化学与金属材料

我有一篇，共参考
钢铁
钢铁可以说是目前应用最广泛的材料。目前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。在战争期间，钢铁的消耗量更为惊人。1973年埃及和以色列之间爆发战争，双方18天内损失坦克达2000多辆，消耗钢铁约10万吨。自然界存在有陨铁，是小行星进入大气层燃烧冶炼后得到的。我们用的钢铁都是用铁矿石冶炼而来，其方法是：把铁矿石和还原剂（一般用焦炭）加入高炉，从炉腰鼓入大量空气（或者是富氧空气），点火使焦炭燃烧，产生高温的二氧化碳（CO2）气体，再与焦炭发生反应，得到还原剂一氧化碳（CO）。在高温下，一氧化碳与铁矿石发生反应，还原出铁来成为铁水，而其他杂质与造渣剂反应生成比铁水轻的渣浮在上面，除去渣就得到铁水。这就是高炉炼铁。生成的铁水经过炉外精炼，就可得到铸造生铁。其余铁水装入炼钢用的平炉、转炉或电炉中，在高温下通入氧气，使铁中的碳与氧气发生反应，生成气体跑出来，再加入其他物质以控制其中氮、硫、磷等元素的含量，就得到钢水。这就是炼钢。
铁按其中碳的含量来分类：
纯铁：纯度在99.9％以上，是和锡类似的白色固体。它性能差，几乎没有什么用途。
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：含碳量介于0.4％～1.7％之间。它性能良好，种类繁多，应用广。
生铁分为普通生铁和铸造生铁两类。普通生铁又叫炼钢生铁，仅用作炼钢的原料。铸造生铁用于铸造各种零部件，以前多用灰口铁，其中的碳呈片状分布在铁原子中。灰口铁熔点低，熔液的流动性好，适用于生产机床底盘、农具、铁锅等强度高而不要求韧性好的用具。近年来人们又开发了一种新的球墨铸铁，其中的碳呈球形分布在铁中。球墨铸铁机械强度高，加工性能好，韧性有所提高，可以部分代替钢。
生铁中由于碳的含量高，使铁的脆性增加，韧性降低，而钢则由于含碳量适宜，强度高又韧性好，因而应用广泛。钢主要分为两大类：碳素钢和合金钢。
碳素钢又叫普通钢，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。例如，硅能增加钢的强度和硬度，但降低其韧性。锰能增加钢的强度、硬度和韧性，提高耐磨性。磷和硫都是有害杂质，它们使钢在高温下或低温下脆性增加，易破坏断裂。
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，高耸入云的摩天大楼几乎都是钢结构，日本也有81.4％的建筑采用钢结构。
在普通钢中掺入镍、钨、钼、钒、铜、钛、铝、钴、硅等元素，就可以获得性质不同的合金钢。合金元素的加入使钢的性质发生了质的飞跃，获得了许多优异性能。
第一个被认真研究的合金钢是锰钢，1882年由英国的哈德苏尔德首先研制成功。锰钢具有优良的耐磨性和抗震性，适用于制造碎石机和钢轨。后来研制成功的高锰钢，含锰量达80％，性极坚韧，是制造舰艇和坦克装甲的好材料。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。美国宇航局研制的钴基合金，工作环境温度可达1150℃。而在钢中加入锯，其工作温度可达1300～1600℃。在美国“阿波罗”飞船上所用的一种涂有钼的化合物，能在2760℃的高温下工作。人们为什么对耐热钢如此感兴趣呢？这是因为：有了高性能的耐热钢，可以提高火力发电站的蒸汽温度，从而提高发电厂的热效率（目前发电厂的最高热效率仅为40％）。而火箭喷气发动机喷口的工作温度约1380℃，没有耐高温的喷口，就难以提高火箭的速度。人们在这方面的研究正逐步深入。
铝和铝合金
铝在地壳中含量为7.45％，比铁（5％）还多，是一种资源十分丰富的金属。但由于它化学性质活泼，与氧结合紧密，因此自然界中不存在天然铝。铝的冶炼十分困难，人们直到1854年才用比氧更活泼的钠把铝从其氧化物中还原出来，铝因而身价倍增。那时在皇宫中最为珍贵的不是金银钻石而是铝制的工艺品和餐具。法国统帅拿破仑三世为了炫耀自己的财富，曾花重金为自己制了一顶铝盔。后来人们发明了电解冶炼铝的方法，铝才得到了广泛应用。
铝比重小，重量轻，可以用来代替钢铁。它不仅能使设备重量减轻很多，而且强度高，不怕腐蚀，因而用途广泛。一架现代化的超音速飞机，铝和铝合金占总重量的70％；导弹上用铝达10％～50％；美国“阿波罗”飞船上，铝占金属总重的75％；我国第一颗人造卫星“东方红”的外壳也是铝合金。
铝的强度不算低，当加入少量铜、锰、硅、镁等元素形成合金后，其强度又显著提高，经过一定的处理，甚至会超过一些钢的强度，但重量却比钢轻很多。有人估算，如果每辆汽车用300公斤铝代替钢，光美国一年就可节省29亿加仑的汽油。
铝的导电性能也很好，虽比铜低却高于铁，但它比铜轻2/3，并且铝导线散热快，能通过较大电流而不会被烧坏。再加上价格便宜。因此近年来铝导线数量显著增加。在现代集成电路生产中，人们也用真空刻蚀铝膜来联接各元件。
铝的导热性能好，几乎是铁的4倍，因此在工业上多被用于生产热交换器和散热器，铝制餐具也大量面市。你天天都在用铝，对吗？
铝容易加工成型，可压成薄板或拉成细丝。铝容易与氧发生反应而在表面生成一层坚韧的氧化膜。这层膜性质稳定，有较强的抗腐蚀能力，因而适用于制造防腐设备。
铝反光能力强，可制作反射镜。
铝是非磁性金属，可作为防磁的罗盘盒。
铝没有毒性，是良好的食品包装材料。
铝和铝合金用途很广泛，是一种神通广大的材料，随着科学的发展，铝的家族还会不断增加新成员。不信，咱们走着瞧！
钛
钛在地壳中含量约为0.6％，仅次于铝、铁、镁，居金属含量的第四位。1791年英国化学家格雷戈尔就发现了钛元素，但直到1910年，英国人亨特才第一次在爆炸器中用钠还原四氧化钛，制得不到1克的纯金属钛。因为钛的高温化学性质活泼，所以必须在与空气和水相隔绝的环境中进行冶炼，在真空或惰性气体中提纯。因为冶炼技术困难，所以直到1947年，全世界才生产出2吨钛。
钛比重小，仅为钢的一半，但强度比钢高。它抗腐蚀性强，甚至能抗王水的腐蚀。它熔点高，比黄金还高600℃左右。如此优异的综合性能在金属中少见，因此钛受到重视。
钛是属于太空时代的金属。它的高强度、小比重的性能，特别适用于生产超音速飞机和航天器。美国70％的钛用于航空航天，美国YF—12A型战斗机，用钛量达93％。
钛的耐高温性能好，是制造涡轮喷气发动机的理想材料，它几乎可以取代不锈钢和铝合金。利用钛合金代替不锈钢，可使发动机的重量减轻40％～50％。
由于钛的抗腐蚀性能好，可用它制造深海潜艇，去探索海底的秘密。钛也可用于生产化工行业的反应器等设备。
钛目前存在的问题是冶炼困难，产量低。如果在冶炼技术上取得突破，钛就有可能代替钢铁。因而它被称为“21世纪的金属”。
形状记忆合金
1961年，美国海军研究所的一个研究小组领取了一批弯弯曲曲的镍钛合金丝，人们把它们一根根拉直以便使用。但当它们偶然接近火时，又恢复了原来的弯曲状态。人们经过研究，搞清了这是材料的一种新效应——形状记忆效应。后来人们又发现了金镉合金、铜铝镍合金、铜锌合金、铜锡合金等都具有记忆效应。
为什么会出现形状记忆效应呢？原来每种形状记忆合金都具有一定的转变温度。在转变温度以上，金属晶体结构是稳定的；在转变温度以下，晶体处于不稳定结构状态，一旦加热升温到转变温度以上，金属晶体就会回到稳定结构状态时的形状。
形状记忆合金可以100％恢复形状，并且反复变形500万次，也不会产生疲劳断裂，因而具有许多奇妙的用途。
为了在月球上收集资料，人们需要有一架像大伞似的天线。而宇宙飞船的空间有限，怎样才能把它带上天呢？可以用形状记忆合金做成天线，然后在其转变温度以下叠成一个小球团，带到月球上后，经太阳光加热升温，它就会像荷花一样徐徐展开成天线。多棒呀！
用形状记忆合金的制成玩具，即使不小心弄变形了，只要用火一烤，它就会恢复原状。如果用形状记忆合金制造人造关节、人造骨骼等，即使发生了变形，只要用火一烤就能恢复原状，而不用去找医生了。
还有一种设想是用形状记忆合金制造新型发动机：先让合金记住线圈的形状，在常温下把它制成电线，把这条电线接在大小不同的两个圆盘上，在圆盘的一侧加热水，另一侧加冷水。浸在热水中的合金要恢复线圈状，就要收缩，于是带动圆盘旋转，把热能直接变成机械能，并且水越热，旋转的次数就越多。用这种方法可以利用工厂、发电厂的废热水来做功，因而前景广阔。
形状记忆合金开发利用面临的难题是：价格高，加工难。如果未来的研究解决了这些问题，许多奇妙的产品就会出现在我们面前。
超导材料
我们日常生活中使用的一切物质都具有电阻，这是一般的常识。但是，当物体的温度逐渐降低到绝对零度（零下273.15℃）附近时，其电阻会变成零。这就是超导现象。
超导现象是1911年荷兰科学家温奈斯发现的，他用液氦在零下269.03℃下（即绝对温度4.12K，摄氏0度相当于绝对温度273.15K）冷却水银时，发现水银电阻完全消失。此时如果在水银中有感应电流，就会一直保持下去。他还制成了超导磁铁，想产生强磁场。但当电流增加到一定程度时，就破坏了超导状态。此时的磁场叫临界磁场。此外，超导还有临界温度，临界电流密度共三个临界约束值。在不超过这三个临界值的状态下，超导现象才会发生。
由于超导体具有的奇妙特征，人们立即对它产生了浓厚兴趣，发现高临界转变温度的超导材料的竞赛在各国之间展开。1954年制成的铌锡合金转变温度为零下252.7℃，1975年制成的铌锗合金转变温度为零下249.75℃，到了80年代末更是掀起一股超导热潮，超导转变温度的纪录不断被打破。1990年9月中国超导研究中心制成的锑铋系材料的临界温度为零下151.15℃，为目前国际最高纪录。在提高转变温度的同时，人们也在研究提高另外两个临界值。美国阿尔贡国家实验室已使超导体的电流密度提高到105A/cm2（A为安培，cm为厘米），并且在30TC（特斯拉）的强磁场中仍具有超导性质（1特斯拉等于1万高斯）。
因为超导体没有电阻，在电流流过时就不会因为发热而损失电能，因此采用超导电线可以实现远距离无损耗输电，这样电站就可以远离居住区，使我们的生活区更加洁净。
超导体中每平方厘米可以流过几十万安培的强大电流，因而可产生很强的磁场而且消耗的电能很少。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15KW。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可比目前发电机高100倍以上；超导磁悬浮列车的时速每小时已达550公里；高速超导电子计算机的计算速度每秒可达几百亿次以上。
超导体有可能为我们这个世界带来新的技术革命，所以目前世界各国都把超导研究列为重点攻关项目，以期早日迈入超导时代。迄今为止，已有8位科学家因为研究超导体而获得了诺贝尔奖。
半导体材料
我们日常用的铜、铁、铝等，都很容易导电，因而叫做导体；而橡胶、塑料等几乎不导电，因而叫做绝缘体。如果某物质不是导体，那它就一定是绝缘体吗？答案是否定的。在导体和绝缘体之间还存在大量半导体，其导电能力居中，并且随温度升高而增大，随温度下降而减小。
半导体材料有许多奇妙用途，在各个领域发挥重要的作用，无论是收音机、电视机，还是大型计算机、工业电气化系统，都离不开半导体材料。
半导体材料是制造电子元件的主要材料，而我们用的收音机、电视机、电子游戏机以及工业用的电子计算机、机器人等，都是由无数的电子元件构成的。半导体材料制成的电子元件不仅功能强、效果好，而且重量轻、寿命长、耗电省。1946年，美国研制出世界上第一台电子计算机，使用了18000个真空电子管，1500个继电器，重量达30吨，占地面积170平方米，真是一个庞然大物。而现在运算速度比它快得多的微型计算机，还没有一张书桌大。
电子元件的发展已经历了四个时代，1947年美国的布拉坦和同事制成了晶体管，这是第一代。晶体管因性能优于电子管而被广泛使用。1962年，在一小块硅片上制成了几个元件组成一个小型电路，这就是小型集成电路。集成电路体积小而功能大，因而迅速发展起来。1965年发展到中规模集成电路，指甲大的一块硅片上可制作上百个元件。1968年出现了大规模集成电路，在5～7平方毫米的硅片上制成了上万个元件。1979年日本在6平方毫米的硅片上制成了15万个元件，这就是超大规模集成电路。目前人们正在研制三维集成电路。前几代集成电路都是平面式的，像一排排的平房。而三维集成电路则像高楼大厦，在一层元件上再重叠一层元件，这样，每个元件与周围元件的联络构成一个空间网络，便于信息的传递和处理。用这种三维集成电路也许可以模拟人脑的思维，如果是这样，那么我们就可以制造出会思考、会自行解决问题的机器人了。
半导体材料具有良好的光电转换效应，是制造光电电池的好材料。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，能直接把热能转换为电能。这种温差发电机适用于缺电的边远地区。在宇宙飞行器、导航设备上也用到它。
半导体材料还用于制造激光器。激光方向性好，能量集中，在现代各个行业都得到广泛应用。大功率的激光武器为各国所重视。用半导体制成的发光二极管，在光纤通讯方面有重要用途。光纤通讯比微波通讯效果更好，一条光缆可载上亿门电话。人们预计，光计算机将比电子计算机运算速度快几十倍。
半导体材料经过几十年的发展，已历经三代，最早人们用锗，但锗元件的寿命和效果都不大理想，人们转而重视开发硅，目前硅已成为应用最广泛的半导体材料。为了在高温、高频领域取得进展，人们又看重砷化镓。它是砷在高温下和镓结合生成的化合物，是高频、高温电子元件的理想材料，它必将在巨型计算机、高效机器人、激光、光纤通讯等方面发挥重要作用。

1