金屬化合物

　　合金組元件發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。

　　簡介

　　各種元素發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于任一組元，一般具有復雜的晶格結構。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

　　有機金屬化合物指一類有碳直接和金屬組成鍵的化合物。由于不同金屬的特性，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;于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。

　　通論

　　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于它的分組金屬，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實用于高分辨核磁共振儀;MoAl12是具有復雜配位結構的例子。

　　組成規律

　　金屬化合物的組成十分復雜，仍有許多規律屬未知領域，已歸納出規律的有兩類：其一是按相當于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)其組成決定于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術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。

　　應用

　　金屬化合物合金與組成它的金屬的性質常有較大差別。隨著新技術、新工藝的發展，現已研制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。

　　原子簇

　　metal cluster compound

　　以獨立分子狀態存在的金屬原子簇。每個金屬原子簇含有3個或更多金屬原子相互成鍵，它們的分子結構往往是三角形面或其他幾何構型的多面體，骨架內幾乎是空穴，骨架上則被朝外的絡合于金屬原子的配位體所包圍。原子簇金屬化合物的骨架呈巢形或籠狀，例如碳硼烷具有籠狀骨架;多核羰基金屬組成了許多多面體籠狀物;四聚的甲基鋰、七叔丁基異腈合四鎳都是四面體籠狀物。還有5個金屬原子的直至15個金屬原子的原子簇化合物。

　　原子簇分子可以看作是微觀的金屬顆粒，外層被配位體化學吸附著，這些配位體是活動的。骨架的形狀和大小與原子簇的性能有關。原子簇金屬化合物具有選擇催化和活化小分子的性能，例如，某些烴基次甲基九羰基三鈷RCCo3(CO) 9(R為烴基)能引發烯烴的聚合 ，另外一些這類原子簇則可作為氫化甲醛化催化劑。原子簇金屬化合物兼有均相催化劑和多相催化劑的某些優點，比多相催化劑的選擇性高。

　　熱處理

　　概述

　　金屬化合物主要是指金屬元素間、金屬元素與類金屬形成的化合物，各元素間既有化學計量的組分，但其成分又可在一定范圍內變化而形成以化合物為基的固溶體。金屬間化合物以其介于金屬和陶瓷間的優異性能，而成為新型結構材料的重要分支，并獲得廣泛的應用。

　　熱處理方式

　　熱處理的目的在于獲得某種有序結構，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著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并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，然后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，然后置入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于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，由于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，在金屬間化合物的制備中廣泛采用了熱機械處理工藝，采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。

　　發展及應用前景

　　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。由于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。金屬間化合物由于具有耐高溫、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;由于其具有聲、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，由于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于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，在世界范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并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。