材料导论-五-无机非金属材料PPT课件.ppt

第五章无机非金属材料5.1 无机非金属材料概述5.2 水泥5.3 玻璃5.4 陶瓷夏鹏举材料科学与工程学院1 是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、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。5.1 无机非金属材料概述 金属材料和有机高分子材料以外的固体材料通称为无机非金属材料。25.1 无机非金属材料概述 无机非金属材料是2020世纪4040年代以后,随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。主要特性：熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐氧化、弹性模量大、强度高。一般为脆性材料3 在晶体结构上,无机非金属材料的元素结合力主要为离子键、共价键或离子-共价混合键。这些化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。5.1 无机非金属材料概述4无机非金属材料无机非金属材料传统无机非金属材料新型无机非金属材料水 泥 玻 璃陶 瓷光导纤维新型陶瓷5.1 无机非金属材料概述5传统无机非金属材料5.1 无机非金属材料概述 以含硅物质为原料，经加热制成硅酸盐产品的工业。一般是指以天然的硅酸盐矿物(粘土、石英、长石等)为主要原料,经高温窑炉烧制而成的一大类材料,故又称窑业材。如：水泥、玻璃、陶瓷和耐火材料等。工业原料除二氧化硅、硅酸盐外还可加其它辅助成分。原料与产品虽都为含硅物质，但主要成分并不相同。将硅酸盐工业的原料变为硅酸盐产品的条件是：理解高温加热这类材料具有非常悠久的历史。6新型无机非金属材料5.1 无机非金属材料概述 新型无机非金属材料是指20世纪中期以后发展起来的，具有特殊性能和用途的材料。应用于高性能领域，在组成上已不局限于硅酸盐，还包括其它含氧酸盐、氧化物、氮化物、碳与碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物、硅、锗、-V 族及-VI 族化合物等，其形态和形状也趋于多样化，例如结构陶瓷、复合材料、功能陶瓷、半导体、新型玻璃、非晶态材料和人工晶体等。7 这些新材料的出现说明了无机非金属材料科学与工程学科近几十年来的重大成就，它们的应用极大地推动了科学技术的进步，促进了人类社会的发展。它们是现代新技术、新兴产业和传统工业技术改造的物质基础，也是发展现代国防和生物医学所不可缺少的。5.1 无机非金属材料概述8（1）优点：抗腐蚀、耐高温。（2）缺点：质脆、经不起热冲击。传统无机非金属材料与现在所用的许多金属材料相比，有许多独特的优势，这使得很多行业的科学家都对它情有独钟，然而，它的弱点的存在，又使它的应用范围受到了一定的限制。为此，科学家们进行深入的研究和探索，并进行了反复的实验，随之而来的便是多种多样具有特殊性能的新型无机非金属材料的问世。5.1 无机非金属材料概述9（1）耐高温、强度高 氧化铝陶瓷（人造刚玉）主要特性高熔点；高硬度；可制成透明陶瓷；无毒、不溶于水，强度高；对人体有较好的适应性 主要用途高级耐火材料，刚玉球磨机；高压钠灯的灯管、人造骨、人造牙、人造心瓣膜、人造关节等高压钠灯5.1 无机非金属材料概述10（2）具有电学特性 一些新型无机非金属材料可以作为半导体、导体、超导体等，一些绝缘性材料常被用于集成电路的基板。举世瞩目的高温超导性也是新近在这类材料上发现的。5.1 无机非金属材料概述11（3）具有光学特性 有些新型无机非金属材料能发出各色的光，有的能透过可见光，有的能使红外线、雷达射线穿过。用于医疗、信息处理、通讯等。如光导纤维。处于高温下的光导纤维5.1 无机非金属材料概述12（4）具有生物特性 有些新型无机非金属材料强度高、无毒、不溶于水，对人体组织有较好的适应性，可直接植入人体内，用这类材料制成的人造牙齿、人造骨骼，已被应用在医疗上。人造关节5.1 无机非金属材料概述13人类文明发展史石器燧石取火硅酸盐水泥、玻璃、陶瓷二氧化硅光导纤维单晶硅集成电路新型材料信息材料传统材料5.1 无机非金属材料概述1420世纪中期以后，随着微电子、航天、能源、计算机、激光、通信、光电子、传感、红外、生物医学和环境保护等新技术的兴起，对材料提出了愈来愈高的要求，促进了性能更为优良及有特殊功能的新型陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥、涂层、磨料等制品的飞速发展。它们在化学组成上远远超出了硅酸盐化合物的范围，而是扩展到了其他氧化物、氮化物、硼化物、碳化物、硫系化合物和铁酸盐、铝酸盐、磷酸盐等，以至几乎一切无机化合物。5.1 无机非金属材料概述15石英手表水晶石头眼镜金刚石钻头炭/炭复合材料航空刹车副 压电陶瓷生活中的无机非金属材料5.1 无机非金属材料概述161.无机非金属材料是国家建设和人民生活中不可缺少的重要物质基础。2.无机新材料是科学技术的物质基础，是现代技术的发展支柱。3.无机非金属材料是建立与发展新技术产业、改造传统工业、节约资源、节约能源和发展新能源及提高我国国际竞争力所不可缺少的物质条件。4.无机非金属材料工业在国民经济中占有重要的先行地位，具有超前特性,其发展速度通常高于国民经济总的发展速度。可以说元机非金属材料工业是整个国民经济兴衰的“晴雨表，与人类的文明生活和国民经济的发展息息相关。175.2 水 泥18定义：加入水后成塑性浆体，能在空气和水中硬化，并能胶结砂、石等材料的细粉状水硬性胶凝材料称为水泥。分类：按矿物组成分：19 通用水泥：各种硅酸盐水泥；专用水泥：油井、砌筑水泥、大坝水泥等；特性水泥：快硬、抗硫酸、膨胀、自应力水泥等。按用途分类：20 新型干法水泥生产工艺是当今水泥工业的最主要生产工艺，其核心的生产工艺是“两磨一烧”，即“生料粉磨、熟料煅烧和冷却、水泥粉磨。生产设备：水泥回转窑21+生产方式：生产过程 两磨一烧水泥中加入一定量的石膏，以调节水泥凝结的速率。22硅酸盐水泥的主要矿物成分：硅酸三钙（3CaOSiO2），C3S硅酸二钙（2CaOSiO2），C2S铝酸三钙（3CaOAl2O3），C3A铁铝酸四钙（4CaOAl2O3Fe2O3），C4AF提高C C3 3S S的含量,可得到高强硅酸盐水泥提高C C3 3S S和C C3 3A A的含量,即可制得快硬硅酸盐水泥降低C C3 3S S和C C3 3A A的含量,提高C C2 2S S的含量可得低热或中热硅酸盐水泥.反应原理 高温下复杂的物理、化学变化23水泥加水搅拌后，立即发生化学反应成为可塑性泥浆。随着水化反应的进一步进行，各种水化产物逐渐填满原来水所占据的空间，固体粒子逐渐接近，从而使原来分散的水泥颗粒以及水化产物连结起来，构成一个三维空间牢固结合、密实的整体。水化物质由无水状态变为有水状态，由低含水变为高含水，统称为水化。凝结水泥加水拌和初期形成具有可塑性的浆体，然后逐渐变稠并失去可塑性的过程硬化浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的石状固体（水泥石）。24衡量水泥性质和质量的指标：255.3 玻 璃26玻璃瓶玻璃工艺烛台建筑玻璃艺术玻璃什么是玻璃？凡熔融体通过一定方式冷却，因黏度逐渐增加而具有固体性质与一定结构特征的非晶态物质，都称为玻璃。5.3 玻 璃27因混有铁的化合物显浅绿色几种常见玻璃简介普通玻璃蓝玻璃红玻璃石英玻璃如试管等光学玻璃如放大镜钢化玻璃光纤玻璃光导纤维：19641964年8 8月华裔科学家高锟首先提出用玻璃纤维代替金属导线，被誉为“纤维光学之父”。比头发丝还细的一对光导纤维上同时传送3 3万门电话且中继距离长达2050Km2050Km，保密性能好。在原料里加入某些金属氧化物均匀地分散到玻璃态物质里，使玻璃呈现出特征颜色。把普通玻璃放在电炉里加热，使它软化，然后急速冷却，得到钢化玻璃。其机械强度比普通玻璃大4 46 6倍，不易破碎。玻璃的分类：注意：有机玻璃、水玻璃不是玻璃。28种类 石英玻璃 光学玻璃 化学玻璃玻璃纤维 钢化玻璃 有色玻璃（红色）有色玻璃（蓝色）成分 全为SiO2含PbO 含Na2B4O710H2O玻璃制成的无机纤维与普通玻璃成分相同 含Cu2O 含Co2O3 几种玻璃的成分普通玻璃是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2。29原料纯碱、石灰石和石英（过量）主要设备玻璃熔炉生产过程原料粉碎，玻璃熔炉中强热，成型冷却反应原理复杂的物理、化学变化，主要反应主要成分Na2SiO3、CaSiO3、SiO2熔合在一起形成的物质；（Na2OCaO6SiO2）主要成分是SiO2主要性能玻璃态物质，没有固定的熔点，在一温度范围内逐渐软化。Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2 高温 CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2 高温30配料加热熔融成型热处理玻璃制品二次加工1.玻璃的生产工艺垂直引上法水平拉引法压延法浮法31（）垂直引上法 垂直引上法是引上机从玻璃液面垂直向上拉引玻璃带的方法。分为有槽、无槽和对辊三种方法。水平拉引法是将玻璃带由自液面向上引拉700mm左右高后，绕经转向辊再沿水平方向拉引。可以生产特薄或特厚玻璃，对玻璃的组成和温度波动十分敏感。（）水平拉引法32 水平连续压延法是利用一对水冷金属压延辊轮将玻璃液压延成玻璃带。因为压延的过程是在玻璃的塑性状态下进行的，所以会在玻璃表面留下辊痕。利用这一点，可用此法生产压花玻璃、夹丝玻璃。（）压延法（）浮法 是在熔融的金属表面形成玻璃的方法，是现代最先进的平板玻璃生产方法。它具有产量高、质量好、规模大，板宽、板厚可调范围较大等优点。33浮法玻璃：浮法生产的成型过程是在通入保护气体（N2及H2）的锡槽中完成的。熔融玻璃从池窑中连续流入并漂浮在相对密度大的锡液表面上，在重力和表面张力的作用下，玻璃液在锡液面上铺开、摊平、形成上下表面平整、硬化、冷却后被引上过渡辊台。辊台的辊子转动，把玻璃带拉出锡槽进入退火窑，经退火、切裁，就得到平板玻璃产品。浮法玻璃的制造过程示意图34玻璃制品的成型工艺压制成形吹制成形拉制成形加工纤维35压制成形36吹制成形37拉制成形38加工纤维39玻璃的结构原子排列长程无序，无平移对称性；原子排列短程有序，宏观上统计分布。兰德尔（RandellRandell）19301930年提出，认为玻璃是由80%80%的直径等于1.01.01.5nm1.5nm左右的微晶组成，晶体取向无序。晶子说 查哈里阿森（ZachariasenZachariasen）19321932年提出，认为玻璃中硅氧以共价键结合在三维空间内形成连续的网络。强调了结构玻璃的连续性、统计均匀性、无序性。无规则网络学说 两种观点的相同之处是都认为是近程有序而远程无序，不同之处是近程程度不同。40（1 1）玻璃在常温下虽呈固态，但不是晶体，称为玻璃态物质；（2 2）玻璃是混合物，没有固定的熔沸点，受热只能慢慢熔化。力学性质 理论强度高，实际强度低。抗压强度高，抗拉强度低。硬度高，脆性大。物理性质 高度透明，具有很重要的光学性质。能透可见光和红外线。化学性质稳定。抗酸腐蚀，但不抗碱。化学性质玻璃的性质41普通玻璃：在高温下易软化，常用来制作窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯等5.3 玻 璃42石英玻璃：二氧化硅单一组分的玻璃。用水晶，硅石，硅化物为原料，经高温熔化或化学气相沉积而成。特性：膨胀系数小，耐酸碱，强度大，滤光。用途：化学仪器，高压水银灯，紫外灯，光导纤维，压电晶体等。43有色玻璃：金属氧化物均匀地分散到玻璃态物质里，使玻璃呈现特征颜色。蓝色(Co2O3)红色(Cu2O)淡绿色(FeO)44特性：透光性好、有折光和散光性。用途：眼镜片、照相机、显微镜、凹凸透镜等光学仪器。光学玻璃：对折射率、色散、透射比、光谱透射率和光吸收等光学特性有特定要求，且光学性质均匀的玻璃。45钢化玻璃：玻璃在电炉里加热软化，再急速冷却得钢化玻璃。特性：耐高温、耐腐蚀、强度大、质轻，抗震裂。用途：运动器材、微波通讯器材、车窗玻璃等。46玻璃纤维：它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的，其单丝的直径为几个微米到二十几米个微米，相当于一根头发丝的 1/20-1/5。特性：耐腐蚀，不怕烧，不导电，不吸水，隔热，吸声等。用途：宇航服、玻璃钢等。47防弹玻璃：防弹玻璃是由玻璃（或有机玻璃）和优质工程塑料经特殊加工得到的一种复合型材料，它通常是透明的材料，通常包括聚碳酸酯纤维层夹在普通玻璃层之中。48玻璃钢：即纤维强化塑料，一般指用玻璃纤维增强不饱和聚脂、环氧树脂与酚醛树脂基体。以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料，称谓为玻璃纤维增强塑料，或称谓玻璃钢。由于所使用的树脂品种不同，因此有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢之称。质轻而硬，不导电，机械强度高，回收利用少，耐腐蚀。可以代替钢材制造机器零件和汽车、船舶外壳等。495.4 陶 瓷50Traditional：陶瓷所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程而制成的各种制品。General：陶瓷用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的通称。1.定义5.4 陶 瓷512.分类52日用陶瓷土器陶器瓷器炻器含杂质的黏土在适当的温度下烧制而成含杂质的黏土在适当的温度下烧制而成如：砖、瓦如：陶俑如：水缸、砂锅如：碗、碟子、卫生洁具、花瓶等陶与瓷的异同之处 共同点：都是硅酸盐产品 不同点：原料、温度、陶瓷的强度、颜色、厚度、透水性、质地等方面有区别。53享有盛誉的中国古代陶瓷54工艺流程普通陶瓷：材料精选（矿物精选）化学处理原料粉化制备陶瓷粉生坯（成型）烧结机械加工陶瓷成品。特种陶瓷：5.4 陶 瓷5556原料制备普通陶瓷：以天然矿物为原料三大主要原材料：粘土、长石、石英矿辅料矿物：磁石、铝土矿、滑石、硅灰石、锂云母、方解石、菱镁矿、白云石等水化、机械混合，直接形成生坯特种陶瓷：人工合成的原料氧化物 单一氧化物，如Al2O3，ZrO2，TiO2，MgO等复合氧化物，如钛酸盐、铝酸盐、锆酸盐等非氧化物：碳化物、氮化物、硼化物等 如SiC，Si3N4固相法液相法气相法57成型和烧结烧结固相烧结在烧结温度下，粉末坯体在固态情况下达到致密化过程。液相烧结粉末坯体在烧结过程中有液相存在的烧结过程。可塑成型传统陶瓷用较多。注浆成型浆料浇注到石膏模中成型，用于制造日用陶瓷和建筑陶瓷等形状复杂件。压制成型粉料加入塑化剂，在金属模具加压成型。成型 可塑成型 注浆成型 压制成型58 传统陶瓷的典型组织结构由晶相、玻璃相和气相组成。一般来说，特种陶瓷的原料都很纯，组织比较单一。陶瓷的结构陶瓷的性能力学性能:刚度高、强度高、硬度大、但是很脆（缺点之一）。热学性能:导热性比金属差（作绝热材料）、但热稳定性比金属差（缺点之二）。其他性能:导电性变化范围大（大多是良好的绝缘体，有些可作半导体），耐火性好，化学稳定性高，耐酸碱腐蚀。气相（气孔）5.4 陶 瓷59 总的来说，陶瓷材料的特点是：具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、高的硬度和良好的抗压能力，但脆性很高，热稳定性差，抗拉强度较低。601）建筑陶瓷2）卫生陶瓷4）化工陶瓷3）电器绝缘陶瓷日用陶瓷普通工业陶瓷 一般应具有良好的白度、光泽度、透光性、热稳定性和强度。日用陶瓷主要应用于茶具、餐具和工艺品。1.日用陶瓷2.普通工业陶瓷5.4 陶 瓷611）建筑陶瓷以黏土为主要原料而制得的用于建筑物的陶瓷。粗陶瓷：以难熔黏土为主要原料，包括砖、瓦、盆罐等。精陶瓷：以瓷土和高岭土为主要原料，包括釉面砖、建筑卫生陶瓷等。炻瓷：以陶土和黏土为主要原料，包括地砖、外墙砖、耐酸陶瓷等2）卫生陶瓷 以高岭土为主要原料而制得的用于卫生设施的带釉陶瓷制品，有陶质、炻瓷质和瓷质等。623）电器绝缘陶瓷 又称电瓷，是作为隔电、机械支撑及连接用的瓷质绝缘器件。分为低压电瓷、高压电瓷和超高压电瓷等。4）化工陶瓷 要求耐酸、耐高温、具有一定强度。主要用于化学、化工、制药、食品等工业。63结构陶瓷的种类氧化物结构陶瓷碳化物结构陶瓷氮化物结构陶瓷结构陶瓷功能陶瓷1.结构陶瓷 结构陶瓷是以高温、高强、超硬、耐磨、抗腐等机械力学性能为主要特征。5.4 陶 瓷64氧化物结构陶瓷特点：化学稳定性好、抗氧化性强、熔融温度高、高温强度高。Al2O3陶瓷ZrO2陶瓷BeO陶瓷MgO陶瓷65Al2O3陶瓷又称高铝陶瓷，主要成分是Al2O3和SiO2。主晶相为刚玉（Al2O3），随着SiO2质量百分数的增加，还出现莫来石和玻璃相。根据陶瓷坯中主晶相的不同，分为刚玉瓷、刚玉莫来石瓷和莫来石瓷。Al2O3有三中结晶形态，即、型。型是高温型，而型是低温型。其中刚玉瓷的性能最佳。主要成分：Al2O3少量SiO2。刚玉-莫来瓷（75瓷）：含75%Al2O3刚玉瓷95瓷：含95%Al2O399瓷：含99%Al2O3氧化铝陶瓷66强度高硬度高：机械加工磨料、磨具、切削工具等熔点高、抗腐蚀：耐火材料、炉管、热电偶保护套等化学稳定性好：坩埚、人体关节、人工骨骼电绝缘性好：基板、火化塞、电路外壳光学性能好：制成透光材料、微波整流罩窗口、激光 振荡元件等氧化铝陶瓷的性能及应用氧化铝陶瓷基板坩埚679595瓷纺织件9999瓷纺织件氧化铝耐高温喷嘴氧化铝陶瓷坩埚陶瓷轴承氧化铝陶瓷密封环68由单斜向四方的转变是可逆的，并伴随7的体积变化。导致陶瓷在烧结时容易开裂，为此，要加入适量的稳定剂，如Y2O3。ZrO ZrO2 2陶瓷的特点是热导率小，是理想的高温绝热材料。化学稳定性好，能抵抗酸性或中性熔渣的侵蚀，可用作特种耐火材料；硬度高，可制作冷成型工具、整形模、切削工具、剪刀等；强度高、韧性好，可制作发动机构件等。氧化锆陶瓷m-ZrO2：单斜晶系（1170）t-ZrO2：四方晶系（11702370）c-ZrO2：立方晶系（23702715）69BeO晶体无色，属六方晶系，在固态下无晶型转变，结构稳定。BeO BeO陶瓷的导热系数大，线膨胀系数不大，抗热震性高，高温电绝缘性好，电导率低，介电常数高；硬度与AlAl2 2O O3 3差不多，化学稳定性好，是抵抗炭还原作用最强的一种氧化物。耐高温，抗金属及碱性熔渣腐蚀，可以用作坩埚冶炼高纯度FeFe、MoMo、CuCu、MgMg等。也可用于高温热电偶保护套等。氧化铍陶瓷氧化镁陶瓷70碳化物结构陶瓷特点：高耐火度、高硬度、高耐磨性。SiC SiC陶瓷主要用作高温结构材料。如火箭尾喷管的喷嘴，热电偶套管等高温零件。还可用于高温下热交换器。是通过键能很高的C-Si共价键结合的晶体。主晶相为SiC由石英沙（SiO2）加焦碳直接加热至高温还原而成：SiO2+3CSiC+2CO。烧结工艺也有热压和反应烧结两种由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。碳化硅陶瓷71SiCSiC密封件SiCSiC陶瓷工件SiCSiC陶瓷轴承72氮化物结构陶瓷特点：高耐火度、高硬度、高耐磨性。由Si3N4四面体组成的共价键固体Si3N4为主晶相是一种高温强度高、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润滑的高温陶瓷线膨胀系数在各种陶瓷中最小具有极好的耐腐蚀性具有优良的电绝缘性和耐辐射性氮化硅陶瓷73氮化硅轴承氮化硅齿轮氮化硅刀具汽轮机转子叶片气阀等零件74主晶相是BN，属于共价晶体，为六方晶系硬度较其它陶瓷低，可进行切削加工良好的耐热性和导热性，导热率与不锈钢相当热膨胀系数小，故其抗热震性和热稳定均好绝缘性好，在2000的高温下仍是绝缘体化学稳定性高，能抵抗铁、铝、镍等熔融金属的侵蚀；有自润滑性。六方氮化硼陶瓷 制作热电偶套管、熔炼半导体及金属的坩锅、冶金用高温容器和管道、玻璃制品成型模、高温绝缘材料等。由于BNBN有很大的吸收中子截面，可作核反应堆中吸收热中子的控制棒。应用：75航天飞机机身上的防热瓦加工航天飞机穿越大气层76什么是功能陶瓷 功能陶瓷是指具有电、光、磁以及部分化学功能的多晶无机固体材料，其功能的实现主要来自于它所具有的特定的电绝缘性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性、生物适应性等功能陶瓷的种类电子陶瓷超导陶瓷磁性陶瓷光学陶瓷生物陶瓷敏感陶瓷2.功能陶瓷77