《無機(jī)非金屬材料》PPT課件.ppt

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材料科學(xué)與工程導(dǎo)論 主講人 黃艷琴南京郵電大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2011年12月1日 第四章無機(jī)非金屬材料 陶瓷 水泥和玻璃均是以含硅物質(zhì)為原料 在高溫下經(jīng)過一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)變化而得到的硅酸鹽產(chǎn)品 水泥時代 瓷器由陶器脫胎而來 制瓷器的要求比制陶器高 它需要純凈的粘土作原料 燒制溫度也相對較高 因此 瓷器比陶器瓷體白凈 質(zhì)地致密 完全改變了陶器多孔與透水的缺點(diǎn) 這是陶器發(fā)展過程的重大飛躍 由此在公元元年左右形成了水泥時代 無機(jī)非金屬材料 主要包括陶瓷 玻璃 水泥等陶瓷按性能和用途分類 傳統(tǒng)陶瓷和廣義陶瓷傳統(tǒng)陶瓷 普通陶瓷 以天然的黏土 含水的硅酸鹽礦物 主要含SiO2 Al2O3 H2O Fe2O3等 為主要原料 經(jīng)粉碎 成形 燒結(jié)制成 產(chǎn)量大 應(yīng)用廣 廣義陶瓷 特種陶瓷 精細(xì)陶瓷 高技術(shù)陶瓷 先進(jìn)陶瓷 是以非硅酸鹽礦物高純化工原料和合成礦物為原料 沿用傳統(tǒng)陶瓷的工藝制得的新材料 具有各種特殊的力學(xué) 物理或化學(xué)性能 可分為金屬氧化物陶瓷 如Al2O3 MgO CaO等 和非氧化物陶瓷 如C N B Si等的化合物 一 陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能 一 結(jié)合鍵離子鍵離子晶體強(qiáng)度高 硬度高 熔點(diǎn)高 但脆性大 無延展性 受熱膨脹小 固態(tài)時絕緣 熔融后可導(dǎo)電 例如MgO Al2O3 ZrO2等金屬氧化物 共價鍵共價晶體強(qiáng)度高 硬度高 熔點(diǎn)高 但脆性大 無延展性 受熱膨脹小 固態(tài)和熔融后均不導(dǎo)電 例如金剛砂SiC 高溫陶瓷Si3N4 BN等 離子鍵與共價健的混合鍵比較不同元素間的電負(fù)性 可以大體看出它們形成化合物時不同鍵成分的比例 陶瓷材料多數(shù)以混合鍵結(jié)合 通常認(rèn)為以離子鍵結(jié)合的MgO 離子鍵比例為84 而通常認(rèn)為以共價鍵結(jié)合的SiC 有18 的離子鍵結(jié)合 陶瓷材料的結(jié)構(gòu) 二 基本相晶體相 玻璃相 氣相晶體相晶體相是陶瓷材料中的最主要的組成相 可以是固溶體 也可以是化合物 陶瓷材料一般有多個晶體相組成 稱為 主晶相 次晶相 第三晶相 普通陶瓷的主晶相是硅酸鹽晶體硅酸鹽的結(jié)合鍵為離子鍵和共價鍵的混合鍵 硅酸鹽晶體的基本單元是 SiO4 四面體 4個O原子分布在正四面體的頂點(diǎn)上 Si原子位于四面體的中心 經(jīng)常有一些其它的離子如Al3 Mg2 等存在于硅酸鹽晶體內(nèi) 陶瓷材料的結(jié)構(gòu) 晶體相氧化物陶瓷的主晶相一般是氧化物本身的晶體或氧化物與其它物質(zhì)反應(yīng)生成的復(fù)雜相 主要以離子鍵結(jié)合 例如 氧化鋁陶瓷的主晶相就是氧化鋁晶體 Al2O3的氧原子組成八面體排列 鋁原子位于八面體的間隙中 由于間隙沒被金屬離子完全填滿 鋁離子只占全部空隙的三分之二 可以向Al2O3陶瓷中摻入不同的微量雜質(zhì) 來改善其性能 例如摻入鉻離子就成為紅寶石 可做儀表等微型精密儀器的軸承 以及優(yōu)良的固體激光材料 陶瓷材料的結(jié)構(gòu) 晶體相非氧化物陶瓷主要以共價鍵結(jié)合 也有一定的金屬鍵和離子鍵 例如 大多數(shù)過渡金屬碳化物晶體中 金屬與碳之間的鍵是處于共價鍵和金屬鍵之間的過渡狀態(tài) 大多數(shù)碳化物具有良好的導(dǎo)電 導(dǎo)熱性 硬度高 耐高溫 陶瓷材料的結(jié)構(gòu) 玻璃相是陶瓷材料中原子不規(guī)則排列的組成部分 結(jié)構(gòu)如同玻璃 普通陶瓷中玻璃相含量較高 特種陶瓷中含量較低 玻璃相的形成 在陶瓷配方中一般要加入少量添加劑 這些添加劑能互相反應(yīng)生成低熔點(diǎn)的復(fù)雜化合物 在陶瓷燒結(jié)時熔化成液態(tài) 凝固后就成為位于晶體晶界上的玻璃相 玻璃相的作用 粘結(jié)分散的晶體相 提高陶瓷的致密度 降低陶瓷的燒成溫度 加快燒結(jié)過程 填充氣孔間隙 對陶瓷的強(qiáng)度 介電性能 耐熱耐火性能不利 必須控制其體積分?jǐn)?shù) 一般為20 40 陶瓷材料的結(jié)構(gòu) 氣相各成分在加熱過程中發(fā)生物理 化學(xué)作用所生成的孔隙 孔隙大部分被玻璃相填充 少部分殘留下來變成氣孔 氣孔的存在對陶瓷性能不利 降低強(qiáng)度 造成裂紋 普通陶瓷氣孔率5 10 特種陶瓷氣孔率小于5 陶瓷材料的結(jié)構(gòu) 三 晶體缺陷1 點(diǎn)缺陷存在置換原子 間隙原子 空位等缺陷 當(dāng)晶體的溫度高于絕對零度時 晶格內(nèi)原子吸收能量 在其平衡位置附近熱振動 溫度越高 熱振動幅度加大 原子的平均動能隨之增加 熱振動的原子在某一瞬間可以獲得較大的能量 掙脫周圍質(zhì)點(diǎn)的作用 離開平衡位置 進(jìn)入到晶格內(nèi)的其它位置 而在原來的平衡格點(diǎn)位置上留下空位 點(diǎn)缺陷意味著局部電子濃度的缺乏或過剩 其運(yùn)動可以提高晶體的導(dǎo)電性 陶瓷材料的結(jié)構(gòu) 2 面缺陷陶瓷一般是多晶體 固體從蒸汽 溶液或熔體中結(jié)晶出來時 只有在一定條件下 例如有籽晶存在時 才能形成單晶 而大多數(shù)固體屬于多晶體 多晶是由許多小晶粒組成 這些小晶粒本身可以近似看作單晶 且在多晶體內(nèi)做雜亂排列 多晶體中晶粒與晶粒的交界區(qū)域稱為晶界 晶界的影響巨大 晶界兩側(cè)晶粒取向的不同可以阻止裂紋的擴(kuò)展 因此細(xì)化晶粒是提高陶瓷材料強(qiáng)韌性的有效手段 陶瓷材料的結(jié)構(gòu) 陶瓷材料的性能 性能與化學(xué)鍵 晶體結(jié)構(gòu) 顯微組織 包括組成相分布 晶粒形狀和大小 氣孔的分布 大小和數(shù)量 雜質(zhì)和缺陷等 等多種因素有關(guān) 波動范圍大 但仍有一定共性 四 力學(xué)性能1 硬度 材料抵抗局部塑性變形或斷裂的能力 取決于組成相的結(jié)構(gòu) 共價晶體中電子云的重疊程度越大 離子晶體中離子堆積密度越高 硬度越大 硬度高 維氏硬度 用金剛石壓入材料表面時 單位面積的承載能力 單位兆帕 陶瓷材料的性能 2 強(qiáng)度 材料在外力作用下 抵抗塑性變形或斷裂的能力 理論強(qiáng)度很高 但由于大量缺陷 氣孔的存在 實(shí)際強(qiáng)度與理論值相差可達(dá)100倍以上 一般具有優(yōu)于金屬材料的高溫強(qiáng)度 所以可以作為高溫材料使用 陶瓷材料的性能 3 塑性與韌性大多數(shù)陶瓷材料的塑性幾乎為零 提高陶瓷韌性和降低脆性一直是陶瓷材料的主要研究課題 改進(jìn)措施 a 細(xì) 密 勻 純 細(xì)晶 致密 相結(jié)構(gòu)分布均勻 原料高度純凈 b 復(fù)合強(qiáng)化 例如 采用SiC纖維增韌陶瓷 陶瓷材料的性能 五 熱性能1 熔點(diǎn) 一般很高 具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性 可以作為高溫材料 2 熱膨脹 線膨脹系數(shù)與晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵類型有關(guān) 鍵能高 線膨脹系數(shù)較小 陶瓷線膨脹系數(shù)比金屬 聚合物要低得多 一般只有10 5 10 6 K 3 導(dǎo)熱性 主要通過原子的熱震動導(dǎo)熱 由于沒有自由電子的傳熱 陶瓷中的氣孔對熱傳導(dǎo)不利 所以陶瓷一般為絕熱材料 陶瓷材料的性能 4 抗熱震性指材料承受溫度急劇變化而不發(fā)生失效的能力 陶瓷的抗熱震性能一般用浸入冷水中急冷而不破裂的最高溫度來表達(dá) 由于制備工藝的原因 陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)很難均勻 而且存在內(nèi)應(yīng)力 所以 一般抗熱震性不好 如日用陶瓷的抗熱震性為220 陶瓷材料的性能 六 電性能大多數(shù)陶瓷材料是良好的絕緣體 所以經(jīng)常被用作介電材料 有一部分陶瓷 如SiC 是半導(dǎo)體材料 ZrO2用CaO MgO改性后在高溫時是良好的導(dǎo)體 七 光學(xué)性能具有晶體結(jié)構(gòu)的陶瓷因?yàn)榫Ы?氣孔的存在 一般不透光 光學(xué)陶瓷不僅可透光 還有導(dǎo)光性 光反射等性能 可作為光材料 八 化學(xué)性能非常穩(wěn)定 一般在常溫下對氧 酸 堿 鹽都具有較強(qiáng)的抵抗力 陶瓷材料的性能 二 普通陶瓷 主要工藝過程 原料制備與處理 制坯 燒結(jié)1 原料制備與處理選料 粘土 可塑性原料 主要含SiO2 Al2O3 H2O Fe2O3等 石英 非可塑性原料 主要含SiO2 長石等 配料加工 破碎 混合 磨細(xì) 要求粒度細(xì) 一般 10 m 而均勻 普通陶瓷 景德鎮(zhèn)瓷器被譽(yù)為 潔如玉 明如鏡 薄如紙 聲如馨 普通陶瓷 制瓷器的要求比制陶器高 它們生產(chǎn)工藝過程的對比 1 選料 首先 陶器是普通粘土燒成的 而瓷器則需要純凈的粘土作原料 瓷器的胎必須是瓷土 瓷土主要成份是高嶺土 現(xiàn)在國際上通用的高嶺土學(xué)名 Kaolin 就是來源于景德鎮(zhèn)東郊的高嶺村邊的高嶺山 高嶺土理想的化學(xué)式為AL2O3 2SiO2 2H2O 2 配料加工 瓷器的特點(diǎn)是質(zhì)地緊密堅(jiān)硬 這就要求瓷土 細(xì)滑 一般是采用舂 把東西放在石臼或乳缽里搗掉皮殼或搗碎 方法 把瓷土舂細(xì) 并在水池中經(jīng)過淘洗 然后沉淀濾去水分 從而得到細(xì)滑 純凈的瓷土 2 制坯 將原料加工成一定形狀和尺寸的半成品 使之具有一定的致密度和必要的強(qiáng)度 可塑成型法 在坯料中加入水或塑化劑 經(jīng)手工 擠壓或機(jī)械加工成型 注漿成型法 將坯料注入多孔性模型中制成 適用于形狀復(fù)雜 不規(guī)則 薄而體積大且尺寸要求不嚴(yán)的制品 模壓成型法 將干粉料在模型中壓成致密坯體 上釉 釉料是金屬及其化合物 使陶瓷表面光滑 不滲水 且具有豐富的色彩 為了得到不同顏色的瓷器 還要求嚴(yán)格控制釉中的鐵 銅 錳等各種金屬呈色元素的含量 普通陶瓷 青瓷燒制后 呈青綠色或青黃色 這與瓷器表面釉層中含有一定的鐵元素有關(guān) 普通陶瓷 青瓷是瓷器的起源 瓷器之母 在青瓷的基礎(chǔ)上發(fā)展了白瓷 普通陶瓷 降低鐵的含量 呈白色則是白瓷 初期的白瓷 釉色泛青 胎質(zhì)細(xì)膩 有顯著的從青瓷到白瓷的過度特征形態(tài) 上等白瓷的胎和釉中的含鐵量必須控制在1 以下 方能燒成 普通陶瓷 紅色釉瓷器的呈色劑是銅元素 青花瓷器則是以錳元素為呈色劑 紅瓷 青花瓷 3 燒結(jié) 通過一系列物理化學(xué)變化 去除坯內(nèi)所含溶劑 粘結(jié)劑 塑化劑等 減少坯體中的氣孔 增強(qiáng)顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度 陶器燒成的最高溫度在960 左右 瓷器是在一千二百至一千四百攝氏度的高溫下燒成的 溫度的上升速度 火焰的性質(zhì)以及冷卻的方法等 都直接關(guān)系到瓷器的質(zhì)量 普通陶瓷 釉上彩 瓷器上的彩色圖案一般是在燒結(jié)后加繪的 用金屬顏料加透明釉調(diào)成顏料在素的瓷器上描畫彩色圖案 也有用鑲金 貼花的方法的 即把金紙條或印花紙貼在瓷器上 再刷上透明釉 釉上圖案制成后 把器物再放入烘爐中烘烤 便可得到美麗的彩繪瓷器 烘烤溫度一般為七百至八百攝氏度 大量用于日用陶器 瓷器 建筑工業(yè) 電器絕緣材料 耐蝕要求不很高的化工容器 管道 以及機(jī)械性能要求不高的耐磨件 如紡織工業(yè)中的導(dǎo)紡零件等 普通陶瓷 三 特種陶瓷 特種陶瓷 1 結(jié)構(gòu)陶瓷 又稱為工程陶瓷 以承受載荷為主 具有良好的機(jī)械功能和熱功能 硬度大 熔點(diǎn)高 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定 如氧化物陶瓷 Al2O3 BeO ZrO2 非氧化物陶瓷 SiC Si3N4 BN 2 功能陶瓷 具有電 光 磁 生物 化學(xué)特性的陶瓷 如電子陶瓷 超導(dǎo)陶瓷 磁性陶瓷 光學(xué)陶瓷 生物陶瓷 敏感陶瓷等 氧化鋁陶瓷 氮化硅陶瓷 生物陶瓷 結(jié)構(gòu)陶瓷 氧化鋁陶瓷Al2O3有多種晶型 一般有 型 其中天然存在的是 Al2O3型 俗稱為剛玉 剛玉結(jié)構(gòu)緊密 活性低 高溫穩(wěn)定 氧化鋁陶瓷主要成分是Al2O3和SiO2 其中Al2O3含量大于45 也稱為高鋁陶瓷 當(dāng)Al2O3含量在90 99 5 時主晶相為剛玉 稱為剛玉瓷 氧化鋁陶瓷耐高溫性能很好 在氧化氣氛中可使用到1950 氧化鋁含量越高 高鋁陶瓷性能越好 剛玉瓷的性能最好 高鋁陶瓷的硬度高 電絕緣性能好 耐蝕性和耐磨性也很好 可用作高溫器皿 刀具 內(nèi)燃機(jī)火花塞 軸承 化工用泵 閥門等 特種陶瓷 能將氣體參量 如濃度 轉(zhuǎn)換成電信號 原理 陶瓷空隙吸附 物理吸附 化學(xué)吸附 氣體分子后 陶瓷的電阻率發(fā)生變化 為了增加敏感性 一般要加熱 摻雜催化劑 如Au Ag Pt Pd Ir Rh Fe以及一些鹽類 特種陶瓷 功能陶瓷 氣敏陶瓷 四 水泥和玻璃 你知道現(xiàn)代建筑使用的材料主要有哪些 人類建筑的變遷 從陰冷潮濕的洞穴 破敗不堪的茅草屋 簡陋粗造的石屋 到水泥 磚瓦修建的房屋 再到具有現(xiàn)代氣息的摩天大樓 鋼筋 水泥 玻璃 水泥簡介 水泥 細(xì)磨材料 加入適當(dāng)水后 成為塑性漿體 既能在空氣中硬化 又能在水中硬化 能把砂 石材料牢固地膠結(jié)在一起的水硬性凝膠材料 混凝土 水泥 沙子 碎石 玻璃 凡熔融體通過一定方式冷卻 因黏度增加而具有固體性質(zhì)和一定結(jié)構(gòu)特征的非晶態(tài)物質(zhì) 玻璃材料簡介 玻璃材料簡介 有色玻璃 玻璃材料簡介 在玻璃原料中加入一定量的著色劑 使玻璃呈現(xiàn)不同的顏色 如加入錳化合物使玻璃呈紫色 加入氧化亞銅使玻璃呈現(xiàn)紅色 加入氧化鈷可使玻璃呈現(xiàn)藍(lán)色等 在玻璃表面噴涂 鍍膜等可以制得 在玻璃表面涂鍍一層或多層金屬 合金或金屬化合物薄膜 例如熱反射玻璃一般是在玻璃表面鍍一層或多層諸如鉻 鈦或不銹鋼等金屬或其化合物組成的薄膜 不僅使產(chǎn)品呈豐富的色彩 對于可見光有適當(dāng)?shù)耐干渎?對紅外線有較高的反射率 對紫外線有較高吸收率 因此 也稱為陽光控制玻璃 主要用于建筑和玻璃幕墻 在玻璃中加入適量的溴化銀和氧化銅的微小晶粒 經(jīng)過熱處理制得 玻璃材料簡介 玻璃顏色變淺 變色玻璃 玻璃的顏色隨光線照射變暗 停止照射后 又恢復(fù)到原來的顏色 原理 應(yīng)用 汽車防護(hù)玻璃 高級窗玻璃 太陽鏡等 利用二氧化硅的特性可在玻璃上雕刻各種精美圖案以及刻度 文字等 原理 玻璃材料簡介 刻花玻璃 玻璃中的二氧化硅與氫氟酸反應(yīng) 腐蝕玻璃 SiO2 4HF SiF4 2H2O 應(yīng)用 日用品 工藝品 在玻璃儀器 量筒 滴定管 標(biāo)注刻度及文字等 Thankyouforyourattention