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材料系列科普1:工程材料的“化学键与应用特性”
2020年07月27日 发布 分类:粉体入门 点击量:1368
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引言:工程材料主要是指用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域中的材料,用来制造工程构件和机械零件,此外还包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能(如耐蚀、耐高温等)的材料。工程材料有很多分类方法,其中比较科学的分类方法是根据材料的结合键进行分类。各种材料由于“键”不同,从而具有不同的个性展示,下文将对工程材料的键与应用特性进行整理。更好的了解不同材料的属性,这对于更加准确的利用材料很重要哦,下文一起来探讨吧。

 

一、材料的4种化学键及特点

材料化学键是分子内或晶体内相邻两个或多个原子(或离子)间强烈作用力的统称。一般可以可分为四种:离子键、共价键、金属键和分子键。

离子键

结合能比较高,没有方向性。

共价键

结合能的差别甚大,具有方向性。

金属键

正离子浸浴在负电子气中,金属键没有方向性;在外加电压作用下,金属内的电子容易移动;在外加应力作用下,金属内的原子容易移动。

分子键

范特瓦尔斯力很弱,熔点低,硬度低;无自由电子,有良好绝缘性。

 

 

1.各种化学键及其存在形式

二、四大类工程材料及其特点

根据材料的性能特征,可将工程材料分为结构材料和功能材料。结构材料是指以力学性能为主的工程材料的统称,而功能材料则是以物理性能为主的工程材料的统称。PS,通常功能材料不在工程材料中被讨论,而是在电子电工材料中被提及。根据材料的结合键的特性,我们通常会将工程材料分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料这个四大类材料。 

 图2.工程材料分类

 

金属材料

主要以金属键结合,其强韧性好,塑性变形能力强,导电、导热性好,是主要的工程材料。

高分子材料

以分子键和共价键结合,耐蚀性、绝缘性好,密度小,加工成型性好,强度不高、硬度较低,耐热性较差。

陶瓷材料

以离子键、共价键结合,熔点高,硬度高,耐热,耐磨,脆性大,难以加工。

复合材料

由多种结合键组成,强韧性好,比强度、比刚度高,抗疲劳性好。

3.四大类材料特点总结

 

1、金属材料

金属材料是用量最大的工程材料,包括金属和以金属为基的合金最简单的金属材料是纯金属。工程应用的金属材料,原子间的结合键基本上为金属键,皆为金属晶体材料。工业上把金属和其合金分为两大部分,其一为黑色金属铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金)占整个结构材料和工具材料的90%以上,工程性能优越、价格便宜、是极为重要的工程金属材料,其二为有色金属金属黑色金属以外的所有金属及其合金。

 

图4.铁及铁合金称为黑色金属,即钢铁材料

 

2、陶瓷材料

陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属元素(通常为氧)的化合物。非金属元素原子同金属原子化合时形成很强的离子键,同时也存在有一定成分的共价键,但离子键是主要的。例如MgO晶体中,离子键占84%,共价键占16%。也有一些特殊陶瓷以共价键为主。

 

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陶瓷的硬度很高,但通常脆性很大。陶瓷材料属于无机非金属材料,主要为金属氧化物和金属非氧化合物。由于大部分无机非金属材料含有硅和其它元素的化合物,所以又叫做硅酸盐材料。它一般包括无机玻璃(硅酸盐玻璃)、玻璃陶瓷(或称微晶玻璃)和陶瓷等三类。

按照成分和用途,陶瓷材料可大致分为:①普通陶瓷(或称传统陶瓷),主要为硅、铝氧化物的硅酸盐材料,通常用于建筑卫生陶瓷及日用陶瓷范畴(备注:这类陶瓷通常不被列入工程材料范围);②先进陶瓷(或称特种陶瓷、新型陶瓷、精细陶瓷):主要为高熔点的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等的烧结材料(本文讨论内容主要在于结构陶瓷范畴),以人工合成材料为原料的陶瓷,常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件;③金属陶瓷:主要由碳化钛或氮化钛和碳化铌、添加钴、镍或钼等金属组成的复合材料,它具有优异的耐磨性,不易与金属反应,被广泛用于电子产品制造中的切削工具、耐磨工具和滑动零部件。

3、有机高分子材料(聚合物)

高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。工程材料中使用的高分子材料有机合成材料,亦称聚合物。它具有较高的强度,良好的塑性,较强的耐腐蚀性能,很好的绝缘性,以及重量轻等优良性能,工程上是发展最快的一类结构材料

图6.PEEK工程塑料件

 

高分子材料由大量相对分子质量特别大的大分子化合物组成,每个大分子皆包含有大量结构相同、相互连接的链节。有机物主要由碳元素(通常还有氢)为其结构组成,在大多数情况下它构成大分子的主链。大分子内的原子之间由很强的共价键结合,而大分子与大分子之间的结合力为较弱的范特瓦尔斯力或称范德华力。工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为四大类塑料合成纤维橡胶胶粘剂

①塑料。塑料分为通用塑料及工程塑料两大类,通用塑料指产量大、用途广、成型性好、价格较低的常用塑料。如聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。而工程塑料一般指具有良好的物理机械强度,在高、低温度下仍能保持良好的力学能、电性能、化学性能及耐磨性、耐热性和尺寸稳定性等特点,还有一类特种工程塑料,它除了具有工程塑料的特性外,其综合性能更高,长期使用温度150℃以上。

 

图7.各种塑料

 

常见的工程塑料有聚酰胺、聚四氟乙烯、ABS塑料、聚甲醛、聚碳酸酯等。普通塑料是指以高分子量的合成树脂为主要组分。

②橡胶。特种橡胶或称特种工程橡胶,具有特殊性能和特殊用途能适应苛刻条件下使用的合成橡胶。如耐300℃高温,耐强侵蚀,耐臭氧、、天候、辐射和耐油的氟橡胶;耐-100℃低温和260℃高温,对温度依赖性小、具有低黏流活化能和生理惰性的硅橡胶;耐热、耐溶剂、耐油,电绝缘性好的丙烯酸酯橡胶。其他还有聚氨酯橡胶聚醚橡胶氯化聚乙烯氯磺化聚乙烯、环氧丙烷橡胶、聚硫橡胶等,它们亦各具优异的独特性能,可以满足一般通用橡胶所不能胜任的特定要求,在国防工业、尖端科学技术、医疗卫生等领域有着重要作用。

③合成纤维。以合成高分子化合物为原料加工而成的化学纤维。以算上工程材料的有超高分子量聚乙烯纤维,芳纶纤维(大名鼎鼎的凯夫拉纤维,聚对苯二甲酰对苯二胺),聚苯硫醚等。

 

8.轻量高强度的芳纶纤维是防弹衣的重要组成

 

④胶粘剂。结构型胶粘剂一般指各种环境条件下能长期承受大载荷的高强度胶粘剂,通常指能承受15MPa以上的剪切荷载和3MPa以上的不均匀扯离荷载的胶粘剂。一般要求胶接接头所能承受的应力与被粘物本身相当,另外还必须具有优良的耐热性、耐介质、耐大气老化、抗冲击等性能。一般用热固性聚合物为主体配制而成。主要品种有环氧树脂胶粘剂、酚醛树脂胶粘剂、改性丙烯酸树脂胶粘剂、聚氨酯胶粘剂、有机硅胶粘剂、α-氰基丙烯酸酯胶粘剂、厌氧胶粘剂等。主要用于胶接金属、混凝土、塑料、玻璃、陶瓷、木材等受力结构的制品。

4、复合材料

顾名思义,复合材料就是两种或两种以上不同材料的组合材料,是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成,意在取长补短,发挥不同材料的特长,削弱单一材料的劣势,获取综合性能更加优秀的新材料。

材料

实例

优点

缺点

金属材料

钢铁

硬度大、易加工、导电导热性好

易被腐蚀

无机非金属材料

陶瓷

抗腐蚀、耐高温

易破碎

有机合成材料

塑料

耐腐蚀

易老化、不耐高温、废弃后不易分解


  在过去的数十年,由于航空、航天工业的迅猛发展,需要高强度、高模量、耐高温和低密度的复合材料,于是先进的复合材料应运而生。所谓先进复合材料,一般是指具有比强度大于4X106厘米和比模量大于4X108厘米的的结构复合材料。先进复合材料的出现源于航空、航天工业的需要。反之,它又促进了航空、航天等高技术产业的发展,被公认为是当代科学技术中的重大关键技术。

 

典型应用举例:空客A320上有贼多复合材料 

复合材料的结构通常是一个相为连续相,称为基体;而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相,与连续相相比,这种分散相的性能优越,会使材料的性能显著增强,故常称为增强体(也称为增强材料、增强相等)。基体材料分为金属和非金属两大类,金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金,非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

 

 

编辑整理:Alpha


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