无机非金属材料概论绪论.答案ppt课件.ppt

无机非金属材料概论,教学内容 无机非金属材料概论是材料工程技术专业的一门专业选修课，主要介绍无机非金属材料的成分与制备工艺、组织结构、材料性能和使用性能四个要素，以及它们之间的相互关系； 内容主要包括：玻璃、陶瓷、水泥和耐火材料等基础知识及其应用。,材料发展历史,什么是材料？,材料是人类赖以生 存和发展的物质基础，是人类 进步的一个重要里程碑。,（人类制造的第一种材料：陶）,材料是具有一定配比的若干相互作用的元素组成、具有一定结构层次和确定性能，并能用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。材料是物质，但不表示所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。,材料和人类社会的发展密切相关，当前国际公认，材料、能源和信息技术是现代文明的三大支柱。现代科学技术发展中，可以看到，每一项重大的发现，往往有赖于新材料的发展,一种新材料的出现，常常引起生产力大发展推动社会进步。正是如此，才有了今天人类丰富多彩、璀璨夺目的世界与文化。没有半导体单晶硅材料，便不可能有今天的微电子工业；有低损耗的光导纤维，当今世界蓬勃发展的光纤通讯才得以实现。,单晶硅棒,单晶硅片,单晶芯片,电子元件,天然材料 陶瓷 青铜 铁 钢 有色金属 高分子材料 新型材料,材料发展的历史演进,（1）天然材料,包括竹、木、骨、牙、皮、毛、石等材料。自然界当中大量存在，人类可以直接从自然中获取。经过简单的加工就可以为人类所利用。,竹筷,骨针,石制品,皮毛制品,典型的天然材料石器,大约25000年前，人类就学会使用材料。人类只能利用岩石、树木、兽皮、骨骼等天然材料并进行粗糙加工，除此之外别无他物。从挖掘的人类当年所使用的各种用途的锋利石片，可想象人类远祖的艰苦和聪明。,石刀,石斧,石针,他们能区别、选用各种石头创造出刀、斧、针各种器具，用于生产、生活和战争。 石器时代的生产工具极其落后，人类社会的生产力也极端低下，社会发展极其缓慢，人类文化也是相当简单和粗俗的。,石器工具,据考古学家分析，距今约一万年前就有陶器出现，人们用粘土或以粘土、长石、石英为主的混合物，经成型、干燥、烧制（烧制温度低于1200），得到坚硬的陶器。陶是人类创造的第一种“人造材料”，由于高温烧制产生物理化学变化，得到和粘土不一样的新物质。,新石器时代晚期(公元前3000一前2800年) 黑陶豆陶体的黑色是因为渗入了碳,（2）陶器（无机非金属材料）,我国陶器大约出现在8000年前，具有悠久的历史。半坡村出土的碗、钵、釜、罐、瓶等，甚至还有吹气能发声的陶埙。,半坡变体鸟纹盆,半坡小口尖底瓶,半坡陶盆,陶埙,从著名的仰韶和龙山文化遗址出土的陶器中，人们发现当时祖先已经掌握了烧制黑色陶器和白色陶器的配方和技术。,仰韶白陶瓶,龙山黑陶瓶,闻名于世的秦始皇兵马俑是典型的陶制品；著名的唐三彩创始于唐高宗时期，用白粘土作胎，以Cu、Fe、Co等矿物作釉的着色剂，两次烧制后成为绚丽多彩的陶器精品；江苏宜兴紫砂壶 (紫砂泥由粘土、云母、赤铁矿等组成，其中Fe2O3含量约7-10，TiO21) 制造技术精湛，色泽淳朴，造型独特，别具一格。,兵马俑,唐三彩马,方韵紫砂壶,商 陶酒尊,唐 三彩俑,陶的出现，人类可吃煮熟的谷物，喝煮开的水，可长时间储存食物，促进人类进化。陶器也是最初的耐火材料，为以后的铜、铁冶炼提供物质条件。,猪纹陶盆,陶器是人类创造的第一种无机非金属材料。人类第一次有意识地创造发明自然界没有的，并且具有全新性能的“新”材料，从此人类能离开上天的赐予而进入自力创造材料的时代。恩格斯论述：人类从低级阶段向文明阶段的发展是从学会制陶开始的。陶器的出现成为新石器时代开始的标志之一。,陶器的不足是不致密、易渗漏、强度也不高。 3000多年前的殷、周时期发明了釉瓷。炉窑温度达到1200，能将金属氧化物烧制成釉瓷，用途更为广泛，质地比陶更为细腻、外观美观。,陶向瓷的过渡,商朝釉瓷,什么是瓷器？,瓷土与陶土相比，Fe2O3、CaO、MgO等助熔剂物质明显减少，SiO2含量也降至70以下，Al2O3含量显著增加。 瓷器制造工艺水平有很大改进，烧结温度提高到1200以上，反映人类改造自然能力的增强。 釉是用矿物(长石、方解石、石英等)和颜料按一定比例配制，高温下釉料被熔融并均匀地覆盖在瓷器表面，冷却后质地坚硬、光滑、不粘污，并 可调配成各种颜色。,江西景德镇的薄胎瓷器被赞为洁如玉、明如镜、薄如纸、声如磐。瓷器作为中华文明象征，大量流传。9世纪传至阿拉伯国家，13世纪传到日本，15世纪传到欧洲，以其精美绝伦征服西方。,辉煌的瓷器之国,景德镇四大名瓷青花、玲珑、颜色釉、粉彩,（3）青 铜 我国青铜的冶炼在公元前2140-1711年开始，目前考察已可追溯到公元前3600年。 到殷、西周时期已经发展到较高水平。,青铜即铜锡合金，其冶炼温度较低，制作器具的成型性好，是人类最早大规模利用的金属材料。,苏美尔文明中的青铜塑像，出现年代-公元前4000年,铜爵高30.5厘米、口径17-18厘米，距今3600年河南堰师二里头文化,青铜锛越绝书载：禹穴之时，以铜为兵，以凿伊阙，通龙门，东注入海,牛首兽面纹鼎西周，器形端庄，文饰在商代基础上进一步发展，是今已知我国最大青铜器之一，,（4）铁器铁是地球上储量居于第三的元素（前两位为硅、铝），来源于大型恒星的聚变。中国同埃及、美索不达米亚等古国一样，对铁的认识都是从陨铁开始的。,陨铁,世界最早的铁器赫梯铁器,青铜器到铁器并不是偶然的铜的精炼带动铁的冶炼；青铜熔炼时，为造渣和降低熔点，古人往往加入氧化铁作为熔剂，直接为铁矿石还原积累经验；赤铁矿(Fe2O3)与赤铜矿(CuO)极为相似，青铜冶炼所需的高温和还原气氛，为一氧化碳与铁矿石接触还原金属铁创造极为有利的条件；,（5）钢含碳量在0.0218%-2.11%之间的铁碳合金称为钢，强度较高，用途更广。 距今1800年前出现两步炼钢技术，即先炼成铁，再炼成钢，并一直沿用至今。但其工艺复杂，未能大面积推广。一直到19世纪前半期，人类始终生活在“铁器时代”。,艾菲尔铁塔,钢的应用,旧金山金门大桥,建筑,设备,（6）有色金属,近代以来，人们除了发展钢铁材料以外，还进一步发展了金、银、铜、钛、铝、镁、钼等有色金属及其合金材料。全世界每年金属材料总产量约达八亿吨，其中黑色金属约占95，有色金属只占5。有色金属资源的开发和利用，不只是对钢铁材料的补充，更重要的是可发挥和开发钢铁材料不具备的各种特殊性能。在特定领域中，还必须采用有色金属才能最大限度满足现代科学技术对各种材科性能所提出的要求。,铝合金：20世纪上半叶，材料学家用合金化和时效强化，把Al合金强度提高到700MPa，其比强度为(强度/密度)2.64106cm，是钢(0.61106cm)的4倍多，这意味着达到同样强度Al合金用量只有钢的1/4，这为Al合金作为一种结构材料带来极大优势，对于结构材料来说无疑是一个飞跃。没有高比强度的Al合金，就没有现代的航天航空成就。,铝合金车体,铝合金材料,铝合金航空材料,铝合金轮毂,（7) 高分子材料,从人类文明出现以来，高分子材料就一直陪伴着人们。天然高分子，如丝、皮、毛等从远古开始就被人们发现并利用。人们不断改进加工技术，将木、棉、麻、丝、皮、毛等用于建筑、工具、用品、纺织、造纸、制衣制革、防寒制品；把植物体内的“树脂”(树流出的油脂)用于涂料、粘合剂、药物和溶剂等。,天然橡胶,丝绸,波音787是世界上首款主体结构采用碳纤维复合材料制造的大型客机,奔驰SLR跑车车身由碳纤维复合材料制成，车速可达334公里/小时,复合材料,20世纪人类进入新材料时代，衣、食、住、行以及科学技术的发展都离不开新材料，同时出现了各种材料的复合技术。金属与无机材料的复合金属与高分子材料的复合无机材料与高分子材料的复合,金属/高分子复合材料-粘结NdFeB磁体,金属/无机复合材料-景泰蓝,高分子/无机复合材料-绝缘板材,材料发展历史小结,20世纪前材料进步主要依靠人们经验积累和技巧，发展缓慢在于人们还没能对材料在科学上有深刻的认识和理解，缺乏科学对材料发展的指导。20世纪科学突破成功揭示了微观世界的基本规律，加速了人们对声、光、电、磁、热现象以及材料内部结构的认识，这既促使多种新材料的诞生，也开辟了一系列重大科学技术突破 。科学引导和高技术产业发展推动的双重作用，诞生各种各样的新材料，构成21世纪人类文明的基础。,总之：材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。材料存在于我们周围，与我们的生活、我们的生命息息相关。,依据化学特征一般划分为：,1、无机材料 （无机材料中除金属以外统称为无机非金属材料，其主要化学组成均为硅酸盐类。因此无机非金属材料亦称为硅酸盐材料，又因其中陶瓷材料历史悠久，应用甚为广泛，故国际上也将无机非金属材料称为陶瓷材料。）,2、有机材料 塑料、橡胶等,无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前无统一完善的分类方法，一般分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。,耐火材料,传统无机非金属材料,无机非金属材料,传统无机非金属材料,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,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,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,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,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,无机非金属材料,传统无机非金属材料,耐火材料,新型无机非金属材料,无机非金属材料,传统无机非金属材料, 半导体材料、超硬耐高温材料 、 发光材料等,传统无机非金属材料主要是指由SiO2及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、铸石（辉绿岩、玄武岩等）、碳素材料、非金属矿（石棉、云母、大理石等）也属于传统的无机材料。,1、传统无机非金属材料,陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即普通陶瓷和特种陶瓷。根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器。,传统的无机非金属材料 之一：陶瓷,普通陶瓷：即传统陶瓷，指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。,相比于瓷器，陶器的坯体结构较疏松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙无光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。,传统的无机非金属材料 之二：玻璃,玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成体分为SiO2、B2O3和P2O5。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类。普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等。,传统的无机非金属材料 之三：水泥,水泥：是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料。,水泥的种类很多，按其用途和性能可分为：通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目前水泥品种已达一百多种。,通用水泥：为大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。专用水泥：指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。特性水泥：则是某种性能较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。,传统的无机非金属材料 之四：耐火材料,耐火材料：指专门为高温技术服务的耐火度不低于1580的无机非金属材料，是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。,大部分耐火材料以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云石等）为原料制造。采用工业原料和人工合成原料（如工业氧化铝、碳化硅、合成莫来石、合成尖晶石等）制备耐火材料也日益增多。,按矿物组成可分为：氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊耐火材料（常用分类方法）；按制造方法可分为：天然矿石、人造制品；按热处理方式可分为：不烧制品、烧成制品、熔铸制品；按外观分为：耐火砖、不定形耐火材料,按耐火度分为：普通（15801770）、高级（1770 2000）、特级（2000以上）耐火制品；按化学性质分为：酸性、中性、碱性耐火材料；按密度分为：轻质、重质耐火材料；按制品的形状和尺寸分为：标准砖、异型砖、特异型砖、耐火管、耐火器皿等；按应用分为：高炉用、水泥窑用、玻璃窑用、 陶瓷窑用耐火材料等。,先进（或新型）无机材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的具有优异性能和特殊功能的材料。主要包括特种陶瓷、特种玻璃、人工晶体、半导体材料、无机涂层（薄膜材料） 、无机纤维、介孔材料等。,新型无机非金属材料,1、特种陶瓷,特种陶瓷（亦称为新型陶瓷）是指以精制的高纯天然无机物或人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制的制造加工工艺烧结，具有优异特性，主要用于各种现代工业及尖端科学技术领域的高性能陶瓷，包括：结构陶瓷 和功能陶瓷,结构陶瓷是指以具有优良的力学性能（高强度、高硬度、耐磨损） 、热学性能（抗热冲击、抗蠕变）和化学性能（抗氧化、抗腐蚀）的陶瓷材料，主要应用于高强度、高硬度、高刚性的切削刀具和要求耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐热冲击等的结构部件，包括氮化硅系统、碳化硅系统和氧化锆系统、氧化铝系统的高温结构陶瓷等。,功能陶瓷指利用其电、磁、声、光、热等直接效应和耦合效应所提供的一种或多种性质来实现某种使用功能的陶瓷材料，主要包括装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功能陶瓷等。,特种玻璃（亦称为非晶态材料 ）是指采用精制、高纯或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。特种玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃、非氧化物玻璃以及光学纤维等。根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。,2. 特种玻璃,生活中的无机非金属材料,玻璃、水泥、陶瓷,金刚石钻头,手表上轴承(人造红宝石),石英钟表,煤气炉中的电子打火,彩电（荧光材料）,海底电缆（光导纤维）,电脑的CPU（单晶硅）,隐形飞机（特殊光学材料）,(压电陶瓷),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,无机非金属材料概述,石英手表,金刚石钻头,压电陶瓷,现代通信用光缆,无机非金属材料的地位和作用,1.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。,可以说无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。,谢谢！,