第7章无机非金属材料.ppt

Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,无机非金属材料,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,1,Chapter 7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,本章内容,7.1 无机非金属材料的分类和特点 7.2 水泥与玻璃 7.3 陶瓷 7.4 半导体材料 7.5 超导材料,2,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,学习目的,结合前面所学内容，理解无机非金属材料结构与性能特点； 了解常用无机非金属材料的合成和工艺。 了解各种新型无机非金属材料的特殊性能、作用原理、结构及用途。,3,3,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,学习参考书目,杨兴钰. 材料化学导论. 武汉：湖北科学技术出版社，2003 戴金辉，葛兆明 主编，无机非金属材料概论，哈尔滨工业大学出版社，1999 H. F.W. Taylor, Cement Chemistry, Academic Press, 1990 M. W. Barsoum, Fundamentals of Ceramics, IOP, 2003 J. G. P.Binner, Advanced Ceramic Processing and Technology, Vol. 1, Noyes, 1990,4,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,7.1 无机非金属材料的分类及特点,无机非金属材料以氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物（包括硫化物、硒化物及碲化物）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。,5,传统（普通）无机非金属材料,新型（特种）无机非金属材料,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,传统（普通）无机非金属材料,6,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,新型（特种）无机非金属材料,7,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,结构特征,离子键：无方向性、无饱和性 紧密堆积；键强较高 密度大，高强度、高硬度、高脆性、耐热 共价键：具有方向性与饱和性 键强度较高，具有稳定化学结构 密度较小，熔点高，硬度大，脆性大，热膨胀系数小，绝缘性好。 离子键与共价键混合 其它键合,8,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,部分陶瓷化合物化学键混合特征,9,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,7.2 水泥与玻璃,硅酸盐水泥 铝酸盐类水泥 硫铝酸盐水泥 氟铝酸盐水泥 铁铝酸盐水泥,10,7.2.1 水泥（cement）,按矿物组成 分类,一种水硬性胶凝材料，通过水化过程发生凝结和硬化，硬化后甚至在水中也可保持强度和稳定性。,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,11,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,硅酸盐水泥,熟料成分： 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,12,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,硅酸盐水泥,熟料比例对水泥性质的影响 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.,13,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,硅酸盐水泥生产,14,所得熟料经碾磨成细粉，加少量石膏，用以调节水泥的水硬化时间，即得水泥成品。,熟料制备的化学过程：原料为石灰石、黏土等,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,15,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,硅酸盐水泥的水化、凝结硬化,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）。,16,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,凝结、硬化过程,17,3CaOSiO2 nH2O 2CaOSiO2(n-1)H2O Ca(OH)2 2CaOSiO2 mH2O 2CaOSiO2mH2O 3CaOAl2O3 6H2O 3CaOAl2O36H2O 4CaOAl2O3Fe2O3 7H2O 3CaOAl2O36H2O CaOAl2O3Fe2O3H2O,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,三个阶段：溶解水化期（准备区）、胶化期（凝结期）、结晶期（硬化期）,氢氧化钙,含水硅酸钙,含水铝酸钙,含水铁酸钙,含水铝酸钙,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,7.2.2 玻璃,18,玻璃瓶,玻璃工艺烛台,建筑玻璃,艺术玻璃,玻璃熔体冷却后呈坚硬无定形状态的无机物,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,19,普通玻璃的化学结构,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,玻璃中的组分构成： 形成体：能够独立形成网络的氧化物 SiO2，B2O3，GeO2 中间体：不能独立形成网络的氧化物，但能够与形成体共同形成网络 Al2O3，V2O5，SeO2 改性剂：不仅不能形成网络，随着添加量的增大还会逐渐破坏网络，最终导致体系结晶。一般为碱金属与碱土金属的氧化物 Na2O，K2O，CaO，MgO，BaO等。,20,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,21,Na2O的加入对SiO2网络的影响 对网络的破坏,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,22,鳞石英,SiO2-Na2O相图,方石英,Na2O加入SiO2中，因形成低共熔混合物而使其熔融温度显著降低,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,玻璃态的通性,各向同性 热力学亚稳性 状态转化的渐变性 性质变化的连续性与可逆性,无定形玻璃与晶体的体积变化图,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,7.2.2.1 玻璃的制造,24,1) 硅酸盐形成阶段,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,25,Process1,1) 硅酸盐形成阶段,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,26,Process2,CO2, O2, SO2, NO2等,2) 玻璃形成阶段,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,27,Process3,3) 玻璃液澄清阶段,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,28,Process4 & 5,4) 玻璃液的均化阶段,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,29,熔窑 池窑 坩埚窑 间歇式池窑 单元式熔窑,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,30,玻璃成型工艺：（a）压制，（b）压吹，（c）拉纤 (a) pressing, (b) press and blow process, (c) drawing of fibers.,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,31,连续平板玻璃生产设备,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,7.2.2.2 玻璃分类（按组成）,氧化物玻璃 石英玻璃 硅酸盐玻璃：产量最大、品种最多 钠钙玻璃 氟化物玻璃 非氧化物玻璃 硫系玻璃：电阻低，据有开关与记忆特性 卤化物玻璃：折射率低，色散低,32,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,硅酸盐玻璃基本成分为SiO2 石英玻璃SiO2含量大于99.5 高硅氧玻璃SiO2含量约96 钠钙玻璃（又名钠玻璃）含有15的Na2O和16的CaO 铅硅酸盐玻璃主要成分有SiO2 和PbO 铝硅酸盐玻璃主要成分有SiO2 和Al2O3 硼硅酸盐玻璃（耐热玻璃） 以SiO2和B2O3为主要成分 钾玻璃（硬玻璃）以K2O代替钠玻璃中的部分Na2O，适当提高SiO2含量,33,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,其它分类 按玻璃用途：建筑玻璃、日用玻璃. 按性能：钢化玻璃、多孔玻璃、导电玻璃、微晶玻璃、耐热玻璃 按功能特点：力学性能玻璃、热学性能玻璃、电学性能玻璃,34,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,7.2.2.3 特种玻璃,钢化玻璃 淬火产生内应力，导致表面增强 无色光学玻璃 可见光波长范围内吸光性极低高纯度 高折射率增加氧化钡、氧化铅含量 导电玻璃 ITO（Indium Tin Oxide）玻璃导电,35,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,LCD专用平板玻璃 TFT-LCD使用无碱玻璃，避免钠离子迁移对半导体的破坏 光纤玻璃 高纯度石英 避免出现羟基结构，因硅羟基吸收近红外光信号 彩色玻璃 通过添加着色剂实现彩色 着色剂能对投射到玻璃上的白光进行选择性的吸收,36,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,不同玻璃颜色所使用着色剂,37,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,38,无色光学玻璃,ITO导电玻璃,彩色玻璃,钢化玻璃,光纤玻璃,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,几种玻璃的特性和用途,39,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,40,（附）石英光纤制备CVD法,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,41,MCVD,A. 光纤预制棒制造,MCVD改进的化学气相沉积,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,MCVD系内部气相沉积的一种。 一支超纯石英管装载于一台装有氢氧喷灯玻璃车床上。氯化物和氧气从石英管的一端馈入管中，在喷灯提供的高温下反应，在喷灯的下游所生成的烟灰状SiO2和GeO2亚微米颗粒沉积于石英管的内壁上。当喷灯经过沉积物时，它们就被凝固为固态的玻璃。借助改变硅、锗氯化物的比例，从外部包层到芯层，一层跟着一层形成了所要求的折射率剖面（更多的锗，更高的折射率）。 优点：沉积和溶缩一步完成，避免了可能的污染 缺点：生产效率不高。有的制造商采用高频等离子喷灯来提高生产效率，同时减少氢氧燃烧生成物水的影响。为提高效率，在拉丝之前，预制棒还要装在一支石英套管内，以满足纤芯和包层的规范。,42,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,43,OVD,OVD外部气相沉积,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,44,OVD是一种外部沉积工艺方法，其高温是由一个氢氧喷灯提供的。在这个工艺过程中，四氯化硅和四氯化锗的混合气以及氧被馈送到火焰中。 反应生成的二氧化硅和二氧化锗烟灰状颗粒被沉积在一支氧化铝芯棒上以形成烟灰状颗粒预制棒，当芯层沉积完成后，接着必须沉积包层，为此，仅仅混合气反应物的组分是不同的。 在足够的芯灯和包层沉积之后并移去芯棒后，烟灰颗粒状预制棒被置于烧结炉中脱水、烧结和熔缩以闭合芯棒留下的孔。一个透明、固态的预制棒就可以进入拉丝工序了。,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,45,VAD,VAD垂直轴向气相沉积,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,46,轴向气相沉积工艺允许在轴向上沉积烟灰状颗粒。 在这个工艺方法中预制棒是在长度方面生长而不象OVD在直径方面生长。在沉积开始时采用了一个芯棒。 在轴向生长的预制棒沉积到足够大后，它仍然是多孔的，需要在一个温度为1500C 至1600C的电炉中脱水和烧结。 烧结后的预制棒仍然较短和粗，它们需要进一步的拉伸以符合随后工序的要求。 应用专门的干燥工艺VAD现在可以生产非常低水峰的光纤供全带应用。,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,47,PCVD,PCVD等离子化学气相沉积,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,48,等离子激活化学气相沉积PCVD系菲利浦开发的一种内部气相沉积工艺方法。 四氯化硅和四氯化锗以及氧的混合物馈入一个超纯石英管，在反应区内，SiO2和GeO2直接被沉积为一层透明玻璃。没有烟灰状颗粒形成或沉积，所以无须应用固态工序。 由于它的沉积层非常薄，于是可以按照设计实现精密的折射率剖面。因此能生产世界上顶级的多模光纤和复杂折射率剖面的光纤。 因为PCVD工艺方法反应温度是如此之高以至需要更高纯度的原料。然而，其原料的利用率非常高，几乎是100%为其它工艺方法的两倍。,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,49,熔缩,熔缩,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,50,具有沉积层的衬管需要熔缩成一个实心的棒。这个工艺过程是在刚结束沉积后立即于同一台车床上进行的。或者在一台专用的熔缩车床上进行。 在熔缩过程中，由于二氧化锗在高温下蒸发，在折射率剖面的中央回出现一个凹陷。为消除这个降低光纤质量的凹陷，在管子还没闭合前的熔缩最后阶段，采用氟利昂腐蚀工艺。 某些制造商应用感应高频电炉来代替氢氧喷灯以降低预制棒中的水含量从而降低光纤的水峰衰减值。,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,51,套管,套管,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,52,为了提高效率，预制棒装入一作为机械包层的石英套管内后，再拉制光纤。 有些制造商使用OVD工艺来制作机械包层， 阿尔卡特则采用高频等离子来沉积机械包层。,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,53,等离子包层沉积,等离子包层沉积,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,54,过滤的空气被馈入一个等离子喷灯，一个高频感应线圈将其加热到高温。在氩气流中以电火花激发并使其达到导电状态，然后由感应电流加温，然后将气流切换到该工艺所用的空气流。 高度纯化的石英颗粒被馈送至等离子高温火焰区，许多层被沉积于预制棒上，直到所要求的直径为止。一个可视系统按要求的直径自动地调整包层的外径。 此工艺方法的优点是： 使用廉价的原材料； 没有腐蚀性和危险性的副产品，免除了装备污染处理装置。 而且，所达到的高温(10000C)，进一步纯化了石英颗粒， 其结果是使这种玻璃具有优秀的机械特性。,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,55,拉丝,B. 拉丝,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,56,其一端加工成圆锥形并接上一小段石英棒的预制棒固定于预制棒馈入器上，当锥形端馈入至温度约2200C的拉丝炉中一定时间后，一个溶化的垂体形成并下落，随着下落，一根细的光纤就形成了。 加热元件由氩气保护以防止元件在空气中烧毁。 采用了氦气流以保护预制棒免受污染，,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,57,2000左右 加热熔化预型件,拉丝过程最重要的是 控制纤维直径的恒定。 为此必须严格稳定 炉温和控制气氛的变化。,拉丝装置,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,58,筛选,C. 筛选,张力筛选,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,59,光纤着色,光纤着色,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,7.3 陶 瓷 Ceramics,60,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,陶器（Pottery）与瓷器（China）比较,61,陶瓷=陶器+瓷器,？,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,7.3.1 陶瓷的定义 Definition of Ceramics,Traditional： 陶瓷所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程而制成的各种制品 General ： 陶瓷用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的通称。,62,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,德国陶瓷协会：“陶瓷是化学工业或化学生产工艺的一个分支，包括陶瓷材料和器物的制造或进一步加工成陶瓷制品(元件)。陶瓷材料属于无机非金属材料，最少含30结晶体。一般是在室温中将原料成型，通过800以上的高温处理，以获得这种材料的典型性质。有时也在高温下成型，甚至可经过熔化及析晶等过程。” 美国和日本等国：Ceramics是包括各种硅酸盐材料和制品在内的无机非金属材料的通称，不仅指陶瓷，还包括水泥、玻璃、搪瓷等材料。,63,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,7.3.2 陶瓷一般结构与基本性质,微结构特征：多相结构 由晶相、玻璃相和气孔组成 各相的组成结构、数量、几何形态及分布不同，使不同的陶瓷材料性能各异。 晶相：陶瓷中最重要的组成相， 主晶相的性能常常就决定着陶瓷的物化性能。 玻璃相：非晶态结构的低熔点固体组织 其作用是填充晶粒间隙，粘结晶粒，提高致密程度，适当降低烧结温度，改善工艺，抑制晶粒生长过大。 气孔：也对控制陶瓷材料性能、质量有重要作用 陶瓷的许多电气性能与热性能随气孔率、气孔尺寸及分布不同可在较大范围内变化。,64,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,7.3.3 陶瓷分类,65,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,陶瓷分类及特点,66,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,氧化物陶瓷（Al2O3、ZrO2、MgO等） 碳化物陶瓷（SiC、B4C、WC等） 氮化物陶瓷（Si3N4、TiN、BN等） 新型碳化物陶瓷（C3N4等） 硼化物陶瓷（TiB2、ZrB2等） 复合陶瓷（3Al2O32SiO2莫来石等）,特种陶瓷,特种陶瓷（按成分分类 ）,67,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,普通陶瓷vs特种陶瓷,68,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,7.3.4 陶瓷合成化学,工艺流程 普通陶瓷： 材料精选（矿物精选）化学处理原料粉化制备陶瓷粉生坯（成型）烧结机械加工陶瓷成品。 特种陶瓷：,69,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,7.3.4.1 陶瓷合成原材料及粉体制备,普通陶瓷：以天然矿物为原料 三大主要原材料：粘土、长石、石英矿 辅料矿物：磁石、铝土矿、滑石、硅灰石、锂云母、方解石、菱镁矿、白云石等 水化、机械混合，直接形成生坯 特种陶瓷：人工合成的原料,70,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,71,A、Clay,粘土 Clay,形成黄土高原的厚粘土层,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,72,Structure of clay,粘土,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,73,The Kaolinite Group,高岭石族 Kaolinite Group,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,74,The Montmorillonite Group,蒙脱石族 Montmorillonite / Smectite Group,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,75,The Illite Group,伊利石族 The Illite Group / The Clay-mica,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,76,C、Feldspar,Feldspar 长石,钾、钠、钙、钡等 碱金属或碱土金属的铝硅酸盐矿物,SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、CaO,架状结构,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,77,钠长石,钾长石,Examples,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,78,Use of feldspar,长石的主要用途,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,79,B、Quartz,Quartz,石英砂 石英砂岩 石英岩 脉石英 粉石英,主要成分：SiO2,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,80,Examples,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,81,D、Carbonate,白云石 Dolomite,CaCO3MgCO3 晶体属三方晶系,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,82,Calcite,方解石 Calcite,CaCO3 晶体属三方晶系,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,83,Magnesite,菱镁矿 Magnesite,MgCO3,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,84,Lime stone,石灰岩 Lime stone,CaCO3 三方晶系,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,85,E、Others,滑石 Talc,3MgO4SiO2H2O 三斜晶系,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,86,Serpentine,蛇纹石 Serpentine,3MgO2SiO22H2O 一族层状结构的硅酸盐矿物的总称,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,87,Wollastonite,硅灰石 Wollastonite,CaOSiO2 针状晶形 细小的颗粒也呈纤维状,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,88,Diopside,透辉石 Diopside,CaOMgO2SiO2 单斜晶系 柱状晶体,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,89,Apatite,磷酸盐矿物的总称 M5(PO4)3 X M代表Ca、Ba、Na等, X代表F、Cl、OH 六方晶系,磷灰石 Apatite,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,7.3.4.1 陶瓷合成原材料及粉体制备（续）,普通陶瓷：以天然矿物为原料 特种陶瓷：人工合成的原料 氧化物： 单一氧化物，如Al2O3，ZrO2，TiO2，MgO等 复合氧化物，如钛酸盐、铝酸盐、锆酸盐等 非氧化物：碳化物、氮化物、硼化物等 如SiC，Si3N4,90,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,原料制备方法 固相法 液相法 气相法,91,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,热分解反应法：很多金属的硫酸盐、硝酸盐等，都可以通过热分解法而获得特种陶瓷用氧化物粉末。 化合反应法：,92,BaCO3 TiO2 BaTiO3 CO2 Al2O3 MgO MgAlO4 3Al2O3 2SiO2 3Al2O32SiO2,（1）固相法,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,氧化还原法 SiC粉末的制备：将SiO2与焦炭混合，在14601600的加热条件下，逐步还原碳化 Si3N4粉末的制备：在1600附近及N2条件下，通过SiO2与C的还原-氮化。,93,SiO2 C SiO CO SiO 2C SiC CO SiO C Si CO Si C SiC,3SiO2 6C 2N2 Si3N4 6CO,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,94,（3）气相合成法,（2）液相合成法,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,7.3.4.2 原料处理,煅烧 除绝大多数挥发性杂质（有机物、溶剂、水份等），提高纯度 使原料颗粒致密化、晶粒长大，减轻后期成形烧结时的体积收缩效应。 净化：去除固体杂质 粉碎、分级 改变粒度、粒子形态结构、流散性和成形性，改变晶型 混入粉体助剂，如化学增塑剂、粘结剂,95,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,7.3.4.3 陶瓷烧成,成型 烧结 固相烧结（Solid state sintering）在烧结温度下，粉末坯体在固态情况下达到致密化过程 液相烧结（Liquid phase sintering）粉末坯体在烧结过程中有液相存在的烧结过程,96,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,7.3.5 结构陶瓷 Structural Ceramics,结构陶瓷作为工程结构材料使用的陶瓷材料 主要利用陶瓷材料优越的力学性能，尤其是高温力学性能，特别适用于高温、高压等工业环境。 机械强度和断裂韧性对其应用非常重要,97,如何克服陶瓷的高脆性？,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,结构陶瓷的工艺技术,致密化技术（如热压烧结、热均压烧结） 提高致密度和均匀度 细晶化技术（如纳米陶瓷） 减小初始裂纹尺寸，提高临界应力 复合技术（如颗粒增强、晶须增强、纤维增强、纳米复合）,98,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,主要成分：Al2O3少量SiO2。 刚玉-莫来瓷（75瓷）：含75%Al2O3 刚玉瓷 95瓷：含 95%Al2O3 99瓷： 含99%Al2O3,99,氧化铝陶瓷,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,氧化铝陶瓷的晶体结构,氧化铝三种常见同素异构体：-Al2O3、-Al2O3 、-Al2O3 。 氧化铝陶瓷的主晶相是-Al2O3 -Al2O3 属于六方系，稳定性好，在熔点2050 之前不发生晶型转变。不溶于水，也不溶于酸和碱。耐高温。无色透明者称白玉，含微量三价铬的显红色称红宝石；含二价铁、三价铁或四价钛的显蓝色称蓝宝石；含少量四氧化三铁的显暗灰色、暗黑色称刚玉粉。可用做精密仪器的轴承，钟表的钻石、砂轮、抛光剂、耐火材料和电的绝缘体。色彩艳丽的可做装饰用宝石。人造红宝石单晶可制激光器的材料。,100,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,氧化铝陶瓷的晶体结构,-Al2O3属于尖晶石型（立方）结构，氢氧化铝在140-150的低温环境下脱水制得。高温时不稳定，在1600转变为-Al2O3 ，具有强吸附力和催化活性，可做吸附剂和催化剂 。不溶于水，但能溶于酸和碱，是典型的两性氧化物。 -Al2O3，它有离子传导能力(允许Na通过)，以-铝矾土为电解质制成钠硫蓄电池。,101,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,性能与应用,高强度、高温稳定性 装饰瓷，喷嘴、火箭、导弹的导流罩 ； 高硬度、高耐磨性 切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石； 低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性 火花塞，电路基板，管座； 熔点高、抗腐蚀 耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等；,102,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,103,氧化铝陶瓷坩埚,氧化铝陶瓷密封环,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,104,氧化锆陶瓷,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,性能与应用,热导率小，化学稳定性好、耐腐蚀性高 可用于高温绝缘材料、耐火材料，如熔炼铂和铑等金属的坩埚、喷嘴、阀心、密封器件等 硬度高，耐磨性好 可用于制造切削刀具、模具、剪刀、高尔夫球棍头等。 具有敏感特性 可做气敏元件，还可作为高温燃料电池固体电解隔膜、钢液测氧探头等。,105,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,由Si3N4四面体组成的共价键固体 Si3N4为主晶相 是一种高温强度高、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润滑的高温陶瓷 线膨胀系数在各种陶瓷中最小 具有极好的耐腐蚀性 具有优良的电绝缘性和耐辐射性,106,氮化硅陶瓷,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,氮化硅的制备与烧结工艺,工业硅直接氮化 3Si+2N2Si3N4 硅粉成本高 二氧化硅还原氮化 3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO,107,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,氮化硅陶瓷的性能特点,强度、比强度、比模量高 硬度仅次于金刚石、碳化硼等 摩擦系数仅为0.10.2 热膨胀系数小 抗热震性大大高于其他陶瓷材料 化学稳定性高。,108,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,氮化硅陶瓷的应用,热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件 如切削刀具、高温轴承等。 反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件 如机械密封环等。,109,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materia