工科大学化学--第七章-ppt

工程材料按其用途分为结构材料和功能材料。结构材料是目前使用量 最大的工程材料，进一步可分为工程结构材料、机器用材料、工具材料以 及有着特殊用途的材料；功能材料虽然应用量较小，却迅速得到发展，已 深深地影响社会发展。随着机电一体化技术的进步，结构材料和功能材料 日益融合，形成新型的结构功能材料。
7.1.1 工程材料的分类
复合材料是由两种或多种性质不同的材料通过物理或化学方法复合，在宏 观上组成具有新性能的材料；其综合性能明显优越于复合材料组成材料的性能； 具有“轻质高强”、比强度和比刚度高、可设计性好、耐腐蚀性能优、热性能 和电性能均好等优点。
7.2 工程材料的腐蚀与防护
7.2.1 金属的腐蚀与防护
金属腐蚀
指金属在环境介质（最常见的是液体和气体）的化学、电化学和物理 作用下而产生损坏或变质的现象。
图7-4牺牲阳极保护法
(2) 阳极保护 阳极保护是将被保护金属与外加直流电源正 极相连，由电源向其输送阳极电流使之发生阳极极化至一 定的电极电势，获得并维持钝态，使阳极过程受到阻滞， 导致金属腐蚀速度显著减小的一种电化学保护方法。
图7-5 阳极保护法
7.2.2 钢筋混凝土的腐蚀与防护
1.混凝土的腐蚀类型
传统的无机非金属材料通常包括水泥、玻璃、陶瓷以及耐火材料等；其特 点是物化性质稳定、抗腐蚀和耐高温性能较好；但脆性大、抗冷热冲击性能较 差。新型的无机非金属材料有先进陶瓷（压电陶瓷、导体和半导体陶瓷、高温 陶瓷和生物陶瓷等）、高纯硅、碳素材料（碳纤维、石墨和金刚石）、非晶态 材料（凝胶、非晶态半导体、金属玻璃）、人工晶体和无机涂层等；这些材料 具有强度高、耐高温，优良的电学、光学和生物相容性等特点。
陶瓷材料: 电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、结构陶瓷和耐酸陶瓷等
塑料：聚四氟乙烯、ABS、聚丙烯、聚砜和聚乙烯等
高分子材料 橡胶：天然橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶等
复合材料
合成纤维：聚酯纤维和聚酰胺纤维等 无机-有机复合材料：玻璃纤维增强塑料、聚合物混凝土、沥青混凝土等 非金属-金属复合材料：钢筋混凝土、钢丝网水泥、塑铝复合管、铝箔面油毡等
混凝土是以水泥为胶结材料，含砂子和碎石的混合物，是一种多微孔非 均质的结构材料。按腐蚀产物的形态，可将混凝土腐蚀分为五种类型。 (1) 溶出型腐蚀 溶出型腐蚀是指混凝土中的可溶性成分Ca(OH)2受到软水作 用，产生物理性溶解、浸出，引起水泥石中胶凝体水解，降低混凝土的强度。 (2) 分解型腐蚀 分解型腐蚀是由混凝土发生炭化以及酸性溶液或镁盐溶液对 混凝土侵蚀等原因引起的腐蚀。 (3) 膨胀型（结晶型）腐蚀 膨胀型（结晶型）腐蚀是指硫酸盐溶液进入混凝 土孔隙后，与混凝土中氢氧化钙发生反应生成硫酸钙，再进一步与水合铝酸 钙作用，生成硫铝酸钙；其体积膨胀至原来的两倍以上而引起混凝土的膨胀 腐蚀。
其它复合材料：水泥石棉制品、不锈钢包覆钢板等
图7-1工程材料的种类
7.1.2 工程材料的特点
工程材料的特点
是由其化学成分和内部的组织结构所决定，是其微观结构特征的宏观反映。 工程材料可分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料。这 些材料是分别由不同元素的原子、离子或分子通过金属键、离子键、共价键或 分子间作用力结合而成。由于它们的成分、结合力以及制造工艺不同，其特点 也会存在相当大的差异。 1. 金属材料的特点
7.1.2 工程材料的特点
无机非金属材料比金属材料的抗断强度低，缺少延展性；这是因与金属的 晶体结构相比，无机非金属材料的结构相对复杂，并且没有自由电子，具有比 金属键和纯共价键更强的离子键和混合键。 3. 高分子材料的特点
高分子材料通常是相对分子量在10000以上的高分子化合物的总称；按其 用途可分为：塑料、橡胶、纤维、涂料、胶黏剂和功能性高分子材料；这些高 分子材料各有其特点。
工程材料按其化学成分的具体分类，如图。
黑色金属材料：钢、铸铁和合金
金属材料 有色金属材料：铝、铅、铜、镁、镍等及其合金
耐火材料：耐火砌体材料、耐火水泥及耐火混凝土
工程材料
耐火隔热材料：硅藻土、蛙石、玻璃纤维、石棉及其制品
无机非金属材料 耐蚀（酸）非金属材料：铸石、石墨、耐酸水泥、天然耐酸石材和玻璃等
密度大、较高的硬度和强度、良好的延展性、导电性和导热性优良、热膨 胀系数大；切削加工性能好，可锻性、可铸性、可焊性均良好；但易发生锈蚀 现象，对其防护要求高。
7.1.2 工程材料的特点
金属材料具有以上特点是由金属内部结构和原子之间的结合方式所决定。 金属材料的内部结构一般为多晶体，而每个晶粒内原子按一定方式（如体心立 方、面心立方或密排六方等）有序排列。大部分金属原子之间是以金属键结合， 而过渡金属结合键是金属键和共价键的混合键。 2. 无机非金属材料的特点
7.2.1 金属的腐蚀与防护
4. 电化学保护 是通过采用去除介质中有害成分、调节介质的pH值或加入缓蚀剂等方法，
改变介质的性质，降低或消除介质对金属的腐蚀作用；分为阴极保护和阳极 保护。 (1) 阴极保护 阴极保护是将被保护金属作为阴极，使之发生阴极极化以减小 或停止金属腐蚀的方法；可分为外加电流和牺牲阳极两种阴极保护法。
4）在应力作用下，钝化膜受到破坏。当拉应力和介质侵蚀同时作用，会使钢 筋表面出现裂缝，甚至突然断裂；
5）钢筋中含有碳、硅、锰等合金元素和杂质，不同元素处于相同或不同介质 中，其电极电势也不同，不同元素之间存在着电势差；混凝土中的介质（水 等）构成离子通路；钢筋本身构成电子通路；具备了腐蚀电池的必要条件。 因此，混凝土中钢筋锈蚀，是电化学腐蚀作用的结果。
引起高分子材料腐蚀的原因，既有内在因素，又有外在因素，通常是内 外因素综合作用的结果。
（1）内在因素 1）高分子的化学结构 高分子化学键中的弱键，易断裂而成为自由基，从而引 发材料的腐蚀反应；
1）混凝土保护层出现了裂缝，环境腐蚀介质易通过裂缝到达钢筋表面而引起 腐蚀；
7.2.2 钢筋混凝土的腐蚀与防护
2）CO2、SO2、酸雨、工业酸性介质等渗入混凝土中，并与所含碱性物质反 应，使其pH＜11.5时，钢筋表面开始活化，钝化膜遭到破坏；
3）混凝土保护层出现了裂缝，环境腐蚀介质易通过裂缝到达钢筋表面而引起 腐蚀；盐酸、NaCl溶液、CaCl2溶液等中的Cl-或亚氯酸盐、硫酸盐、铵盐等 这些物质渗透进混凝土，到达钢筋表面，使钢筋钝化膜活化，引起腐蚀；
7.2.2 钢筋混凝土的腐蚀与防护
(4) 微生物腐蚀 微生物腐蚀是在有氧和水的环境中，细菌（硫杆菌等）可将 硫转变为硫酸，而硫酸可以引起混凝土的分解腐蚀。 (5) 碱集料反应 碱集料反应是指水泥石中的强碱（Na2O和K2O）会与骨料中 的 SiO2 发 生 作 用 ， 在 骨 料 中 形 成 一 层 致 密 的 碱 - 硅 酸 盐 凝 胶 （ 如 Na2SiO3·2H2O），凝胶遇水膨胀，使骨料与水泥石之间的界面胀裂，致使混 凝土破坏。 2. 混凝土中钢筋腐蚀的原因
包镀：铜、黄铜、镍、铝等
金属层
喷镀：锌、铝、铅、铜、铜合金、铁等 渗镀：锌、铝、硅、铬等 浸镀：锌、铝锡等 电镀：锌、镉、锡、镍、铜、铬、银、金合金等 化学镀：镍、铜
非金属层
有机物：漆、树脂、橡胶、沥青等 无机物：珐琅、水泥、耐酸材料等 有色金属的氧化处理
有色金属的钝化处理
钢铁的氧化处理、磷化处理
图7-2 常用保护层的分类
7.2.2 钢筋混凝土的腐蚀与防护
3. 钢筋混凝土的防护措施
1）提高混凝土自身的防护措施。选择优质水泥、增加水泥用量；降低水灰比； 使用优良的外加剂、掺合料、增加混凝土保护层厚度；混凝土表面增设耐腐层， 如涂刷氯磺化聚乙烯涂料等； 2）在满足建筑结构要求的前提下，选择耐蚀性强的材料。如：选用耐蚀水泥； 采用聚合物水泥混凝土（树脂混凝土）等； 3）加入多功能、综合性的钢筋阻锈剂； 4）对钢筋混凝土管道、公路桥梁等采用阴极保护措施。
7.2.3 高分子材料的腐蚀与防护
1. 高分子材料的腐蚀
高分子材料（日常生活常见的塑料、涂料、纤维、橡胶等）由于其结构特 点，在对其进行加工、贮存以及使用的过程中，受到热、光、辐射、气候等环 境和化学环境作用下，导致高分子材料的物理化学性能和机械性能逐渐退化， 直至其使用价值丧失，俗称为“老化”。 2. 高分子材料的腐蚀特点
7.2.1 金属的腐蚀与防护
在酸性溶液中氧的还原反应为：O2 +4H+ +4e 2H2O 在碱性溶液中氧的还原反应为：O2 +2H2O+4e 4OH-
(3) 浓差腐蚀 浓差腐蚀是指由于氧浓度不同而造成的腐蚀。 目前常用的金属防腐的方法有： 1. 改善金属腐蚀性能
尽量地除去或减少金属中的有害杂质；降低金属表面的粗糙度；将不 同金属制成合金，既不改变金属的性能，又可提高金属的耐蚀性能。 2. 改变环境
塑料具有质轻、比强度高、电绝缘和耐腐蚀性等性能优良，且易加工成型。 橡胶通常在-40℃~80℃温度范围内有显著的弹缩性；其抗疲劳、电绝缘、耐化 学腐蚀及耐磨等性能也均良好。
7.1.2 工程材料的特点
纤维具有比重小、强度和弹性高、耐磨和耐酸碱性好、防蛀、防霉等优点。 涂料的成分不同，其性能也不同。胶黏剂根据其用途，可分为具有承载负荷大、 化学稳定性好、耐冷热性能良好的结构胶和承载负荷小、耐热性差的通用胶。 功能性高分子材料是将适当的官能团引进高分子中，生成具有光敏性、导电性、 催化性、生物特性、能量转化性、信息传递、转换或贮存等特定功能的材料； 其应用对计算机超小型化、能源开发等都起到促进作用。 4. 复合材料的特点
金属腐蚀按照腐蚀过程的特点分为物理腐蚀、化学腐蚀和电化学腐蚀。 1.物理腐蚀
指金属由于单纯的物理溶解作用所引起的破坏。 2.化学腐蚀
指金属与环境介质直接发生纯化学反应而引起的变质和损坏。
7.2.1 金属的腐蚀与防护
3.电化学腐蚀
指金属和环境介质因发生电化学作用而引起的破坏；主要形式有析氢腐蚀、 吸氧腐蚀和浓差腐蚀。 (1) 析氢腐蚀 析氢腐蚀，也称为氢去极化腐蚀，是以氢离子还原反应为阴极 过程的腐蚀。当金属的平衡电极电势比氢的平衡电极电势更负时，两电极存在 着一定电势差，金属与氢电极组成腐蚀原电池，阳极反应放出的电子不断地由 阳极流向阴极，致使金属腐蚀，同时不断地析出氢气。 (2) 吸氧腐蚀 吸氧腐蚀，也称为氧去极化腐蚀，是以氧分子还原反应为阴极 过程的腐蚀，是电化学腐蚀的主要形式。大多数金属在中性和碱性溶液中，以 及少数电极电势较正的金属（如Cu）在含有溶解氧的弱酸溶液腐蚀都属于吸氧 腐蚀。