无机非金属材料概论

无机非金属材料概论10无非〔3〕班202310210341陈巧硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的。材料分类：传统无机非金属材料、型无机非金属材料。无机非金属材料的特点：耐磨损〔磨料、熔点高〔非氧化物陶瓷，硅钼棒、硬度高〔刚玉、抗化学腐蚀力气强、绝大多数是绝缘体、一般比金属的导热性低、不易变形。一、传统陶瓷材料1.陶瓷的定义的各种制品。广义：各种原料经过陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的通称。2.陶瓷分类按坯体构造及物理性能分为：陶器和瓷器；按概念和用途分为：一般陶瓷和特种陶瓷。特种陶瓷：具有各种功能—机械、热、声、电、磁、光、超导等的陶瓷材料。通常分为构造陶瓷和功能陶瓷。特种陶瓷与传统陶瓷的主要区分：度和工艺，而不是由产地打算。在制备工艺上：广泛承受先进的制备工艺。在性能上：特种陶瓷具有不同的性质和功能我国陶瓷工艺进展概述：一般陶瓷〔传统陶瓷〕——特种陶瓷——纳米陶瓷纳米陶瓷指尺度为1nm-100nm(强度高且韧性好)、电〔超导性、磁〔超顺磁性、光学〔光吸取，纳米银粉变为黑色〕等方面均与一般材料存在明显差异。纳米粉体难以制备、简洁团聚、致密性差中国古陶瓷进展的五个里程碑石器时代早期1万多年：陶器的消灭石器时代晚期和商周时期〔BC16世纪以前汉晋时期AD25-42：越窑青瓷〔瓷器消灭〕隋唐时期581-90：北方白釉瓷的突破宋代到清代〔960-1911)：颜色釉瓷、彩绘瓷和雕塑陶瓷的辉煌成就三大技术的突破：原料的选择和精制；窑炉的改进和烧成温度的提高；釉的形成和进展传统陶瓷的生产工艺流程三大原料——粘土、石英和长石①粘土：含水铝硅酸盐矿物的集合体。自然界的粘土呈白、黄、红、黑、灰等多种颜色，颗粒微细，多数均小于2μm，晶体有片状、管状、球状及六角鳞片状等。将其与水拌和能塑成各类外形，干后外形不变，且有确定机械强度，煅烧后坚硬如石。粘土的成因——矿物的地质循环作用造就的。生岩化作用，形成燧石等；发生变质作用来完毕整个循环，生成瓷石、蜡石、滑石等〕；粘土的特点：较高的耐火度、良好的吸水性、膨胀性、吸附性、结合性、可塑性。粘土的组成：化学组成，主要是SiO2、Al2O3和结晶水；矿物组成，粘土矿物与杂质矿物；颗粒组成，所含不同大小颗粒的体积百分比。确定的悬浮性能和稳定性；结合其它的瘠性原料，使其有确定的干坯强度；瓷坯中Al2O3的主要来源，也是莫来石晶相的主要来源。②长石——熔剂性原料长石在陶瓷生产中的作用：降低烧成温度；提高机械强度和化学稳定性；提高透光度；缩短枯燥时间、削减枯燥收缩和变形。③石英——瘠性原料形；提高高温液相粘度，减小坯体的烧成收缩和变形；适当颗粒细度的石英可提高陶瓷制品的强度、透光度和白度；提高釉的熔融温度和釉的粘度，降低釉的膨胀系数，提高釉的耐酸性。成型烧成烧成的四个阶段：低温阶段：排解枯燥后留下来的剩余水分，常温-300℃左右分解及氧化阶段：排解构造水、有机物、碳和无机物等的氧化、碳酸盐、硫化物等的分解、晶型转变。300-950℃体长大、釉的熔融。950-烧成温度冷却阶段：液相析晶、液相的过冷凝固、晶型转变烧成方式：一次烧成、二次烧成一次烧成的优点：烧成周期短，本钱低，坯釉适应性好。二次烧成的优点：①可削减“棕眼”等缺陷，有利于提高釉面质量。②便于后续工序C.烧成制度：温度制度、气氛制度和压力制度。温度制度：各阶段的升、降温速度及最高烧成温度、保温时间等。气氛制度：氧化气氛、复原气氛、中性气氛。压力制度：有压与无压烧结、正负压强度；D.烧成装置：窑〔作用和进展历程；窑具〔匣钵、垫饼、垫圈、支柱、棚板等7.进展方向传统陶瓷朝着高品质、功能化方向进展；型陶瓷材料的开发争论。二、构造陶瓷材料以承受的苛刻工作环境，常常成为很多兴科学技术得以实现的关键。争论构造陶瓷的意义：陶瓷具有自身的优点，如强度高、耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等；一般陶瓷制品具有一个致命的缺点：性脆。的陶瓷材料；争论和进展材料的检测方法；陶瓷材料的冷加工技术等。构造陶瓷的特点：高强度、高硬度、高弹性模量；耐高温；耐磨损；耐腐蚀；抗氧化、抗热震等。构造陶瓷分类构造陶瓷按使用领域可分为：机械陶瓷：主要利用其高硬度、高耐磨性。如机械零件、轴承、密封件、切削刀具材料、模具等热机陶瓷：又称发动机用陶瓷，主要利用其耐热性、耐磨损及高强、高性特性，如车用耐磨、轻量陶瓷部件、燃气轮机叶片和活塞顶等生物化工陶瓷：利用耐腐蚀性以及与生物酶接触化学稳定性好等特性，如冶炼有色金属及稀有金属坩埚、热交换器、生物陶瓷等；核陶瓷及其它：利用其特有的俘获和吸取中子的特性可作为各种核反响堆的构造材料使用构造陶瓷按组分可分为：(1)氧化物陶瓷，如氧化铝、氧化锆、莫来石、氧化镁、氧化钙、锆英石陶瓷等；(2)氮化物陶瓷，如氮化硅、赛隆(Sialon)、氮化铝、氮化硼陶瓷；(3)碳化物陶瓷，如碳化硅、碳化钛、碳化硼以及碳化铀陶瓷等；(4)硼化物陶瓷，如硼化钛、硼化锆陶瓷等构造陶瓷的生产工艺原料预处理酸洗：浓盐酸、浓硝酸、浓硫酸等；磁选：磁力除铁；预烧：预烧温度、预烧气氛及外加剂的选择。Al2O3，使γ-Al2O3转化为α-Al2O3，提高原料纯度，改善产品性能；承受H3BO3作添加剂时，预烧温度1400～1450℃左右，保温2～3h；承受NH4F作添加剂时，预烧温度1250℃,1～2h，复原气氛MgO，提高MgO1400℃以上，氧化气氛滑石，破坏滑石的层状构造，避开定向排列，降低收缩，削减瓷件开裂，同时也有利于粉磨；预烧温度一般在1300～1350℃之间，加矿化剂〔如苏州土、硼酸、碳酸钡等〕可降低预烧温度，含Fe2O3时，可承受复原气氛TiO2，使其晶型由板钛矿、锐钛矿转化为高温稳定型金红石、性能好，介电常数大；1270～1290℃〔氧化气氛〕粉末制备能。常用制备方法：粉碎法〔机械粉碎、气流粉碎〕和合成法〔固相法、液相法和气相法〕机械粉碎包括粗碎、细碎、研磨等过程；常用设备：鄂式裂开机、滚筒式球磨机、振动磨、行星式研磨机、搅拌球磨机等。气流粉碎定义：利用流体〔压缩空气或过热蒸汽〕作为能源，高速喷射入粉碎室内，带动固体枯燥的粗粉料高速运动，使颗粒间直接相互碰撞、摩擦和剪切而到达粉碎目的。特点：产品粒度细，纯度高，颗粒外表光滑，外形为规章的球形，粒度分布窄，但能耗较高。3)固相合成法定义：依据合成所需组成的原料混合，再用高温使其反响合成所需粉料的方法。工艺流程：确定配方——称量——混合——煅烧——粉碎影响因素：合成温度、合成时间、颗粒外表状态等；优点：工艺成熟、操作简洁、产量大本钱低、过程易控。缺点：纯度不高、效率低、颗粒细度不够；反响速度慢，需要在较高的温度下合成；高磨介质的污染。液相合成法小的颗粒，得到所需粉末的前驱体，热解后得到粉体的一类方法。常见方法：沉淀法、水解法、喷雾法、水热法、溶胶凝胶法。工艺流程：气相合成法蒸发－分散法PV：将原料加热至高温〔用电弧或等离子流等加热过调整气压，就能把握生成金属颗粒的大小，可制备直径在50~1000A的微粉。CV气相合成法的特点：生成粉料不需要进展粉碎；生成物的纯度高；生成颗粒的分散性配料与混合加料的挨次：先加量大的，再加量小的球磨筒的使用：专用，避开杂质的引入成型注浆成型、流延成型、挤压成型、轧膜成型、热压铸成型、注射成型、爆炸成型①流延成型②挤压塑化：是利用塑化剂使原来无塑性的泥料具有可塑性的过程。塑化剂通常由三种物质组成：粘结剂：能粘结粉料，通常有聚已烯醇、聚醋酸乙烯酯、羧甲基纤维素等；增塑剂：溶于粘结剂中使其易于流淌，通常有甘油等；溶剂：能溶解粘结剂、增塑剂并能和坯料组成胶状物质，通常有水、无水酒精、丙酮、苯等。用量的影响；塑化剂挥发速度的影响③轧膜成型因此烧成收缩率不同，前者小后者大；对于要求厚度在0.08mm以下的超薄片，轧膜成型是很难轧制的，质量也难以把握。④热压铸成型<0.5%。粉料的细度也要加以把握。粉料过细，石蜡需求量多，对热压铸成型不利要求也不利。粉料过粗，则蜡浆易于沉淀不稳定。热压铸工艺流程石蜡作粘结剂的特点：熔化后粘度小，易填满模型；有润滑性，对模具不会磨损，生坯70~80℃；冷却后体积7~8%，易脱模；不与瓷粉发生反响，不污染环境；原料丰富且廉价。热压铸成型工艺参数的把握12%～16%；蜡浆温度：一般浆温把握在65~85℃；铸模温度：一般模温在20~30℃。生产上一般用两副模型轮换压铸，一副模型在压铸，另一副模型在冰块上冷却；压力制度：0.3~0.5MPa；排蜡：吸附剂Al2O3的作用。蜡浆性能要求稳定性好：检测方法是：100ml料浆，在70℃保温24h，分别出的蜡液不大于0.2ml可铸性好：衡量料浆粘度和凝固速度的综合指标。收缩率低：凝固成固态的冷收缩，一般为1%。瓷的成型，尤其对外形简洁、周密度高的中小型制品更为适宜。其成型设备不简洁，模具磨损小，操作便利，生产效率高。其缺点是工序较简洁、能耗较大、工期较长、烧后制品的致密度偏低，不宜制作壁薄大而长的产品。烧结常压烧结、气氛压力烧结、热压烧结、热等静压、电火花烧结、自集中高温合成热压烧结优点：粉料处于热塑性状态，形变阻力小，易于塑性流淌和致密化；可降低烧电学性能好的制品；便利生产外形简洁、尺寸准确的产品。制得的产品纯洁，无副产品和其他残料；能获得简洁相或可开发型陶瓷；应用范围广。自集中高温合成缺点：不易获得高密度制品；不易严格把握成品性能；所用原料可燃、易燃或有毒，需承受安全措施。三、功能陶瓷材料功能陶瓷则是利用其电、磁、声、光、催化、生物化学等功能，其中是主要的是绝缘材料、电介质材料、压电材料、磁性材料、半导体和透光性陶瓷等电子材料，具有生物化学功能的生物医用材料、抗菌材料等。〔压电陶瓷、光电陶瓷、电光陶瓷、超导陶瓷、磁性陶瓷、光学陶瓷〔、生物陶瓷压电陶瓷：一种能够将机械能和电能相互转换的功能陶瓷材料。压电陶瓷的主要工艺流程精修→上电极→烧银→极化→测试光电陶瓷定义：能产生光电导效应的陶瓷。现象时，能带内产生自由载流子，而使电导率增加的现象。光电导效应分为：本征光电导效应和非本征光电导效应。应用：光检测器元件，如紫外线检测器等。电光陶瓷电光效应：将物质置于电场中时，物质的光学性质〔折射率等〕发生变化的现象。普克尔效应：折射率随电场成线性变化的现象。克尔效应：折射率随电场的平方变化的现象。应用：制作光调制元件、光闸、光开关、图像显示元件和图像转换元件等。超导陶瓷强度为零，即抗磁现象或称迈斯纳效应。破坏超导材料超导态的因素主要有：温度、磁场、电流密度。超导陶瓷的应用大电流应用〔强电应用电子学应用〔弱电应用：超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性应用：悬浮轴承、磁悬浮列车和热核聚变反响堆等。光学陶瓷具备优良的耐热性，耐化学稳定性、低膨胀性等；可见光之外的光，如红外光可以顺当变化，因而可以用于复印等；它不仅是光的通路，而且具有光的单色性、调制、偏转等特别功能。陶瓷具有透光性的必备条件：致密度高〔为理论密度的99.5以上；晶界上不存在微体之间差异很小；晶粒较小且均匀，约0.4~0.μ〔小于光波波长；晶体对入射光的选择吸取很小；无光学各向异性，晶体构造最好是立方晶系；外表光滑度要高。透亮氧化铝陶瓷主要用途：可用作熔制玻璃的坩埚，可代替铂金坩埚；红外检测窗材料；制作高压钠灯管；集成电路基片、高频绝缘材料；构造材料。光导纤维性能特点：信息容量大；重量轻；设备简洁，材料来源丰富；节约铜；不怕电磁场干扰；传输不受湿度和温度的变化；保密性好。激光陶瓷特点：单色性；定向性；相干性；高亮度。激光陶瓷主要种类：红宝石、掺钕的钇铝石榴石、铝酸钇、钕玻璃等。激光陶瓷材料要求：激活离子和基质的组适宜合于激光振荡；在激光波长区域是透亮的；光学均匀性好；机械强度大，导热率高，材料受激光照耀不发生热破坏〔机械损伤；强激光照耀不产生光损伤，即元件内部光学性质不起变化。生物陶瓷分类生物惰性陶瓷：α-A1203、玻璃碳、热解碳等；生物活性陶瓷：磷酸钙系玻璃，羟基磷灰石和磷酸三钙等生物陶瓷性能要求：对人体无害(无毒性、无组织刺激、无致癌作用、无血栓形成等)；与人体生物相容性好(生物组织亲和性好)；与四周的骨及其他组织结合性强；抗张、抗折、(抗腐蚀)；耐磨损；硬度和弹性模量与自然骨接近；成形、加工简洁，便于临床操作。四、玻璃定义一：熔化后，冷却到固化状态而没有析晶的无机产物。定义二：物质〔包括有机物，无机物〕经过熔融，在降温冷却过程中因粘度增加而形成的具有固体机械性质的无定形物体。定义三：从熔体冷却，在室温下还保持熔体构造的固体物质状态。玻璃的通性：各向同性、介稳性、固态和熔融态间转化的渐变性和可逆性、性质随成分变化的连续性和渐变性玻璃的分类1〕按组成分类元素玻璃：硫玻璃、硒玻璃等氧化物玻璃：硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃等非氧化物玻璃：氟化物玻璃、硫化物玻璃等2〕按化学组成分钠玻璃：最早、产量最大的玻璃，一般玻璃；钾玻璃：硬度较高，多用于制造化学仪器；钙镁铝硅玻璃：耐热性、热稳定性好，多用于耐热化学玻璃；铅玻璃：折射率高、比重大、透亮度好、光泽好、硬度低，多用于光学玻璃；硼硅玻璃〔耐热玻璃学仪器和绝缘材料；石英玻璃：热学性能，光学性能和化学稳定性，能透过紫外线，可用于制造耐高温仪器及杀菌灯等。玻璃制备原料酸性氧化物原料：SiO2、B2O3、Al2O3碱金属氧化物原料：Na2O、K2O、Li2O碱土金属氧化物原料:CaO、MgO、BaO、ZnO、PbO关心原料：助熔剂、澄清剂、氧化剂和复原剂、着色剂、脱色剂、乳浊剂、4玻璃成型吹制成型、拉制成型、压制成型、压延成型、浇铸成型、浮法成型玻璃加工钢化玻璃、涂膜玻璃、中空玻璃、夹层玻璃〔聚乙烯醇缩丁醛薄膜粘结在一起的安全玻璃。一般夹层玻璃(SR)：由两片3mm0.38mmPVB胶片压制而成。抗贯穿性夹层玻璃(HPR)：0.76mm的高抗贯穿力气的胶片。0.10-1.10mm