第二章 材料的科学魅力与社会进步2-非金属材料(材料与社会4)ppt课件VIP

.第二章材料的科学魅力和社会进步，讲师：孙士斌，材料科学的基础，无处不在的金属材料，老年陶瓷材料，博采众长复合材料，本章的主要内容，二，老年陶瓷材料，老陶瓷，人类最早伟大的文明创造。 自然物质与人类精神的完全结合。 新石器时代的象征。 中华文明的伟大象征之一。陶器是将粘土或陶土制成胎内，用手工、轮制、成型等方法加工成型后，在8001000C的高温下烧制而成的。 又称陶俑，是典型的陶制品。 秦兵马俑，经过几千年的发展，瓷器出现了。 从陶瓷到陶瓷，在技术上实现了三个突破：陶土的发现和利用，Fe2O3、CaO、MgO等被称为助熔剂的物质显着减少，SiO2的含量也下降到70%以下，Al2O3的含量显着增加。 釉的发明和革新釉是复盖在瓷器表面的玻璃状物质，是按一定比例调配矿物(长石、方解石、石英、滑石、高岭土等)和颜料而成的，用各种方法在陶瓷胚体表面实施。 烧成温度的上升烧成温度从8001000上升到1200以上，相应地出现窑炉。 高温下釉料熔融均匀地粘在瓷器表面，冷却后硬，光滑，无污垢，高度绝缘，色彩鲜艳动人。最早出现于距今3000多年前的商周，此后经过近1000年的发展，直到汉代才成熟，在唐、宋、元、明、清的历代，瓷器技术水平提高了。 陶瓷的定义，陶瓷-天然或人工合成的粉状化合物，由成型和高温烧结制成的无机化合物组成的多相固体材料。 狭义定义：以粘土为主原料，高温焙烧制品。 包括陶器、瓷器、炽器等。 广义定义：高温焙烧的无机非金属材料的总称。 包括砖、耐火材料、玻璃、水泥、石墨及各种碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物等.陶瓷的性能，(1)硬度是各种材料中最高的。 (高分子化合物30GPa )是其他材料无与伦比的，成为硬质合金材料家族的重要成员。 在B4C中，硼和碳主要以共价键结合(90% )，具有高熔点、高硬度、高弹性模量、容积重小(2.52gcm-3 )、耐磨性、酸碱腐蚀性等特点，良好的中子、氧吸收能力、低膨胀系数(5.0 x10-6K-1 )，良好的热电性能是重要的结构陶瓷材料、碳化硼-微细高级磨料。 由于碳化硼研磨效率高，主要作为研磨介质用于材料的微细工艺，如宝石、陶瓷、刀具、轴承、硬质合金等硬质材料的研磨、研磨、钻孔及研磨等。 碳化硼工业陶瓷材料的优先事项。 压制碳化硼粉末产品：喷砂喷嘴、密封圈、喷嘴、轴承、泥浆泵柱塞和火箭发射台、军舰、直升机陶瓷线路等作为新材料，具有高熔点、高硬度、高弹性模量、耐磨耗力、自润滑性等特点B4C陶瓷的应用，碳化硼屏蔽和控制材料核工业的安全保障。 由于碳化硼材料具有较大的热中子捕获截面，吸收和抗放射性能优异，被推荐为国际上最佳的核反应堆控制材料和屏蔽材料。 增强碳化硼防弹背心装甲防御力。 强度高，比重小，适用于飞机、车辆、舰船、人体防护等轻量防弹背心装甲。 碳化硼合金粉末提高机械零件寿命。 碳化硼粉末与金属结合生成金属基合金粉末，对该材料进行了特殊的表面处理，使传统机械部件更加耐磨性和酸碱腐蚀性。 碳化硼特殊吸收体-提供在宇宙中飞行的能力。 被称为“黑金子”的碳化硼在粉末状态下应用于能源，成为运输火箭的固体燃料。碳化硼添加剂-化学工业的好伙伴。 由于化学性能稳定，碳化硼不与酸、碱溶液反应，具有较高的化学位，大量用于硼化锆、硼化钛等其他含硼材料的生产。 碳化硼-高级耐火材料是必不可少的。 由于碳化硼具有抗氧化、耐高温的特性，作为高级定形和不定形耐火材料广泛应用于冶金各领域，如钢炉、窑具等。3 )碳化钛陶瓷(TiC )、TiC在面心立方晶格中熔点高。 TiC陶瓷强度高，导热性好，硬度大。 化学稳定性好，不水解，高温抗氧化性好(仅次于SiC )。 常温下不与酸反应，但溶解于硝酸和氢氟酸的混合酸中，在1000的氮气气氛中形成氮化物。 TiC陶瓷硬度大，是硬质合金生产的重要原料，TiC和TiN、WC、Al2O3等原料可制作各种复合陶瓷材料，制造耐磨原料、切削工具材料、机械部件等，也可制作熔炼锡、铅、镉、锌等金属的坩埚。 透明TiC陶瓷是一种良好的光学材料。 多孔TiC陶瓷可用作耐高温材料、过滤器和光催化材料，TiC孔隙率为50%时，适合人工骨架。 碳化钛陶瓷的应用、刀具材料的发展和进步对人类文明史有着重要的影响，刀具的使用已成为划分古代人类历史发展时期的标志。 新石器时代，人类开始使用磨过的石材作为刀具之后，青铜和铁刀的工具的出现也成为古代人类历史发展阶段的标志。 从历史上看，刀具的发展历史悠久，但从1850年至100多年，刀具材料发展迅速。 1898年高速钢工具诞生，1923年在德国成功开发出WC-Co硬质合金，1927年开始工业化生产，在切削加工技术的历史上发生了两次革命性的进步。 陶瓷刀，1905年德国人开始研究用氧化铝制作陶瓷刀，1912年获得英国首批Al2O3陶瓷刀的专利。 但是，到了1950年代陶瓷刀具才开始实用化。 20世纪70年代开发了Al2O3 TiO2系统复合陶瓷工具，Al2O3陶瓷工具发展缓慢，成为解决超硬材料冷加工的新工具材料。 上世纪70年代初美国生产的多晶金刚石刀具和多晶立方氮化硼刀具开始上市。 20世纪80年代初清华大学热压氮化硅陶瓷和英国Lucas公司利用赛隆陶瓷(Si3N4和Al2O3的固溶体)制作刀具取得了良好的切削效果。 20世纪90年代以来，纳米粒子和晶须等强化陶瓷刀具、陶瓷涂层刀具、倾斜功能陶瓷刀具、硬质合金刀具材料等迅速发展，促进了加工制造业的技术进步。陶瓷刀具与传统的高速钢和硬质合金刀具相比，具有更好的红硬性和耐磨性。 与硬质合金材料金刚石和CBN相比，制造成本、热稳定性、耐冲击性低。 工具材料的发展趋势，3、氮化物陶瓷、氮是具有最高电负性的元素之一，只有氧，氟和氯比它高。 这意味着氮化物由很大的化合物组成。 HBN切割材料，例如Si3N4、CBN绝缘体，例如HBN、Si3N4半导体，例如GaN金属镀膜，例如TiN、AlN储氢材料，例如Li3N，1 )氮化硅陶瓷(Si3N4)，氮化硅陶瓷强度高，韧性好，最好陶瓷氮化硅陶瓷具有高电阻率、高介电常数、低介电损耗，可用于电路板、高温绝缘体、电容器、雷达天线等。 氮化硅具有优良的化学稳定性。 氮化硅硬度高，摩擦系数低。 良好的高温抗氧化性。氮化硅陶瓷的应用，氮化硅陶瓷工具： (1)高硬度。 Si3N4陶瓷芯片的室温硬度值达到莫氏硬度的9级，切削能力和耐磨性大幅提高。 (2)高强度。 Si3N4陶瓷刀片的抗弯强度目前已达到900-1000MPa，其抗压强度也相当于普通硬质合金。 (3)高耐热性和抗氧化性。Si3N4陶瓷刀具的高温性能特别好，在1000下强度几乎不下降，即使在1200-1450的切削高温下也能保持一定的硬度、强度，长时间切削。 (4)高耐热冲击性。 耐热冲击性是材料受到急剧温度变化时其耐破损能力的重要指标。 Si3N4陶瓷刀具具有高弯曲强度、高导热系数、低热膨胀系数和中等弹性模量，耐热冲击性好。氮化硅陶瓷轴承氮化硅陶瓷球轴承有两种形式。 一个是球(球)是陶瓷材料，内外圈是轴承钢制，被称为混合球轴承的另一个是球和内外圈都是陶瓷材料，被称为全陶瓷球轴承。 混合球轴承、2 )氮化硼陶瓷(BN )、氮化硼(BN )有六方氮化硼(HBN )、六方氮化硼(WBN )和立方氮化硼(CBN )三种晶体结构。 WBN和CBN是HBN在高温、高压下变化的产物，HBN在常压下为稳定相，WBN和CBN为高压稳定相，在常压下为准稳定相。六方晶氮化硼(HBN )具有石墨般的层状结构，颜色为白色，因此以前称为白石墨。立方氮化硼(简称CBN )的硬度仅次于金钢石，但热稳定性远高于金钢石。 磨削性能非常优越，其出现给磨削带来了革命性的变化，是磨削技术的第二个飞跃。 由立方氮化硼砂轮和刀具、三、博采众长复合材料、两种以上不同材料组成，材料性能充分发挥，通过复合化可以得到单一材料所没有的性能材料。 复合材料的定义，必须由两种以上化学、物理性质不同的材料组合而成，是人们根据需要设计制造的材料，通过各组性能的互补，可以得到单一材料无法达到的综合性能，1，2 3个必要条件，复合材料的特征，材料a材料b，材料c，基体基体强化相Reinforcement，主要成分，强化相粘接、保护，载荷作用下的应力传递到强化相，其他成分主要承载相，发挥提高强度(或韧性)的作用，复合材料的组成，基质，陶瓷，聚合物，金属，强化体，颗粒，纤维按基质分类，按强化体分类，按复合材料分类，几何形状，纤维， SiC晶粒，Al2O3纤维，Al2O3板状， 复合材料铝系、铜系、镁系、钛系等金属系复合材料、木系复合材料、有机材料系复合材料、无机非金属系复合材料、聚合物系复合材料、陶瓷系复合材料、混凝土系复合材料、碳系复合材料、热塑性树脂系、热固性树脂系、按基材分类、增强材料、晶须增强材料， 氧化物粒子： Al2O3、SiO2、粒子增强材料纤维强化、无机纤维：碳、硼、SiC、Al2O3、有机纤维：芳族聚酰胺、聚乙烯、尼龙、金属纤维：不锈钢、w、Mo、 按强化体材料分类，陶瓷晶须： SiC、TiC、金属晶须： Cr、Fe、Cu、非氧化物粒子： SiC、TiC、B4C、硅酸盐粒子：高岭土、滑石、玻璃纤维、玻璃纤维制造工艺图、以非常快的速度将熔融玻璃引出到微细的丝中，则成为玻璃纤维纤度为3.821.6m，脆性与直径4次幂成比例.在航空航天领域，为了得到高比强度和高比弹性模量，开发了新的纤维-硼纤维。 硼的熔点在2000以上，硬度仅次于金刚石。 硼纤维、航天飞机机体采用硼/铝复合材料管材制造，收到了减重的2066%的效果。 航天飞机货舱间隔支柱可减轻体重44%。 美国PW公司在JT8D发动机上使用硼/铝复合材料代替钛合金，可以使体重减轻10%。 硼纤维在航空航天领域的应用效果，航天飞机内MMC(Al/B纤维)桁架，烧结有机纤维得到的碳含量在90%以上的纤维。 其质量轻、强度高，具有良好的润滑和耐磨性能，价格约为硼纤维的十分之一。碳纤维、土房-草强化泥基复合材料、钢筋混凝土建筑框架、玻璃纤维支架、复合材料在航天领域的应用、主货仓门-碳纤维/环氧树脂压力容器-橡皮筋纤维/环氧树脂主体隔框和翼梁-硼/铝复合材料、 哥伦比亚号航天飞机发动机喷嘴-碳/碳复合材料发动机单元的动力框架-钛系复合材料主体的耐热瓦-陶瓷系复合材料，国家技术发明一等奖(2004年)，高性能碳/碳航空制动材料的制造技术， 黄伯云团队开发的飞机制动片是“高温长寿命抗氧化陶瓷系复合材料”， 复合材料在飞机隔热瓦技术突破难关的航空领域的应用，法国“空中客车”公司生产的A380二重四发动机大型客机，最大装载人数为650人，复合材料使A380减少了15吨，(1)机翼，(2)垂直尾翼和水平尾翼，(3)地板梁和后支架，(4)机翼前缘固定，(5)机翼前缘固定复合材料在翼后缘翼片、翼片、(6)机体表皮板体育用品中的应用，复合材料在羽毛球拍中的应用，复合材料在网球拍中的应用轻、结实、刚性大、应变小，因此球与球拍接触时可降低偏移度的阻尼性良好木球拍接触时间为4.33毫秒，钢制品为4.09毫秒，CFRP为4.66毫秒，对应球的初速分别为1.38公里/小时、149.6公里/小时、157.4公里/小时。 滑雪板在雪上滑动，