金属化合物

　　合金组元件发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。金属化合物的组成一般可用化学式表示。

　　简介

　　各种元素发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。金属化合物的组成一般可用化学式表示。金属化合物的晶格类型不同于任一组元，一般具有复杂的晶格结构。其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。金属化合物是许多合金的重要组成相。

　　有机金属

　　有机金属化合物指一类有碳直接和金属组成键的化合物。由于不同金属的特性，此键稳定性不同。例如格林尼亚试剂里的镁原子直接和碳链相连，再加上碳比镁的电负性高;于是邻近镁原子的那个碳原子就积聚了较多负电荷，导致这根碳—镁键极具反应活性。

　　通论

　　当形成合金的元素其电子层结构、原子半径和晶体类型相差较大时，易形成金属化合物(又称金属互化物)。金属化合物的晶体类型不同于它的分组金属，自成新相。金属化合物合金的结构类型丰富多样，有20000种以上，不胜枚举，有的结构可找到离子晶体或共价晶体的相关型，有的则是独特的结构类型，如NaTl晶胞是CsCl晶胞的8倍超构;MgCu2是所谓拉维斯相(Laves phase)的一个例子;CaCu5是层状结构的例子;Nb3Sn结构是重要的合金超导体，同型化合物Nb3Ge实用于高分辨核磁共振仪;MoAl12是具有复杂配位结构的例子。

　　组成规律

　　金属化合物的组成十分复杂，仍有许多规律属未知领域，已归纳出规律的有两类：其一是按相当于金属与非金属化合的化合价组成，如：Mg2Sn和Mg2Pb,可按周期系“族价”，即Mg是二价元素，Sn、Pb是四价元素来理解。另一类是所谓的电子化合物(electron compounds)其组成决定于两种金属的电子数和原子数之比，但电子化合物组成元素的“电子数”的计数不同寻常，也有争论，被比较普遍接受的规律为：周期系Ⅷ族元素Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir和Pt的“电子数”为零，ⅠB族Cu、Ag、Au为1，ⅡB族Zn、Cd、Hg及ⅡA族Be、Mg为2，ⅢA族Al、In、Ga为3，ⅣA族Si、Ge、Sn、Pb为4，等等，而电子数与原子数之比有三种基本类型：3：2，21：13和7：4，由此可以理解如CuZn、Ag3Al、Cu9Al4、Cu3Sn等等金属化合物的组成。上述三类电子化合物各具有特定结构，分别成为β，γ和ε相。例如，Cu5Zn8术21：13型电子化合物，是一种很大的立方晶胞，含52个原子，被称为γ—黄铜型结构，许多化学式原子总数为13的倍数的电子化合物具有此结构，如Fe5Zn21、Cu31Sn8等等。γ和ε相结构从略。

　　应用

　　金属化合物合金与组成它的金属的性质常有较大差别。随着新技术、新工艺的发展，现已研制出多种新功能材料和结构材料，其中最典型的金属功能材料有非晶态金属、形状记忆合金、减振合金、超导材料、蓄氢合金、超微粉等;新型结构材料有超塑性合金、超高温合金等。这些金属材料性能优异，用途广泛，具有广阔的应用前景。

　　原子簇

　　metal cluster compound

　　以独立分子状态存在的金属原子簇。每个金属原子簇含有3个或更多金属原子相互成键，它们的分子结构往往是三角形面或其他几何构型的多面体，骨架内几乎是空穴，骨架上则被朝外的络合于金属原子的配位体所包围。原子簇金属化合物的骨架呈巢形或笼状，例如碳硼烷具有笼状骨架;多核羰基金属组成了许多多面体笼状物;四聚的甲基锂、七叔丁基异腈合四镍都是四面体笼状物。还有5个金属原子的直至15个金属原子的原子簇化合物。

　　原子簇分子可以看作是微观的金属颗粒，外层被配位体化学吸附着，这些配位体是活动的。骨架的形状和大小与原子簇的性能有关。原子簇金属化合物具有选择催化和活化小分子的性能，例如，某些烃基次甲基九羰基三钴RCCo3(CO) 9(R为烃基)能引发烯烃的聚合 ，另外一些这类原子簇则可作为氢化甲醛化催化剂。原子簇金属化合物兼有均相催化剂和多相催化剂的某些优点，比多相催化剂的选择性高。

　　热处理

　　概述

　　金属化合物主要是指金属元素间、金属元素与类金属形成的化合物，各元素间既有化学计量的组分，但其成分又可在一定范围内变化而形成以化合物为基的固溶体。金属间化合物以其介于金属和陶瓷间的优异性能，而成为新型结构材料的重要分支，并获得广泛的应用。

　　热处理方式

　　热处理的目的在于获得某种有序结构，以改善其塑性和韧性。主要有如下几种处理方式。

　　(1)高温均匀化退火铸态下的金属间化合物一般存在着成分偏析和铸造应力，高温均匀化退火就是要消除铸造应力并使合金元素进一步扩散均匀，为下一步处理奠定良好的基础，该种处理一般在1000℃以上要持续十几个小时。

　　(2)油淬为了增加金属化合物的室温韧性，常常将其加热到晶形转变或相变温度，然后放入油中进行淬火处理，如对Fe-Al金属间化合物的典型处理工艺为：加热至1000℃，保温5h，然后置入700℃油中冷却详见参考文献。

　　(3)形变热处理这是目前为增加金属化合物韧性而进行的最有效的处理方式，主要是通过锻造、轧制、挤压等热形变处理，使其组织结构发生有利于增加韧性的方向转变，典型工艺见文献。

　　金属化合物的室温脆性问题一直是困扰这类材料应用的一个问题。同一成分的合金，由于加工方法不同及工艺参数的改变，最终的显微组织和力学性能可能相差甚远，在金属间化合物的制备中广泛采用了热机械处理工艺，采用这种方法能够得到一般加工处理所达不到的高强度与高塑性良好配合的产品。

　　发展及应用前景

　　在金属材料中，金属化合物一直用作金属基体的强化相。人们通过改变金属间化合物的种类、分布、析出状态以及相对含量等来达到控制基体材料性能的目的。由于具有许多独特的性能，金属间化合物本身作为一类新型材料正得到日益广泛的研究和开发。金属间化合物由于具有耐高温、抗腐蚀的性能，成为航空、航天、交通运输、化工、机械等许多工业部门重要结构材料;由于其具有声、光、电、磁等特殊物理性能，可作为半导体、磁性、储氢、超导等方面功能材料。特别是用作高温结构材料的有序金属间化合物，具有许多良好的力学性能和抗氧化、耐腐蚀以及比强度高等特性，由于其原子的长程有序排列和原子间金属键和共价键的共存，使其有可能兼具金属的塑性和陶瓷的高温强度，因而极具应用前景。

　　然而，金属化合物的脆性妨碍了它的应用。直到80年代初，金属间化合物韧化研究取得两大突破性进展，一是日本材料科学研究所的和泉修等在脆性的多晶Ni3Al中加入了质量分数为0.02%～0.05%的B，使材料韧化，室温拉伸伸长率从近于0提高到40%～50%;二是美国橡树岭国家实验室发现了无塑性的六方D019结构的Co3V中，用Ni、Fe代管部分Co，可使其转变成面心立方的L12结构，脆性材料变成具有良好塑性的材料。这些进展使人们看到了金属间化合物高温结构材料的希望和前景，在世界范围内掀起一个研究热潮。

　　目前作为高温结构材料的有序金属间化合物，在国内外进行重点研究并取得重大进展的主要为Ni-Al、Ti-Al以及Fe-Al三个体系的A3B和AB型铝化物。