无极非金属材料

无机非金属材料制备技术杨建锋,材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是人类进步的里程碑。 历史上的石器时代、青铜器时代、铁器时代都是以材料作为时代主要标志的。 石器、陶瓷、铁、铜、玻璃、水泥、有机高分子（如塑料等）、单晶材料、碳材料，每一种新型材料的研制成功，都引起人类文化和生活的新变化。,半导体材料 计算机技术； 耐高温、高强度特殊结构材料 宇航工业 低损耗的光导纤维 现代的光通讯； 陶瓷牙,人工骨 - 生物替换 有机高分子材料 丰富多彩的生活。,第一章 绪论,1 前言 一材料制备方法（技术）的重要性 1. 制备技术是材料研究与使用的基础 (1) 一般意义上的材料：,按化学组成和特性分,无机非金属材料,传统无机非金属材料,新型无机非金属材料,金属材料,有机高分子材料：塑料、合成橡胶、合成纤维,材料的几种分类方法,按用途分,结构材料：,利用材料的力学和理、化性质，广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输等各个工业部门,功能材料：,利用材料的热、光、电、磁等性能用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。,生活中的无机非金属材料,玻璃、水泥、陶瓷,金刚石钻头,手表上的“19钻”(人造红宝石轴承的数目)，陶瓷手表,玻璃刀（金刚石），陶瓷刀,石英钟表,煤气炉中的电子打火,彩电（荧光材料）,海底电缆（光导纤维）,电脑的CPU（单晶硅）手机触摸屏、计算机芯片、LED-蓝光,隐形飞机（特殊光学材料）,(压电陶瓷),一般无机非金属材料具有 耐高温、高硬度和抗腐蚀等优良工程性能，其主要缺点是抗拉强度低、韧性差。 现代科学技术的发展，要求材料具有强度高、耐腐蚀、耐高温和其他一些特殊性能，这大大促进了无机非金属材料的发展， 氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷等许多具有特殊性能的新型材料，广泛应用于建筑、冶金、机械及尖端科技领域。,新型无机非金属材料的特征,（1）耐高温、强度高,（2）具有电学性质,（3）具有光学性质,（4）具有生物功能,结构材料高温结构陶瓷,(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,备注：钠蒸气放电发光问题早在1950年就得以解决，由于没有一种能抵御高温钠蒸气（1400）强烈腐蚀的特殊材料，所以，直到1965年才制取第一支高压钠灯。,高温结构材料与金属材料的性能比较,耐高温、耐腐蚀、硬度大、耐磨损、不怕氧化。,易受腐蚀、不耐氧化、不适合高温时使用,高纯氧化铝透明陶瓷管,氧化铝陶瓷制品,(2)氮化硅陶瓷,氮化硅基陶瓷具有密度小、高强、高硬、高韧性、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震、自润滑、隔热、电绝缘等一系列优良性能。,制造发动机部位的受热面，提高柴油机的质量，节省燃料（不用水冷却，减少热散失）。,Si3N4基陶瓷球轴承,沙漠车,氮化硅陶瓷部件,为什么使用陶瓷做发动机？,陶瓷的特点,耐高温难磨损热导率低强度高,和金属相比，使用陶瓷可以制作轻量、热损失小的发动机。,陶瓷发动机的热效率,金属发动机,陶瓷发动机,燃料能量,燃料能量,实际使用的部分,衬垫,气门顶杆,活塞环,实际使用的部分,一种燃气轮机的剖面图,在一个金属盘上装有氮化硅叶片燃气轮机转子,轮滑鞋上的氮化硅陶瓷轴承具有创纪录的性能和长寿命,氮化硅陶瓷轴承球和其他耐磨部件,(3)氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷、,(4)人造宝石,氧化锆陶瓷,碳化硅陶瓷,人造宝石,红宝石和蓝宝石的主要成分都是Al2O3（刚玉）。 红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物； 蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。 1900年，科学家曾用氧化铝熔融后加入少量氧化铬的方法，制出了质量为2g-4g的红宝石。 现在，已经能制造出大到10g的红宝石和蓝宝石。,红宝石和蓝宝石及人造宝石,美国西屋公司的陶瓷过滤系统,(2)光导纤维的用途：,除了用于通讯外，还用于医疗、信息处理、传能传像、遥测遥控、照明等许多方面。,(1)是高质量传导光的玻璃纤维，信息高速公路的“基石”,功能材料光导纤维（光纤）,光导纤维,光学纤维胃镜,现代通信用光缆,用光导纤维做手术，不用开刀,(3)光纤光缆与普通电缆比较,陶瓷超导导线和试验电力传输线,功能材料超导体,压电陶瓷,电子陶瓷的性能中最具奇异的是材料的压电性。压电陶瓷能够在压力和电流之间转换。如果在压电陶瓷上施加压力，即使是呼吸或者讲话，陶瓷也会放出电流，这种性能可以用在麦克风，水下声音探测器，压力或震动检测传感器等。另一方面，如果施加一个电压，压电陶瓷就会改变形状，或者给接触的物体施加一个压力，或者产生震动。这个特性可以用在石英表，超声波清洗，医用超声成像，以及其他许多重要的产品。,各种压电陶瓷部件,压电陶瓷声纳,20世纪十大发明,卫星-反射镜、-航天飞机-隔热瓦原子弹-燃料块因特网-光导纤维电视-荧光粉个人电脑-芯片防弹材料、导弹导引头、-超高音速飞行器,(2). 材料生产过程中的各种废弃物、以及材料死亡后的再循环。 各种材料生产过程中产生着大量的固体废弃物，对人类生存所依赖的资源、环境都造成了巨大的破坏，堆积如山的废矿渣、各种冶炼炉渣、能源生产过程产生的粉煤灰、煤矸石。人类在材料使用过程中所产生的材料残骸也是对环境越来越大的威胁，例如材料的各种腐蚀产物，以及白色污染。,(3) .研制、开发、使用、以及过程中的与环境和资源的关系，势必受到极大的关注。,2. 新材料的发现与发展依赖于材料制备技术（方法）的发展。想法的实现：C纳米管、超高温、难烧结材料等。例如纳米材料的发展，虽然早在1959年美国著名物理学家、诺贝尔奖获得者费曼就提出设想：“如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间并能移动原子，那么这将给科学带来什么！”，但真正意义上的原子移动直到90年代通过扫描隧道电子显微镜才得以实现。,3. 制备技术对材料性能有至关重要的作用，是技术而不是理论制约了材料性能的提高。4. 工艺制备技术是材料推向市场的决定性因素。,二材料制备技术的研究现状文献与教科书的缺乏1一个产品的成功由质量来衡量，而并不是由其制造过程的精确过完美性来体现。 即使原来对制造工艺的构想很完美，只要材料性能达不到要求，工艺思路就会被否定。,2专利制度对制造技术的保护：在追求最终目标的方面不甚成功的人总是愿意接受自己的经验，而已经达到目的的人则使用专利保护，或保持沉默。3实际工艺过程因素的复杂性与结果的分散性，使得局部因素或偶然因素会影响对工艺过程系统的研究。4实际工艺技术在生产中的是通过技术诀窍Know How来体现的。,2 材料制造过程概述一. 工艺过程、显微结构与材料性能之间的关系显微结构 外在 工艺 性能 应用成分 内在,1 成分决定了材料的固有性能，也称作化合物特性，包括晶体结构、热膨胀系数、弹性模量、折射率和磁性晶体的各向异性。2 材料的外在性能3显微结构：工艺路线的改变使显微结构发生变化，从而影响了材料的性能，这些性能是可以改变的，如力学性能（强度、断裂韧性）介电常数、磁性能等。4 工艺路线：也受成分、材料固有性能以及预期显微结构的影响。,二. 无机非金属材料主要工艺1分类（1）.粉末烧结方法(Powder Process)制造结晶质的陶瓷最一般使用的工艺。在熔点的1/2-3/4的温度下就可以获得致密的烧结体。容易获得化学的，物理上的均质性可以制作细微颗粒（D3Di，将这些光强值和粒径值代入式，再通过计算机处理就可以得到粒度分布了。,比表面积：指每克物质的表面积，用于评价粉体材料的活性、吸附、催化等多种性能的重要物理属性。应用气体吸附法测量材料或催化剂的比表面积。基于表面物理吸附的相关理论为基础，以Nelsen和Eggertsen提出的连续流动法为结构，从而测定出固体的比表面积。,以氦气作为载气，氮气为吸附气体，二者按4:1的比例通入样品管，当样品管浸入液氮时，在低温作用下，混合气中的氮气被样品物理吸附，直至吸附饱和，在随后的样品管及样品在升温的过程中，样品吸附的氮气全部解析出来，此时混合气体中氮气的比例将发生变化。,2.2无机粉体的传统制备方法陶瓷所用粉体的制备一般有机械方法和化学方法。以机械力使原料减小粒度的方法在陶瓷工业中得到广泛的应用。采用机械方法把粗大颗粒减小为微细粉粒的过程称为粉碎(comminution) 。粉碎过程包含：破碎、磨碎和研磨。,在物料的破碎过程中会发生机械运动能量与化学能量的相互转换，称作机械力化学。固体颗粒在机械能的作用下，因形变、缺陷和解离等引起物质在结构、物理化学性质以及化学反应性等方面的变化。,在机械粉碎过程中，由于机械力化学作用导致粉体表面活性增强的机理主要表现在以下2个方面：一，粉料颗粒在机械力作用下粉碎生成新表面，粒度减小，比表面积增大，粉体表面自由能增大，活性增强。粉料尖角、棱边处的表面能量高，所以常被称作活化位或活化中心。二，粉料颗粒在机械力作用下，表面层发生晶格畸变，贮存能量，从而使表面层能量升高，活化能降低，活性增强。,根据采用设备的不同，机械粉碎所采用的破碎力包括压碎、冲击、研磨、劈碎，以及刨削等几种，一般的粉碎机都具有一种或两种破碎功能。传统陶瓷一般采用低成本的粉体加工方法，对于传统的粘土基陶瓷，常用颚式破碎机、旋转破碎机或锥形破碎机使得粗大尺寸的矿物原料减小至0.11mm左右。,在研磨过程中，粉粒在与其他粉粒或研磨介质的相互接触区域受到机械应力(压缩力、撞击力或剪切力)导致弹性和非弹性形变 当应力超过颗粒的极限强度后，断裂成多个颗粒。,供给粉粒的机械能不仅用于形成新表面，而且在颗粒中产生其他物理变化，诸如颗粒内的非弹性形变、温度升高，以及格点重排。颗粒的化学特性也会改变、特别是表面化学特性，这在长时间研磨或在强烈研磨条件时更有可能。,常用破碎设备的工作原理(a)颚式破碎机；(b)回旋破碎机；(c)轧辊破碎机；(d)轮碾机；(e)锤式破碎机；(f)球磨机；(g)气流粉碎机；(h)盘式粉碎机,各种粉碎设备,新型陶瓷对粉体特性有更多要求。一般而言，使用粒度小于0.1mm的原料，只需考虑进一步的细化研磨。可采用球磨(ball mills)、高压辊磨(high compression roller mills)以及气流磨(jet mills)或流能磨(fluid energy mills)。,气流磨的粉碎过程都没有使用研磨介质，,而引入圆球或圆棒作为介质的研磨会在介质与颗被之间产生压缩、撞击和剪切摩擦作用。 棒磨不适合微细粉体的产生，而球磨可获得低至几分之一微米大小的粉体，,球磨机是最广泛使用的细碎设备。使用它细磨原料时，即可以起良好研磨作用，也可以有良好的混合作用。为了防止研磨过程中杂质的混入，球磨内衬与研磨体可以采用陶瓷，也可以采用聚合物，如聚氨酯作为球磨筒内衬，采用与球磨粉料相同和成分接近的陶瓷作为研磨体。,间歇式湿球磨几乎是陶瓷工业或实验室最常采用的球磨设备，湿球磨所得到的粉料粒度可达几个微米。采用湿球磨对原料颗粒表面的裂缝有劈裂作用，能防止原料结团，粉碎效率高于干球磨，制备得到的可塑性泥料质量优于干球磨，也有利于提高除铁效率，减少粉尘污染等。但与其它设备相比，间歇式湿球磨动力消耗大，同时粉碎效率依然很低。,球磨是一个复杂过程，不容易进行严格的理论分析。这种研磨的效率取决于多个因素包括磨机参数(直径、转速、介质数量)、研磨介质特性(尺寸、硬度、形状)，以及待磨粉粒性质。通常，低速球磨采用大球，传递给粉粒的机械能为势能形式；而高速球磨使用小球，提供给粉粒的能量为动能形式。,对于给定尺寸的研磨介质应采用尽可能高密度的材料，高密度的介质往往价格成本较高。研磨介质的大小值得重视。 小尺寸介质一般比大尺寸介质好 但磨球也不能太小，应能提供足够的机械能使得颗粒能发生断裂破碎。,对于给定体积，球的数量反比于半径的立方，假如研磨效率依赖于球与粉之间的接触点的数目，而该数目又依赖于球的表面积，则研磨效率反比于球的半径。研磨效率也与颗粒尺寸有关。颗粒尺寸越小则效率越低；随着研磨过程的进展，粉料尺寸越来越小 达到lum左右时研磨尺寸的进一步减小变得越来越困难，从而趋近实际研磨的极限尺寸。,该极限与多个因素有关，随着颗粒尺寸的减小、粉粒团聚的趋势增大，形成粉碎与团聚两个过程的物理平衡；另一个因素在于随着颗粒尺寸的减小，发生粉碎的概率变小；另外，在颗粒内存在缺陷的概率也随颗粒尺寸变小而降低也就是说细颗粒显得比较硬。,湿式球磨比干式球磨有更细的极限尺寸也可加入分散剂式进行多级球磨，依次在越来越小的磨球中研磨。,球磨可因磨球运动方式而分为滚筒球磨、行星球磨、振动球磨以及搅动球磨。根据是否添加溶剂又分为：湿式球磨和干式球磨。,滚筒球磨 滚筒球磨简称为球磨，旋转的圆筒内部装入磨球和待磨原料。圆筒的旋转速度影响到磨球的运动轨迹和传递给粉粒的机械能。,以临界转速表示磨球到达圆筒顶点的转速此时离心力正好与重力平衡，可得：临界速度(转分钟)等于(gR)1/22，式中R是磨筒半径,g是重力加速度。工作转速n与球磨机圆筒直径D的关系在不同球磨机内径情况下分别为：当D1.25m时， ；D1.251.75m时， ；D1.7m时， 。,球磨机转速与磨球的运动状态,球磨效率的经验公式为 球磨效率AR1/2d/r式中，A为数值常数(与磨机和粉料有关)，R为磨机半径，为磨球密度，d为粉体颗粒尺寸，r为磨球半径。由上式可知，随着粉体颗粒尺寸的减小，球磨效率会降低；用半径小的磨球会提高球磨效率；不过，磨球太小时，也无法提供足够的能量用于破碎粉料颗粒。,进行湿式球磨(加入溶剂，如去离子水或酒精)时，在放入大约50磨机容积的磨球时,加入40左右的浆料该浆料的固体粉料含量为25一40。整体60