张春晓无机非金属材料科学基础.ppt

课程大纲 绪论 1 晶体学基础 2 缺陷化学基础 3 固相反应 5 烧结 6 第一章绪论 无机非方向 1 1无机非金属材料概述 1 1 3无机非材料制备的共性 1 1 2无机非金属材料的特性 1 1 1无机非金属材料定义与分类 1 1 1无机非金属材料定义及分类 什么是无机非金属材料 除金属材料 高分子材料以外的材料 以某些元素的氧化物 碳化物 氮化物 卤素化合物 硼化物以及硅酸盐 铝酸盐 磷酸盐 硼酸盐和非氧化物等物质组成的材料 外延 内涵 如何下定义呢 外延 内涵 传统分法 那么哪些材料是我们常说的无机非金属材料呢 最新分类方法 国家自然科学基金委员会 工程与材料科学部 学科发展战略研究报告 2006 2010 无机非金属材料学 从科学研究的角度讲 传统无机非已是非热点领域 1 1 2无机非金属材料特性 金属材料 高分子材料 无机非金属 金属键 共价键 离子 共价 晶体结构复杂没有自由电子高熔点高硬度 耐化学腐蚀绝缘体导热性差变形差 韧性 无机非的特性是指在三大类材料对比中表现的 大材料视野制备 1 1 3无机非制备的共性 金属 金属的冶炼 金属的加工 切削 磨削 焊接等 高分子 无机非 高分子合成 高分子加工 粉体的制备 高温下制备 还是先来看一下材料的制备吧 材料应用状态 颗粒固体 无机非原料初始状态多为粉体 块状固体 高温处理 要理解无机非的工艺共性 先看一下材料的使用状态 常见无机非制备工艺 原料 破碎 粉体 成型 干燥 高温 传统无机非 传统无机非 物理和化学法 块状固体 应用外形 并不全需要 1 2无机非金属材料地位及应用 1 传统无机非金属材料水泥及混凝土 基础材料 吨位之最 房屋 公路 桥梁 港口等混凝土约20亿m3 不是一体 变为一体 陶瓷 坚硬的躯体 亮丽的表面 丰富的原料 建筑陶瓷 每年30亿m3 世界产量的50 卫生陶瓷 6000万件 世界产量20 日用陶瓷 120亿件 世界产量60 5 10年中国将成为世界建筑卫生陶瓷中心 我们从传统无机非和新型无机非两个角度来讲 传统无机非 水泥 陶瓷 玻璃 耐火材料 玻璃 坚硬的透明材料 没有玻璃之前的窗子 建筑工业 平板玻璃 浮法玻璃 世界第一生产大国 世界产量的30 左右 与英国 美国同为浮法原创国家 汽车工业 平板玻璃的深加工产品光电子产业 光纤 基板玻璃 激光玻璃等 耐火材料 优良的高温强度 高温技术基础材料 与科学研究和尖端技术紧密相关 70 用于冶金行业 我国占世界比重越来越大 2 新型无机非金属材料结构陶瓷 近20年来 最活跃的研究领域之一 对许多领域有巨大的推动作用 高性能陶瓷 氮化物 碳化物等 切削 摩擦等 信息产业陶瓷 基板 氮化硅 碳化硅 氧化铝 航空航天陶瓷 航空航天的高温部件 生物陶瓷 人工关节 人工骨及其它组织工程领域 新型无机非 结构陶瓷 功能陶瓷 信息材料 纳米材料 人工晶体 能源材料 生物材料等 未来最活跃的材料领域 结构 未知 功能陶瓷 绝缘陶瓷 陶瓷基片 陶瓷封装 电容器陶瓷 高频 大容量 片式陶瓷电容器 半导体陶瓷 温敏 热敏 压敏 气敏等 超导陶瓷 高温超导陶瓷 透明陶瓷 透明氧化铝 信息材料 硅半导体 微电子技术基础 集成电路 硅单晶 硅片 多晶硅 太阳能电池 发光材料 硅基发光材料硅基激光器宽带隙半导体 氮化镓 金刚石薄膜 高频 高温 高功率电子器件及场发射器件方面应用 为什么要搞宽带隙半导体 纳米材料 纳米颗粒 纳米线 纳米杆 纳米管 纳米孔材料 虽然有纳米金属和纳米高分子 但只占很少一部分 信息材料以半导体为基础 目前的半导体大部分从无机非金属发展而来 能源材料 能量产生 太阳能 硅 化合物 聚合物 能量存储 锂离子电池 能量传输 超导材料 1 3典型无机非金属材料 陶瓷 1 玻璃 2 水泥 3 碳材料 5 耐火材料 6 矿物材料 5 1 陶瓷 日用陶瓷 从各种无机非金属的应用看这些典型无机非金属材料 与金属 高分子日用器相比优点 缺点 卫生陶瓷 有金属 高分子浴缸和马桶吗 电工陶瓷 与金属 高分子比优点是什么 化工陶瓷 1吨酸如何存储和使用 氧化铝陶瓷 高温 坩埚 内衬 绝缘 基板 封装外壳 硬度 刀具加工飞机零件 透明氧化铝陶瓷 下面看一下几种特种陶瓷 先来看一下氧化铝陶瓷 氧化镁陶瓷 不被碱性物质腐蚀 抗金属腐蚀 坩埚 模具 炉衬 加工使用过程中注意防水 铂 铜 镁 锌 铝等金属都可用 氧化镁也可以做陶瓷吗 有什么用啊 氧化铍陶瓷 导热与绝缘的完美结合 良好的中子减速能力 超强的抗金属腐蚀能力 我们先来看一个导热系数的数据 氧化锆陶瓷 硬度高 切削工具 整形工具 抗腐蚀 浇铸口 与钢水不浸润可做钢水内衬 强度高 韧性好 迄今为止研究最好的增韧陶瓷 发动机构件 如内衬 活塞等 高温 氧化氛围 敏感性 氧化物半导体 气敏材料之一 碳化硅陶瓷 碳化物中抗氧化性最好的 1000 1500 发热元件 氧化物抗氧化不更好吗 高强 拉丝 成型模具 喷砂嘴 泵零件 微电子工业 封装和基板 不是导电吗 核工业 耐辐射 作为密封套 航空航天 火箭喷嘴 碳化钛陶瓷 碳化钛陶瓷硬度大 是生产硬质合金的重要材料 耐磨 切削刀具 氮化硅和氮化硼陶瓷 氮化硅高温耐磨 陶瓷发动机活塞顶盖 氮化硅抗热震性 热电偶套管 抗热振的性能要求 氮化硼仅次于金刚石的耐高温 超硬材料 磨料 纳米陶瓷 纳米陶瓷 平均晶粒小于100nm的陶瓷 低熔点 颗粒小 在较低的温度下可以被烧结 高强高韧 纳米二氧化钛陶瓷可以被弯曲 磁化率高 纳米磁性金属是普通金属磁化率的20多倍 吸收电磁波 红外辐射陶瓷 红外辐射陶瓷 在一定红外波段范围内 有较强辐射率和辐射强度的陶瓷 主要是热辐射型 常见陶瓷 碳化硅 氧化锆 加热干燥 均匀 速度快 航天 太阳直射 散热 发光陶瓷 发光陶瓷 把从外界获得的其它能量变成光的陶瓷 路标标志牌 装饰等 透明陶瓷 透明陶瓷 可以透过可见光的陶瓷 玻璃不透明吗 透明氧化铝 工业最可行 强度 温度和透明 高压钠灯 高温窗口材料 激光陶瓷 激光陶瓷 能够激发产生单色光的陶瓷 红宝石 掺钕的钇铝石榴石 铝酸钇 钕玻璃 单色光 激光器 抗菌陶瓷 抗菌陶瓷 能够抑制和杀灭微生物的陶瓷 有含有金属粒子如银的抗菌陶瓷 二氧化钛光催化型产生杀死微生物的基团 多孔陶瓷 多孔陶瓷 含有大量开口 贯通气孔的陶瓷 多孔陶瓷用途 腐蚀 溶解 高温过滤气体或液体 如汽车尾气 高温金属液体过滤 酸碱液体过滤 热交换器等 导电陶瓷 导电陶瓷 具有电子 空穴或离子导电能力的陶瓷 高温发热元件 碳化硅 二硅化钼 氧化锆等 超导陶瓷 电线 发电机线圈等 生物陶瓷 生物陶瓷 用作特定生物或生理功能的陶瓷 骨 牙 心脏瓣膜 整形外科 药物传递等 生物惰性 氧化铝 碳 生物活性 ha tcp 敏感陶瓷 敏感陶瓷 对某一信号敏感的陶瓷 信息技术中传感器技术的基础 电阻变化 电动势变化 磁变化 温度 压力 气氛 湿度 光强 电场 射线等 2 玻璃 夹丝玻璃 压花玻璃 大规模 高强度透明材料 原料丰富 成本低 万能成型 想想所有透明材料都用树脂时树脂的价格 建筑玻璃 平板玻璃 中空玻璃 日用玻璃 瓶瓶罐罐 保温瓶玻璃 仪器玻璃 瓶瓶罐罐 实验室中的瓶瓶罐罐 光学玻璃 显微镜 眼镜 照相机等光学玻璃 电真空玻璃 电子工业中的玻壳 芯柱和封装 彩色玻璃 反射玻璃 反射凉爽 光致变色玻璃 灯具玻璃 玻璃纤维 绝缘性好 耐热性强 抗腐蚀性好 机械强度高 但缺点是性脆 耐磨性较差 玻璃纤维主要用途 光纤 激光玻璃棒 基板玻璃 生物玻璃 3 水泥 桥梁水泥 道路水泥 力学性能不是最适合的 但原料 成本却是最划算的 想象如果力学材料全用钢铁时 钢铁的价格 理解传统无机非金属材料的基础地位 都是天然矿物原料 是大规模生产和应用的基础 建筑水泥 普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥 油井水泥 特种水泥 水硬性硅酸钙为主要成分 框架为高层产生 为墙体材料的要求降低奠定基础 大坝水泥 并不是任何水泥都可在任何场合应用 低热 低收缩 抗侵蚀和耐久等特点 彩色水泥 替代天然石材 可用于工厂 停车场 人行道路和住宅小区等 快硬水泥 低热水泥 耐高温水泥 4 晶体材料 非线性光学晶体 压电石英晶体 晶体生产成本相对较高 能用陶瓷 玻璃的地方一般不用晶体 但晶体的高度均一性所体现出来的性能其它做不到的 电光晶体 折射率 红外光学晶体 热释电晶体 超硬晶体 半导体晶体 单晶硅 碳化硅单晶 早期晶体管 事物发展初期都很弱小 硅单晶上的信息技术 氧化铝单晶 高温窗口材料 光学晶体材料 激光晶体 闪烁晶体 5 碳材料 碳纤维 碳纤维 与碳有关的材料多是软的 但要破坏cc键却非常难 石墨坩埚 石墨电极 润滑石墨 耐腐蚀石墨 石墨密封 粘土砖 6 耐火材料 硅质砖 碳砖 氧化铝砖 7 矿物材料 矿物与岩石的区别 高岭土 陶瓷 造纸 涂料 吸附 白 可塑 膨润土 泥浆悬浮 农药载体 脱色澄清 吸附 不白 可塑 方解石 塑料制品 橡胶制品 造纸 牙膏 涂料 油墨 胶粘剂 食品和医药 白 硬 石灰石 轻质碳酸钙 水泥 玻璃 饲料 钙肥 石英 玻璃 铸造砂 单晶硅 光纤 石英玻璃 硅微粉 碳化硅 滑石 造纸增强吸附 橡胶 电缆 油漆涂料 陶瓷 海泡石 孔道 过滤 增稠剂 香烟滤嘴 杀虫剂载体 从应用角度有时很难区分 1 3关于本门课程 1 课程定位 材料科学与工程 环境材料 无机非金属材料 在材料科学的基础上 拓宽无机非金属材料科学基础的相关内容 有一定难度 根据我院材料科学与工程专业现状 主要包括课程定位 参考书籍 成绩评定 答疑时间 课堂纪律等 2 参考书籍教材 无机材料物理化学 贺蕴秋建材工业出版社 参考书 无机材料科学基础 张其土华东理工大学出版社 无机材料科学基础 宋晓岚化学工业出版社 无机非金属材料科学基础 樊先平浙江大学出版 无机材料科学基础教程 胡志强化学工业出版社武汉理工 硅酸盐物理化学 无机材料物理化学 无机材料科学基础等 3 成绩评定5 课堂纪律 总成绩 作业成绩 考勤成绩 考试成绩 严肃活波 课堂活跃而不失严肃 1 方向背景热处理专业的拓展 与成型 铸锻焊 专业的成立一样 拓宽我院材料的内涵 金属与无机非在基础知识需求上有许多交叉部分 不需要另起炉灶 金属及传统无机非为量大面广方向 有萎缩趋势 需求多但非垄断条件不算太好 且我校非金属及无机非强校 很难进大型 好条件金属材料企业 信息材料的就业环境 工资水平 产业发展 人才需求上有较好的前景 但我国电子材料还没起来从科学研究的角度讲 无机非方向由于其内涵的丰富性有较好的前途 关于无机非方向 材料科学与工程专业 不缺金属基础 2 课程设置金属成型及模具设计 现代铸造技术 现代焊接技术 陶瓷材料 矿物材料加工及应用 水泥及混凝土工程电子材料 电子产品及工艺基础 电子封装工程 建议同时选修表面 老无机非方向包括无机非和电子材料 金属或无机非对另外方向感兴趣的可适当交叉选择 3 关于考研有些学校的材料科学基础是偏无机非的 没有无机材料科学基础很难考这类学校的研究生 这是我们学校的学生大部分都在中科院金属所的原因 有些学校考物