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第11章 材料工程(2)

钌:硬质白色金属,铂系元素中在地壳中含量最少的一个,化学性质很稳定。在室温时,氯水、溴水和醇中的碘能轻微地腐蚀钌,对很多熔融金属包括铅、锂、钾、钠、铜、银和金有抗御力。与熔融的碱性氢氧化物、碳酸盐和氰化物起作用。温度达100℃时,对普通酸有抗御力,对氢氟酸和磷酸也有抗御力。

钌是极好的催化剂,常被用于氢化、异构化、氧化和重整反应中。纯金属钌用途很少,是铂和钯的有效硬化剂,用以制造电接触合金、硬磨硬质合金等。

铑:一种银白色金属,质极硬,耐磨,也有相当的延展性。存在于铂矿中,在精炼过程中可以集取而制得,不与许多熔融金属,如金、银、钠和钾以及熔融的碱起反应。可用来制造加氢催化剂、热电偶、铂铑合金等。

除了制造合金外,铑可用作其他金属的光亮而坚硬的镀膜,如镀在银器或照相机零件上。将铑蒸发至玻璃表面上,形成一层薄腊,造成一种优良的反射镜面。此外,还用来作为宝石加光抛光剂和电的接触部件等。

特殊金属

通常,人们将钨、钛、钡、锡、锌、等金属称为特殊金属,这些金属在工业生产及日常生活中都发挥着相当重要的作用。

钨:一种稀有高熔点金属,在地壳中含量为0.001%,钢灰色或银白色结晶,质硬而脆,熔点高。钨化学性质稳定,常温下不受空气和水侵蚀,不溶于盐酸、硫酸、硝酸和碱溶液,钨矿在古代被称为“重石”。已发现含钨矿物有20种,钨矿床一般随着花岗质岩浆的活动而形成。

钨用途很广,涉及矿山、冶金、机械、建筑、交通、电子、科技各工业领域,可制造枪械、火箭推、进器的喷嘴、切削金属的刀片、钻头、超硬模具、拉丝模等。

钛:地壳中钛含量约0.6%。钛的高温化学性质活泼,所以需在与空气和水隔绝的环境中冶炼,在真空或惰性气体中提纯,冶炼技术困难。直到1947年,全世界仅生产出2吨钛。

钛比重小,强度高,抗腐蚀性强,甚至能抗王水的腐蚀。它熔点高,比黄金还高600℃左右。

钛是属于太空时代的金属。它的高强度、小比重的性能,尤其适于生产超音速飞机和航天器,美国70%的钛用于航空航天。

钛的耐高温性能好,是制造涡轮喷气发动机的理想材料。利用钛合金代替不锈钢,可使发动机的重量减轻40%~50%。

钛的抗腐蚀性能好,可用于制造深海潜艇;也可用于生产化工行业的反应器等设备。

钡:一种银白色的金属,有延展性,化学性质活泼,能与大多数非金属反应。易氧化,应保存在煤油和液体石蜡中。溶于酸,生成盐,钡盐除硫酸钡外都有毒。

金属钡很软,可用小刀切割。钡暴露在空气中,表面形成一层氧化物薄膜,钡还原性很强,可还原大多数金属氧化物、卤化物和硫化物,得到相应金属。

钡在电子管、显像管中可用作消气剂;钡镍合金用于电子管工业;钡也可作轴承合金的成分;硫酸钡用于医疗诊断。

锡:一种略带蓝色的白色光泽的低熔点金属元素,在地壳中含量为0.004%,几乎都以锡石(氧化锡)的形式存在,此外还有极少量的锡的硫化物矿。锡熔点低,把它放进煤球炉中,便会熔成水银般的液体。锡很柔软,用小刀能切开它。锡化学性质稳定,在常温下不易被氧化。

锡无毒,人们常把它镀在铜锅内壁,以防铜温水生成有毒的铜绿。牙膏壳也常用锡做成。

锌:一种蓝白色有光泽金属。在室温下,性较脆;100~150℃时变软;超过200℃后又变脆。

锌化学性质活泼,在常温空气中,表面生成一层薄而致密的保护膜,可阻止进一步氧化,所以锌最大的用途是用于镀锌工业。锌易溶于酸,也易从溶液中置换金、银、铜等。锌具有延展性,是很好的导热体和导电体,在现代工业中对于电池制造相当重要。

铅:一种带蓝色的银白重金属,主要存在于方铅矿及白铅矿中,经煅烧得硫酸铅及氧化铅,再还原即得金属铅。有毒性,具有延伸性。质地柔软,延性弱,展性强,抗张强度小。易氧化而失去光泽,变灰暗。溶于硝酸,热硫酸、有机酸和碱液。不溶于稀酸和硫酸。铅主要用作电缆、蓄电池、铸字合金、巴氏合金、防X射线等材料。

汞:俗称水银,一种很重的银白色液态过渡金属。由于这种特性,水银被用于制作温度计。汞在地壳中相当稀少,极少数汞在自然中以纯金属状态存在。汞导热性能差,导电性能良好。汞最常用的应用是制造工业用化学药物以及在电子或电器产品。

除此之外,汞还被用在金矿、气压计和扩散泵等仪器中。气态汞被用在汞蒸气灯中。其它用途还有水银开关、杀虫剂、牙医用的汞齐、生产氯和氢氧化钾的过程中、防腐剂、在一些电解设备中充当电极、电池和催化剂。

钠:一种具有银白色光泽的金属。质地软,能使水分解释放出氢。地壳中钠含量为2.83%,主要以钠盐形式存在,如食盐、纯碱等。钠也是人体肌肉和神经组织中的主要成分之一。

钠单质很软,可以用小刀切割。钠是热和电的良导体。钠单质还具有良好的延展性。钠化学性质非常活泼。

钾:一种银白色金属,很软,可用小刀切割。其化学性质活泼,暴露在空气中,表面覆盖一层氧化钾和碳酸钾,从而失去金属光泽,所以金属钾应保存在煤油中以防止氧化。钾在空气中加热就会燃烧,它在有限量氧气中加热,生成氧化钾;在过量氧气中加热,生成超氧化钾。钾的液氨溶液与氧气作用,生成超氧化钾,臭氧作用,生成臭氧化钾。但钾的化合物特别稳定,难以用常用的还原剂从钾的化合物将金属钾还原出来。钾可导电。

镁:一种轻质有延展性的银白色金属。轻金属之一,存在于菱镁矿、白云石、光卤石中,海水中也含镁盐。

镁是航空工业的重要材料,还可用来制造照相和光学仪器等;镁及其合金的非结构应用也很广。镁作为一种强还原剂,主要用于制造轻金属合金、球墨铸铁、科学仪器脱硫剂脱氢和格氏试剂,也能用于制烟火、闪光粉、镁盐等。

镁具有轻金属的各种用途,还可作为飞机、导弹的合金材料。但是,镁在汽油燃点可燃,限制了它的应用。

铀:一种银白色活泼金属,可延展、锻造,能和所有非金属作用(惰性气体除外),也能和许多金属作用,生成金属间化合物。易氧化。与U-234、U-235、U-238混合体存在于铀矿中。少量存在于独居石等稀土矿石中。可用电解法、分解法、还原法等从铀矿中制得。

铀一直被用作给玻璃染色的色素,现今纯金属铀是核反应堆和原子弹中使用的核燃料,少量用于电子管制造业中的除氧剂和惰性气体提纯(氧、氢除外)。

小知识

人体中的镁

镁是人体不可缺的矿物质元素之一。镁几乎参与人体所有的新陈代谢过程,在细胞内它的含量仅次于钾。

镁影响钾、钠、钙离子细胞内外移动的“通道”,并有维持生物膜电位的作用。镁对心脏活动具有重要的调节作用,若体内缺镁,会引起供应心脏血液和氧气的动脉痉挛,容易导致心脏骤停而突然死亡。另外,镁对心血管系统亦有很好的保护作用,它可减少血液中胆固醇的含量,防止动脉硬化,同时还能扩张冠状动脉,增加心肌供血量。

钢铁

钢铁是目前应用最广泛的材料。全球每年钢产量超过4亿吨。修房造屋,铺路架桥,要用钢铁;制造机器、设备要用钢铁;制造飞机、轮船、大炮要用钢铁。战争期间,钢铁消耗量尤为惊人。

铁:自然界存在的陨铁,是小行星进入大气层燃烧冶炼后产生的。人们用的钢铁都是用铁矿石冶炼而来。

铁按含碳量可分为:纯铁,纯度在99.9%以上,白色固体,性能差,几乎无用途;熟铁,含碳量低于0.4%,韧性较好;生铁,含碳量高于1.7%,质地硬而脆,强度较高。

钢:钢的含碳量介于0.4%~1.7%间,其性能良好,种类繁多,应用广。钢主要分为碳素钢和合金钢。

碳素钢又称普通钢,其主要成分是铁和碳,其余元素含量虽然很少,但也能影响其性质。碳素钢主要用作结构钢和工具钢。目前,美国有90%的建筑采用钢结构而不用钢筋混凝土。

合金钢:在普通钢中掺入镍、钨、钼、钒、铜、钛、铝、钴、硅等元素,就可获得性质不同的合金钢。合金元素的加入,使钢的性质发生质的变化,获得许多优异性能。

1882年,英国的哈德苏尔德首先研制成功锰钢。锰钢具有优良的耐磨性和抗震性,适于制造碎石机、钢轨。后来又出现高锰钢,含锰量达80%,性极坚韧,适于制造舰艇和坦克装甲。之后,相继又出现了含有镍、铬的不锈钢,它具有极高耐腐蚀性,在高温下不会氧化。制造汽轮机叶片、耐酸器件、飞机零件等都会用到它。

以铁、钴、镍为主要成分的耐热钢,可以在800℃以上的高温环境中正常工作。美国“阿波罗”飞船上涂有一种钼化合物,能在2760℃的高温下工作。高性能的耐热钢,可提高火力发电站的蒸汽温度,从而提高发电厂的热效率。

硬质合金钢可称得上削铁如泥,它采用粉末冶金工艺制成:将难熔的钨、钽、钛、钼等元素的碳化物的硬质颗粒,混合铁合金的粉末后,压制成型,再经高温烧结而成。硬质合金钢的抗压强度极高,含钴10%的碳化钨基合金,是世界上强度最高的合金。

超导材料

日常生活中,我们使用的一切物质都具有电阻,但当物体的温度逐渐降低到绝对零度(零下273.15℃)附近时,其电阻就会变成零。这就是超导现象。

因为超导体没有电阻,所以在有电流流过时不会发热而损失电能,因此采用超导电线可实现远距离无损耗输电,这样,电站就可远离居住区。

超导体中,每平方厘米可流过几十万安培的强大电流,产生很强的磁场,且消耗的电能很少。日本用超导体产生17.5万高斯的强磁场,加上冷却用电也仅为15千瓦。这种强磁场是实现受控热核反应的关键之一。

用超导体制成的超导发电机的功率,是目前发电机100倍以上;超导磁悬浮列车的时速每小时已达550千米;高速超导电子计算机的计算速度,每秒可达几百亿次以上。

小知识

超导储能

将一个超导体圆环置于磁场,降温至圆环材料的临界温度以下,撤去磁场,由于电磁感应,圆环中产生感生电流,只要温度保持在临界温度以下,电流便会持续下去。这种电流的衰减时间不低于10万年,是一种理想储能装置,称为超导储能。

超导储能是功率大、体积轻、体积小、损耗小、反应快等,应用范围很广,比如,大功率激光器需要超导储能装置承担在瞬时提出的巨大能量。超导储能还可用于电网。

半导体材料

日常用的铜、铁、铝等很容易导电,被称为导体;而橡胶、塑料等几乎不导电,被称为绝缘体。在导体和绝缘体之间,还存在大量半导体,其导电能力居中,并随温度升高而增大,随温度下降而减小,这就是半导体。

半导体材料是制造电子元件的主要材料,收音机、电视机、电子游戏机以及工业用的电子计算机、机器人等,都由电子元件构成。半导体材料制成的电子元件功能强、效果好,而且重量轻、寿命长、耗电省。

半导体材料具有良好的光电转换效应,特别适于制造光电电池。有了廉价高效的光电电池,我们才能充分利用清洁的太阳能。有些半导体材料的温差电动势很大,能直接将热能转换为电能。这种温差发电机适于缺电的边远地区。在宇宙飞行器、导航设备上也有用到。

半导体材料还用于制造激光器。激光方向性好,能量集中,在现代各行业得到广泛应用。用半导体制成的发光二极管,在光纤通讯方面具有重要用途。一条光缆可载上亿部电话。据预计,光计算机将比电子计算机运算速度快几十倍。

硅是目前应用最广泛的半导体材料。

无机非金属材料

无机非金属材料以前主要指含有二氧化硅酸性氧化物的硅酸盐材料,如陶瓷、玻璃、砖瓦、耐火材料、水泥等。现在,无机非金属材料已超出硅酸盐的范围而日趋多样化。

陶瓷:远古时的人们用粘土作成器皿盛装食物,后来发现这些器皿经火烧后更加坚固耐用,这就是最初的陶瓷。

陶瓷的主要原料是粘土、长石、石英石等。陶瓷硬度高、耐高温、抗腐蚀,在工业上有广泛用途。

用氧化铝陶瓷作成的刀具,能切削硬度较高的合金钢。二战以来,人们普遍用氧化铝陶瓷做火花塞。用纯度达99.99%的氧化铝细粉作原料,烧制出半透明的陶瓷,用它制成的高压钠灯,亮度高、寿命长、清晰度高,能透过浓雾。

碳化硅陶瓷是一种新型精密陶瓷。它质地坚硬,可替代金刚石。人们采用热压烧结法得到的碳化硅陶瓷,在1400℃高温下,其抗弯强度每平方厘米达5000~6000千克以上,适于制造高温燃气涡轮发动机。

1955年,出现了锆钛酸铅压电陶瓷。用这种压电陶瓷,可以生产大功率的超声和水声的换能器,也可作为高灵敏度的压电测量装置,广泛应用于高频通讯技术、导弹技术、地震预报和医疗上。这种陶瓷也是一种透明陶瓷,加上电场后具有双折射效应,去掉电场后又变成各向同性。用它可制成立体电视眼镜,可看到立体电视或电影,医生用这种眼镜还可通过电视看到病人体内的立体图像,便于诊断治疗。

水泥:一种水硬性材料,着水后逐渐结硬而生成坚硬的人造石。在水泥中掺入砂子,用水调成砂浆,对砖瓦、石头等有良好的粘着力,是一种很好的粘合剂。

水泥和砂子、碎石掺在一起,加水搅拌成混凝土,具有很好的抗压性能,但抗拉强度差。用水泥包着钢筋后生成的钢筋混凝土,则具有优异性能。

普通水泥的主要成分是硅酸盐,是用粘土和石灰石在回转窑内烧制而成,是普通建筑的常用材料。

在普通水泥中掺入20%~50%的火山灰,得到的火山灰水泥非常耐冲刷,适于建筑水库、水电站;在普通水泥中掺入20%~85%的高炉矿渣,制得的矿渣水泥可耐高温;在普通水泥中加入石膏和膨胀剂,可制得膨胀水泥,适于隧道、涵洞的修补。

目前,每年全世界水泥的产量已过8亿吨。人们尚在研发各种特殊水泥,如耐油防水的抗渗水泥,抗酸碱腐蚀的耐酸碱水泥,以及能阻止放射线渗透的放射物的包封用水泥等。

耐火材料:指能耐1580℃以上高温的材料。

耐火材料在工业应用中不可或缺,如钢铁工业、有色金属工业的冶炼炉,发电厂和铁路机车的锅炉,炼焦工业的炼焦炉,制造水泥、玻璃、陶瓷、砖瓦的窑炉等,都会用到它。

耐火材料种类繁多,耐火砖是最常用的一种,其化学成分主要是氧化铝和氧化硅,可耐1700℃高温,被广泛用于锅炉的内衬砖。高铝砖可耐1800~2000℃的高温,抗化学侵蚀和抗磨蚀能力都大大超过粘土砖,可作高炉和加热炉的炉底材料。

镁砖含85%以上的氧化镁,耐碱性腐蚀能力强,但抗急冷急热性差。

铬砖耐高温,抗碱性化学侵蚀能力强。

硅砖主要用在炼钢炉、炼焦炉和玻璃窑上。

碳砖大量用于高炉炼铁。

除了成型的耐火材料,还有不定性耐火材料,作为补炉时的修补胶合剂。另一种是耐火纤维制品,它重量轻,耐高温抗腐蚀,在电炉、铝电解槽、熔炼炉上得到广泛应用。

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