见无机非金属材料的基本性质。

了解常见有机材料的基本性质。

了解常见复合材料的基本性质。

了解材料设计的些理念。

二本章节重点难点材料性能的内在存依据常见金属材料的基本性质常见无机非金属材料的基本性质常见有机材料的基本性质常见复合材料的基本性质材料设计的些理念。

三学时分配材料性能的内在存依据了解常见金属材料的基本性质常见无机非金属材料的基本性质学时。

常见有机材料的基本性质了解常见复合材料的基本性质材料设计的些理念。

四教学内容材料是指经过种加工包括开采和运输，具有定的组分结构和性能，适合于定用途的物质，它是人类生活和生产活动的重要物质基础，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。

从使用角度看，它又分结构材料和功