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[金属盐是什么东西]金属和金属盐的分类及用途

  • 发布时间:2013-09-05   浏览: 次   来源:学科高考  

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  1.金属的分类
  
  人们根据金属的密度把金属分为重金属和轻金属。重金属的密度大于4.5 g/cm3,轻金属的密度小于4.5 g/cm3。
  
  冶金工业上还常常把金属分为黑色金属和有色金属。黑色金属有三种:铁、锰、铬。它们或它们的合金的表面常有灰黑色的氧化物,所以称这类金属为黑色金属。除铁、锰、铬以外的金属称为有色金属。有色金属又可以分为九大类:
  
  ① 重金属:铜、铅、锌等;② 轻金属:铝、镁等;
  
  ③ 轻稀有金属:锂、铍等; ④ 难熔稀有金属:钨、钛、钒等;
  
  ⑤ 稀散金属:镓、锗等; ⑥ 稀土金属:钪、钇及镧系元素;
  
  ⑦ 放射性金属:镭、锕等; ⑧ 贵金属:金、银、铂等;
  
  ⑨ 碱金属:钾、钠等。
  
  2.几种常见和重要的金属
  
  (1)钠
  
  钠不能以游离态存在于自然界,因为它的化学性质很活泼,因此在自然界,钠存在于许多无机物中(如氯化钠、碳酸钠、硫酸钠、硝酸钠、硼酸钠等)。在海水、矿泉水、盐湖水中有可溶性钠盐。地壳中含有2.63%化合形式的钠,其含量在元素中占第6位。23Na是惟一的天然同位素,还有6种人工放射性同位素:20Na、21Na、22Na、24Na、25Na、26Na。
  
  钠能与许多气体发生反应:① 在空气中120 ℃时着火,160 ℃以下氧气不足时反应的主要产物是Na2O,250~300 ℃与足量氧气反应生成的是Na2O2和少量的NaO2。② 与H2室温下不反应,200~350 ℃时反应生成NaH。③ 与N2在任何温度下不反应。有在放电条件下反应生成氮化钠和叠氮化钠的报道。④ 与CO2在室温下反应很慢,但燃烧的钠与CO2反应迅速,在控制条件的情况下这种反应可生成甲酸钠、草酸钠。有在撞击条件下钠与CO2(s)反应发生爆炸生成碳化钠的报道。⑤ 与N2O反应生成Na2O。在氧化氮中燃烧生成硝酸钠和连二硝酸钠的混合物。
  
  钠能与H2O反应,也能与酸、盐溶液反应。钠能与熔融碱反应,如Na+KOH K+NaOH,2Na+NaOH=Na2O+NaH。
  
  金属钠的用途:在过去,相当一部分钠用于制造汽油抗爆震剂——四乙基铅添加了四乙基铅的汽油会污染空气,因此现在已不允许使用。,它能降低汽油的爆震性,减少在汽油发动机中使用汽油时发出的噪音。四乙基铅通常是用氯乙烷与金属钠和铅(钠铅齐)的合金起反应而制成,化学方程式为4C2H5Cl+4Na+Pb=(C2H5)4Pb+4NaCl。金属钠能从钛、锆、铌、钽等金属的化合物中把它们置换出来,如TiCl4+4Na Ti+4NaCl。钠还用于制造过氧化钠等钠的化合物。在核工业上钠可用作传热介质。在电力工业上用于制钠灯,钠灯不降低照度水平但能减少能源消耗。
  
  金属钠的制法:工业上钠的制法很多,有碳还原碳酸钠法、NaCl加石灰用硅铁还原法、电解熔融NaOH法,目前世界上钠的工业生产多数用电解氯化钠的方法。反应通常在电解槽里进行。电解时,氯化钠需要熔融,氯化钠的熔点为801 ℃,在技术上有困难,采取的方法是用质量分数为40%的氯化钠和60%的氯化钙混合形成低共熔物(熔点为580 ℃),降低了电解时所需的温度,从而也减低了钠的蒸气压。电解时,氯气在阳极放出,金属钠和钙同时在阴极被还原出来,浮在阴极熔盐的上方,从管道溢出。把熔融的金属混合物冷却到105~110 ℃,金属钙成晶体析出,经过滤就可以把金属钠与金属钙分离。
  
  (2)镁
  
  1808年英国的H .戴维在电解氧化镁和氧化汞的混合物时,因得到镁汞齐而发现了镁,并以氧化镁产地希腊的Magnesia城来命名为Magnesium。镁在地壳中含量约为2.5%,以碳酸镁形态大量存在。海水中也含有约0.13%的Mg2+,它使海水具有苦味。镁在空气和水中由于在表面形成一层碱式碳酸镁保护膜,而不致进一步被侵蚀。它能与热水反应产生氢气,在加热时镁还可把CO2还原成碳。加热时镁可用于分离许多金属和非金属,如可把硅或硼从它们的氧化物中还原出来。镁能与氮、硫、卤素等许多非金属化合。镁粉很容易燃烧并发出强烈的白光,在空气中燃烧同时生成氧化镁和氮化镁。镁在生物化学上非常重要,它是构成叶绿素的特征元素,在生物体内也具有代谢功能;它也存在于人体细胞中。镁主要用于制造轻金属合金、球墨铸铁、建筑金属以及用于汽车、飞机、科学仪器上的镁合金;也可作还原剂、脱硫剂、脱氢和格氏试剂;也能用于制造烟火、闪光粉、镁盐等。目前镁的主要来源是先从海水中获得氯化镁,而后电解熔融氯化镁来制取。另外,在高温下用硅铁还原氧化镁也是常用的制取方法。
  
  (3)铝
  
  铝是自然界中分布最广的金属元素。地壳中铝的含量接近8%,仅次于氧和硅。铝通常以化合状态存在,已知的含铝矿物有250多种,其中最常见的是铝硅酸盐类,如长石、云母、高岭石、铝土矿、明矾石等。
  
  铝是银白色金属,其主要特性是密度小,相对密度只有钢铁的1/3。某些铝合金的机械强度甚至超过结构钢。各种铝合金(如硬铝、超硬铝、防锈铝、铸铝等)广泛应用于飞机、汽车、火车、船舶等制造工业。此外,导弹、宇宙飞船、人造卫星也大量使用铝及其合金。例如,一架超音速飞机约由70%的铝及其合金构成,每枚导弹的用铝量约占总质量的10%~15%,一艘1.5万吨级的大型客船用铝量约为2 000 t。
  
  铝是一种良好的导电材料。铝的导电能力虽然只有铜的60%~70%,但密度只有铜的1/3。以传导等量电流而论,铝的导电截面积大约是铜的1.6倍,而铝的质量只有铜的一半。换言之,铝可节省用量,价格远低于铜,且铝表面的氧化膜不仅有耐腐蚀作用,而且有一定绝缘性,所以铝在电器制造工业、电线电缆工业和无线电工业有广泛的用途。
  
  铝是热的良导体。铝的热导率大约是铁的3倍,不锈钢的10倍。因此铝是制造机器活塞、热交换器、饭锅和电熨斗的理想材料。铝还具有良好的光和热的反射能力,所以铝可用来制反光镜,又可作绝缘材料。
  
  铝易于加工,可压成铝板或铝箔,或拉成铝线,挤压成各种异形的材料。在100~150 ℃时可制成薄于0.01 mm的铝箔,广泛用于包装香烟、糖果等,还可制成铝丝、铝条,并能轧制成各种铝制品。
  
  铝的化学性质:铝在氧气中加热时能剧烈地燃烧,发出炫目的白光,并放出大量的热。铝与氧结合的能力很强,是亲氧元素,它能从许多金属氧化物中夺取氧,而且放出的大量热可使游离出来的金属熔化。应用此原理在冶金工业上用来制取铁、锰、铬、钒等金属,如Cr2O3+2Al=Al2O3+2Cr,这种方法叫铝热法。铝可与稀酸(盐酸或硫酸)、强碱溶液反应生成盐,同时放出氢气。把铝放入冷的浓硝酸或浓硫酸中会被钝化,因此,浓硝酸或浓硫酸可用铝的容器贮存。纯度为99.95%以上的大片铝,可以抵御大多数酸类的侵蚀。铝和氯在高温下反应生成AlCl3,和硫在1 000 ℃以上时反应生成Al2S3,和碳在800 ℃以上时反应生成Al4C3。
  
  (4)铁
  
  铁是地壳中最丰富的元素之一,含量为4.75%,在金属中仅次于铝。铁分布很广,能稳定地与其他元素结合,常以氧化物的形式存在,有赤铁矿(主要成分是Fe2O3)、磁铁矿(主要成分是Fe3O4)、褐铁矿(主要成分是Fe2O3·3H2O)、菱铁矿(主要成分是FeCO3)、黄铁矿(主要成分是FeS2)、钛铁矿(主要成分是FeTiO3)等。土壤中也含铁1%~6%。铁是活泼的过渡元素,是一种光亮的银白色金属,常温下呈体心立体晶格。常见的化合价为+2和+3价。纯铁相对较软,有良好的延展性和导热性,能导电,能被磁化,又可去磁。
  
  纯铁化学性质比较活泼,是一种良好的还原剂。纯铁在空气中不起变化,含杂质的铁在潮湿空气里逐渐生锈,外表生成一层褐色的氢氧化铁。铁红热时能与水反应生成氢气。铁易溶于稀酸中,但在浓硫酸或浓硝酸中由于表面发生钝化而不能溶解,因此铁制容器可用来储存浓硫酸或浓硝酸。浓的碱溶液能侵蚀铁,生成高价铁酸盐。铁加热时能与卤素、硫、磷、硅等非金属反应,但与氮不直接反应。
  
  铁是生命过程所必需的元素,是红细胞(血红蛋白)的主要成分。
  
  铁的最大用途是炼钢,也大量用来制造铸铁。铁和它的化合物还用来做磁铁、染料(墨水、蓝晒图纸、胭脂颜料)和磨料(红铁粉)。还原铁粉大量用于冶金。我国在春秋时代晚期已炼出可供浇铸用的液态生铁,隋唐时开始用煤炼铁,明代已能用焦炭炼铁。铁现在常用焦炭、铁矿石和石灰石为原料炼得。
  
  (5)铜
  
  铜是人类发现最早的金属之一,也是最好的纯金属之一。固体铜呈紫红色光泽,面心立方晶系。铜稍硬,极坚韧,耐磨损,还有很好的延展性,容易锻造和压延成薄片,可轧成很细的金属丝。铜具有优良的导电和导热性,仅次于银,但含有杂质时则导电性大受影响。铜和它的一些合金还有较好的耐腐蚀能力。
  
  铜在干燥的空气里很稳定,但在潮湿的空气里表面可生成一层绿色的碱式碳酸铜〔Cu2(OH)2CO3〕,称做铜绿。高温时铜可被氧化。铜能溶于硝酸和热的浓硫酸,容易被碱侵蚀。在一定温度下,铜也能与卤素、硫等非金属反应生成卤化物或硫化物。铜的主要化合价有+1和+2价,+2价铜的化合物比较普遍,也比较稳定。水溶液中+1价铜的化合物不稳定,歧化生成单质铜和+2价铜。
  
  铜的最大用途是广泛用于电器工业上,如制作电线、电缆和各种电器设备等,也用于制造各种合金,如黄铜(Cu-Zn合金)、青铜(Cu-Sn合金)等。铜及其合金在机械和仪器仪表等工业上用来制造各种零件。在国防工业上用来制造枪弹、炮弹等。在化学工业上用来制造热交换器、深度冷冻装置等。
  
  3.Na+、K+、Mg2+、Ca2+的生理作用
  
  钠、钾、钙、镁对生物的生长和正常发育是需要的。Na+、K+、Mg2+、Ca2+四种离子占人体中金属离子总量的99%。对高级动物来说,钠、钾比值在细胞内液中和细胞外液中有较大不同。在人体血浆中,c(Na+)≈0.15 mol/L,c(K+)≈0.005 mol/L;在细胞内液中,c(Na+)≈0.005 mol/L,c(K+)≈0.16 mol/L。这种浓度差别决定了高级动物的各种电物理功能——神经脉冲的传送、隔膜端电压和隔膜之间离子的迁移、渗透压的调节等。由于钠在高级动物细胞外液中的浓度高于钾的浓度,因此,对动物来说钠是较重要的碱金属元素,而对植物来说钾是较重要的碱金属元素。
  
  食盐是人类日常生活中不可缺少的无机盐,如果得不到足量的食盐,就会患缺钠症。其主要症状是恶心、肌肉痉挛、神经紊乱等,严重时会导致死亡。人可以从肉、奶等食物中获取一定量的钠,从果实、谷类、蔬菜等食物中吸取适量的钾。神经细胞、心肌和其他重要器官功能都需要钾,肝脏、脾脏等内脏中钾比较富集。胚胎中的钠、钾比值与海水中十分接近,这一事实被一些科学家引为陆上动物起源于海生有机体的直接证明之一。
  
  植物对钾的需要同高级动物对钠的需要一样,钾是植物生长所必需的一种成分。植物体通过根系从土壤中选择性地吸收钾。钾同植物的光合作用和呼吸作用有关,缺少钾会引起叶片收缩、发黄或出现棕褐色斑点等症状。
  
  镁和钙对动植物的生存也起着重要作用。镁存在于叶绿素中。已经发现谷类光合作用的活性与Mg2+、Ca2+浓度有关。镁占人体重量的0.05%,人体内的镁以磷酸盐形式存在于骨骼和牙齿中,其余分布在软组织和体液中,Mg2+是细胞内液中除K+之外的重要离子。镁是体内多种酶的激活剂,对维持心肌正常生理功能有重要作用。若缺镁会导致冠状动脉病变,心肌坏死,出现抑郁、肌肉软弱无力和晕眩等症状。成年人每天镁的需要量为200~300 mg。
  
  钙对于所有细胞生物体都是必需的。肌肉、神经、黏液和骨骼中都有Ca2+结合的蛋白质。钙占人体总重量的1.5%~2.0%,一般成年人体内含钙量约为1 200 g,成年人每天需要钙量为0.7~1.0 g。钙是构成骨骼和牙齿的主要成分,一般为羟基磷酸钙〔Ca5(PO4)3OH〕,占人体钙总量的99%。在血中钙的正常浓度为每100 mL血浆含9~11.5 mg,其中一部分以Ca2+存在,而另一部分则与血蛋白结合。钙有许多重要的生理功能,钙和镁都能调节植物和动物体内磷酸盐的输送和沉积。钙能维持神经肌肉的正常兴奋和心跳规律,血钙增高可抑制神经肌肉的兴奋,如血钙降低,则引起兴奋性增强,而产生手足抽搐(即“抽风”)。钙对体内多种酶也有激活作用,钙还参与血凝过程和抑制毒物(如铅)的吸收;它还影响细胞膜的渗透作用。人体缺钙,将影响儿童的正常生长,或出现佝偻病;对成年人来说,则患软骨病,易发生骨折并发生出血和瘫痪等疾病;高血压、脑血管病等也与缺钙有关。

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  4.过氧化钠
  
  Na2O2是离子型化合物,淡黄色粉末,商品常制成圆形小颗粒。它的熔点为675 ℃,有二水合物和八水合物。Na2O2具有强氧化性,例如,能把铁氧化成铁酸盐(FeO42-),甚至在常温下能把几乎所有的有机物氧化成碳酸盐和乙醇,与其他易燃品放置在一起会发生燃烧。在熔融状态下,Na2O2几乎不分解,但遇到棉花、炭粉或铝粉时可发生爆炸。Na2O2易潮解,与水或稀酸作用时生成过氧化氢并放热,过氧化氢不稳定,立即分解放出氧气。Na2O2可与空气中的CO2作用放出氧气,因此常用在缺乏空气的场合,如矿井、坑道、潜水、宇宙飞船等方面,以供人们呼吸应急用。Na2O2与强氧化剂(如KMnO4)作用时显还原性,它不溶于乙醇。Na2O2在工业上常用作漂白剂、杀菌剂、消毒剂、去臭剂、氧化剂等。通常可通过在不含CO2的干燥空气流中把金属钠加热到300 ℃来制取Na2O2。
  
  5.碳酸钠、碳酸氢钠
  
  Na2CO3又叫纯碱,俗称苏打。无水碳酸钠是白色粉末或细粒,加热至851 ℃时熔化而不分解。Na2CO3易溶于水,溶解时放热。由于Na2CO3是强碱弱酸盐,所以其水溶液呈碱性。碳酸钠以水合物存在时有Na2CO3·H2O、Na2CO3·7H2O、Na2CO3·10H2O,日常的食用碱主要是十水碳酸钠,俗称洗涤碱。Na2CO3存在于我国内地的盐碱湖中,低温时,湖面上会析出晶体,叫做天然碱。透明晶状的十水碳酸钠在干燥空气中易失去结晶水而变成粉末,主要转变成一水碳酸钠。碳酸钠吸湿性很强,吸湿后可结成硬块。碳酸钠的最大用途是制玻璃,也是造纸、肥皂、洗涤剂、纺织、制革、石油、染料、食品等工业的重要原料。在工业上纯碱可代替氢氧化钠来中和酸,冶金工业用它作助熔剂,水的净化中用它作软化剂,机械零件表面的去油剂,以及用来制钠的其他化合物。碳酸钠可由天然矿物(碳酸钠石Na2CO3·NaHCO3·2H2O,又称天然碱)加工而得,更多的是由氨、二氧化碳和饱和食盐水为原料制得。
  
  NaHCO3俗称小苏打,也叫生碳酸钠或重碱或酸式碳酸钠。它是白色粉末,在水中的溶解度比碳酸钠略小,水溶液呈微碱性,固体碳酸氢钠受热即分解。NaHCO3是发酵粉的主要成分,也用于制灭火剂、焙粉或清凉饮料等方面的原料,在橡胶工业中作发泡剂。将碳酸钠溶液或结晶碳酸钠吸收CO2可制得碳酸氢钠,它也是氨碱法制纯碱的中间产物。
  
  一般说来,碳酸和碳酸盐的热稳定性有下列规律:
  
  (1)H2CO3<MHCO3<M2CO3(M为碱金属)
  
  (2)同一主族元素(如碱金属元素)的碳酸盐:Li2CO3<Na2CO3<K2CO3<Rb2CO3
  
  (3)碱金属碳酸盐>碱土金属碳酸盐>过渡金属碳酸盐
  
  6.氧化铝、氢氧化铝
  
  (1)Al2O3俗名矾土,是一种难熔又不溶于水的白色粉末。它的熔点为2 015 ℃,沸点为2 980 ℃。Al2O3具有不同晶型,主要有α和γ两种变体。自然界存在的α型氧化铝称为刚玉,硬度仅次于金刚石,混有少量杂质可使刚玉带有各种色泽,称为宝石,如红宝石(含有少量的Cr3+)和蓝宝石(含Ti3+和Fe2+、Fe3+),目前可用熔融氧化铝人工结晶方法制造宝石。人造宝石在性质上不次于天然宝石,广泛用于工业技术方面。例如,用做机器快速转动部分的轴承、钟表上的钻石,以及磨料、耐火材料等。活性氧化铝即γ型氧化铝,是一种多孔物质,每克内表面积可达数百平方米,有极高的活性,可吸附水蒸气和许多气体、溶液分子,常用作吸附剂、催化剂和干燥剂。
  
  Al2O3是典型的两性氧化物,可溶于酸也可溶于碱。氧化铝是电解法制金属铝的主要原料,所用的氧化铝越纯,炼出的铝就越纯。由于提纯铝比提纯氧化铝更困难,所以电解前氧化铝的提纯非常重要。天然铝土矿是制取氧化铝的主要原料,一般含量可达40%~60%,杂质主要有二氧化硅、氧化铁及稀散元素等。利用它们化学性质上的共性和个性可将氧化铝与其他杂质分开。
  
  (2)氢氧化铝又称为氧化铝的水合物,有三水合氧化铝Al2O3·3H2O〔即Al(OH)3〕和一水合氧化铝Al2O3·H2O〔即AlO(OH)〕。但在这些化合物的晶格中并不存在水分子,只是在加热时分解成水和氧化铝,这一点与水合物的性质相同。氢氧化铝是典型的两性氢氧化物,它既能溶于强酸生成铝盐溶液,又能溶于强碱生成偏铝酸盐溶液。氢氧化铝可用来制备铝盐,作吸附剂、媒染剂和离子交换剂,也用于作瓷釉、耐火材料、防火布等的原料。氢氧化铝凝胶有中和胃酸和保护溃疡面的作用,可用于治疗胃和十二指肠溃疡、胃酸过多等。
  
  7.铁的合金
  
  (1)生铁
  
  一般地说,含碳量在2%~4.3%的铁的合金叫做生铁。生铁里除含碳外,还含有硅、锰以及少量的硫、磷等,它可铸不可锻。根据生铁里碳的存在形态不同,又可分为炼钢生铁、铸造生铁和球墨铸铁。
  
  炼钢生铁
  
  碳在这种铁的合金里主要是以碳化铁的形态存在。这种生铁质硬而脆,难于加工,一般都用来炼钢,所以叫它炼钢生铁。由于它的断口呈白色,又叫白口铁。
  
  铸造生铁
  
  碳在这种铁的合金里是以片状的石墨形态存在。由于石墨质软并有润滑作用,因而这种生铁具有良好的切削、耐磨和铸造性能等。但是,由于有片状石墨的存在,降低了它的抗拉强度,使它不能锻轧,只能用于制造各种铸件,如铸造机床床座、铁管等。因此,把这种生铁称为铸造生铁。由于它的断口呈灰色,通常又叫灰口铁。
  
  球墨铸铁
  
  把铸造生铁加热熔化,并用镁合金或稀土合金等处理,就能使铁碳合金里的石墨从片状变为球状。这种球状石墨的形成使铸铁的机械性能大大提高。球墨生铁比普通生铁好,它的某些性能接近于钢,而价格却比钢便宜得多。因此,它可以代替一部分钢材用于制造曲轴、齿轮和阀门等。
  
  按用途不同分,生铁除炼钢生铁、铸造生铁外还有特种生铁。特种生铁为含有特种金属元素的生铁。在高炉冶炼过程中,铁矿中的某些金属元素如铬、镍、钴、钡、钛、铌等大部分还原进入铁水。
  
  (2)钢
  
  含碳量一般在0.03%~2%的铁的合金叫做钢。钢坚硬,有韧性、弹性,可以锻打、压延,也可以铸造。钢的分类很多,如按化学成分分类,钢可以分为碳素钢和合金钢。
  
  碳素钢
  
  碳素钢又叫普通钢。它所含的碳、硅、锰比生铁少得多,硫和磷的含量也比生铁低得多。根据含碳量的不同,碳素钢的性质也各不相同,含碳量越高硬度越大,含碳量越低韧性越强。工业上一般把含碳量低于0.3%的叫做低碳钢;含碳量在0.3%~0.6%之间的叫做中碳钢;含碳量在0.6%以上的叫做高碳钢。低碳钢和中碳钢用来制造机器零件、管子等,高碳钢用来制造刀具、量具和冲压模具等。
  
  合金钢
  
  合金钢也叫特种钢。在碳素钢里适量地加入一种或几种合金元素,使钢的组织结构发生变化,从而使钢具有各种不同的特殊性能,如强度、硬度大,可塑性、韧性好,耐磨,耐腐蚀,以及其他许多优良性能。下面是一些特种钢的性能和用途:
  
  种 类
  
  性 能
  
  用 途
  
  钨钢、锰钢
  
  硬度很大
  
  制造金属加工工具、拖拉机履带和车轴等
  
  锰硅钢
  
  韧性特别强
  
  制造弹簧片、弹簧圈等
  
  钼钢
  
  抗高温
  
  制造飞机的曲轴、特别硬的工具等
  
  钨铬钢
  
  硬度大,韧性很强
  
  做机床刀具和模具等
  
  镍铬钢(不锈钢)
  
  抗腐蚀性能强,不易氧化
  
  制造化工生产上的耐酸塔、医疗器械和日常用品等

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  8.铝合金
  
  铝合金广泛应用于运输、建筑、轻工、化工、仪表、机械等部门,以及包装和家用器具等方面。如今,铝合金已成为第二大金属,其产量仅次于钢铁而超过其他有色金属的总和。铝中添加合金元素的首要目的是提高在不同环境条件下的机械强度,并保持能满足使用要求的塑性、韧性与抗腐蚀性。
  
  铝合金按生产工艺可分为铸造铝合金和变形铝合金两大类。
  
  铸造铝合金又可分为Al-Si系铸造铝合金、Al-Cu系铸造铝合金、Al-Mg系铸造铝合金、Al-Zn系铸造铝合金。它们的主要性质和用途列表如下:
  
  种 类
  
  主要性能
  
  主要用途
  
  Al-Si系铸造铝合金
  
  高流动性、低收缩率和低热裂倾向,良好抗腐蚀性及可焊性,低膨胀系数
  
  适合铸造形状复杂的构件
  
  Al-Cu系铸造铝合金
  
  热处理效果突出,热稳定性好
  
  适合铸造高温工作的构件
  
  Al-Mg系铸造铝合金
  
  较高的抗腐蚀性和强度,良好的切削性能和低的表面粗糙度
  
  用于铸造在海水中工作的构件
  
  Al-Zn系铸造铝合金
  
  抗腐蚀性及尺寸稳定性较高,良好的可焊性,有明显的时效硬化能力
  
  适于砂型铸造压气机活塞、气缸座等
  
  变形铝合金
  
  可分为防锈铝、硬铝、锻铝和超硬铝四类。防锈铝包括Al-Mn及Al-Mg系合金,抗腐蚀性好,机械强度高于工业纯铝,同时具有良好的焊接性能,但不能热处理强化。硬铝属Al-Cu-Mg合金系,具有很强的时效硬化能力,可热处理强化。铜是硬铝中的主要合金元素,为了提高强度,铜含量控制在4.0%~4.8%的范围内。锻铝合金有Al-Mg-Si和Al-Mg-Si-Cu系普通锻用铝合金及Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金三种。该类合金的主要特点是有良好的热塑性,适用于生产锻件。超硬铝属Al-Zn-Mg-Cu系,是铝合金中强度最高的一类。通过控制镁、锌总量,添加适量的铜、铬及锰,可改善合金的抗应力和抗腐蚀能力。
  
  9.铜合金
  
  铜合金具有优异的导电、导热性能,良好的耐腐蚀性能,易于加工成型,又有足够的强度、弹性和耐磨性,广泛用于建筑、电气、造船和化工等许多重要的工业领域。
  
  铜合金的种类很多。根据传统的分类方法,铜合金可分为紫铜、黄铜(Cu-Zn)、白铜(Cu-Ni)和青铜(Cu与Sn、Al、Be、Si、Mn、Cr、Cd、Zr、Ti等元素组成的合金的统称)四类。根据铜合金使用时的状态或成型方法,又可将其分为铸造铜合金和变形铜合金。
  
  铸造铜合金与变形铜合金的区别主要是:① 铸造合金通常无论是热加工或者冷加工,都较难以塑性变形。② 虽然某些合金化元素,如铅、锡、铁和铝,既可以添加到变形合金,也可以添加到铸造合金,但是一般在铸造合金中的添加量多于变形合金中的添加量。添加到铸造合金的元素目的是改善金属液的流动性、铸造组织或强度。某些元素添加到变形合金中,可能会导致加工性能变差。③ 铸造合金中的杂质含量要高一些。④ 铸造合金的电导率要低于变形合金。
  
  10.新型金属材料
  
  (1)金属纤维
  
  除了由大单晶组成的钨纤维,所有其他的金属纤维均是多晶无机纤维。它们是通过物理形变制得,而很少使用化学制备法。品种有钢丝、铝丝、钨丝、铍丝等。
  
  金属纤维具有许多重要的特性,如导电和导热性,高抗拉强度、高弹性模量及高熔点等。由于金属纤维的密度很高,所以它们只能增强那些对减轻重量无特别要求的材料,特别是混凝土和橡胶。1959年首次将钢纤维用作轮胎帘子线,目前90%以上的汽车轮胎使用钢纤维。将0.5%~6%的不锈钢丝混在织物中可起到消除静电的作用。直径为12 μm的钨丝用于制备B或SiC纤维以及白炽灯的灯丝。在纺织行业中,用铝丝制做带金属光泽的装饰线。
  
  (2)超导材料
  
  超导现象最早是由荷兰科学家H .K.Annes于1911年发现的。他在测量水银的低温电阻时发现电阻随温度降低而下降,然后突然降为零,并将这种电阻为零时的温度(4.2 K)称为临界温度,用Tc表示。后来把这种电阻为零的现象称为“超导”。在随后的研究中,人们逐渐认识到除了临界温度Tc外,还有临界磁场强度Hc和临界电流Ic这两个临界参数。
  
  从1911年到1986年,超导体的Tc提高很小。其中,1973年发现了Nb3Ge合金超导材料,Tc为23.2 K,并保持Tc最高值达10年以上,当时认为超过该值是极为困难的。1986年瑞士的Bednoz和Muller发现了Tc为30 K的La-Ba-Cu-O系氧化物超导体,从此开创了超导材料研究的崭新局面。1987年美国宣布发现Tc为98 K的超导材料,紧接着中国科学院物理研究所发现了Y-Ba-Cu-O系超导体,转变温度在100 K以上,Tc为78.5 K,超导临界温度第一次突破了液氮温度(77 K)。1988年初美国和日本相继报道不含稀土的Bi-Ca-Cu-O和Tl-Ba-Ca-Cu-O两系列超导体,其Tc分别为110 K和125 K。现已知道元素周期表上有26种金属元素具有超导性,它们的Tc均在10 K以下,难以有实用价值。于是科学家把注意力转向开发合金或金属化合物的研究之中,迫切希望找到高温超导体。
  
  超导特性通常只用Tc进行比较,但实际上除了Tc以外,还有两个重要的评价超导指标,即还必须有相当高的超导破坏磁场(临界磁场Hc)和临界电流密度Ic。也就是说,只有同时满足以上三个条件才有实用的可能,但不是所有的应用都要求高的临界磁场性能。
  
  超导的主要应用有:
  
  核磁共振成像
  
  核磁共振成像一般是从氢原子核的核自旋变化信号中获得的。人体中75%是水,因此可以利用这项技术进行人体医学诊断。氢原子核需要的磁声较小,相应的电磁辐射是在兆赫范围内,很容易进入人体。与X射线层析照相比,核磁共振成像所用的电磁辐射和磁声对人体无害。
  
  核磁共振谱仪
  
  采用常规磁体或永久磁体的核磁共振谱仪的共振频率只能达到100 MHz。目前美国利用高均匀度、高稳定性的高声超导磁体,已试制成功600 MHz的核磁共振仪,并准备试制900 MHz的核磁共振仪,用于有机分子波谱分析。
  
  超导储能
  
  超导储能是一种利用超导磁体的电感储能技术。与常规储能方法相比,由于它不需要能量形式的转换,因而具有储能密度大和储能效率高于90%,以及只要几十毫秒就可以作出从充电向放电转变的反应等优点。
  
  超导电缆
  
  随着电力需求的不断增长,发电站的容量逐渐增大,大功率、长距离、低损耗的输电技术成为研究热点。由于具有零电阻特性,超导体可以输送极大的电流和功率而没有功率损耗。超导技术的关键是制作超导电缆。
  
  磁悬浮列车
  
  因磁悬浮可使列车悬浮起来,脱离地面的接触支撑,因而列车速度可提高到500 km/h,相当于地面飞机。超导线圈可产生磁悬浮列车所需的强大磁场。日本的山梨新实验干线全长42.8 km,于1997年通车,磁悬浮列车的最高速度为550 km/h。所用的超导线圈为Cu-Nb-Ti合金超导线,每个线圈重60 kg,总计使用超导线2 t。
  
  据2001年2月报道,我国高温超导磁悬浮实验车在西南交大研制成功,全车总共344块超导材料,全部是国内研制。中国科学院物理研究所在2002年2月又合成了高质量二硼化镁新超导体,它具有易加工、电导率高、使用方便等特点,有优良的可应用性,如在临界电流可提供强电输运、强磁场以及高品质的微波元件,可制备更好的超导量子干涉器件。
  
  (3)磁性材料
  
  淬火马氏体碳钢是最早生产和使用的永磁材料,其最大磁能积仅为1~2 kJ/m3。20世纪30~60年代是永磁材料发展的第一个时期,如Fe-Ni-Al系、Fe-Cr-Co系、Cu-Ni-Fe系、Cu-Ni-Co系、Fe-Co-V系和Mn-Al-C系等永磁材料,它们的磁能积为40~88 kJ/m3。此外还有钡铁氧体和锶铁氧体永磁材料,其磁能积可达到25 kJ/m3。由于铁氧体永磁材料的化学稳定性好而且生产工艺简单,成本较低,磁性也不错,至今仍是工业产量最大的永磁材料。永磁材料发展的第二个时期始于1966年,K.Strnat发现YCo5具有极高的磁晶各向异性常数,导致第一代稀土永磁体SmCo5的诞生。以后相继研究成功Sm2Co17第二代和Nd2Fe14B第三代稀土永磁材料。
  
  稀土永磁材料的最大特点是使得器件体积大幅度减小,结构紧凑,有助于电器设备小型化。主要应用:① 机电类:电动机、发电机、磁选机、电磁式仪表、传感器、电磁开关等;② 家用电器及设备类:照相机、收录机、激光唱机、录像机、空调、冰箱等;③ 医疗器械类:心电图仪、核磁共振成像仪、X射线成像仪、磁疗仪、磁按摩器以及外科手术器械等;④ 办公用品类:计算机、打印机、复印机等;⑤ 其他:用于卫星导航的微波器件、用于航天飞机和陀螺仪的磁轴承、磁悬浮列车等。

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  11.新型合金
  
  (1)轻质合金
  
  铝锂合金具有高比强度(断裂强度/密度)、高比刚度且相对密度小的特点,如用作现代飞机蒙皮材料,一架大型客机可减轻重量50 kg。以波音747为例,每减轻1 kg,一年可获利2 000美元。钛合金比钢轻、耐腐蚀、无磁性、强度高,是用于航空和舰艇的理想材料。
  
  (2)储氢合金
  
  由于石油和煤炭的储量有限,而且在使用过程中会带来环境污染等问题,尤其是20世纪70年代全球石油危机,使氢能作为新的清洁燃料成为研究热点。在氢能利用过程中,氢的储运是重要环节。1969年荷兰飞利浦公司研制出LaNi5储氢合金,具有大量的可逆地吸收、释放氢气的性质,其合金氢化物LaNi5H6中氢的密度与液态氢相当,约为氢气密度的1 000倍。
  
  储氢合金是由两种特定金属构成的合金,其中一种可以大量吸氢,形成稳定的氢化物,而另一种金属虽然与氢的亲和力小,但氢很容易在其中移动。Mg、Ca、Ti、Zr、Y和La等属于第一种金属,Fe、Co、Ni、Cr、Cu和Zn等属于第二种金属。前者控制储氢量,后者控制释放氢的可逆性。通过两者合理配制,调节合金的吸放氢性能,制得在室温下能够可逆吸放氢的较理想的储氢材料。
  
  (3)超耐热合金
  
  镍钴合金能耐1 200 ℃的高温,可用于喷气飞机和燃气轮机的构件。镍钴铁非磁性耐热合金在1 200 ℃时仍具有高强度、韧性好的特点,可用于航天飞机的部件和原子反应堆的控制棒等。寻找符合耐高温、可长时间运行(10 000 h以上)、耐腐蚀、高强度等要求的合金材料,仍是今后研究的方向。
  
  (4)形状记忆合金
  
  它们具有高弹性、金属橡胶性能、高强度等特点,在较低温度下受力发生塑性变形后,经过加热,又恢复到受热前的形状。如Ni-Ti、Ag-Cd、Cu-Cd、Cu-Al-Ni、Cu-Al-Zn等合金,可用于调节装置的弹性元件(如离合器、节流阀、控温元素等)、热引擎材料、医疗材料(牙齿矫正材料)等。
  
  形状记忆效应来源于一种热弹性马氏体相变。一般的马氏体相变作为钢的淬火强化的方法,就是把钢加热到某个临界温度以上保温一段时间,然后迅速冷却,例如直接插入冷水中(称为淬火),这时钢转变为一种马氏体的结构,并使钢硬化。后来,在某些合金中发现了不同于上述的另一种所谓热弹性马氏体相变,热弹性马氏体一旦产生便可以随着温度降低继续长大。相反,当温度回升时,长大的马氏体又可以缩小,直至恢复到原来的状态,即马氏体随着温度的变化可以可逆地长大或缩小。热弹性马氏体相变时随之伴有形状的变化,其晶体结构的变化如图3-3所示(图中Ms表示冷却时开始产生热弹性马氏体的转变温度,Mf表示冷却时转变的终止温度,As表示升温时逆转的温度,Af表示逆转完全的温度)。
  
  新型金属功能材料除上述几类以外,还有能降低噪音的减振合金;具有替代、增强和修复人体器官和组织的生物医学材料;具有在材料或结构中植入传感器、信号处理器、通信与控制器及执行器,使材料或结构具有自诊断、自适应,甚至损伤自愈合等智能功能与生命特征的智能材料等。
  
  (1)黄铜
  
  黄铜是铜与锌的合金。改变黄铜中锌的含量可以得到不同性能的黄铜。黄铜中锌的含量越高,其强度也越高,塑性降低。工业中采用的黄铜含锌量不超过45%,含锌量再高将会产生脆性,使合金性能变差。
  
  为了改善黄铜的某种性能,常加入其他合金元素,如硅、铝、锡、铅、锰、铁和镍等。在黄铜中加铝能提高黄铜的强度和抗腐蚀性,含铝小于4%的黄铜具有良好的加工、铸造等综合性能。在黄铜中加1%的锡能显著改善黄铜的抗海水和海洋大气腐蚀的能力,因此被称为“海军黄铜”,锡还能改善黄铜的切削加工性能。黄铜加铅的主要目的是改善切削加工性能和提高耐磨性,铅对黄铜的强度影响不大。锰黄铜具有良好的机械性能、热稳定性和抗腐蚀性,在锰黄铜中加铝,还可以得到表面光洁的铸件。
  
  (2)铝及铝合金
  
  铝是一种轻金属,密度小,具有良好的塑性。铝合金具有较好的强度,超硬铝合金的抗拉强度可达600 MPa,普通硬铝合金的抗拉强度也达200~450 MPa,它的比刚度远高于钢,因此在机械制造中得到广泛的运用。铝的导电性仅次于银和铜,居第三位,适于制造各种导线。铝具有良好的导热性,可用作各种散热材料。
  
  铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金又可分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。不可热处理强化型铝合金不能通过热处理来提高机械性能,只能通过冷加工变形来实现强化,它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。可热处理强化型铝合金可以通过淬火等热处理手段来提高机械性能,它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。
  
  13.实践活动——角色扮演:是否应该停止使用铝质饮料罐参考资料
  
  目前,铝质饮料罐在世界上非常流行。在日本,铝质饮料罐的年产量高达三十几万吨,占铝总产量的8%,而将废铝罐再生成铝罐的年生产能力只有约2万吨,只占回收量的1/4~1/3。然而,在铝的生产过程中,能源消耗主要是在脱氧阶段,而金属铝的再生只需适当加热熔化,其能源消耗只占原铝(从氧化物提炼的纯铝)生产过程能源消耗的1/20。此外,金属铝的再生可以减少对不可再生资源铝矾土的开发(回收一吨废铝可节省五吨铝矾土)。因此,通过加大废铝罐的收集、分类力度,经过一些加工实现铝的再利用,将产生巨大的社会效益和经济效益。
  
  聚酯(简称PET)瓶是另一类在当今市场上深受消费者欢迎的包装容器。聚酯瓶具有透明和便于使用等优点,但存在避光保护性差等缺点,同时在耐氧性和阻隔性上也比铝质饮料罐差 。

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