金屬化合物
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中文名: 金屬化合物 外文名: metallic compound 性能特點: 熔點高、硬度高、脆性大 組成元素: 金屬元素與非金屬元素 用 途: 製造合金等 學 科: 材料科學 |
金屬化合物(英語: metal compound )，是指合金中的兩個元素，按一定的原子數量之比相互化合，而形成的具有與這兩元素完全不同類型晶格的化合物。金屬化合物晶格一般比較複雜。通常它們具有高的硬度、熔點和脆性，因此，不能直接使用。金屬化合物在合金中一般起強化作用。[1]
目錄
介紹
各種元素髮生相互作用而形成一種具有金屬特性的物質稱為金屬化合物。金屬化合物的組成一般可用化學式表示。金屬化合物的晶格類型不同於任一組元，一般具有複雜的晶格結構。其性能特點是熔點高、硬度高、脆性大。當合金中出現金屬化合物時，通常能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韌性會降低。金屬化合物是許多合金的重要組成相。
有機金屬化合物指一類有碳直接和金屬組成鍵的化合物。由於不同金屬的特性，此鍵穩定性不同。例如格林尼亞試劑里的鎂原子直接和碳鏈相連，再加上碳比鎂的電負性高；於是鄰近鎂原子的那個碳原子就積聚了較多負電荷，導致這根碳—鎂鍵極具反應活性。
當形成合金的元素其電子層結構、原子半徑和晶體類型相差較大時，易形成金屬化合物（又稱金屬互化物）。金屬化合物的晶體類型不同於它的分組金屬，自成新相。金屬化合物合金的結構類型豐富多樣，有20000種以上，不勝枚舉，有的結構可找到離子晶體或共價晶體的相關型，有的則是獨特的結構類型，如NaTl晶胞是CsCl晶胞的8倍超構；MgCu2是所謂拉維斯相（Laves phase）的一個例子；CaCu5是層狀結構的例子；Nb3Sn結構是重要的合金超導體，同型化合物Nb3Ge實用於高分辨核磁共振儀；MoAl12是具有複雜配位結構的例子。金屬化合物的種類很多， 其晶格類型有簡單的，也有複雜的，根據化 合物結構的特點，可以分為以下三類： （1） 正常價化合物： （2）電子化合物；（3）間 隙化合物。
組成規律
金屬化合物的組成十分複雜，仍有許多規律屬未知領域，已歸納出規律的有兩類：其一是按相當於金屬與非金屬化合的化合價組成，如：Mg2Sn和Mg2Pb,可按周期系「族價」，即Mg是二價元素，Sn、Pb是四價元素來理解。另一類是所謂的電子化合物（electron compounds）其組成決定於兩種金屬的電子數和原子數之比，但電子化合物組成元素的「電子數」的計數不同尋常，也有爭論，被比較普遍接受的規律為：周期系Ⅷ族元素Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir和Pt的「電子數」為零，ⅠB族Cu、Ag、Au為1，ⅡB族Zn、Cd、Hg及ⅡA族Be、Mg為2，ⅢA族Al、In、Ga為3，ⅣA族Si、Ge、Sn、Pb為4，等等，而電子數與原子數之比有三種基本類型：3：2，21：13和7：4，由此可以理解如CuZn、Ag3Al、Cu9Al4、Cu3Sn等等金屬化合物的組成。上述三類電子化合物各具有特定結構，分別成為β，γ和ε相。例如，Cu5Zn8是21：13型電子化合物，是一種很大的立方晶胞，含52個原子，被稱為γ—黃銅型結構，許多化學式原子總數為13的倍數的電子化合物具有此結構，如Fe5Zn21、Cu31Sn8等等。γ和ε相結構從略。
金屬化合物的熱處理
熱處理的目的在於獲得某種有序結構，以改善其塑性和韌性。主要有如下幾種處理方式。
（1）高溫均勻化退火鑄態下的金屬間化合物一般存在着成分偏析和鑄造應力，高溫均勻化退火就是要消除鑄造應力並使合金元素進一步擴散均勻，為下一步處理奠定良好的基礎，該種處理一般在1000℃以上要持續十幾個小時。
（2）油淬為了增加金屬化合物的室溫韌性，常常將其加熱到晶形轉變或相變溫度，然後放入油中進行淬火處理，如對Fe-Al金屬間化合物的典型處理工藝為：加熱至1000℃，保溫5h，然後置入700℃油中冷卻詳見參考文獻。
（3）形變熱處理這是目前為增加金屬化合物韌性而進行的最有效的處理方式，主要是通過鍛造、軋制、擠壓等熱形變處理，使其組織結構發生有利於增加韌性的方向轉變，典型工藝見文獻。
金屬化合物的室溫脆性問題一直是困擾這類材料應用的一個問題。同一成分的合金，由於加工方法不同及工藝參數的改變，最終的顯微組織和力學性能可能相差甚遠，在金屬間化合物的製備中廣泛採用了熱機械處理工藝，採用這種方法能夠得到一般加工處理所達不到的高強度與高塑性良好配合的產品。
發展與應用
在金屬材料中，金屬化合物一直用作金屬基體的強化相。人們通過改變金屬間化合物的種類、分布、析出狀態以及相對含量等來達到控制基體材料性能的目的。由於具有許多獨特的性能，金屬間化合物本身作為一類新型材料正得到日益廣泛的研究和開發。金屬間化合物由於具有耐高溫、抗腐蝕的性能，成為航空、航天、交通運輸、化工、機械等許多工業部門重要結構材料；由於其具有聲、光、電、磁等特殊物理性能，可作為半導體、磁性、儲氫、超導等方面功能材料。特別是用作高溫結構材料的有序金屬間化合物，具有許多良好的力學性能和抗氧化、耐腐蝕以及比強度高等特性，由於其原子的長程有序排列和原子間金屬鍵和共價鍵的共存，使其有可能兼具金屬的塑性和陶瓷的高溫強度，因而極具應用前景。
然而，金屬化合物的脆性妨礙了它的應用。直到80年代初，金屬間化合物韌化研究取得兩大突破性進展，一是日本材料科學研究所的和泉修等在脆性的多晶Ni3Al中加入了質量分數為0.02%～0.05%的B，使材料韌化，室溫拉伸伸長率從近於0提高到40%～50%；二是美國橡樹嶺國家實驗室發現了無塑性的六方D019結構的Co3V中，用Ni、Fe代管部分Co，可使其轉變成面心立方的L12結構，脆性材料變成具有良好塑性的材料。這些進展使人們看到了金屬間化合物高溫結構材料的希望和前景，在世界範圍內掀起一個研究熱潮。
目前作為高溫結構材料的有序金屬間化合物，在國內外進行重點研究並取得重大進展的主要為Ni-Al、Ti-Al以及Fe-Al三個體系的A3B和AB型鋁化物。
金屬化合物合金與組成它的金屬的性質常有較大差別。隨着新技術、新工藝的發展，現已研製出多種新功能材料和結構材料，其中最典型的金屬功能材料有非晶態金屬、形狀記憶合金、減振合金、超導材料、蓄氫合金、超微粉等；新型結構材料有超塑性合金、超高溫合金等。這些金屬材料性能優異，用途廣泛，具有廣闊的應用前景。
參考來源