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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Company Logo,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,无机非金属材料学,无机非金属材料指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等含氧酸盐为主要组成的材料。,除有,机高分子材料,和,金属材料,以外的所有材料的统称,无机非金属材料,无机非金属材料的分类,传统,(,普通,),无机非金属材料：以硅酸盐为主要成分的材料并包括一些生产工艺相近的非硅酸盐材料,新型,(,特种,),无机非金属材料：主要指,20,世纪以来发展起来的、具有特殊性质和用途的材料,1.,比金属的晶,体结构复杂,无机非金属材料的特性,2.,无自由电子；,3.,具有比金属键和纯共价键稳定的离子键、共,价键及其混合键；,4.,结晶化合物熔点比金属和有机高分子高；,5.,硬度高，抗化学腐蚀性能好；,6.,绝大多数是绝缘体,高温导电能力比金属低；,7.,光学性能优良，制成薄膜时大多是透明的；,8.,比金属的导热性低；,9.,大多数情况下观察不到变形。,10.,抗拉强度低，脆性大；,应用领域,冶金,建筑,日常,生活,电子,化工,能源,尖端科技,医药,无机非金属材料在很多场合,替代,金属材料,或有机高分子材料,材料种类,生产能耗,(10,4,kJ,kg,-1,),钢,3,5,铝,10,15,塑料,6,工业玻璃,0.6,1,工业陶瓷,1.5,2.5,水泥,0.4,不同材料的生产能耗,英国：,经成型、加热硬化而得到的无机材料所构成的制品。,德国,：经高温处理加工具有作为陶瓷制品特有性质的广义非金属制品。,一、陶瓷的定义,1.1,概 述,第一章 陶 瓷,日本：,制造和利用一无机非金属为主要组成的材料或制品的科学及艺术。,凡是采用传统的陶瓷生产方法烧制而成的无机非金属材料或制品均属陶瓷。,法国：,由离子扩散或玻璃相结合起来的晶粒聚集体构成的物质。,美国,：用无机非金属物质为原料，在制造和使用过程中经高温煅烧而成的制品和材料。,1,、按化学成分分类,二、陶瓷的分类,氧化物陶瓷：,碳化物陶瓷：,氮化物陶瓷：,Si,3,N,4,硼化物陶瓷：主要作为添加剂或第二相加入其它陶瓷基体中，达到改善性能的目的。,普通陶瓷,(,传统陶瓷,),：,主要指硅酸盐陶瓷材料，因其占主导地位的化学组成,SiO,2,是以粘土矿物原料引入，所以也称为粘土陶瓷。,2,、按制品的性能特征和用途分类,特种陶瓷,(,精密陶瓷,),：指一些具有特殊物理或化学性能和特殊功能的陶瓷。,种类,化学式,高岭土,Al,2,O,3,2SiO,2,2H,2,O,蒙脱石,Al,2,O,3,4SiO,2,nH,2,O,叶腊石,Al,2,O,3,4SiO,2,H,2,O,多水高岭石,Al,2,O,3,2SiO,2,nH,2,O,伊利石,(K,2,O,3Al,2,O,3,6SiO,2,2H,2,O),nH,2,O,粘土类原料：,含水铝硅酸盐多种微细矿物混合体,（一）原料,1.2,陶瓷的制作原理,作用,1),粘土,-,水混合物具有可塑性，使坯体成型，在干燥和烧成过程中保持其形状和强度；,2),高温下生成莫来石晶体,(3Al,2,O,3,2SiO,2,),，提供良好的耐热急变性和机械强度,叶腊石,Al,2,O,3,4SiO,2,H,2,O,滑石,天然含水硅酸镁矿物,3MgO,4SiO2,H,2,O,1),在较低温度下形成液相，加速莫来石晶体的生长，同时扩大烧成范围，提高白度、透明度，机械强度和化学稳定性；,2),改善釉层弹性，热稳定性，扩宽熔融范围。,长石类原料,种类,化学式,钾长石,K,2,O,Al,2,O,3,6SiO,2,钠长石,Na,2,O,Al,2,O,3,6SiO,2,钙长石,CaO,Al,2,O,3,2SiO,2,钡长石,BaO,Al,2,O,3,2SiO,2,碱金属或碱土金属的铝硅酸盐，呈架状硅酸盐结构。,1),作为熔剂原料，降低烧成温度，同时粘稠的长石熔体具有高温热塑作用和胶结作用，可防止高温变形；,3),釉用原料，提高釉面光泽和使用性能；,2),促进莫来石晶体的生长发育，赋予坯体机械强度和化学稳定性；,4),提高坯体的干燥速率，减小干燥收缩和变形等。,石英类原料：,SiO,2,1),降低坯料的粘度或可塑性，从而减小坯体的干燥收缩，缩短干燥时间，防止坯体变形；,2),烧成时,SiO,2,的体积膨胀起着补偿坯体收缩的作用，冷却后在陶瓷坯体中起着,“,骨架,”,作用；,合成原料,氧化物：,ZrO,2,、,MgO,、,BeO,、,CuO,等；,金属盐：,BaCO,3,、,CaCO,3,、,MgCO,3,等；,氯化物：,CaF,2,、,NH,4,Cl,、,SnCl,2,、,NaCl,等；,其它：,Al(OH),3,、,B,2,O,3,3H,2,O,等。,主要用来配制釉料，用作釉的乳浊剂、助熔剂、着色剂等，满足一些特殊性能陶瓷的生产。,（二）成 型,采用,适当方法,将坯料加工成具有一定,形状,和,尺寸,半成品,的过程,可塑成型,加入水分或塑化剂，将坯料混合，捏合成为具有可塑性的泥料，然后通过手工或成型机械将泥料塑造成一定形状的坯体的方法,实验研究,将含有一定水分的泥浆注入石膏模中，泥浆中水分逐渐被石膏模吸收，泥料沉积在石膏模内壁，逐渐形成泥层并具有石膏模的形状。随时间延长，泥层厚度增加，当达到所需厚度后，倾倒出多余泥浆,制造大型的、形状复杂的、薄壁、精度要求不高的日用陶瓷和建筑陶瓷，这类产品一般不能或很难用其他方法来成型,注浆成型,将含有一定水分的粒状粉料填充到模型中，施加压力，使之形成坯体的方法。,干压成型：粉料的含水率为,3,7,；,半干压成型：粉料的含水率,8,15,；,等静压成型,：采用液体传递压力，使粉料在各 个方向同时均匀受压而致密成型的方法。,压制成型,优点：工艺,简单，坯体收缩小，致密度高，产品尺寸精确，且对坯料的可塑性要求不高,热压铸成型,属于注浆成型，主要利用含蜡浆料加热熔化后具有流动性和塑性，冷却后能在金属模中成为一定形状的坯体的成型方法。,优点：设备简单、操作方便，劳动强度低，生产效率高，模具磨损小。,缺点：工序比较复杂，能耗大，工期长。,适于形状复杂，精度要求高的中小形产品的生产,（三）坯体干燥,水及其存在形式,1,化学结合水,包含在物质结构内部，占据晶格固定位置，结合力强，脱水温度高,2,吸附水,存在于物料微毛细管及固相粒子表面的水，结合较牢,3,自由水,物料与水直接接触所吸收的水分，处于坯料的大毛细管中，结合松弛,热气干燥,以热气向生坯进行对流传热，使坯体排出水分，同时把蒸发出的水带走。,电热干燥,在生坯端面施加工频交变电压，在坯体内产生电流而发热，属于内热式干燥。,高频干燥,以高频或相应的电磁波辐射使生坯内水分子产生驰张式极化，转化为干燥的热能。,干燥的方法,微波干燥,以微波辐射使生坯内水分子运动加剧，转化为热能干燥生坯。,红外辐射干燥,以红外辐射使生坯内水分子的键长和键角振动，偶极剧反复改变，转化为热能。,干燥的目的,提高生坯的强度，便于检查、修坯、搬运、施釉和烧成。,（,a,）（,b,）（,c,）（,d,）,通过高温处理，使坯体发生一系列物理化学变化，形成预期的矿物组成与显微结构，从而达到固定外形尺寸并获得某种特定使用性能的工艺过程。,（四）烧 结,阶段名称,低温阶段,温度范围,室温,300,物理变化,1,、排除自由水、吸附水,2,、质量减小、气孔率增大,化学变化,陶瓷烧结过程中的物理化学变化,阶段名称,氧化分解阶段,温度范围,300,950,物理变化,1,、质量急剧减小；,2,、气孔率进一步增大；,3,、硬度与机械强度增加；,4,、体积稍有变化,化学变化,1,、氧化反应,2,、分解反应,3,、晶型转变,阶段名称,高温阶段,温度范围,950,最高烧成温度,物理变化,1,、强度增加；,2,、气孔率降低至最小值；,3,、体积收缩、密度增大；,4,、色泽变白、光泽增强。,化学变化,1,、继续氧化、分解,2,、形成液相及固相熔融；,3,、形成新结晶相,4,、形成低铁硅酸盐,阶段名称,保温阶段,温度范围,最高烧成温度下维持一段时间,物理变化,坯体结构更为均匀致密,化学变化,1,、液相量增多；,2,、晶体增多长大；,3,、晶体扩散，固、液相分布更为均匀,阶段名称,冷却阶段,温度范围,最高烧成温度室温,物理变化,1,、液相中结晶；,2,、液相过冷；,3,、硬度与机械强度增大；,化学变化,烧结方法,热压烧结：,高温下加压促使坯体加速烧成的方法，是坯体的成型和烧成同时完成的新工艺。,热等静压烧结：,将常温等静压工艺与高温烧结相结合。将粉末压坯或装入包套的粉料放入高压容器中，在高温和均衡压力的作用下，将其烧结为致密体。,真空烧结：,在真空中施加机械压力的烧结方法。,热压烧结,降低烧成温度和缩短烧成时间；产品纯度高，同时可烧成形状比较复杂、尺寸较精确的产品；产品致密度,98,99,。,热等静压烧结,能在较低温度下，较短时间内得到各向完全同性、几乎完全致密的制品；能精确控制制品的最终尺寸；产品致密度基本上达,100,。,真空烧结,可避免气氛中的某些成分的不良作用，防止非氧化物陶瓷的氧化，有利于材料的排气。,三种烧结方法的特点,1.3,陶瓷的结构与性能,一、组织结构,陶瓷显微组织示意图,1,、晶 相,晶相是由原子、离子、分子在空间有规律排列成的结晶相。陶瓷材料的晶相有硅酸盐、氧化物和非氧化物,(,碳化物、氮化物、硼化物,),三大类相。,陶瓷由一种或多种晶相构成，其中的主晶相陶瓷的主要组成部分，决定该材料的性能。,名称,主晶相,性能,刚玉瓷,刚玉,晶格结构紧密、离子键强度高,莫氏硬度,9,熔点,2050,耐化学腐蚀,莫来石瓷,莫来石,刚玉,莫氏硬度,6,熔点,1900,化学稳定性好,PZT,钙钛矿结构,自发极化,压电性能优良,由粘土、长石、石英烧成的陶瓷的析出相大多数是莫来石，一次析出的莫来石为颗粒状，二次析出的莫来石为针状，可提高陶瓷材料的强度,次晶相,和,析出相,对陶瓷性能也有不可忽视的调节作用,晶粒尺寸也是影响陶瓷材料性能的重要因素，一般细晶粒可以阻止裂纹的扩展，提高材料的导热系数，使材料绝缘性能下降。,晶界上由于原子排列紊乱，成为一种晶体的面缺陷。晶界的数量、厚度、应力分布以及晶界上夹杂物的析出情况对材料的性能都会产生很大影响。,晶相中还存在,晶界,和,晶粒内部的细微结构,。,晶粒内部的微观结构包括滑移、孪晶、裂纹、位错、气孔、电畴、磁畴等,把分散的晶相粘结一起，其本身成为连续相,1,填充气孔空隙，提高致密度,2,降低烧结温度,3,抑制晶粒长大，防止晶体的晶形转变,4,获得一定的玻璃特性,5,2,、玻璃相,由高温熔体凝固下来的、结构与液体相似的非晶态固体。,3,、气相（气孔）,陶瓷的性能受气孔的含量、形状、分布等的影响，气孔会降低陶瓷的强度，增大介电损耗，降低绝缘性，降低致密度，降低抗冻性、化学稳定性；提高绝热性和抗震性。,普通陶瓷的气孔率为,5%,10%,，,特种陶瓷和功能陶瓷,5%,以下，,金属陶瓷的,0.5,。,孔的存在形式,1,贯通孔,2,开口孔,3,闭口孔,开口孔对毛细现象和吸水性能影响；贯通孔对透气性和渗透性有重要影响。,1,、刚度,材料在各种不同工作情况下，从开始受力至破坏的全过程中所呈现的力学特征。,二、力学性能,即材料力学中的弹性模量，根据,虎克定律,材料产生单位相对变形所需的应力。表征材料抵抗弹性变形能力的力学性能指标。,材料名称,弹性模量,/MPa,材料名称,弹性模量,/MPa,刚玉晶体,38,10,4,橡胶,6.9,烧结氧化铝,36.6,10,4,塑料,1380,石墨,0.9,10,4,镁合金,4.13,10,4,莫来石瓷,6.9,10,4,铝合金,7.23,10,4,滑石瓷,6.9,10,4,钢,20.7,10,4,碳化钛,39,10,4,金刚石,117.1,10,4,塑性变形是在剪切应力作用下由位错运动引起的密排原子面间的滑移变形。,陶瓷室温下几乎无塑性,，在高温慢速加载条件下，由于滑移系的增多，原子扩散能促进位错运动以及晶界原子的迁移，特别是当组织中存在玻璃相时，陶瓷也能表现出一定的塑性。,2,、塑 性,塑性开始的温度约为,0.5,T,m,（,T,m,为熔点温度）,脆性,不是一个可定义的材料常数，而是一个在很大程度上取决于力学技术要求的性质。,脆性材料受力破坏时，无显著的变形，而是突然断裂，而且断裂面较粗糙，延展率和断面收缩率均较小。,1,钢；,2,脆性材料；,3,聚酯；,3,、脆性和强度,强度,陶瓷的室温强度是弹性变形抗力，即当弹性变形达到极限而发生断裂时的应力。,E,弹性模量；,r,s,形成单位面积新表面的断裂能；,a,原子间平衡距离或晶格常数,陶瓷的实际强度为理论强度的,1/101/100,金属的是,1/31/10,断裂强度的理论值与测定值,材料,理论值,MPa,测定值,MPa,比值,Al,2,O,3,晶须,50000,15400,3.3,铁晶须,30000,13000,2.3,奥氏体型钢,20480,3200,6.4,玻璃,6930,105,66.0,Al,2,O,3,(,蓝宝石）,50000,644,77.6,MgO,24500,301,81.4,Si,3,N,4,（热压）,38500,1000,38.5,Si,3,N,4,(,反应烧结,),38500,295,130.5,陶瓷和金属的抗拉强度和抗压强度,材料,抗拉强度,MPa,抗压强度,MPa,比值,铸铁,FC10,100,150,400,600,1/4,铸铁,FC25,250,300,850,1000,1/3.33.4,化工陶瓷,30,40,250,400,1/8.310,石英玻璃,50,200,1/40,多铝红柱石,125,1350,1/10.8,烧结尖晶石,134,1900,1/14,99%,氧化铝,265,2990,1/11.3,烧结,B,4,C,300,3000,1/10,硬度可作为材料耐磨性的间接评价指标，,硬度越大，耐磨性能越好。,表示材料抵抗其他物体刻划或压入其表面的能力。,4,、硬度,莫氏硬度：采用刻划法测定的硬度值。,维氏硬度：采用压入法测定的硬度值。,莫氏硬度（维氏硬度）,1/3,常见材料的硬度,材料名称,硬度,/Hv,材料名称,硬度,/Hv,塑料,17,氧化铝,1500,镁合金,30,40,碳化钛,3000,铝合金,170,金刚石,6000,10000,三、热学性能,1,、导热性,室温时金属材料的热导率在,4.2,4187W/(m,K),硅酸盐材料的热导率约为,4.2 W/(m,K),陶瓷的导热性比金属差,热导率：,单位温度梯度下单位时间内通过单位垂直面积的热量。,热膨胀系数与晶体结构和结合键类型相关,温度升高时物质原子振动振幅增加及原子间距增大所导致的体积或长度增大现象。,2,、热膨胀,键强度高的材料，热膨胀系数低；,晶体结构致密的晶体，热膨胀系数大。,陶瓷的热膨胀系数比金属和高聚物的小很多,材料承受温度急剧变化而不发生失效的能力，,一般用试样急冷到水中不破裂所能承受的最高温度，或以一定温差范围内材料抗热震的次数来表示。,3,、热稳定性,(,抗热震性,),热稳定性与热膨胀系数和导热性等有关。,线膨胀系数大、导热性低、韧性低的材料，其热稳定性低,陶瓷材料的热稳定性比金属低得多,耐火性,陶瓷的结构非常稳定，在以离子晶体为主的陶瓷中，金属原子为氧原子所包围，被屏蔽在其紧密排列的间隙中，很难再同介质中的氧发生作用，甚至在,1000,以上的温度下也是如此，所以陶瓷具有很好的耐火性能或不可燃性能。,化学稳定性,陶瓷对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抗侵蚀能力，与许多金属的熔体也不发生作用，是化学稳定性很高的材料。,电学性能,大多数陶瓷是良好的绝缘体，但也有一些陶瓷是重要的半导体,1.4,普通陶瓷及其应用,陶器,坯体断面粗糙无光，气孔率和吸水率较大，敲之声音粗哑沉闷,炻器,介于陶器和瓷器之间,瓷器,坯体致密细腻，有一定光泽，半透明，基本不吸水，敲之声音清脆,一、不致密的陶瓷材料（陶器）,普通陶器：,吸水率,15,，粒度,0.2,2mm,日用陶质器皿、碗,粗陶器：,吸水率,15,，坯料粒度,2,2.5mm,砖瓦、盆罐、陶管及建筑琉璃制品,精陶器：,吸水率,12,，粒度,0.1,0.2mm,釉面砖、美术陶器,二、致密陶瓷材料,1,炻 器,炻器是用一种特殊的粘土（炻器粘土）,以长石、斑岩或玄武岩为助熔剂制成。,吸水率,3,烧结温度：,1150,1400,建筑,锦砖，彩釉砖，劈离砖，污水管,化工,耐酸塔、耐酸砖,日用,餐具、茶具、紫砂,炻器的性能,1,）机械强度较高：抗压强度,568,800MPa,，,抗拉强度,11,52MPa,，抗折强度,40,96MPa,；,2,）莫氏硬度,7,；,3,）较低的导热系数,0.9,1.5W/m,K,；,4,）热稳定性：,180,热交换一次不裂；,5,）良好的化学稳定性，除氢氟酸外，炻器的抗酸性比抗碱性强。,2,、瓷 器,硬质瓷：,机械强度较高，介电性能良好，化学稳定性和热稳定性高，釉面硬度高。,传统硬质瓷的坯料组成,：,高岭土和粘土,50,长石,25,石英,25,烧结温度,1320,1450,坯料含碱性氧化物少，,Al,2,O,3,含量高。,熔剂含量较高,3545%,熔剂：长石、方解石、白云石、菱镁矿,滑石、骨灰或磷灰石,坯体的玻璃相多，透明度高，多用于制造高级餐茶具及陈设装饰瓷。,软质瓷,烧成温度较低,1150,1300,区别,普通陶瓷,特种陶瓷,原料,天然矿物原料,人工精制合成原料,成型,注浆、可塑成型为主,热压铸、注射、流延、等静压成型为主,烧成,温度,1100-1350,燃料煤、油、气为主,结构陶瓷需,1600,高温烧结，,功能陶瓷需精确控制烧成温度，燃料以电、气、油为主,性能,以外观效果为主,以内在质量为主，常呈现耐磨、耐腐蚀、耐高温等特性,加工,一般不需加工,常需切割、打孔、研磨和抛光,用途,炊、餐具、陈设品,宇航、能源、电子、冶金、交通,1.4,特种陶瓷及其应用,一、结构陶瓷,用作结构材料使用的陶瓷材料，主要利用材料具有的耐高温、耐摩擦、耐腐蚀以及高强度、高硬度等力学和热学方面的优异性能。,氧化物陶瓷,非氧化物陶瓷,复合陶瓷,1,、氧化铝陶瓷,以,Al,2,O,3,为主要原料，以刚玉,(,-Al,2,O,3,),为主要矿物组成,高铝瓷：,Al,2,O,3,含量在,85,以上的陶瓷,刚玉瓷：,Al,2,O,3,含量在,99,以上的陶瓷,特性及应用,强度高：,烧结产品,250MPa,热压产品,500MPa,装置瓷 机械构件,电阻率高，电绝缘性能好,基板、管座、火花塞,导弹和雷达天线保护罩,熔点高,(2050,),，抗腐蚀,能较好地抗,Sr,、,Ni,、,Ta,、,Mn,、,Co,、,Fe,等熔融金属的侵蚀，对玻璃、碱、炉渣的侵蚀也有很高的抵抗力，在惰性气氛中不与,Si,、,P,、,Sb,、,Bi,作用。,耐火材料、炉管、热电偶保护套,硬度高,(9),，抗磨损,刀具、,磨具、磨料、轴承、人造宝石、防弹材料,化学稳定性优良,许多复合的硫化物、磷化物、砷化物、氮化物、溴化物、干氟化物以及硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸不与其作用,坩埚、人体关节、人工骨,光学特性,可以制成透光材料，制造,Na,蒸汽灯管、微波整流罩、红外窗口、激光振荡元件,2,、氧化锆陶瓷,纯,ZrO,2,为白色，含杂质时呈黄色或灰色，一般含有,HfO,2,，不易分离。,氧化锆通常是由锆矿石提纯制得。,ZrO,2,的晶型,单斜,-ZrO,2,1170,四方,-ZrO,2,2370,立方,ZrO,2,950,三种晶型的密度,(g/cm,3,),：,单斜,5.68,；四方,6.1,；立方,6.27,。,ZrO,2,增韧陶瓷,利用,ZrO,2,陶瓷从四方相转变成单斜相时的体积变化,(,35,),使陶瓷材料增韧。,当,ZrO,2,颗粒弥散在陶瓷基体中，由于两者具有不同的热膨胀系数，烧结后冷却时，,ZrO,2,颗粒周围就会有不同的受力情况。当,ZrO,2,颗粒受到基体的压抑，其相变受到压制，开始温度向低温方向移动。,当基体对,ZrO,2,颗粒有足够的压应力，而,ZrO,2,颗粒的粒度又足够小时，其相变温度可降至室温以下，这样在室温时,ZrO,2,颗粒仍保持四方相。,当材料受到外应力时，基体对,ZrO,2,的压抑作用松弛，,ZrO,2,颗粒即发生四方相到单斜相的转变，并在基体中引起微裂纹，从而吸收主裂纹扩展的能量，阻碍裂纹扩展，起到增韧的作用。,ZrO,2,的特点及应用,熔点高,(,纯,ZrO,2,熔点,2715),、化学稳定性好、高温时仍能抵抗酸性及中性物质的侵蚀，比热和导热系数小，高温下具有较大的离子电导率。,熔炼铱、钯、钌等贵金属的坩埚；,高温发热元件，氧化气氛工作温度,2000-2200;,测氧探头及磁流体发电机组的高温电极材料,;,高级耐火材料，用于钢水连续铸锭,;,Si,3,N,4,陶瓷是共价键化合物晶型：,和,，两者均为六方晶系。,3,、氮化硅陶瓷,特性,硬度高，仅次于金刚石、碳化硼等；,室温强度不高，但高温强度较高；,热膨胀系数小，抗热冲击性能好；,化学性质稳定，,1200,以下不被氧化；,几乎不受各种无机酸的腐蚀，常温不受强碱作用，但受熔碱作用,不被,Al/Pb/Sn/Ag/Ni,等多种熔融金属或合金浸润，但能被,Mg/Ni-Cr,合金,/,不锈钢等腐蚀,摩擦系数小，有自润滑性。,用途,机械工业,：高速车刀、轴承、汽轮机叶片、永久性模具等；,冶金工业,：坩锅、炉具、铸模等；,化学工业：,密封环,电子和空间,：电路基片、雷达天线罩等,三、功能陶瓷,电子陶瓷：,用作电子技术中的各种元器件的陶瓷材料。,磁性陶瓷：,主要指铁氧体陶瓷，以氧化铁和其它铁族或稀土氧化物为主要成分。,导电陶瓷：,在一定温度、压力等条件下，能产生电子,(,或空穴,),电导或离子电导的陶瓷材料。,光学陶瓷：,具有压电透光性的多晶烧结体。,生物陶瓷：,用于生命医学领域的陶瓷材料。,压电陶瓷,反之，在某些材料上施加电场，会产生机械变形，而且其应变与电场强度成正比，这称为逆压电效应。,压电效应,某些材料在机械力作用下产生变形，引起表面带电的现象，而且其表面电荷密度与应力成正比，这称为正压电效应。,正压电和逆压电效应统称为压电效应。,五十年代开始研制压电变压器，当时以钛酸钡为主要材料，升压比较低,(50,60,倍,),。输出电压,3000,伏左右。随着锆钛酸铅压电陶瓷材料的出现，升压比提高到,300,500,倍，逐步推广应用于电视机、静电复印机、负离子发生器中做为高压电源。,压电陶瓷的应用,压电变压器,基本原理：,输入压电瓷片的电振动能量通过,逆压电效应,转换成机械振动能，再通过,正压电效应,又换成电能。在这两次能量转换中实现阻抗变换（由低阻抗变成高阻抗），从而在陶瓷片的谐振频率上获得高的电压输出。,声音转换器,压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等。,如儿童玩具上的蜂鸣器就是电流通过压电陶瓷的压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。,如电子音乐贺卡，就是通过压电效应把机械振动转换为交流电信号,压电打火机,只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气，不仅使用方便，安全可靠，而且寿命长，例如一种锆钛酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用,100,万次以上。,“,陶瓷耳,”,地震是毁灭性的灾害，而且震源始于地壳深处，以前很难预测，使人类陷入了无计可施的尴尬境地。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离,第二章,玻璃,2.1,概 述,一、玻璃的定义,狭义定义：,由熔融物在冷却过程中不发生结晶的无机物质,玻璃是具有玻璃转变点的非晶态固体材料。,元素玻璃：,由单一元素的原子构成的玻璃。,氧化物玻璃,：借助于氧桥形成聚合结构的玻璃。,非氧化物玻璃,卤化物：由卤族元素作为连接桥。,硫族化合物：除氧以外的第六族元,素桥连接各种结构单元形成。,二、玻璃的分类,1,、按组成分类,建筑玻璃,日用轻工玻璃,仪器玻璃,光学玻璃,电真空玻璃,2,、按应用分类,光学性质玻璃,热学性质玻璃,电学性质玻璃,力学性质玻璃,化学稳定性玻璃,3,、按性能分类,三、玻璃的共性,均质玻璃在任何方向上都具有相同的性质，玻璃结构中存在内应力除外。,玻璃表面与内部性质也不相同。,玻璃的各向同性是其内部质点无序排列而呈现统计均质结构的外在表现。,1,、各向同性,动力学稳定状态,：由于玻璃常温粘度大，阻碍内部质点调整为规则排列以释放内能。,2,、介稳性,热力学不稳定状态,：与同组成的晶体相比，玻璃系统内能尚未处于最低值，有自发向晶体转化的趋势。,3,、无固定熔点,（固态和熔融态间转化的渐变性和可逆性）,玻璃态物质由熔体向固体转化的过程是在较宽温度范围内完成，因此，玻璃没有固定的熔点，只有一个软化温度范围。,同样，玻璃加热变为熔体的过程也是渐变的，具有可逆性。,ABCD,：晶体的变,化曲线；,ABKFE,：玻璃的变,化曲线。,T,B,：熔点；,T,f,：玻璃软化温度；,T,g,：玻璃转变温度。,温度变化快慢对玻璃的性质有影响：快冷比慢冷形成的玻璃体积大。,T,f,4,、性质随成分变化的连续性和渐变性,R,2,O-SiO,2,系统,玻璃弹性模量,的变化,1,Li,2,O,2,Na,2,O,3,K,2,O,2.3,玻璃的结构,玻璃的结构,：是指玻璃中质点在空间的几何配置、有序程度以及彼此间的结合状态。,玻璃,结构特点,：,近程有序，远程无序。,玻璃的结构与相应的晶体结构相似，即形成氧离子多面体，多面体间顶角相连形成三维空间网络结构。它们的结构单元相同，但不同的是玻璃的网络排列是,不规则的，非周期性的,，因而其内能大于晶体。,1932,年，查哈里阿生,1,、无规则网络学说,石英晶体结构模型,石英玻璃结构模型,A,、,多面体中阳离子的配位数,要小，为,3,4,。,B,、,每个,O,最多与两个网络形成离子相连。,C,、,多面体共点而不共棱或共面。,D,、,多面体至少有3个角与其它相邻多面体,共用。,氧化物要形成玻璃必须具备四个条件,能单独形成玻璃，在玻璃中能形成各自特有的网络体系的氧化物，称为玻璃网络形成体。其正离子称为网络形成离子,(F),，,F-O,键是共价键与离子键的混合键，单键强,335 kJ/mol,，构成的配位多面体,FO,4,或,FO,3,一般以顶角相连。,RO,2,、,R,2,O,3,、,R,2,O,5,型氧化物符合条件。,玻璃网络形成体,：,单键能,250 kJ/mol,，这类氧化物不能形成玻璃，而是改变网络结构，从而使玻璃性质改变，其正离子称为网络外离子,(M),，,M-O,多为离子键，,单建强,335kj/mol(,或,80kcal/mol),的氧化物,网络形成体。,(2),单键强度,0.05,Kcal/mol,易形成玻璃；,单键强度,/T,m.p,0.05,Kcal/mol,不易形成玻璃。,可以说明：熔点低的氧化物易于形成玻璃，如，,B,2,O,3,不易析晶！,二、玻璃的形成方法,1.,熔体冷却法,缺点,：冷却速度较慢，一般,40,60K/h,。,近代有各种,超速冷却,法，冷却速度达10,6,10,8,K/sec(,实验室急冷达,1,10K/s),用以制造,Pb,Si,Au,Si,Ge,金属玻璃，,V,2,O,5,，,WO,3,玻璃(,一般均为薄膜,),。,将玻璃原料加热、熔融，并将透明的熔体在高温下澄清、均化，然后在常规条件下冷却而成固态玻璃物质。,2.,非熔融法,例：,化学气相沉积“,CVD”,制取各种薄膜和涂层；,用高速中子或,粒子轰击晶体材料使之无定形化的“,辐照法”；,用“,凝胶”法，由水解和缩聚过程可以形成块薄膜或纤维，大大扩大了玻璃的种类和使用范围。,3.,气相转变法,“,无定形薄膜”；,把,晶相,转变所得的玻璃态物质称,“,无定形固体,”；把,液相,转变所得的玻璃态物质称,“,玻璃固体,”。,其差别在于形状和近程有序程度不同,。,二、玻璃的成分,种类,SiO,2,A1,2,O,3,CaO,MgO,B,2,O,3,PbO,Na,2,O,K,2,O,平板玻璃,71,73,0.5,2.5,6.0,10.0,1.5,4.5,2.1,14,16,瓶罐玻璃,70,75,1,5.0,5.5,9.0,0.2,2.5,13.5,17,灯泡壳玻璃,73.1,0.3,4.0,2.7,0.8,14.5,15.5,无碱玻璃纤维,54.0,0.5,2.5,16.0,4.0,8.5,0.5,高硅氧玻璃,96.3,0.4,2.9,0.2,化学成分,作 用,SiO,2,提供耐热、耐压、脆性、化学稳定性和透明度,Na,2,O K,2,O,降低玻璃粘度，有利于熔化和成型,CaO MgO,降低玻璃的析晶倾向，提高化学稳定性和抗张强度。,Al,2,O,3,降低析晶倾向，提高化学稳定性，但增大玻璃液粘度，量过多不利于熔化。,Fe,2,O,3,有害杂质，使玻璃上绿色，透光率下降。,硅 砂,引入,SiO,2,的原料,砂 岩,长 石,引入,Al,2,O,3,的原料,高岭土,白云石,引入,CaO,和,MgO,的原料,石灰石,纯 碱,引入,Na,2,O,的原料,芒 硝,1,、主要原料,2,、辅助原料,澄清剂,在熔制过程中能分解产生气体，或能降低玻璃粘度促使气泡排除的原料。,氧化砷和氧化锑：与硝酸盐组合在低温吸收,氧气，在高温放出氧气。,硫酸盐：主要有芒硝，高温分解逸出气体。氟化物：萤石及氟硅酸钠，降低玻璃液粘度。,脱色剂,减弱铁化合物对玻璃着色的影响。,化学脱色剂：使,Fe,2+,氧化成,Fe,3,。,物理脱色剂：通过引入适当地着色剂来“中和”原来玻璃的颜色，使玻璃变成白色或灰色。,还原剂,碳粉，使芒硝的分解温度大大降低。,助熔剂,使玻璃熔制过程加速的原料。常用萤,石作助熔剂,1200,),烧结物熔融，变为含有大量气泡、极不均匀的透明玻璃液。在该阶段，各种硅酸盐烧结物进一步熔融并相互扩散，没有反应完的石英颗粒往熔体中溶解和扩散。,3,）玻璃液的澄清,（,1400,1500,）,在玻璃中建立气体平衡，除去肉眼可见的,气体夹杂物，清除玻璃中气孔组织的过程。,4,）玻璃液的均化,目的：消除玻璃液中各部分的化学组成不均匀性，使达到均匀一致。,玻璃液的均化主要靠扩散和对流作用。,5,）玻璃液的冷却,（,1000,）,通过降温，使已均化良好玻璃液粘度增加到适于成型所需的范围过程。,浮 法,4,、成型,玻璃中的热应力,暂时应力,：随着温度梯度的存在而存在的热,应力。,永久应力,：常温下玻璃内外层温度均衡后，,即温度梯度消失后仍然残留的热应力。,5,、玻璃的退火,消除或减小玻璃中热应力至允许值的热处,理过程。,性质,温度,Tg,T,f,第一类性质：电导、比容、粘度,第二类性质：热容、膨胀系数、密度、折射率,第三类性质：导热系数和弹性系数,2.4,玻璃的物理性能,一、粘 度,=,F,/,S,=,d,v,/,dx,比例系数,称为粘度，,定义为使相距一定距离的两个平行平面以一定速度相对移动所需的内摩擦力，单位为帕秒（,Pa,s,）,粘度的影响因素,玻璃的粘度随温度降低而增大，从玻璃液到固态玻璃的转变，粘度是连续变化的。,温度,玻璃的料性：,粘度随温度变化的快慢，是玻璃生产中很重要的指标。粘度随温度变化快的玻璃称为短性玻璃，反之称为长性玻璃。,组 成,组成通过改变熔体结构而对粘度发生影响。组成不同质点间相互作用力不同，熔体结构情况也会改变，玻璃的粘度也互相不同。,二、玻璃的其他性质,玻璃内几乎无孔隙，属于致密材料。,1,、密度,石英玻璃的密度最小，仅为,2.2 g/cm3,，而含大量氧化铅的重火石玻璃可达,6.5g/cm3,，普通玻璃的密度为,2.5,2.6g,cm3,。,密度与化学组成关系密切，还与温度有关。,当光线入射玻璃时可发生三种现象：,透射、吸收和反射,，其能力大小分别用透射比、反射比、吸收比表示。,2,、光学性质,玻璃越厚，成分中铁含量越高，透射比越低，采光性越差。,反射比越高，玻璃越刺眼，容易造成光污染。光线入射角越小，玻璃表面越光洁平整，光反射越强。,玻璃对光的吸收取决于玻璃的厚度和颜色。,3,、热学性质,导热性：,玻璃的导热性很小，常温时与陶瓷制品相当，而远低于金属材料。但随着温度的升高将增大。,热膨胀性：,热膨胀系数的大小取决于玻璃的化学成分及其纯度，玻璃的纯度越高热膨胀系数越小，不同成分的玻璃热膨胀性差别很大。,热稳定性：,玻璃抗急热的破坏能力比抗急冷破坏的能力强。,玻璃的热稳定性主要受热膨胀系数影响。,玻璃热膨胀系数越小，热稳定性越高。玻璃越厚、体积越大，热稳定性越差；带有缺陷的玻璃，特别是带结石、条纹的玻璃，热稳定性也差。,4,、力学性质,抗压强度：,玻璃的抗压强度较高，超过一般的金属和天然石材，一般为,600,1200MPa,。其抗压强度值会随着化学组成的不同而变化。,抗拉强度：,玻璃的抗拉强度很小，一般为,40,80MPa,，因此，玻璃在冲击力的作用下极易破碎。,抗弯强度,：,取决于抗拉强度，通常在,40,80MPa,之间。,弹性：,常温玻璃弹性很好，普通玻璃的弹性模量为,60000,75000MPa,，约为钢材的,1/3,，与铝相近。,硬度：,莫氏硬度一般在,4,7,之间，接近长石的硬度。玻璃的硬度因其工艺、结构不同而不同,将加有成核剂的特定组成的基础玻璃，在一定温度下热处理后，变成加有微晶体和玻璃相均匀分布的复合材料，称为微晶玻璃。,一、微晶玻璃,2.4,新型玻璃,微晶玻璃的性能和用途,性 能,用 途,低膨胀、耐高温、耐热冲击,天文反射望远镜、炊具、餐具、,高强度,汽车、飞机、火箭的结构材料、墙体材料、饰面材料,高硬度耐磨,轴承、切削工具、研磨设备内衬,耐腐蚀,化工管道、高级化工产品生产设备,易机械加工,可机械钻孔、切削，生产要求耐腐蚀、耐热冲击及加工精度高的部件,光导纤维是光纤通讯的传输介质，利用有特殊光学性能的纤维来传递光束或图像等信息。,光纤有纤维芯和纤维包皮组成，一般呈圆柱形，直径从几微米至几百微米，光被约束在纤维内曲折向前传播。,二、光导纤维,光学纤维可分为阶跃型和梯度型二类。,阶跃型光学纤维：,由芯子和包覆芯子的包层组成，其中芯子是高折射率玻璃，它的直径为,10-50m,，包层是低折射率玻璃。光一边在芯子中传输，一边在芯子与包层之间发生界面全反射。,梯度型光学纤维：,折射率在芯部最高，随着向周围靠近，折射率呈抛物线形式减小。入射光与纤维轴具有一定角度的光在到达光学纤维外面之前，就被折射回到内侧，达不到纤维界面，而在光纤内传输。,光纤光缆,普通电缆,信息量大，每根光缆上理论上可同时通过,10,亿路电话,8,管同轴电缆每条通话,1800,路,原料来源广，节约有色金属,资源较少,质量小，每,km27g,，不怕腐蚀，铺设方便,每,km1.6t,成本低，每,km 10 000,元左右,每,km 200 000,元左右,性能好，抗电磁干扰保密性强，能防窃听，不发生电辐射,光导纤维的特性及应用,抗干扰性能好，不发生辐射；通讯质量好；质量轻、耐腐蚀。主要用于通讯、医疗、信息处理、遥测遥控等。,加水拌和成塑性浆体后，能,胶结砂、石,等适当材料并能在,空气和水中硬化,的,粉状,水硬性胶凝材料。,通用水泥,：用于一般土木建筑工程的水泥,专用水泥,：有专门用途的水泥。,特性水泥,：某种性能比较特殊的一类水泥,第三章 水 泥,3.1,硅酸盐水泥的组成及性质,由硅酸盐水泥,熟料,、,石灰石或粒化高炉矿渣,、适量,石膏,磨细制成的水硬性胶凝材料。,I,型硅酸盐水泥,：,不掺混合材，代号为,P,I,；,II,型硅酸盐水泥,