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材料系列科普1:工程材料的“化學鍵與應用特性”
2020年07月27日 發布 分類:粉體入門 點擊量:781
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引言:工程材料主要是指用于機械、車輛、船舶、建筑、化工、能源、儀器儀表、航空航天等工程領域中的材料,用來制造工程構件和機械零件,此外還包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能(如耐蝕、耐高溫等)的材料。工程材料有很多分類方法,其中比較科學的分類方法是根據材料的結合鍵進行分類。各種材料由于“鍵”不同,從而具有不同的個性展示,下文將對工程材料的鍵與應用特性進行整理。更好的了解不同材料的屬性,這對于更加準確的利用材料很重要哦,下文一起來探討吧。

 

一、材料的4種化學鍵及特點

材料化學鍵是分子內或晶體內相鄰兩個或多個原子(或離子)間強烈作用力的統稱。一般可以可分為四種:離子鍵、共價鍵、金屬鍵和分子鍵。

離子鍵

結合能比較高,沒有方向性。

共價鍵

結合能的差別甚大,具有方向性。

金屬鍵

正離子浸浴在負電子氣中,金屬鍵沒有方向性;在外加電壓作用下,金屬內的電子容易移動;在外加應力作用下,金屬內的原子容易移動。

分子鍵

范特瓦爾斯力很弱,熔點低,硬度低;無自由電子,有良好絕緣性。

 

 

1.各種化學鍵及其存在形式

二、四大類工程材料及其特點

根據材料的性能特征,可將工程材料分為結構材料和功能材料。結構材料是指以力學性能為主的工程材料的統稱,而功能材料則是以物理性能為主的工程材料的統稱。PS,通常功能材料不在工程材料中被討論,而是在電子電工材料中被提及。根據材料的結合鍵的特性,我們通常會將工程材料分為金屬材料、高分子材料、陶瓷材料及復合材料這個四大類材料。 

 圖2.工程材料分類

 

金屬材料

主要以金屬鍵結合,其強韌性好,塑性變形能力強,導電、導熱性好,是主要的工程材料。

高分子材料

以分子鍵和共價鍵結合,耐蝕性、絕緣性好,密度小,加工成型性好,強度不高、硬度較低,耐熱性較差。

陶瓷材料

以離子鍵、共價鍵結合,熔點高,硬度高,耐熱,耐磨,脆性大,難以加工。

復合材料

由多種結合鍵組成,強韌性好,比強度、比剛度高,抗疲勞性好。

3.四大類材料特點總結

 

1、金屬材料

金屬材料是用量最大的工程材料,包括金屬和以金屬為基的合金最簡單的金屬材料是純金屬。工程應用的金屬材料,原子間的結合鍵基本上為金屬鍵,皆為金屬晶體材料。工業上把金屬和其合金分為兩大部分,其一為黑色金屬鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵和鐵合金)占整個結構材料和工具材料的90%以上,工程性能優越、價格便宜、是極為重要的工程金屬材料,其二為有色金屬金屬黑色金屬以外的所有金屬及其合金。

 

圖4.鐵及鐵合金稱為黑色金屬,即鋼鐵材料

 

2、陶瓷材料

陶瓷是一種或多種金屬元素同一種非金屬元素(通常為氧)的化合物。非金屬元素原子同金屬原子化合時形成很強的離子鍵,同時也存在有一定成分的共價鍵,但離子鍵是主要的。例如MgO晶體中,離子鍵占84%,共價鍵占16%。也有一些特殊陶瓷以共價鍵為主。

 

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陶瓷的硬度很高,但通常脆性很大。陶瓷材料屬于無機非金屬材料,主要為金屬氧化物和金屬非氧化合物。由于大部分無機非金屬材料含有硅和其它元素的化合物,所以又叫做硅酸鹽材料。它一般包括無機玻璃(硅酸鹽玻璃)、玻璃陶瓷(或稱微晶玻璃)和陶瓷等三類。

按照成分和用途,陶瓷材料可大致分為:①普通陶瓷(或稱傳統陶瓷),主要為硅、鋁氧化物的硅酸鹽材料,通常用于建筑衛生陶瓷及日用陶瓷范疇(備注:這類陶瓷通常不被列入工程材料范圍);②先進陶瓷(或稱特種陶瓷、新型陶瓷、精細陶瓷):主要為高熔點的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等的燒結材料(本文討論內容主要在于結構陶瓷范疇),以人工合成材料為原料的陶瓷,常用作工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件;③金屬陶瓷:主要由碳化鈦或氮化鈦和碳化鈮、添加鈷、鎳或鉬等金屬組成的復合材料,它具有優異的耐磨性,不易與金屬反應,被廣泛用于電子產品制造中的切削工具、耐磨工具和滑動零部件。

3、有機高分子材料(聚合物)

高分子材料在機械、電氣、紡織、汽車、飛機、輪船等制造工業和化學、交通運輸、航空航天等工業中被廣泛應用。工程材料中使用的高分子材料有機合成材料,亦稱聚合物。它具有較高的強度,良好的塑性,較強的耐腐蝕性能,很好的絕緣性,以及重量輕等優良性能,工程上是發展最快的一類結構材料

圖6.PEEK工程塑料件

 

高分子材料由大量相對分子質量特別大的大分子化合物組成,每個大分子皆包含有大量結構相同、相互連接的鏈節。有機物主要由碳元素(通常還有氫)為其結構組成,在大多數情況下它構成大分子的主鏈。大分子內的原子之間由很強的共價鍵結合,而大分子與大分子之間的結合力為較弱的范特瓦爾斯力或稱范德華力。工程上通常根據機械性能和使用狀態將其分為四大類塑料合成纖維橡膠膠粘劑

①塑料。塑料分為通用塑料及工程塑料兩大類,通用塑料指產量大、用途廣、成型性好、價格較低的常用塑料。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機械強度,在高、低溫度下仍能保持良好的力學能、電性能、化學性能及耐磨性、耐熱性和尺寸穩定性等特點,還有一類特種工程塑料,它除了具有工程塑料的特性外,其綜合性能更高,長期使用溫度150℃以上。

 

圖7.各種塑料

 

常見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樹脂為主要組分。

②橡膠。特種橡膠或稱特種工程橡膠,具有特殊性能和特殊用途能適應苛刻條件下使用的合成橡膠。如耐300℃高溫,耐強侵蝕,耐臭氧、、天候、輻射和耐油的氟橡膠;耐-100℃低溫和260℃高溫,對溫度依賴性小、具有低黏流活化能和生理惰性的硅橡膠;耐熱、耐溶劑、耐油,電絕緣性好的丙烯酸酯橡膠。其他還有聚氨酯橡膠聚醚橡膠氯化聚乙烯氯磺化聚乙烯、環氧丙烷橡膠、聚硫橡膠等,它們亦各具優異的獨特性能,可以滿足一般通用橡膠所不能勝任的特定要求,在國防工業、尖端科學技術、醫療衛生等領域有著重要作用。

③合成纖維。以合成高分子化合物為原料加工而成的化學纖維。以算上工程材料的有超高分子量聚乙烯纖維,芳綸纖維(大名鼎鼎的凱夫拉纖維,聚對苯二甲酰對苯二胺),聚苯硫醚等。

 

8.輕量高強度的芳綸纖維是防彈衣的重要組成

 

④膠粘劑。結構型膠粘劑一般指各種環境條件下能長期承受大載荷的高強度膠粘劑,通常指能承受15MPa以上的剪切荷載和3MPa以上的不均勻扯離荷載的膠粘劑。一般要求膠接接頭所能承受的應力與被粘物本身相當,另外還必須具有優良的耐熱性、耐介質、耐大氣老化、抗沖擊等性能。一般用熱固性聚合物為主體配制而成。主要品種有環氧樹脂膠粘劑、酚醛樹脂膠粘劑、改性丙烯酸樹脂膠粘劑、聚氨酯膠粘劑、有機硅膠粘劑、α-氰基丙烯酸酯膠粘劑、厭氧膠粘劑等。主要用于膠接金屬、混凝土、塑料、玻璃、陶瓷、木材等受力結構的制品。

4、復合材料

顧名思義,復合材料就是兩種或兩種以上不同材料的組合材料,是人們運用先進的材料制備技術將不同性質的材料組分優化組合而成,意在取長補短,發揮不同材料的特長,削弱單一材料的劣勢,獲取綜合性能更加優秀的新材料。

材料

實例

優點

缺點

金屬材料

鋼鐵

硬度大、易加工、導電導熱性好

易被腐蝕

無機非金屬材料

陶瓷

抗腐蝕、耐高溫

易破碎

有機合成材料

塑料

耐腐蝕

易老化、不耐高溫、廢棄后不易分解


  在過去的數十年,由于航空、航天工業的迅猛發展,需要高強度、高模量、耐高溫和低密度的復合材料,于是先進的復合材料應運而生。所謂先進復合材料,一般是指具有比強度大于4X106厘米和比模量大于4X108厘米的的結構復合材料。先進復合材料的出現源于航空、航天工業的需要。反之,它又促進了航空、航天等高技術產業的發展,被公認為是當代科學技術中的重大關鍵技術。

 

典型應用舉例:空客A320上有賊多復合材料 

復合材料的結構通常是一個相為連續相,稱為基體;而另一相是以獨立的形態分布在整個連續相中的分散相,與連續相相比,這種分散相的性能優越,會使材料的性能顯著增強,故常稱為增強體(也稱為增強材料、增強相等)。基體材料分為金屬和非金屬兩大類,金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金,非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質細粒等。

 

 

編輯整理:Alpha


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