材料导论第五章无机非金属材料.ppt
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1、1,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,主要内容,2,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,5.1.1 无机非金属材料的定义与分类,1.定义,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。,3,5.1 无机非金属材料概述,无机非金属材料是20世纪40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
2、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,4,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,5,2.分类,5.1 无机非金属材料概述,6,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(
3、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。,这类材料具有非常悠久的历史。,7,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。,8,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
4、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,9,5.1.2 无机非金属材料的特性,1.传统无机非金属材料的特性,(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
5、的问世。,5.1 无机非金属材料概述,10,2.新型无机非金属材料的特性,(1)耐高温、强度高,高压钠灯,5.1 无机非金属材料概述,11,(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,12,(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,13,(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
6、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,14,5.1.3 无机非金属材料的发展简史,5.1 无机非金属材料概述,15,20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
7、切无机化合物。,5.1.4 无机非金属材料的发展,5.1 无机非金属材料概述,16,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,17,5.1.4 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
8、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。,18,5.2 水 泥,19,5.2.1 硅酸盐水泥概述,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:,20,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:,5.2.1 硅酸盐水泥概述,21,5.2.2 硅酸盐水泥生产工艺,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
9、和冷却、水泥粉磨。,生产设备:水泥回转窑,22,5.2.2 硅酸盐水泥生产工艺,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。,23,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C3S的含量,可得到高强硅酸盐水泥提高C3S和C3A的含量,即可制得快硬硅酸盐水泥降低C3S和C3A的含量,提高C2S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,5.2.2 硅酸盐水泥生产工艺,24,水泥加水搅拌
10、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。,5.2.3 硅酸盐水泥的水化和硬化,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)。,25,衡量水泥性质和质量的指标:,26,5.3 玻 璃,27,5.3.1玻璃的概念和分类,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
11、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,28,因混有铁的化合物显浅绿色,几种常见玻璃简介,普通玻璃,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:1964年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3万门电话且中继距离长达2050Km,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46倍,不易破碎。,玻璃的分类:,注意:有机玻
12、璃、水玻璃不是玻璃。,5.3.1玻璃的概念和分类,29,几种玻璃的成分,普通玻璃是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2。,5.3.1玻璃的概念和分类,30,5.3.2 玻璃的制造方法,31,1.玻璃的生产工艺,垂直引上法水平拉引法压延法浮法,5.3.2 玻璃的制造方法,32,()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,5.3.2 玻璃的制造方法,33,水平连续压延法是利用一对水冷
13、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。,5.3.2 玻璃的制造方法,34,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
14、火窑,经退火、切裁,就得到平板玻璃产品。,5.3.2 玻璃的制造方法,浮法玻璃的制造过程示意图,35,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,5.3.2 玻璃的制造方法,36,压制成形,5.3.2 玻璃的制造方法,37,吹制成形,5.3.2 玻璃的制造方法,38,拉制成形,5.3.2 玻璃的制造方法,39,加工纤维,5.3.2 玻璃的制造方法,40,5.3.3 玻璃的结构与性质,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(Randell)1930年提出,认为玻璃是由80%的直径等于1.01.5nm左右的微晶组成,晶体取向无序。晶子
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