人生不可不读的书.ppt
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1、第四章:无机非金属材料,结构陶瓷材料,功能陶瓷材料,传统日用、建筑材料,本章主要内容,无机非金属材料概论,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。,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,传统陶瓷,无机非金属材料的种类,陶瓷,水泥,玻璃,特种陶瓷,结构陶瓷,功能陶瓷,陶瓷材料的物质结构,陶瓷材料的结合键,陶瓷材料的组成相的结合键为离子键(MgO、Al2O3)、共价键(金刚石、Si3N4)以及离子键与共价键的混合键,以离子键结合的晶体称为离子晶体。离子晶体在陶瓷材料中占有很重要的地位
2、。它具有强度高、硬度高、熔点高、等特点。但这样的晶体脆性大,无延展性,热膨胀系数小,固态时绝缘,但熔融态可导电等特点。金属氧化物晶体主要以离子键结合,一般为透明体。,陶瓷材料的物质结构,陶瓷材料的结合键,以共价键结合的晶体称为共价晶体。共价晶体具有方向性和饱和性,因而共价键晶体的原子堆积密度较低。共价键晶体具有强度高、硬度高、熔点高、结构稳定等特点。但它脆性大,无延展性,热膨胀系数小,固态、熔融态时都绝缘。最硬的金刚石、SiC、Si3N4、BN等材料都属于共价晶体。,陶瓷材料的物质结构,陶瓷材料的相组成,晶体相,晶体相是陶瓷材料最主要的组成相,主要是某些固溶体或化合物,其结构、形态、数量及分布
3、决定了陶瓷材料的特性和应用。晶体相又分为主晶相、次晶相和第三相。陶瓷中晶体相主要有含氧酸盐(硅酸盐、钛酸盐等)、氧化物(MgO、Al2O3)、非氧化物(SiC,Si3N4)等。,硅氧四面体是硅酸盐陶瓷中最基本的结构单元。,陶瓷材料的物质结构,陶瓷材料的相组成,玻璃相,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。,玻璃相的作用是:熔点低,将分散的晶体相粘结起来,填填充晶体之间的空隙,提高材料的致密度;降低烧成温度,加快烧结过程;阻止晶体转变、抑止晶粒长大。,玻璃相对陶瓷强度、介电常数、耐热性能是不利的。,陶瓷材料的物质结构,陶瓷材料的相组成,气相(气孔),陶瓷中气孔主要是坯体各
4、成分在加热过程中单独或互相发生物理、化学作用所生成的空隙。这些空隙可由玻璃相来填充,还有少部分残留下来形成气孔。,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。,陶瓷材料的物质结构,陶瓷材料的晶体缺陷,点缺陷,陶瓷材料晶体中存在的置换原子、间隙原子和空位等缺陷称之为点缺陷。陶瓷材料的很多性质如导电性与点缺陷有直接关系。此外,陶瓷材料的烧结、扩散等物理化学过程也与点缺陷有关。,陶瓷材料的物质结构,陶瓷材料的晶体缺陷,线缺陷,位错是陶瓷材料晶体中存在线缺陷。陶瓷材料中位错形成所需要的能量较大,因此,不易形成位错。陶瓷材料中位错密度很低。陶瓷材料主要是离子键和共价键。这两种结合键造成
5、位错错的可动性降低。当位错滑移时,离子键中同号离子相斥,导致离子键断裂;而共价键的方向性和饱和性,具有确定的键长和键角,位错的滑移也会导致共价键的破断。,陶瓷材料的物质结构,陶瓷材料的晶体缺陷,面缺陷,陶瓷材料一般是多晶材料。多晶材料中存在的晶界和亚晶界就是陶瓷材料中的面缺陷。,我们知道晶粒细化可以提高材料的强度。晶界对金属材料和陶瓷材料强度的提高作用机理是不同的。对金属材料来说,晶界阻碍位错的运动,从而强化了材料;而对陶瓷材料来说,利用晶界两侧晶粒取向的不同来阻止裂纹的扩展,提高强度。,陶瓷材料的性能特点,力学性能,硬度,陶瓷的硬度很高,多为1000Hv1500Hv(普通淬火钢的硬度5008
6、00Hv)。陶瓷硬度高的原因是离子晶体中离子堆积密度大、以及共价晶体中电子云的重叠程度高引起的。,刚度,陶瓷的刚度很高。刚度是由弹性模量衡量的,而弹性模量又反映其化学键的键能。离子键和共价键的键能都要高于金属键,因此陶瓷材料的弹性模量要高于金属材料。,陶瓷材料的性能特点,力学性能,强度强度,陶瓷材料的强度取决于键的结合力,理论强度很高。但陶瓷中由于组织的不均匀性,内部杂质和各种缺陷的存在,使得陶瓷材料的实际强度要比理论强度低100多倍。,陶瓷材料的强度也受晶粒大小的影响。晶粒越细,强度越高。此外,陶瓷材料一般具有优于金属材料的高温强度,高温抗蠕变能力强,且有很高的抗氧化性。常用于高温材料。,陶
7、瓷材料的性能特点,力学性能,塑性与韧性,陶瓷材料的塑性和韧性较低,这是陶瓷最大的弱点。陶瓷材料受到载荷时在不发生塑性变形的情况下,就发生断裂。断裂是裂纹形成和扩展的过程。陶瓷内部和表面所产生的微裂纹,由于裂纹尖端的应力集中,内部裂纹在受到外应力时扩展很快,这是导致陶瓷材料断裂的根本原因。,陶瓷材料的性能特点,热学性能,熔点,陶瓷材料由离子键和共价键结合,因此具有较高的熔点。,热容,热膨胀,陶瓷材料在低温下热容小,在高温下热容增大。,陶瓷材料的热膨胀系数小,这是由晶体结构和化学键决定的。一般为105106/K。,陶瓷材料的性能特点,电学性能,陶瓷材料是良好的绝缘体。可用于隔电的绝缘材料;陶瓷还具
8、有介电特性,可作为电器的介质。陶瓷材料的介电损耗很小,可大量制造高频、高温下工作的器件。,陶瓷材料由于晶界和气孔的存在,一般是不透明的。可以通过烧结方法的改变和控制晶粒的大小,制备出透明的氧化物陶瓷。,光学性能,陶瓷材料加工方法,配料,成形,煅烧,结构陶瓷材料,结构陶瓷的种类,氧化物结构陶瓷,炭化物结构陶瓷,氮化物结构陶瓷,结构陶瓷材料,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,结构陶瓷材料,Al2O3陶瓷,Al2O3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
9、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、相。型是高温型,而相是低温型。,其中刚玉瓷的性能最佳。,结构陶瓷材料,Al2O3陶瓷的性能及应用,1。强度高2。硬度高:机械加工磨料、磨具、切削工具等3。熔点高、抗腐蚀:耐火材料、炉管、热电偶保护套等4。化学稳定性好:坩埚、人体关节、人工骨骼5。电绝缘性好:基板、火化塞、电路外壳6。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,结构陶瓷材料,ZrO2陶瓷,ZrO2陶瓷有三种晶型。常温下是单斜晶系,1000度以上转变为四方晶系,到2300度以上又转变成立
10、方晶系。由单斜向四方的转变是可逆的,并伴随7的体积膨胀。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。,ZrO2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。,结构陶瓷材料,BeO陶瓷,BeO晶体无色,属六方晶系,在固态下无晶型转变,结构稳定。,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Al2O3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。,MgO陶瓷,耐高温,抗金
11、属及碱性熔渣腐蚀,可以用作坩埚冶炼高纯度Fe、Mo、Cu、Mg等。也可用于高温热电偶保护套等,结构陶瓷材料,炭化物结构陶瓷,特点:高耐火度、高硬度、高耐磨性。,SiC陶瓷有两种晶体结构:SiC和SiC。前者属六方晶系,是高温稳定相;后者属等轴晶系,是低温稳定相。SiC陶瓷的莫氏硬度13,在1400度的高温下仍能保持相当高的弯曲强度;SiC陶瓷有很高的热传导能力,抗蠕变性能好,对酸性熔体有很强的抵抗力,但不抗强碱。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。,结构陶瓷材料,氮化物结构陶瓷,特点:高耐火度、高硬度、高耐磨性。,Si3N4陶瓷是强
12、共价键材料,原子结合力强,属六方晶系。Si3N4陶瓷具有良好的化学稳定性,能抵抗除氢氟酸以外的各种酸、碱和熔融金属的侵蚀;具有优异的绝缘性;硬度高,摩擦系数小,是一种优良的耐磨材料;线膨胀系数小,热导率高,抗热震性好;室温强度虽然不高,但高温强度较高。,功能陶瓷材料,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,功能陶瓷材料,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,功能陶瓷材料,电子陶瓷,压电陶瓷,当外力作用于晶体时,发生与应
13、力成比例的介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这种由于形变而产生的电效应,称为压电效应。反之,当在晶体上施加电场引起极化时,将产生与电场成比例的变形或压力,称之为逆压电效应。材料的压电效应取决于晶体结构的不对称性,晶体必须有极轴,才有压电效应。,压电陶瓷是具有压电效应的陶瓷材料,功能陶瓷材料,压电陶瓷的种类,压电陶瓷主要有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸钡(PZT)、改性PZT等。,压电陶瓷的晶体结构随温度的变化而变化。对钛酸钡和钛酸铅,当温度高于居里温度Tc时,为立方晶体,具有对称性,无压电效应;低于Tc时,为四方晶体,具有非对称性,有压电效应。,功能陶瓷材料,压电陶瓷的应用,压电陶瓷的优点是价格
14、便宜,可以批量生产,能控制极化方向,添加不同成分,可改变压电特性。,压电陶瓷可用作超声波发生源的振子或水下测声频仪器上的振子;也可用作声转换器。但压电陶瓷收到机械应力的作用时,由压电效应发生的电能可用于煤气灶的点火器和打火机等;压电陶瓷还可用于滤波器等。,功能陶瓷材料,电子陶瓷,光电陶瓷,当光电陶瓷受到光照射时,由于能带间的迁移和能带与能级间的迁移而引起光的吸收现象时,能带内产生自由载流子,而使电导率增加,这种现象称为光电导现象。,光电陶瓷是具有光电导效应的陶瓷材料,利用光电导效应检测光强度的元件称为光敏元件。检测从波长很短的X射线到波上很长的紫外线的光敏元件主要是烧结GdS多晶;如果在GdS
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