无机材料教学教程.ppt

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,*,*,第五讲,无机材料,第一节 材料科学发展概况,无机材料包括金属材料和无机非金属材料,(,陶瓷材料,),。,人类社会划分为石器时代、青铜器时代和铁器时代等。,(,有人认为,其中还有玉石时代,),旧石器时代可追溯到公元前,10,万年左右。公元前,6000,年，人类发明了火，掌握了钻木取火的技术。有了火，不仅可以熟食、取暖、照明和驱兽，还可以烧制陶器。陶瓷材料的发明和应用，创造了新石器时代的仰韶文化，后来在制陶技术的基础上又发明了瓷器。,人们在大量地烧制陶瓷的实践中，熟练地掌握了高温加工技术，利用这种技术来烧炼矿石，逐渐冶炼出铜及其合金青铜。可以说这是人类社会最早出现的金属材料，它使人类社会从新石器时代转入到青铜器时代。,炼铜技术发展为炼铁。用铁作为材料来制造农具，使农业生产力得到空前的提高，并促使奴隶社会解体和封建社会兴起。,18,世纪发明了蒸汽机，爆发了产业革命。社会经济的发展推动和促进了以钢铁为中心的金属材料大规模发展，有力地摧毁了封建社会的生产方式，萌发了资本主义社会。,第二次世界大战后各国致力于恢复经济，发展工农业生产，对材料提出质量轻、强度高、价格低等一系列新的要求。具有优异性能的工程塑料部分地代替了金属材料，合成纤维、合成橡胶、涂料和胶粘剂等都得到相应的发展和应用。合成高分子材料的问世是材料发展中的重大突破，从此以金属材料、陶瓷材料和合成高分子材料为主体，建立了完整的材料体系，形成了材料科学。,发展高新技术的关键往往与材料有关，因此新型材料的开发本身就成为一种高新技术，其标志技术是材料设计或分子设计，即根据需要来设计具有特定功能的新材料。材料的重要性已被人们充分地认识，能源、信息和材料已被公认为当今社会发展的三大支柱。,化学是材料发展的源泉 化学是在原子分子水平上研究物质的组成、结构、性能、变化及应用的学科。人类的衣、食、住、行以及工业、农业、医药、卫生、环境等各行各业都需要化学物质的支持，因此人们称化学是一门中心科学，它与社会各方面的物质需要密切相关。,材料可按不同的方法分类。,若按用途分类，可将材料分为结构材料和功能材料两大类。结构材料主要是利用材料的力学和理、化性质，广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输和能源等各个工业部门。功能材料则利用材料的热、光、电、磁等性能，用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。功能材料的最新发展是智能材料，它具有环境判断功能、自我修复功能和时间轴功能，人们称智能材料是,21,世纪的材料。,若按材料的成分和特性分类，可分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料。,金属材料又分为黑色金属材料和有色金属材料。金属材料发展的重点是研制新型金属材料。,陶瓷材料是人类应用最早的材料。传统的陶瓷材料是以硅和铝的氧化物为主的硅酸盐材料，特种陶瓷或称精细陶瓷，成分扩展到纯的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等，可称为无机非金属材料。,高分子材料是一类合成材料，主要有塑料、合成纤维和合成橡胶，此外还有涂料和胶粘剂等。,复合材料是由金属材料、陶瓷材料和高分子材料复合组成的。复合材料的强度、刚度和耐腐蚀等性能比单一材料更为优越，是一类具有广阔发展前景的新型材料。,新型材料的特点,(1),新型材料具有特殊的性能，能满足尖端技术和设备制造的需要。如超高温、超高压、极低压、耐腐蚀、耐摩擦等材料。,(2),新型材料的研制是多学科综合研究的成果。以先进的科学技术为基础，往往涉及到物理、化学、冶金等多个学科。,(3),新型材料从设计到生产，需要专门的、复杂的设备和技术，形成了一个独特的领域，称为新材料技术。为实现高技术的物质基础。,第二节 金属材料,金属材料在一个国家的国民经济中仍占有举足轻重的位置，原因是金属材料的资源比较丰富；已积累有一整套相当成熟的生产技术，有组织大规模生产的经验，产品质量稳定，价格低廉、性能优异。例如金属材料的韧性比陶瓷材料高，还具有导电性和磁性等。此外，金属材料自身还在不断发展，传统的钢铁工业在冶炼、浇铸、加工和热处理等方面不断出现新工艺。,新型的金属材料如高温合金、形状记忆合金、贮氢合金、永磁合金、非晶态合金等相继问世。因此在发展中国家，金属材料仍然占有材料工业的主导地位，如中国年产钢铁已超过,1,亿万吨。,1,金属键和纯金属的晶体结构,金属具有金属光泽、传热、导电性和延展性。金属具有优异的机械性能。,金属的一般性质与自由电子的存在密切相关。由于自由电子可以吸收各种波长的可见光，随即又发射出来，因而使金属具有光泽，不透明；自由电子可以在整块金属内自由运动，所以金属的导电性和传热性都非常好；金属键没有方向性和饱和性，金属原子以高配位的密堆积方式排列，密置层之间可以滑动，使金属有优异的延展性。,2,钢铁,地壳中部分元素的含量,(,也称丰度,),按质量分数铁排列第,4,，说明地壳中铁的资源是比较丰富的。,欲将铁矿石中的铁提炼出来，可置铁矿石于高炉中冶炼，冶炼过程实为还原反应，以焦炭为还原剂，再加一些石灰石和二氧化硅等作助熔剂。冶炼时先将处于高炉下层的焦炭点燃，使其生成,CO,2,，,CO,2,与灼热的焦炭起反应生成,CO,，一氧化碳气体能将铁矿石中的铁还原出来,铁水中含碳量较高，约有,3,-4,，这种铁称为生铁。生铁性脆，一般只能浇铸成型，又称,铸铁,。其中碳以,Fe,3,C,的形式存在，待铁水慢慢冷却，,Fe,3,C,则分解为铁和石墨，此时的铁其断口呈灰色，故称,灰口铁,。若将熔融的铁水快速冷却，,Fe,3,C,来不及分解而保留下来，此时铁的断口，呈白色，称,白口铁,。白口铁质硬且脆，不宜加工，一般用来炼钢。灰口铁柔软，有韧性，可以切削加工或浇铸零件。若在铁水中加入,0.05,镁，使生铁中的碳变成球状，得到的是,球墨铸铁,。,钢铁约占金属材料产量的,90,，是世界上产量最大的金属材料。钢铁中含碳量大于,2.0,的叫,生铁,，小于,0.02,的叫,纯铁,，在这两者之间的称为,钢,。钢中含碳量小于,0.25,的称,低碳钢,，介于,0.25,0.60,的称中,碳钢,，大于,0.60,的称,高碳钢,。,合金钢,:,合金钢品种繁多，性能各异。如,不锈钢,，钢中加人一定量的铬，可提高钢的抗腐蚀性，不生锈；加入锰特别硬，称为,锰钢,。,3,铝合金和铝锂合金,有色金属又可分为轻金属如,Li,，,Be,，,Mg,，,A1,，,Ti,；重金属如,Cu,，,Zn,，,Cd,，,Hg,，,Pb,；作为结构材料的有色金属，主要有铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、镍合金和锌合金等。,铝是自然界含量最多的金属元素，在地壳中以复硅酸盐形式存在。主要的矿石有铝土矿、粘土、长石、云母、冰晶石等。,制备金属铝常用电解法,氧化铝被还原为金属铝并在阴极上析出，其反应如下：,铝是银白色金属，熔点为,659,8,C,，沸点为,2 270,C,，密度为,2.702 g/cm,3,，仅为铁的三分之一。铝的导电、导热性好，可代替铜做导线。在大气中金属铝表面与氧作用形成一层致密的氧化膜保护层，所以有很好的抗蚀性。,铝合金,铝铜镁合金称为,硬铝,铝锌镁铜合金称为,超硬铝,。,铝锂合金,:,用铝锂合金制造飞机，可使飞机质量减轻,15,20%,，并能降低油耗和提高飞机性能。铝锂合金是很有发展前途的合金。,4,新型金属材料,形状记忆合金,:,形状记忆合金由于具有特殊的形状记忆功能，所以被广泛地用于卫星、航空、生物工程、医药、能源和自动化等方面。,高温合金,:,镍基和钴基高温合金用作涡轮喷气发动机的涡轮叶片。,贮氢合金,：贮氢合金主要有三大系列：,镁系贮氢合金,如,MgH,2,，,Mg,2,Ni,等；,稀土系贮氢合金,如,LaNi,5,，,钛系贮氢合金,如,TiMn,1.5,，,TiMn,1.5,非晶态合金,将熔融状态的合金以极高的速度骤冷，不给原子有序化排列的时间，把原子瞬间冻结在像液态一样的无序排列状态，得到的是非晶态合金。,具有优良的力学性能，如拉伸强度大，强度、硬度都比一般晶态合金高。由于非晶态合金中原子是无序排列，使合金具有高电阻率、高导磁率、高抗腐蚀性等优异性能。,第三节 无机非金属材料,无机非金属材料又称陶瓷材料,可分为,传统陶瓷材料,和,精细陶瓷材料,，后者的成分除了氧化物外，还有氮化物、碳化物、硅化物和硼化物等。精细陶瓷产品可以是烧结体，还可以做成单晶、纤维、薄膜和粉末，是新一代的特种陶瓷，,1,传统陶瓷,传统陶瓷材料的主要成分是硅酸盐。硅酸盐制品一般都是以粘土,(,高岭土,),、石英和长石为原料。这些原料中都含有,SiO,2,，因此在硅酸盐晶体结构中，硅与氧的结合是最重要的。硅酸盐中除了,SiO,2,外，还含有,A1,2,O,3,。,硅酸盐都需要高温烧结。粘土在高温下先脱水，然后转化为莫来石,(3A1,2,O,3,2SiO,2,),。,2,精细陶瓷,高温结构陶瓷,:,陶瓷发动机的材料选用氮化硅，它的机械强度高、硬度高、热膨胀系数低、导热性好、化学稳定性高，是很好的高温陶瓷材料。氮化硅可用多种方法合成，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在,1 300,C,反应后获得,还有碳化硅、二氧化锆、氧化铝等。,透明陶瓷,一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者令光产生散射。因此如果选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。这些透明陶瓷不仅有优异的光学性能，而且耐高温，一般它们的熔点都在,2000,C,以上。如氧化钍,-,氧化钇透明陶瓷的熔点高达,3100,C,，透明陶瓷的重要用途是制造高压钠灯，它的使用寿命达,2,万小时。高压钠灯的工作温度高达,1200,C,，压力大、腐蚀性强，选用氧化铝透明陶瓷为材料、成功地制造出高压钠灯。可以制造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、,光导纤维,光导纤维一般由两层组成，里面一层称为内芯，直径几十微米，但折射率较高；外面一层称包层，折射率较低。从光导纤维一端入射的光线，经内芯反复折射而传到末端，由于两层折射率的差别，使进入内芯的光始终保持在内芯中传输着。,用最新的氟玻璃制成的光导纤维，可以把光信号传输到太平洋彼岸而不需任何中继站。,在实际使用时，常制成光缆，这样既提高了光导纤维的强度，又增加了通讯容量。,光缆有质量轻、体积小、结构紧凑、绝缘性能好、寿命长、输送距离长、保密性好、成本低等优点。,光损耗大的光导纤维可在短距离使用，特别适合制作各种人体内窥镜，对诊断医治各种疾病极为有利。,生物陶瓷,目前已发展起来的生物合金、生物高分子和生物陶瓷基本上能满足植入人体的要求。生物陶瓷是惰性材料，耐腐蚀，更适合植入体内。氧化铝陶瓷做成的假牙与天然齿十分接近，它还可以做人工关节用于很多部位。,ZrO,2,陶瓷的强度、断裂韧性和耐磨性比氧化铝陶瓷好，也可用以制造牙根、骨和股关节等。,陶瓷材料最大的弱点是性脆，韧性不足，这就严重影响了它作为人工人体器官的推广应用。陶瓷材料要在生物工程中占有地位，必须考虑解决其性脆问题。,超导陶瓷,电阻突然消失时的温度称为转变温度或临界温度，常用,Tc,表示。,Y-Ba-CuO,混合金属氧化物在,90 K,具有超导电性，这类超导氧化物的转变温度已高于液氮温度,(77 K),，高温超导材料研究获得重大进展。,超导体的一些应用,(1),用超导材料输电,(2),超导发电机,(3),磁力悬浮高速列车,把超导磁体装在列车内，在地面轨道上敷设铝环，利用它们之间发生相对运动，使铝环中产生感应电流，从而产生磁排斥作用，把列车托起离地面约,10 cm,，使列车能悬浮在地面上而高速前进。,(4),可控热核聚变,3,纳米陶瓷,精细陶瓷粉体的颗粒较大，属微米级,(10,-6,m),，有人用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级,(10,-9,m),，用这种所谓超细微粉体粒子来制造陶瓷材料，得到新一代纳米陶瓷，这是陶瓷材料的第三次飞跃。纳米陶瓷具有延性，有的甚至出现超塑性。如室温下合成的,TiO,2,陶瓷，它可以弯曲，其塑性变形高达,100,，韧性极好。,纳米陶瓷被称为是,21,世纪陶瓷。,纳米材料的粒子是超细微的，粒子数多，表面积大，而且处于粒子界面上的原子比例甚高，一般可达总原子数一半左右。这就使纳米材料具有不寻常的表面效应、界面效应和量子效应等，因此而呈现出一系列独特的性质。例如金的熔点是,1063,，而纳米金只有,330,，熔点降低近,700,；银的熔点由金属银的,960.8,降为纳米银的,100,。,又如纳米铂黑催化剂，由于表面积大，表面活性高，可使乙烯氢化反应的温度从,600,降至室温；纳米铁的抗断裂应力比普通铁高,12,倍，等等。纳米材料的问世促使纳米技术的诞生。所谓纳米技术是指用单个原子或分子作材料建造物体的技术。,第四节 宝玉石基础知识,分为,:,宝石,玉石和石,一 宝石,1,宝石之王,-,金刚石,硬度极大,达摩氏,10,级,已有人工合成,.,化学成份是碳,.,2,蓝宝石和红宝石,硬度大,达摩氏,9,级,主要成份为氧化铝,.,3,祖母绿,:,因含铬而呈现绿色,.,4,水晶,:,硬度,7,主要成份为二氧化硅,.,二 玉石,1.,玉中之王,-,翡翠,命名来自翡翠乌,红者为翡,绿者为翠,.,硬玉,硬度,6.6,7,其优劣主要取决于,水头,色彩,底,种,瑕庇等,1999,年香港佳士得春季,拍卖会一条翡翠项链以,1454,万港元成交,.,2,中国两大美玉,-,和田玉和岫岩玉,(1),和田玉,也称软玉,硬度,6,6.5,和田玉产于新疆以白玉,价最高,各种玉石的化学组分,样品种类,MgO,Al,2,O,3,SiO,2,K,2,O CaO MnO,FeO/Fe,2,O,3,新疆和田,23.01 2.00 59.04 0.05 13.4 0.071 0.36,玛纳斯碧玉,15.48 4.52 59.09 0.034 13.84 0.073 5.400,岫玉,40.32 2.73 54.62 0.047 0.21 0.01 0.823,独山玉,0.67 33.81 42.63 2.4 14.840 -0.700,翡翠,(,白,)-25.31 59.36 -0.716 -0.29,京白玉,6.66 9.86 81.7 0.033 0.218 -0.021,金青石,-19.78 23.31 29.01 (Na,2,O:16.03),我国玉器已有七、八千年的历史，渊远流长,我国玉器发展历史大体可分为古高玉器（新石器时期、商代、西周、东周），汉唐玉器、宋元玉器和明清玉器。,我国玉料以新疆和田玉最为珍贵，蕴量最富。但从殷商时代至今已连续开采,4000,多年,.,古代的玉石之路应在古代的丝绸之路之前,.,因特网上的部分珠宝站点,1,中华珠宝网,/,2,台湾珠宝网站,.tw,3,中国珠宝经营协会提供珠宝鉴定和珠宝设计方面的有关信息。,.tw,4,高利洋行有限公司,5,北京芳华珠宝有限责任公司,www.chinese.P,6,大东山珠宝集团公司,7,浙江欧诗漫集团珠宝有限公司,www.osm-,8,真玉坊,.hk,9,金得利集团有限公司,10,恒丰珠宝首饰有限公司,11,珠宝科技,杂志社,复 习 题,1,我国的和田玉产于何处,?,岫玉产于何处,有什么特点,?,2,陶瓷材料最大的弱点是性脆，韧性不足，现有什么方法可能克服这种弱点,?,