材料导论第十一章无机非金属材料ppt课件.pptx

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1、一、什么是无机非金属材料？,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。 由硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等和氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。涉及元素周期表上所有元素。,第一节、无机非金属材料概述,二、主要特性：,熔点高、硬度高、强度高、 耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐氧化、 脆性大、弹性模量大、绝缘性好、化学稳定性好。,三、主要结构,晶体结构 玻璃结构,硅氧四面体是硅酸盐材料中最基本的结构单元,硅酸盐结构,层状,岛状,组群状,链状,普通陶瓷,四、无机非金属材料的种类,陶瓷,水泥,玻璃,特种陶瓷,结构陶瓷磨损、高强度、耐高温、耐热冲击

2、、硬质、高刚性、低膨胀、隔热陶瓷。,功能陶瓷 电磁、光学、生物功能陶瓷,耐火材料,日用瓷、建卫瓷,第二节、陶瓷,1、陶瓷的定义 以黏土、长石、石英为主要原料， 经过粉碎、混炼、成型、锻烧等制作的产品。广义陶瓷 用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料,陶瓷是我国古代劳动人民的伟大发明之一， 英语china（昌南镇）即为陶瓷。 秦代：兵马俑 唐代：唐三彩 宋代：定、钧、汝、官、哥窑 瓷都景德镇 青花、玲珑瓷、薄胎瓷 陶都宜兴 紫砂,我国是陶瓷大国，日用陶瓷、建卫陶瓷产量均为世界第一，占世界产量的2/3。 我国又是陶瓷出口大国。,除中国外，世界陶瓷器的生产主要集中在欧洲。英国骨瓷、类碧玉陶器法国各种

3、雕像、花卉瓷德国高白度硬质瓷荷兰白釉蓝彩陶器日本陶瓷,2、 陶瓷的主要化学组成（质量） SiO2 Al2O3 R2O+RO 6575 730 433,3、陶瓷材料的结构,离子晶体以离子键结合的晶体。金属氧化物晶体。 MgO、 Al2O3共价晶体共价键结合的晶体。金刚石、SiC、 BN特 点 强度高、硬度高、熔点高、绝缘、结构 稳定、膨胀系数小、脆性大、无延展性。,陶瓷结构,（1）晶体相,晶体相陶瓷材料最主要的组成相。 其结构、形态、 数量及分布决定了陶瓷材料的特性。陶瓷主晶相 氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐）、氧化物 MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC，Si3N4）,陶瓷材料的结构,（2） 玻璃相

4、,玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分，其结构类似于玻璃。,玻璃相的作用：填充晶体之间的空隙，提高材料的 致密度；降低烧成温度；阻止晶体 转变、抑止晶粒长大。,玻璃相对陶瓷强度、介电常数、耐热性能不利。,陶瓷材料的结构,陶瓷材料的结构,（3）气 相,陶瓷气孔主要是坯体各成分在加热过程中发生物理、化学作用所生成的空隙。,气孔对陶瓷的性能是不利的。它降低材料的强度，是造成裂纹的根源。,二、普通陶瓷,普通陶瓷,日用陶瓷,工业陶瓷,建筑陶瓷 卫生陶瓷 电绝缘陶瓷 化工陶瓷,餐具、茶具瓷艺术瓷园林瓷,1、日用陶瓷,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

5、和工艺品,陈设瓷 艺术瓷 园林瓷 琉璃瓦 景泰蓝 搪瓷,精陶瓷,粗陶瓷,2、工业瓷,（1）、建筑陶瓷,用于建筑物的陶瓷,以难熔黏土为主要原料，包括砖、瓦、盆罐等,以瓷土和高岭土为主要原料，包括釉面砖、建卫瓷等,炻瓷,以陶土和黏土为主要原料，包括地砖、外墙砖、耐酸陶瓷,（2）、 卫生陶瓷 以高岭土为主要原料，用于卫生设施，带釉，有陶质、炻瓷质和瓷质等。,（3）、 电绝缘瓷,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。,（4）、化工用瓷 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。,三、特种陶瓷,采用高度精选的原料，具有能

6、精确控制的化学组成，按照结构设计及控制制造的方法进行制造、加工的 ，具有特殊性能的陶瓷。,定 义,与普通陶瓷的区别,原料：纯度高,成分由人工配比决定,制备：突破了炉窑的界限，采用真空烧结、 保护气氛烧结、热压、热等静压等手段,性质：特殊力学、物理和化学性能。,特种陶瓷,功能陶瓷,结构陶瓷,结构陶瓷的种类,氮化物结构陶瓷,炭化物结构陶瓷,氧化物结构陶瓷,Al2O3,ZrO2,MgO,SiC,Si3N4,1、结构陶瓷,BeO,具有高强度、高硬度、耐高温、耐摩擦、耐腐蚀等力学和热学方面的优异性能的陶瓷材料。,结构陶瓷特点： 熔点高、硬度高、强度高 耐高温、耐腐蚀、耐磨损,结构陶瓷,改善陶瓷材料强、韧

7、性的措施,1. 微晶、高密度与高纯度,2提高抗裂能力与预加应力,3相变增韧,4弥散增韧,5纤维增韧,7纳米陶瓷,6层状化结构,结构陶瓷,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,韧性,Al2O3结构陶瓷 熔点高2050 ，强度高达150MPa， 耐冲击性强。应用机械加工磨料、磨具、切削工具、坩埚、 人体关节、人工骨骼等。,MgO结构陶瓷熔点2850 ，有突出的高温绝缘性能、耐腐蚀强 （耐碱）、 不与Fe、 Ni、V、Zn、Al、Mo、Cu、Pt 等金属溶体作用。 应用典型的碱性耐火材料、高温绝缘材料 （炉管

8、、热电偶绝缘套管）、 冶炼金属的坩锅。,ZrO2结构陶瓷熔点2680。是高强、高韧 的结构材料。还具有良好的高温导电性。 应用最理想的高温电极材料 陶瓷弹簧 特殊用途的坩锅（溶炼Pt、Pd等）,BeO结构陶瓷熔点2530。热导率很高（与金属AU、 Ag、Cu 相近）、很强的耐腐蚀性（耐碱）。应用高温组件的外壳、散热片、核应用中作为快速 中子减速剂、反射器材料。注意！ BeO有毒，0.2g/M就能使人中毒。,高温非氧化物陶瓷 SiC、Si3N4 、B4C、TiB2特点：超耐高温、低热膨胀系数、高导热系数、 强冲击韧性。,2、功能陶瓷,功能陶瓷-具有电、光、磁以及部分化学功能的多晶无机固体材料.,

9、功能陶瓷的种类,压电陶瓷,超导陶瓷,磁性陶瓷,光学陶瓷,生物陶瓷,敏感陶瓷,功能电子陶瓷,压电陶瓷,压电效应： 外力作用于晶体 介质极化 压电效应 材料的压电效应取决于晶体结构的不对称性， 晶体有极轴，才有压电效应。,压电陶瓷是具有压电效应的陶瓷材料,压电陶瓷钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅（PZT）等。,压电陶瓷的应用超声换能器、滤波器、声转换器、 谐振器、点火器等。,功能电子陶瓷,光电陶瓷,光电导现象陶瓷受到光照射时，能带间、能带与 能级间的电子迁移引起光吸收，能带内 产生自由载流子，使电导率增加。,光电陶瓷是具有光电导效应的陶瓷,光敏元件利用光电导效应检测光强度。 主要是GdS多晶材料。,功能电

10、子陶瓷,超导陶瓷,1986年超导陶瓷出现。超导陶瓷主要有： 镧系La2CuO3 钇系YBa2Cu2O 铋系Bi-Sr-Cu-O 铊系Ta-Ba-Ca-Cu-O,超导磁体发电、超导输电、超导储能、 核磁共振断层摄像仪、磁悬浮列车等。,超导陶瓷的应用,磁性陶瓷,铁氧体金属氧化物-Fe2O3。,磁性陶瓷主要指铁氧体,铁氧体,软磁铁氧体,硬磁铁氧体,尖晶石型,磁铅石型,CoFe2O4-Fe2O3,BaO-xFe2O3,磁性铁氧体的应用,软磁体 电感线圈、天线、变压器和滤波器的磁芯以及录音和 录像的磁头等。,硬磁体 永磁体，用于高频磁场领域。,功能光学陶瓷,光学陶瓷,要求：具有优良的透光性、耐热性、耐

11、风化性、耐膨胀性；经光的照射， 其性质发生可逆或不可逆变化。,光学陶瓷的种类,透明陶瓷,红外光学陶瓷,激光陶瓷,氧化物透明陶瓷 Al2O3、 Gd2O3、 CaO、 LiAl5O8、MgO、HfO、BeO,非氧化物透明陶瓷GaAs、ZnS、ZnSe、MgF2、CaF2,氧化钇,基质晶体+ 掺杂离子,-Al2O3,Cr,功能陶瓷材料,生物陶瓷,用于人体器官替换、修补以及外科矫形的陶瓷材料。,生物惰性陶瓷,生物活性陶瓷,Al2O3瓷,ZrO2瓷,C类瓷,磷酸钙陶瓷,Na2O-K2O-MgO-CaO-SiO2-P2O5陶瓷,敏感陶瓷,敏感陶瓷,热敏陶瓷,性能随外界条件（温度、湿度、气氛）的变化而发生

12、改变的陶瓷。,压敏陶瓷,磁敏陶瓷,气敏陶瓷,湿敏陶瓷,钛酸钡,尖晶石型,ZnO、 SiC、Ge,Fe2O3,ZnO,SnO,钕铁硼 铝镍钴,尖晶石型 钙态矿,四、陶瓷的生产工艺,1、普通陶瓷的生产 （1） 天然原料可塑性粘土类原料（如高岭土）：细颗粒含水铝硅酸盐，层状晶体结构。 作用：提供室温下的可塑性和成型能力；提供组成中的 氧化铝，调节烧结性能。非可塑性石英类原料（如石英砂等）：二氧化硅，质硬难熔，在瓷坯 中起骨架作用；,1.普通陶瓷的生产,（2）化工原料 釉料，釉的乳浊剂、助熔剂、着色剂,长石类原料：含有钾、钠或钙离子的无水铝硅酸盐， 属于助熔剂，高温下熔融后成为玻璃相， 可以部分溶解石

13、英，并起到粘结的作用。其它矿物原料:这些原料的配比不同，就形成了日常所 见到的各种陶瓷制品，如建筑瓷、日用 陶瓷、电工陶瓷等等。,普通陶瓷的生产工艺,（3）原料准备,1.普通陶瓷的生产工艺,（4）成型使陶瓷原料成为具有一定形状大小的坯体a.可塑成型将可塑性的泥料在外力作用下变形 而制成一定形状的坯体。旋压法、滚压法、塑压法、注射法、轧膜成型法,b.注浆成型利用多孔模型吸收注入其中的泥浆中的水分，在模壁上形成薄的泥层并具有模型赋予的形状，如真空注浆、离心注浆。,c.压制成型将含少量水分或润滑剂和粘结剂的坯料填 充在某一特制的模型中，施加压力将其压 制成具有一定形状和强度的坯体。d.单轴向压制成型

14、刚性金属模具上、下两个方向加压e.等静压成型坯料在各个方向同时均匀受压。,1.普通陶瓷的生产工艺,(5)烧成将干燥好的坯体放到窑或炉内加热到高温 进行煅烧，通过一系列物理化学变化，形成 预期的矿物组成和显微结构，从而达到固定 外形并获得所预期的性能的过程。a.烧成制度：升温、冷却速度；烧成温度；保温 时间；气氛；压力等 b.烧成窑炉：隧道窑、辊道窑、推板窑、倒焰窑等,2.特种陶瓷的生产工艺,特点原料高度精选组成精确调配生产控制更加严格,特殊烧结方法热压烧结 气氛烧结 热等静压烧结 真空（气压）烧结 微波烧结 等离子烧结,2.特种陶瓷的生产工艺过程,(1)原料特点纯度高、颗粒细小、少加或不加添加

15、剂（2）原料粉体制备方法液相法 气相法 固相法 机械法 溶剂蒸发法,一种加入适量水后，能在空气中、水中硬化的，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料。,水泥,水泥混凝土材料是最大宗人造材料,城乡建设、水利水电建设、交通建设,理由：基本建设的持续发展,我国是水泥大国,水泥的应用,建筑、修路 配制水泥砂浆和混凝土机制水化反应，使砂浆和混凝土凝结、硬化。,水泥的分类,按矿物组成分,硅酸盐水泥,铝酸盐水泥,硫铝酸盐水泥,氟铝酸盐水泥,少熟料和无熟料水泥,水泥的分类,按用途和性能,快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥。,通用水泥,硅酸盐水泥：普通水泥、矿渣水泥、火

16、山灰水泥、粉煤灰水泥，用于土木建筑工程等。,特性水泥,油井水泥 砌筑水泥 大坝水泥,专用水泥,水泥,硅酸盐水泥,石灰石 粘土 校正原料 煤粉 石膏 混合材料,CaO,Al2O3SiO2,Fe2O3SiO2Al2O3,调节性能；增产；降低成本,煅烧燃料,调节水泥硬化速度,硅酸盐水泥,配料,粉磨,成球,煅烧,矿 渣,石膏,生料,熟料,熟料,粉煤灰,火山灰,普通水泥,矿渣水泥,粉煤灰水泥,火山灰水泥,13001450C,粉磨,硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成,水泥,主要矿物对水泥性能的影响,C3S 高强水泥,C3A、C3S 快硬水泥,C3A、C3S C2S 中低热水泥,C4AF C3A 道路水泥,衡量水

17、泥性质和质量的指标,密度,容重,细度,凝结速度：初凝时间45min、终凝时间 12h,体积安定性： fCaO(MgO)含量,强度：抗压强度(MPa),标号,水化热,10,抗渗性：渗透系数,抗冻性,抗侵蚀性,玻璃,熔融体过冷制得的具有固体性质和一定结构特征的非晶态物质。,玻璃的分类,根据网络形成的组分：,硅酸盐玻璃 SiO2 硼酸盐玻璃 B2O3 磷酸盐玻璃 P2O5,根据玻璃的用途分： 普通玻璃 特种玻璃 日用玻璃 防辐射玻璃 建筑玻璃 激光玻璃 光学玻璃 光纤玻璃 玻璃纤维 非线性光学玻璃,玻璃的性质,力学性质,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

18、质。能透可见光和红外线。,化学性质,化学性质稳定。耐酸不耐碱。,玻璃的生产方法,原料（以钠钙硅玻璃为例）,砂岩 石灰石 长石 白云石 纯碱 芒硝 辅料,SiO2,Al2O3R2O,CaOMgO,Na2O,Na2SO4,CaO,玻璃的生产方法,硅酸盐形成,玻璃液形成,玻璃液澄清,玻璃液均化,熔制,玻璃液冷却,设备：玻璃熔窑,Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2,CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2,主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 Na2OCa2O6SiO2）,复杂的物理、化学变化：,将玻璃加热至一定温度进行热处理并采取适宜的冷却工艺制度，从而消除或减少玻璃在生产

19、过程中因激烈、不均匀的温度变化而产生的热应力的过程。,退火,新型玻璃,阻热玻璃,玻璃上覆盖掺加了钨的二氧化钒当室温升至以上时，二氧化钒本身的电子排列就会发生变化，使其从半导体变为导体，可以阻挡红外线。,自净玻璃,在玻璃表面涂覆一层透明的TiO2光催化剂涂膜。 TiO2催化剂膜遇到光照激发后会使附着的有机物、污染物变成CO2和H2O且自动消除。应用盖板玻璃、室外玻璃、灯具灯罩、住宅厨房玻璃、 汽车窗玻璃、后视镜及玻璃镜以及高级建筑物的 玻璃幕墙装饰玻璃、医院手术室。,新型玻璃,微晶玻璃,特定组成的玻璃在有控制的条件下，进行晶化热处理，形成由微晶和玻璃相均匀分布组成的致密的多相复合体。比钢还硬，微

20、晶玻璃管榔头；受热不胀，遇冷不缩，耐急冷急热；作杯盘锅碟，敲跌不碎，高温不裂；作刀具能削铁如泥；耐高温，用作导弹头的外罩。,电磁炉微晶玻璃面板,定义-耐火度不低于1580的结构部件和高温 容器的无机非金属材料和制品。应用-冶金、硅酸盐、化工、机械等领域的窑炉。 高温容器或设备。 火箭、热核反应堆。,耐火材料,耐火材料的分类,按矿物组成分类, 硅酸铝质粘土砖、高铝砖等。 硅质硅砖、熔融 石英制品等。 镁质、白云石质镁砖、镁铬砖、镁铝砖、白云石砖等。 碳质石墨砖、碳砖等。 锆质锆英石砖、锆刚玉砖等。 特殊纯氧化物、碳化物、氮化物等纯度高、熔点高、 强度大、热稳定等特殊性能的耐火材料。,耐火材料的分

21、类,按耐火度分类,普通耐火材料15801770高级耐火材料17702000特级耐火材料20003000,按化学特性分类,酸性耐火材料硅砖、 锆英石砖碱性耐火材料镁砖、镁铝砖、白云石砖中性耐火材料刚玉砖、高铝砖、碳砖,耐火材料,配料,成型,干燥,煅烧,原料加工,烧结耐火材料,配料,电炉熔化,浇铸,原料,加工,退火,熔铸耐火材料,不定形耐火材料,粒状料、粉状料、结合剂,耐火度,材料在高温下不熔化的性质,荷重软化温度,在温度和荷重的作用下抗变形的能力,高温体积稳定性,在高温下体积及线度保持稳定的能力,抗热震性,抗渣性,在高温下，温度急剧变化不破坏的能力,抵抗熔渣或熔融液侵蚀的能力,耐真空性,在真空和高温下服役的能力,耐火材料的性能指标,