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第四部分化学与实践一、金属材料的发现和应用金属材料的发现和应用，曾为人类的物质开创了新纪元，在过去几千年的人类文明史中，金属材料由于优良的性能，在材料使用方面一直居于主体地位。如今高新技术的发展，在促进陶瓷和高分子材料迅速发展的同时，也同样促进着金属材料的发展。让我们来见识一些新型的金属材料。(1)生物金属材料是一种植入人体(或动物体)以修复器官功能用的金属材料。生物金属材料有的可以制成牙齿、骨头等支撑作用的硬组织，有的可制成心脏瓣膜、脑膜、腹膜等软组织。植入体内的金属材料是浸泡在血液、淋巴液、关节润滑等体液之中使用的。体液含有有机酸、无机盐，存在Na+、K+、Ca2+、Cl-等离子，是一种电解质，而且使用时间长达几年甚至几十年之久，因此生物金属材料首先要具备与人体及体液有良好的适应性(元素、不起起变态反应和异常新陈代谢，对组织无刺激性)，同时还要有耐蚀性及化学稳定性(金属离子不受血液影响)。生物金属材料要承受人体的各种机械动作，因此在力学上应具有适宜的强度，韧性、耐磨性和耐疲劳性能，此外，生物金属材料还要容易加工成各种复杂形状、价格便宜和使用方便。生物金属材料中使用比较成熟和应用比较广泛的，主要是牙科和骨科用的金属材料。牙科用的金属材料有金、银、铂等贵金属合金以及不锈钢、钴基和钛基合金等。骨科使用的金属材料主要有镍铬不锈钢，钴铬钼合金和钛及其合金，有时也应用价格昂贵的钽、铌、金、银、钯、铂等。(2)发火材料发火合金有两种：以粉末状态存在与空气接触能够自燃的合金，具有这种发火性质的合金有稀土合金，锆合金等；铁、钴、镍、钒、钛、锰等金属粉末也具有这种发火性质，被称为发火金属。发火合金按成分可分为非稀土系和稀土系两类。非稀土发火合金是用锆、钛、锡、铅、锑制成的合金，这类合金大都含有锆，或者含有钛和锆，为早期使用的发火合金。自从1903年奥地利人韦尔斯巴赫研制出由混合稀土金属和铁构成的稀土发火合金以后，稀土发火合金便在发火合金中占有主导地位。这种合金主要作打火机的打火石，并且广泛应用于曳光弹、子弹和炮弹的引信、点火装置和其他军事设施上，工业上生产的稀土发火合金一般含有20%～30%左右的铁，有的含有2%～3%左右的镁。(3)发光材料在实际应用中，将受外界激发而发光的固体称为发光材料。它们可以粉末、单晶、薄膜或非晶体等形态使用，主要组分是稀土金属的化合物和半导体材料，与有色金属关系很密切。高纯稀土氧化物Y2O3、Eu2O3、Gd2O3、La2O3、Tb2O3等制成的各种荧光体，广泛应用于彩色电视机、彩色和黑白大屏幕投影电视、航空显示器、X射线增感屏、以及用于制作超短余辉材料、各种灯用荧光粉等。半导体发光材料有ZnS、CdS、ZnSe、GaP、GaAs(1-x)Px、GaN、GaAlAs等。主要用于制造各色大中型数字符号、图案显示器、数字显示钟、X射线图像增强屏和长寿命各色发光二极管、数码管等。可见光发光二极管，因显示响应速度快而广泛应用于仪表、计算机，年产量成倍增长，不断取代其他显示器件。(4)形状记忆合金物体在某一温度下受外力变形，去除外力后仍保持变形后的形状，但于较高温度下能自动恢复变形前的原有形状，这就是形状记忆效应。具有这种效应的合金材料称为形状记忆合金。1938年，格雷宁格等已在铜锌合金中观察到形状记忆效应。1963年，美国比勒等发展出称为Nitinol的镍钛形状记忆合金，并用于航天器。从此对形状记忆效应和形状记忆合金开展了广泛的研究，20世纪70年代已制成许多记忆合金。中国于1978年开始研制，1980年得到应用。形状记忆合金可用于热-机械器件和恒温控制器。例如利用钛镍形状记忆合金丝可以简化自动记录仪的记录笔和指针的驱动机构，取代传统的电动机。发动机用的自动调节装置、恒温器等也使用形状记忆合金。(5)超塑性合金在特定条件下，金属合金可以像麦芽糖一样在外力作用下发生粘滞性变性。达到非常大的变形量而不破裂。超塑性合金首先应用在金属合金的变形加工上。目前使用锌-铝合金加工某些汽车零件，用钛合金经超塑变形制造某些飞机零件。(6)减振合金减振合金具有高阻尼性能。例如：铝-锌减振合金用于制造主体声放大器底板，扩音器框架，可改善音响效果，提高保真度。减振合金用途十分广泛，高速运动的机械零件、家用电器中的冰箱、空调机、洗衣机、音响设备等都用到减振合金，以消除(减少)振动，提高设备装置的使用寿命和稳定性，降低噪音公害等。(7)贮氢合金美国20世纪60年代末率先推出镁-镍贮氢合金后，新型贮氢合金不断出现。金属具有吸氢的特性，许多金属或合金，如镁、镍、铜、铝、铁、钴、锆、镧等，都可与氢发生化学反应，生成金属氢化物。这个化学反应是可逆的，可以通过温度、压力以及合金的成分来控制它进行的方向。贮氢合金的应用前景很广阔。人们设想，在电厂中可以应用贮氢合金来完成能量的转换与贮存，可利用它来净化氢气，可利用其可逆反应中的吸热与放热特性来设计调节温度的供暖与制冷系统，可利用氢燃料无污染的特点引人家用厨房设备。(8)金属多孔材料通过不同工艺方法，可以做出不同孔隙结构的多孔金属。多孔金属除具有本体金属的特点外，还具有表面大的特点，可用作过滤器材料，进行液体和气体的净化。多孔金属具有高阻尼特性，可用来制造缓冲器或吸振器，它有良好的消声特性，可用于发动机和排气消声装置。多孔金属导热系数低，可用作保温隔热材料。二、铝的发现和存在1825年，丹麦H.C.奥斯特用无水三氯化铝与钾汞齐作用，并蒸掉钾汞后得到金属铝。1854年，H.S.C.德维尔用金属钠还原氯化钠和氯化铝的熔盐，制得金属铝，并在1856年的巴黎博览会上展示。1886年，C.M.霍尔和P.L.T.埃鲁分别发明了电解氧化铝和冰晶石的熔盐制铝法，使铝的价格大降，成为可供实用的金属。铝在地壳中含量为8%，仅次于氧和硅。它广泛分布于岩石、泥土和动、植物体内。岩石中的铝主要以硅酸铝形成存在。岩石风化时，硅酸铝沉积为粘土矿或脱水成铝土矿。刚玉是纯的结晶氧化铝，含铝矿石还有明矾、冰晶石等。三、铁的发展和存在人类使用铁至少有5000多年历史，人类最早发现和使用的铁是陨铁(含铁量较高的铁、钴、镍等金属的混合物)。在约公元前1500年左右，埃及和美索不达米亚开始有炼铁业。至公元前1000年左右，铁器才基本上从日常用具中排挤了铜器而占统治地位。中国商代铜钅戊上就镶铸有铁刃，表明中国在公元前前1000多年就熟悉了铁的锻造性能。化学符号Fe来自铁的拉丁文名。铁在地壳中的含量约为5%，占第四位；在金属中仅次于铝，占第二位。地球岩心主要由铁组成，因此在整个地球中铁是丰度最高的元素。在地壳中铁通常以化合物状态存在。含铁的矿物有几百种，主要的有赤铁矿(Fe2O3)、褐铁矿(Fe2O3·3H2O)，磁铁矿(Fe3O4)和菱铁矿(FeCO3)，它们都是容易还原的氧化物矿。其他如黄铁矿(FeS2)、钛铁矿(FeTiO3)和铬铁矿[Fe(CrO2)2]则是同时提取铁和硫、钛、铬的矿物。生物体中也含铁，每人平均含铁量为4.5克左右，地下水中也含铁。1972年，在河北商城县台西村商代一座奴隶主的墓葬里发现了一件铁刃铜钅戊。墓葬的年代相当于公元前14世纪至前13世纪，说明早在3000多年以前，我国劳动人民就开始使用铁来制造工具。中国铁矿资源比较丰富，1982年末，已探明的储量为443亿吨，其中工业储量占总储量的54%，居世界前列。中国铁矿资源主要分布在辽宁、河北、四川、山西、内蒙古、甘肃。