无机非金属材料

.,.,.,.,.,.,.,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,3CaOSiO22CaOSiO23CaOAl2O3,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19491998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.SiO2C3S0.370.60硅酸二钙2CaO.SiO2C2S0.150.37铝酸三钙3CaO.Al2O3C3A0.070.15铁铝酸四钙4CaO.Al2O3.Fe2O3C4AF0.100.18,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3070km(而同轴电缆每隔15km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2030dB，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。用透明陶瓷制造高压钠灯，发光效率比高压汞灯高一倍，使用寿命可达2万小时。,