第7章 无机非金属材料.ppt

无机非金属材料 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 1 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 1999H F W Taylor CementChemistry AcademicPress 1990M W Barsoum FundamentalsofCeramics IOP 2003J G P Binner AdvancedCeramicProcessingandTechnology Vol 1 Noyes 1990 4 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 传统 普通 无机非金属材料 6 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 新型 特种 无机非金属材料 7 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 部分陶瓷化合物化学键混合特征 9 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 11 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 硅酸盐水泥 熟料成分 硅酸三钙 3CaO SiO2 C3S硅酸二钙 2CaO SiO2 C2S铝酸三钙 3CaO Al2O3 C3A铁铝酸四钙 4CaO Al2O3 Fe2O3 C4AF 12 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 15 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 凝结 硬化过程 17 3CaO SiO2 nH2O 2CaO SiO2 n 1 H2O Ca OH 22CaO SiO2 mH2O 2CaO SiO2 mH2O3CaO Al2O3 6H2O 3CaO Al2O3 6H2O4CaO Al2O3 Fe2O3 7H2O 3CaO Al2O3 6H2O CaO Al2O3 Fe2O3 H2O Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 19 普通玻璃的化学结构 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 21 Na2O的加入对SiO2网络的影响对网络的破坏 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 7 2 2 1玻璃的制造 24 1 硅酸盐形成阶段 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 25 Process1 1 硅酸盐形成阶段 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 26 Process2 CO2 O2 SO2 NO2等 2 玻璃形成阶段 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 27 Process3 3 玻璃液澄清阶段 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 28 Process4 5 4 玻璃液的均化阶段 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 29 熔窑池窑坩埚窑间歇式池窑单元式熔窑 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 30 玻璃成型工艺 a 压制 b 压吹 c 拉纤 a pressing b pressandblowprocess c drawingoffibers Chapter7Non metallicInorganicMaterials 31 连续平板玻璃生产设备 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 IndiumTinOxide 玻璃导电 35 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 不同玻璃颜色所使用着色剂 37 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 38 无色光学玻璃 ITO导电玻璃 彩色玻璃 钢化玻璃 光纤玻璃 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 几种玻璃的特性和用途 39 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 40 附 石英光纤制备 CVD法 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 41 MCVD A 光纤预制棒制造 MCVD改进的化学气相沉积 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 43 OVD OVD外部气相沉积 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 45 VAD VAD垂直轴向气相沉积 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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1500 C至1600 C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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 47 PCVD PCVD等离子化学气相沉积 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 49 熔缩 熔缩 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 51 套管 套管 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 53 等离子包层沉积 等离子包层沉积 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 10000 C 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 55 拉丝 B 拉丝 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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2200 C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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 58 筛选 C 筛选 张力筛选 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 59 光纤着色 光纤着色 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3陶瓷Ceramics 60 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 陶器 Pottery 与瓷器 China 比较 61 陶瓷 陶器 瓷器 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 1陶瓷的定义DefinitionofCeramics 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 3陶瓷分类 65 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 陶瓷分类及特点 66 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 3Al2O3 2SiO2莫来石等 特种陶瓷 特种陶瓷 按成分分类 67 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 普通陶瓷vs特种陶瓷 68 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 71 A Clay 粘土Clay 形成黄土高原的厚粘土层 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 72 Structureofclay 粘土 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 73 TheKaoliniteGroup 高岭石族KaoliniteGroup Chapter7Non metallicInorganicMaterials 74 TheMontmorilloniteGroup 蒙脱石族Montmorillonite SmectiteGroup Chapter7Non metallicInorganicMaterials 75 TheIlliteGroup 伊利石族TheIlliteGroup TheClay mica Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 77 钠长石 钾长石 Examples Chapter7Non metallicInorganicMaterials 78 Useoffeldspar 长石的主要用途 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 80 Examples Chapter7Non metallicInorganicMaterials 81 D Carbonate 白云石Dolomite CaCO3 MgCO3晶体属三方晶系 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 82 Calcite 方解石Calcite CaCO3晶体属三方晶系 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 83 Magnesite 菱镁矿Magnesite MgCO3 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 84 Limestone 石灰岩Limestone CaCO3三方晶系 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 85 E Others 滑石Talc 3MgO 4SiO2 H2O三斜晶系 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 86 Serpentine 蛇纹石Serpentine 3MgO 2SiO2 2H2O一族层状结构的硅酸盐矿物的总称 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 87 Wollastonite 硅灰石Wollastonite CaO SiO2针状晶形细小的颗粒也呈纤维状 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 88 Diopside 透辉石Diopside CaO MgO 2SiO2单斜晶系柱状晶体 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 89 Apatite 磷酸盐矿物的总称M5 PO4 3XM代表Ca Ba Na等 X代表F Cl OH六方晶系 磷灰石Apatite Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 原料制备方法固相法液相法气相法 91 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 CO2Al2O3 MgO MgAlO43Al2O3 2SiO2 3Al2O3 2SiO2 1 固相法 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 氧化还原法SiC粉末的制备 将SiO2与焦炭混合 在1460 1600 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 COSiO 2C SiC COSiO C Si COSi C SiC 3SiO2 6C 2N2 Si3N4 6CO Chapter7Non metallicInorganicMaterials 94 3 气相合成法 2 液相合成法 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 4 3陶瓷烧成 成型烧结固相烧结 Solidstatesintering 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 Liquidphasesintering 粉末坯体在烧结过程中有液相存在的烧结过程 96 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 5结构陶瓷StructuralCeramics 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Al2O399瓷 含99 Al2O3 99 氧化铝陶瓷 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 103 氧化铝陶瓷坩埚 氧化铝陶瓷密封环 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 104 氧化锆陶瓷 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 氮化硅的制备与烧结工艺 工业硅直接氮化3Si 2N2 Si3N4硅粉成本高二氧化硅还原氮化3SiO2 6C 2N2 Si3N4 6CO 107 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 1 0 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 110 氮化硅轴承 氮化硅齿轮 氮化硅刀具 汽轮机转子 叶片气阀等零件 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 是通过键能很高的C Si共价键结合的晶体 主晶相为SiC由石英沙 SiO2 加焦碳直接加热至高温还原而成 SiO2 3C SiC 2CO 烧结工艺也有热压和反应烧结两种由于碳化硅表面有一层薄氧化膜 因此很难烧结 需添加烧结助剂促进烧结 常加的助剂有硼 碳 铝等 111 碳化硅陶瓷 金刚砂 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 碳化硅陶瓷的性能特点和应用 高温强度高 有很好的耐磨损 耐腐蚀 抗蠕变性能 其热传导能力很强 仅次于氧化铍陶瓷 用于制造火箭喷嘴 浇注金属的喉管 热电偶套管 炉管 燃气轮机叶片及轴承 泵的密封圈 拉丝成型模具等 112 常压烧结碳化硅 Chapter7Non metallicInorganicMaterials SiC密封件 SiC陶瓷工件 SiC陶瓷轴承 113 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 结构及性能特点主晶相是BN 属于共价晶体 为六方晶系硬度较其它陶瓷低 可进行切削加工良好的耐热性和导热性 导热率与不锈钢相当热膨胀系数小 故其抗热震性和热稳定均好绝缘性好 在2000 的高温下仍是绝缘体化学稳定性高 能抵抗铁 铝 镍等熔融金属的侵蚀 有自润滑性 114 六方氮化硼陶瓷 白石墨 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 六方氮化硼陶瓷的应用 制作热电偶套管 熔炼半导体及金属的坩锅 冶金用高温容器和管道 玻璃制品成型模 高温绝缘材料等由于BN有很大的吸收中子截面 可作核反应堆中吸收热中子的控制棒 115 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 6功能陶瓷FunctionalCeramics 功能陶瓷是指其自身具有某方面的物理化学特性 表现出对电 光 磁 化学和生物环境产生响应的特征性陶瓷具有性能稳定 可靠性高 来源广泛 可集多种功能于一体的特性可用来制造很多功能材料在信息技术领域具有十分重要的地位 广泛应用于各种信息的存储 转换和传导 116 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 按功能特点分类 一次功能陶瓷 输出与输入能量形式相同的陶瓷材料如单纯的导电陶瓷 通以电能 输出仍为电能 二次功能陶瓷 发生能量形式转换的陶瓷如压电陶瓷 施予机械能 产生电能 117 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 6 1介电陶瓷dielectricceramic 介电性 物质受到电场作用时 构成物质的带电粒子只能产生微观上的位移而不能进行宏观上的迁移的性质 宏观表现出对静电能的储存和损耗的性质 通常用介电常数 和介电损耗tg 来表示介电材料也属于绝缘体 但更强调其可极化特征根据其介电性能特征可以分为绝缘陶瓷 介电陶瓷 压电陶瓷和铁电陶瓷 118 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 1 绝缘陶瓷Insulatingceramics 主要利用其绝缘性电性要求 介电常数 9 介电损耗tg 于2 10 4 9 10 3之间 电阻率要求大于1010 cm 其它要求 较高的力学强度 耐热性 高导热性 119 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 绝缘陶瓷种类 主晶相为莫来石 3Al2O3 SiO2 的普通陶瓷主晶相为刚玉 Al2O3的氧化铝陶瓷镁质陶瓷晶相为含镁硅酸盐 MgO Al2O3 SiO2系 钡长石瓷 BaO Al2O3 2SiO2 由高岭土与BaCO3烧制而成高温介电损耗小 用作电阻瓷 高导热绝缘陶瓷BeO陶瓷非氧化物类陶瓷 如AlN Si3N4 SiC BN等 120 绝缘子 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 121 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 2 介电陶瓷dielectricceramic 也称介质陶瓷主要利用其介电性按使用频率 可分为高频介质陶瓷微波介质陶瓷 122 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 高频介质陶瓷 电性要求 高频电场 1MHz 下具有适中至较高的介电常数 8 5 900 高频介电损耗小 tg 小于6 10 4主要由碱土金属和稀土金属的钛酸盐或它们的固溶体构成例如CaTiO3是由CaCO3与TiO2高温烧制而成用于制作小尺寸高频电容器 123 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 124 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 微波介质陶瓷 应用于微波频段 300MHz 300GHz 电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷电性要求 高的介电常数 r在30 200之间高稳定性 频率温度系数 要小微波频段介质损耗要小 tan 10 4 Q 10000代表性的微波介质陶瓷包括BaO TiO2体系 钙钛矿型陶瓷 Ba Sr ZrO3 CaZrO3 Ca Zr Ti O3 Sr Zr Ti O3 Ba Sr Zr Ti O3等应用 制作谐振器 滤波器 介质天线 介质导波回路等微波元器件 125 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 微波介质陶瓷的应用 制作谐振器 滤波器 介质天线 介质导波回路等微波元器件 126 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 2 铁电陶瓷和压电陶瓷FerroelectricCeramic PiezoelectricCeramics 铁电陶瓷一定具有压电性 但是压电陶瓷不一定具有铁电性 铁电陶瓷用途 制作铁电陶瓷电容器 压电元件 热释电元件 电光元件 电热器件等 127 Chapter7Non metallicInorganicMaterials BaTiO3 典型的铁电陶瓷随温度变化 晶相结构发生改变 很高的介电常数 特别是在其居里点Tc 120 附近 可高达6000损耗因子可高达0 01 0 02 128 Chapter7Non metallicInorganicMaterials BaTiO3的改性 形成置换固溶体置换Ba2 的有Ca2 Sr2 Pb2 等置换Ti4 的有Zr4 等掺杂改性如电荷不匹配的La3 Cd3 Dy3 部分取代Ba2 尺寸不匹配的Nb4 Ta5 取代Ti4 129 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 压电陶瓷 具有压电效应 能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料 130 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 常用的压电陶瓷 钛酸钡系钛酸铅 锆酸铅二元系二元系中添加第三种ABO3 A表示二价金属离子 B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价 型化合物如 Pb Mn1 3 Nb2 3 O3和Pb CO1 3Nb2 3 O3等组成的三元系 铌酸盐系压电陶瓷如Na0 5 K0 5 NbO3 Bax Sr1 x Nb2O5不含有毒的铅 对环境保护有利 131 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 钛锆酸铅 PZT 最有代表性的压电陶瓷材料 132 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 压电陶瓷应用 换能器 超声 电声换能器等 陶瓷滤波器 陶瓷变压器 陶瓷鉴频器 高压发生器 红外探测器 声表面波器件 电光器件 引燃引爆装置和压电陀螺等 133 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 6 2导电陶瓷 1 电子导电陶瓷非金属元素的碳化物 氮化物以共价键为主 金属键为辅 这几类化合物构成的陶瓷都是电子导电如SiC MoSi2电热材料某些氧化物陶瓷通过加热或者用其它的方法激发 使外层电子获得足够的能量成为自由电子而具有导电性如氧化铝陶瓷 氧化钍陶瓷及由复合氧化物组成的铬酸镧陶瓷 都是新型的高温电子导电材料 134 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 2 离子导电陶瓷利用离子的迁移导电 固体电解质 或快离子导体 阳离子导体 利用阳离子迁移导电如 Al2O3的系 通式为nA2O3 M2O A代表三价金属A13 Ga3 Fe3 等 M代表一价离子Na K H3O 等阴离子导体 利用O2 或F 阴离子迁移导电萤石结构氧化物 ZrO2 HfO2 CeO2等 钙钛矿结构氧化物 LaAlO3 CaTiO3 135 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 6 3敏感性陶瓷 1 热敏陶瓷 指对温度变化敏感的陶瓷半导体材料 136 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 正温度系数热敏电阻 PositiveTemperaturecoefficient PTC 电阻随温度升高而增大用途 彩电自动消磁 电机启动 过电流保护 恒温发热 程控电话交换机 137 几种PTC热敏电阻的电阻曲线 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 负温度系数热敏电阻 NegativeTemperaturecoefficient NTC 电阻随温度的升高而减小用途 广泛用于工业和医用温度计 液面控制 液体流量测定等 138 几种NTC热敏陶瓷的温度电阻曲线 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 2 气敏陶瓷 吸收某种气体后电阻率发生变化的一种功能陶瓷能级生成理论吸附还原性气体时 气体将电子给予半导体吸附氧化性气体时 气体从半导体获取电子接触粒界势垒理论当界面存在氧化性气体时势垒增加存在还原性气体时势垒降低 139 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 140 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 气敏陶瓷的种类SnO2ZnOFe2O3 3 湿敏陶瓷 电阻随环境湿度而变化的一类功能陶瓷 141 MgCr2O4 TiO2陶瓷湿度 电阻特性 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 4 压敏陶瓷 一种电阻值对外加电压敏感的功能陶瓷 阻值随外加电压呈非线性变化 142 1 ZnO压敏电阻 2 SiC压敏电阻 3 线性电阻 原理 低电压通过时 由于自身较大电阻 起到遏制电流作用 电压突增时 电子受高电压驱动可穿越晶界阻挡层 相当于电容击穿 形成大电流通路 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 5 光敏陶瓷 电阻随入射光强弱而改变的一种功能陶瓷本征半导体陶瓷材料 当入射光子能量大于或等于禁带宽度时 价带顶的电子跃迁至导带 使材料阻值下降 杂质半导体陶瓷 当杂质原子未全部电离时 光照能使未电离的杂质原子激发出电子或空穴 产生附加电导 从而使阻值下降 可用于光的测量 光控和光电转换 将光的变化转换为电的变化 如制作光控开关 照相机自动曝光装置 光电计数器 烟雾报警器 光电跟踪系统等 143 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 6 4光学陶瓷 1 高透明性陶瓷选用高纯原料 并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷 尽可能降低陶瓷的晶相与玻璃相之间折光率差异 以减少折射 增加透明性 144 透明陶瓷与玻璃的比较 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 透明陶瓷与玻璃的本质区别 145 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 2 电光陶瓷光学性质会随外电场的变化而改变 表现出电控双折射主要用作光信息存储 显示和光闸 146 透明电光陶瓷开关示意图 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 6 5生物陶瓷Bioceramics 生物陶瓷是指具有特殊生理行为的一类陶瓷材料 主要用来构成人类骨骼和牙齿的某些部分 甚至可望部分或整体地修复或替换人体的某些组织 器官 或增进其功能 147 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 对生物医用材料的要求 生物兼容性Biocompatibility无毒性及无致癌性化学稳定性 不随时间衰退 充分的机械强度 对人工骨等材料 充分的疲劳寿命 对人工骨等材料 适当的重量与密度具市场竞争力 如成本低廉 再现性高 易大量制造等 148 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 各类生物材料比较 149 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 1 生物陶瓷分类 可吸收性生物陶瓷Comp