哈工大大学化学小论文 4页

化学——揭示工程材料性能的本质XXX指导教师刘志刚机电工程学院机械I殳计制造及M自动化11208xxxxx159xxxxxxxxxxxxxxxx@163.com摘要：随着科技的发展和人类对科技能力要求的提髙，工程屮所用材料的性质已经成为了攻克一些难关的至关重要的瓶颈，因此材料在科学领域中A有越来越重要的地位。而化学与材料性能之间密不可分的关系使得化学能在材料领域屮另辟蹊径，推动材料的发展。本文通过作者学过的一些化学基础知识及查阅资料，浅谈化学与工程材料的联系以及在该领域屮的重要性。关键词：化学工程材料性能联系材料是人类生存和发展的物质基础，囊括了衣食住行等各个方而，它的进步就标志着人类的进步。新材料的发明和利用与技术进步密切相关，不仅历史上如此，现代社会也如此。从原始人的树叶、啓皮遮体，到现如今的令人眼花缭乱的衣服；从原始人的茹毛饮血到现如今的琳琅满目的各类美食；从原始人的穴居到现在追求不同用途的建筑；从步行到现如今的飞机、磁悬浮；材料的发现和应用在其屮的所做的贡献都是不可磨灭的。而一些其他的材料则从本质上改变了人类生活的方式，拉开了人类生活新时代的序幕，例如，没有美国贝尔实验室发明的半导体晶体管和后来的半导体材料的工业化生产，便不可能有目前的手机、计算机技术汉有现代的高温、高强度结构材料，便没有今天的宇航工业没有低损耗的光导纤维，便不会出现光信息的长距离传输，也就没有当前正在发展的光通信。当前，科学技术迅猛发展，材料世界日新月异，种类繁多的材料一般可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料以及它们的合材料。从材料的用途来看，乂可分为结构材料和功能材料两人类。结构材料是以其力学、机械性能满足使用要求的材料，即强度、硬度、初性等性能优良的材料，如合金，高温陶瓷。功能材料则是具有光、声、热、电、磁等特殊效应和功能的材料，如半导体材料，超导材料，磁性材料和光导材料。记得高屮化学老师曾经告诉我们，他汄为门捷列夫发现的化学元素周期表是人类科学史上最伟大的发现之一，是化学史上最伟大的发现，没有之一。当时我没有什么感悟，到后来越学越多的时候才发现其屮的奥秘。自然是复杂但是又统一的，而正是元素周期表用统一的规律解释了自然屮万物的杂性。从化学的观点看，所有的材料都是由112种元素单质以及它们的化合物组成的。而元素单质及化合物的组成、结构和性质的变化规律与内在联系，都统一在自然界的重要规律之一的元素周期律屮。反映这一重要定律的元素周期表，不仅对与工程材料有关的元素和相应化合物进行了恰当的分类，提供了合理的解释，而且为寻找新的工程材料指明了可能的途径。\n一、元素周期表与工程材料llj元素周期表中元素的金属性和非金属性的变化规律是同一主族元素自上而下金属性递增，同周期元素自左至右非金属性递增。因此，典型的金属集屮于表的左侧，非金属元素集中于表的右部，中部为过渡金属，表的左下方是最强的金属，右上方是最活泼的非金属元素，在金属与非金属之间有一条梯形的分界线。稀有气体与非金属数量不多，而金属元素却有85种。通常根据其物理性质又可分为四大类，即轻金属和脆性、展性以及低熔点重金属。如果将金属元素的主要物理、化学性质统一考虑，按金属的性能特点，可将全部金属分为八类,即碱土金属（S区元素和钪），轻金属（即P区的铍、镁、铝），稀土金属（钇、镧系元素），铁族金属（锰、铁、钴、镍），易熔金属（IIB锌铜汞、IIIA稼铟铵、IVA锗锡铅、VA锑铋）难熔金属（IVB钛铣铪、VB钒铌钽、VIB铬钥钼、VHB锝铼），贵金属（VHI族钇铑钯锇铱铂、IB铜银金）以及锕系金属。同一大类金属在性质上有较大的相似性，对工程技术人员选择和使用金属材料有参考性指导。二、化学元素与材料的性能物质世界是由112种元素的单质和它们的化合物组成的，组成方式不同，便会得到物理、化学性质迥异的物质。材料的组成、材料内部某种或某些化学成分在含:W:上的变化，引起材料性能变化的最典型且离我们最近的例子就是钢铁，钢铁的性质与其中碳含B:有密切关系，不含碳或含碳极少（0.04%以下）的铁称熟铁，质地非常软，不能作结构材料使用；含碳在2.0%以上时称铸铁，其质硬而脆；含碳在0.7〜1.8%之间的则称为钢，钢兼有较高的强度和韧性，因此在工程上获得了广泛应用。与此相似，合金钢的性能就是以合金元素的一定含量为条件的，钢中加铬，就可以提高钢的耐蚀性，但只有当钢中含铬量在12%以上，才能成为耐蚀性强的不锈钢。在结构钢中，合金元素硼一般不得超过0.003%，若含硼量超过此值，会使该结构钢性能恶化，軔性降低，出现脆性。这些都是利用了元素的性质互相结合而到达生产fli符合工程中某种需求的材料的目的。材料的性能与内部的化学成分的密切关系还可从杂质对材料性能的影响来看。杂质的存在或者含量过高，会使材料的机械性能、电性能等恶化，因此，提高材料纯度，是增强材料特性的重要途径。如为人类生活做岀巨大贡献的半导体硅的纯度要求达到一定指你才能符合半导体的工艺要求。另一方而，在高纯硅中有控制地掺人少量杂质，从减高半导体性能，并使之具有不同的半导类型和特征，也可满足某些需求。可见，对化学元素性质的合理利用对于控制、改变材料性能有着重要的作用。三、化学键与材料的性能化学键类型是决定材料性能的主要依据，四大类工程材料的划分，就是按各类材料中起主要作用的化学键类型。金属材料，顾名思义，主要由金属元素所组成，金属键是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，金属材料表现出的一系列特性都与金属键有关，如具有金属光泽就与金属元素的排列有关，良好的导电导热性就是金属键本质的体现，较高的\n强度和硬度、良好的机械加工性能。但金属材料也表现出与金属键相联系的两人缺点。一是容易失去电子，易受周围介质作用而产生腐蚀，另外在高温下强度差，这限制了金属材料的应用范围。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。以离子键或共价健为结合方式，以氧化物、碳化物等非金属化合物为表现形式。因此无机非金属材料具有一些独特的性能，如氮化镁、碳化硅、氧化铝等高温陶瓷，硬度大、熔点高、耐热性好，耐酸碱侵蚀能力强，是热和电的良绝缘体，在热机和航空航天领域得到了广泛的应用。其缺点是脆性大，成型加工困难。有机高分子材料，主要由以共价键结合的碳氢化合物“大分子链”组成的聚合物，相互间乂以范德华力结合或以共价键相“交联”产生网状或体型结构，或以线型分子链整齐排列形成高聚物晶体。由于这类化合物结构SZ杂，因此有机高分子材料具有多样化的功能：质轻，弹性、韧性好，耐磨、耐腐蚀，电绝缘性好，不易传热，成型性能好，比强度可达到或超过钢铁，但易燃、安全性差，且易老化。复合材料就是用两种或两种以上不同材料组合的材料，其性能是其它单质材料所不具备的。复合材料可以由各种不同种类的材料复合组成。它在强度、刚度和耐蚀性方而比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越，是特殊的工程材料，具有广阔的发展前景。a合材料的产生，在能源、电子技术、空间技术和环境工程等重要领域屮人显身手。它改善或克服组成材料的弱点，并可得到单一材料不易具备的性质和功能。四、晶体结构与材料的性能［2j化学中晶体分为四大类型：离于晶体，原子晶体，分子晶体和金属晶体。它们之间的区别主要从晶格结构上的粒子和化学键类型不同这两方而考虑的。实践屮发现，不少晶体类型相同的物质，它具有相似或相近的性质，而一些相同元素构成的不冋类型的晶体，性质则相差很大。例如碳的两种因素异形体金刚石和石墨，它们的性质差别较大就缘于晶体类型不同,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”的氮化硼，也有立方和六方两种品型。立方的主要性质与金刚石相近，硬度接近于10,有很好的化学稳定性和抗氧化性，可以用作高级磨料和切割工具。六方氮化硼性质则与石墨相近，较软，硬度为2,高温稳定性好，用作高温固体涧滑剂。在《屮时候，我最感兴趣的就是化学，我觉得化学从微观的本质上解释了很多现象，这是一个探索世界奥秘的一把十分有用的钥匙，而在平时的生活中我也从媒体上看到一些关于科技方而的消息，材料在很多领域上都一定程度地制约了科技的发展，如一些发动机速度不能提高就是因为材料不能承受高温高强和其他一些苛刻的条件。高中中•业后材料专业也是我的志愿选择之一，因此在此次作业屮我选择了这个话题来完成我的化学论文。以上是我通过杏阅资料并结合高中以及大学学习的化学相关知识粗浅地从化学角度，即组成、结构的特征出发，叙述了三大工程材料的性能和应用，实际中工程材料的性质还受到加工形态、加工工艺的影响。材料世界品种繁多，现如今的材料需要满足的条件越来越多，\n新的符合实际需求的材料的发现也越来越困难，但新的材料仍在不断涌现，因为随着科技的发展和尖端化，材料的性质必然会成为制约科技发展越来越重要的因素，而对于化学方面知识的研究也一定是研究材料的一条重要的路径。因此现代工程技术人员应有丰富的材料科学知识和材料化学的基本观点，才能合理地选材、用材和节材，在工作屮有所创新。特别是我们机械专业，大国重器，机械无时无刻不是整个世界的命脉，而机械工业就牵涉到工科屮多方而的内容，丰富工程材料知识更是是我们未来新一代的机械工程师必须具备的基本素质之O参考文献[1]王S萍.浅谈化学与工程材料的关系.山西科技.1996(04)：44-45P1刘燕萍.工程材料.国防科技出版社.2009.9