无机非金属材料PPT课件.ppt

第七章硅和硅酸盐工业 第三节无机非金属材料 第三节无机非金属材料 材料指为人类社会所需要并能用于制造有用器物的物质 材料 传统无机非金属材料 新型无机非金属材料 石器 燧石取火 硅酸盐 水泥 玻璃 陶瓷 二氧化硅 光导纤维 单晶硅 集成电路 传统材料 人类文明发展史 新型材料 信息材料 无机非金属材料的发展 传统无机非金属材料 水泥玻璃陶瓷 无机非金属材料 新型无机非金属材料 新型陶瓷 光导纤维 概念 以含硅物质为原料 经加工制得硅酸盐产品的工业称为硅酸盐工业 常见如水泥 玻璃 陶瓷等工业都属硅酸盐工业 2 硅酸盐工业的特点 1 原料 2 反应条件 3 反应原理 4 生成物 硅酸盐工业 含硅的物质 碳酸盐等 高温 复杂的物理 化学变化 硅酸盐产品 3 硅酸盐产品分类 陶瓷 水泥 玻璃 按组成可分为硅酸盐水泥 铝酸盐水泥 铁铝酸盐水泥等硅酸盐水泥是由粘土和石灰石按比例在旋转窑中于1450 以上温度煅烧成熟料 再混入少量石膏 磨粉后制成 1 水泥 cement 1 水泥 黏土石灰石石膏 水硬性 水泥回转窑 3CaO SiO22CaO SiO23CaO Al2O3 水泥砂浆混凝土钢筋混凝土 石膏 作用是调节水泥硬化速度 1 建筑用粘合剂 水泥砂浆的成分是什么 2 混凝土又是什么做成的 水泥沙子和水的混合物 水泥沙子和碎石混合而成 思考 水泥 水泥是最常用的建筑材料下图是1949 1998年我国水泥产量示意图 硅酸盐水泥熟料 矿物组成及含量 组分化学式符号质量分数硅酸三钙3CaO SiO2C3S0 37 0 60硅酸二钙2CaO SiO2C2S0 15 0 37铝酸三钙3CaO Al2O3C3A0 07 0 15铁铝酸四钙4CaO Al2O3 Fe2O3C4AF0 10 0 18 符号C表示CaO S表示SiO2 A表示Al2O3 F表示Fe2O3 二 玻璃 glass 1 普通玻璃 钠玻璃 是用石英砂 纯碱和石灰石共熔而制得的一种无色透明的熔体 Na2CO3 CaCO3 6SiO2 Na2O CaO 6SiO2 2CO2 2 有色玻璃在玻璃原料中加入某些金属氧化物 可制成有色玻璃 如玻璃中加入CoO呈蓝色加入Mn2O3呈紫色加入Cr2O3呈绿色加入Cu2O呈红色 3 钢化玻璃 4 防弹玻璃又称为夹层玻璃 当受到外部撞击的时候 夹层可将受到的力发散开来 减少了子弹等武器的冲击力 进而保护了受保护者的安全 玻璃加工 1 普通玻璃加热到一定温度后急剧冷却 就可以得到钢化玻璃 2 氢氟酸 HF 对玻璃具有腐蚀作用 可用于在玻璃上雕刻各种精美图案 也可用于在玻璃仪器 量筒 滴定管等 上标注刻度及文字 SiO2 4HF SiF4 2H2O 变色玻璃 在玻璃中加入适量的溴化银 AgBr 和氧化铜的微小晶粒 经过适当的热处理 可以制成变色玻璃 当强光照射到玻璃上 溴化银分解为银和溴单质 分解出的银原子聚集成银的微小晶粒 使玻璃呈现暗棕色 能挡住大部分光线 光线变暗 银和溴在氧化铜的催化作用下 重新生成溴化银 于是玻璃的颜色自动变浅 透光性增强 几种玻璃的特性及比较 玻璃态物质 玻璃的结构特点 玻璃态物质玻璃是无定形硅酸盐的混合物 属于玻璃态物质 玻璃态物质没有固定的熔点 可以在某一温度范围内逐渐软化变成液态 在软化状态时 玻璃可吹制或轧成一定形状的制品 2 玻璃 纯碱石灰石石英 玻璃窑 Na2SiO3CaSiO3SiO2 水泥 Na2O CaO 6SiO2 陶瓷在我国历史悠久 唐朝时的 唐三彩 宋朝时的 钧瓷 中国的英文名China就是源于陶瓷 中国的 瓷都 是江西景德镇 中国的 陶都 是江苏宜兴 3 陶瓷 china 古代重庆一带被称为巴国 由于当时的食盐多产于巴国 因此食盐也叫做盐巴 3 陶瓷 陶瓷是由黏土在高温下烧制而成 根据原料和烧制温度的不同主要分为 土器 陶器 炻器 瓷器 土器 含杂质比较高的粘土在适当的温度下而成的 如常见的砖 瓦 瓷器 需要纯净的粘土做原料 温度也更高 瓷器比陶器磁体白净质地致密 主要种类 土器 砖瓦 自然冷却 Fe2O3含量较多 淋水冷却 Fe3O4 FeO较多 陶器 彩陶 江苏宜兴的紫砂壶 秦汉兵马俑 瓷器 碗盘茶具 收藏珍品 炻器 水缸 砂锅 景德镇陶瓷 红瓦 青瓦 水泥 玻璃 陶瓷生产比较 新型无机非金属材料 传统无机非金属材料与新型材料的比较 传统的硅酸盐材料优 缺点 优点 抗腐蚀 耐高温 缺点 质脆 经不起热冲击 新型无机非金属材料特性 承受高温 强度高 具有光学特性 具有电学特性 具有生物功能 新型无机非金属材料的特性 1 能承受高温 强度高 例如 氮化硅陶瓷在1200 左右的高温下 仍具有很高的强度 可用来制造汽轮机叶片 轴承 永久性模具等 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 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 处于高温下的光导纤维 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 光导纤维opticalwaveguidefibre简称光纤 是用来传递光线和图象的纤维 制造光导纤维用的光学材料 必须高度纯净 成分均匀 一般无水石英 SiO2 是常用的光导纤维材料 光导纤维的用途 近年来 光导纤维用于光通信的技术迅速发展 此外 在农业 国防 医疗 电视 传真 电话 科研等方面都有广泛的用途 光导纤维 光纤通信较之普通电缆通信有许多突出的优点 首先 光纤通信有巨大的信息容量 一根头发丝那么细的光导纤维可以通几万路电话或2000路电视 如果用许多根光导纤维组合成光缆 它的通信容量更大得惊人 而且 光纤通信不受外界电磁场的干扰 工作稳定可靠 保密程度高 光纤通信损耗低 目前无中继传送距离一般为30 70km 而同轴电缆每隔1 5km就需设立一个中继站 来补偿电信号在传输中的损耗 很适合远距离信息传输 目前 人们已建成大西洋海底光缆 全长约7000km 计划中的南太平洋光缆 全长约16000km 也正在紧锣密鼓的准备之中 进一步降低光纤损耗 减少中继站数目 甚至不用中继站 是人们的下一步目标 光学纤维胃镜 新型陶瓷材料 习惯上把陶瓷 ceramics 分为传统陶瓷和特种陶瓷 传统陶瓷是以粘土 长石 石英等天然矿物为原料经烧结而成的 特种陶瓷是以人工合成的氧化物 氮化物 碳化物 硅化物 硼化物超细微粒为原料特制而成 又称精细陶瓷 精密陶瓷 氧化铝陶瓷 二氧化锆 结构陶瓷 几种典型的新型无机非金属材料 高温结构陶瓷 特点 耐高温 耐腐蚀 硬度大 耐磨损 不怕氧化 密度小等 1 氧化铝陶瓷 性能 用途 熔点高 坩埚 高温炉管 硬度大 刚玉球磨机 透明 耐高温 高压钠灯灯管 高纯氧化铝透明陶瓷管 高压钠灯 氮化硅 Si3N4 是由共价键形成的原子晶体 用途 硬度高 耐磨系数低 有自润滑作用 所以是优良的耐磨材料 热强度和化学稳定性高 热膨胀系数小 是优良的高温结构材料 耐腐蚀 可作高温轴承 转子 叶片 燃烧室喷嘴等高温零件以及高温下使用的模具和夹具 2 氮化硅陶瓷 碳化硅 SiC 金刚砂 和氮化硅一样 是稳定的原子晶体 具有高的热传导能力 硬度大 熔点高 比重小 有较高的强度和较好的热稳定性 与各种酸都不起作用 其抗氧化性能在高达1550OC时仍很优良 用途 制造磨料 模具 特种耐火材料制品 用于制造电阻发热元件 3 碳化硅陶瓷 功能陶瓷 functionalceramics 材料是以特定的性能或通过各种物理因素 如声 光 电 磁 作用而显示出独特功能的材料 功能陶瓷 TiO2 ZrO2 LaCrO3等高温电子陶瓷 用于制造电容器和电子工业中的高温高频器件 如BaTiO3类陶瓷用于制造温度传感材料 CdS PbTiO3系陶瓷用于制造光敏传感材料 ZnO系陶瓷 SiC BaTiO3系陶瓷用于制造压力和振动传感材料等 功能陶瓷的用途 生物陶瓷是用于人体器官替换 修补 及外科矫形的陶瓷材料 主要包括羟基磷灰石 氧化铝 生物活性玻璃陶瓷等 生物陶瓷材料 羟基磷灰石 Ca10 PO4 6 OH 2 陶瓷的用途 它具有良好的生物活性 能与人骨紧密结合 主要用于不承载的小型种植体 如耳骨 用金属支撑加强的牙科种植体 生物陶瓷人工听小骨假体由羟基磷灰石 HA 陶瓷制成 表面具有微孔 可使患者听力平均高20 30dB 适用于慢性化脓性中耳炎患者作听小骨置换和鼓腊修复手术 自1989年以来已临床应用800多例 通过省级鉴定 透明陶瓷和纳米陶瓷一般陶瓷因为内部有杂质和气孔而不透明 用高纯度的原料可获得透明陶瓷 这些透明陶瓷不仅光学性能优异 而且耐高温 熔点一般都在2000 以上 透明陶瓷的透明度 强度 硬度都高于普通玻璃 用透明陶