第二章 无机非金属材料

非金属材料及应用主讲：吴庆定(二级教授)、司家勇（博士后）中南林业科技大学机电学院wudingle@126.com第二章无机非金属材料常用无机非金属材料及应用本章主要内容无机非金属材料的概念与特点无机非金属材料的地位和作用什么是无机非金属材料？金属材料和有机高分子材料以外的固体材料通称为无机非金属材料。主要特性：熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐氧化、弹性模量大、强度高。一般为脆性材料传统陶瓷无机非金属材料的种类陶瓷水泥玻璃特种陶瓷结构陶瓷功能陶瓷常见陶瓷制品陶瓷材料的物质结构陶瓷材料的结合键陶瓷材料的组成相的结合键为离子键（MgO、Al2O3）、共价键（金刚石、Si3N4）以及离子键与共价键的混合键以离子键结合的晶体称为离子晶体。离子晶体在陶瓷材料中占有很重要的地位。它具有强度高、硬度高、熔点高、等特点。但这样的晶体脆性大，无延展性，热膨胀系数小，固态时绝缘，但熔融态可导电等特点。金属氧化物晶体主要以离子键结合，一般为透明体。陶瓷材料的物质结构陶瓷材料的结合键以共价键结合的晶体称为共价晶体。共价晶体具有方向性和饱和性，因而共价键晶体的原子堆积密度较低。共价键晶体具有强度高、硬度高、熔点高、结构稳定等特点。但它脆性大，无延展性，热膨胀系数小，固态、熔融态时都绝缘。最硬的金刚石、SiC、Si3N4、BN等材料都属于共价晶体。陶瓷材料的物质结构陶瓷材料的相组成晶体相晶体相是陶瓷材料最主要的组成相，主要是某些固溶体或化合物，其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料的特性和应用。晶体相又分为主晶相、次晶相和第三相。陶瓷中晶体相主要有含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐等）、氧化物（MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC，Si3N4）等。硅氧四面体是硅酸盐陶瓷中最基本的结构单元。陶瓷材料的物质结构陶瓷材料的相组成玻璃相玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分，其结构类似于玻璃。玻璃相的作用是：熔点低，将分散的晶体相粘结起来，填充晶体之间的空隙，提高材料的致密度；降低烧成温度，加快烧结过程；阻止晶体转变、抑止晶粒长大。玻璃相对陶瓷强度、介电常数、耐热性能是不利的。陶瓷材料的物质结构陶瓷材料的相组成气相（气孔）陶瓷中气孔主要是坯体各成分在加热过程中单独或互相发生物理、化学作用所生成的空隙。这些空隙可由玻璃相来填充，还有少部分残留下来形成气孔。气孔对陶瓷的性能是不利的。它降低材料的强度，是造成裂纹的根源。陶瓷材料的物质结构陶瓷材料的晶体缺陷点缺陷陶瓷材料晶体中存在的置换原子、间隙原子和空位等缺陷称之为点缺陷。陶瓷材料的很多性质如导电性与点缺陷有直接关系。此外，陶瓷材料的烧结、扩散等物理化学过程也与点缺陷有关。陶瓷材料的物质结构陶瓷材料的晶体缺陷线缺陷位错是陶瓷材料晶体中存在线缺陷。陶瓷材料中位错形成所需要的能量较大，因此，不易形成位错。陶瓷材料中位错密度很低。陶瓷材料主要是离子键和共价键。这两种结合键造成位错的可动性降低。当位错滑移时，离子键中同号离子相斥，导致离子键断裂；而共价键的方向性和饱和性，具有确定的键长和键角，位错的滑移也会导致共价键的破断。陶瓷材料的物质结构陶瓷材料的晶体缺陷面缺陷陶瓷材料一般是多晶材料。多晶材料中存在的晶界和亚晶界就是陶瓷材料中的面缺陷。我们知道晶粒细化可以提高材料的强度。晶界对金属材料和陶瓷材料强度的提高作用机理是不同的。对金属材料来说，晶界阻碍位错的运动，从而强化了材料；而对陶瓷材料来说，利用晶界两侧晶粒取向的不同来阻止裂纹的扩展，提高强度。陶瓷材料的性能特点力学性能硬度陶瓷的硬度很高，多为1000Hv～1500Hv（普通淬火钢的硬度500～800Hv）。陶瓷硬度高的原因是离子晶体中离子堆积密度大、以及共价晶体中电子云的重叠程度高引起的。刚度陶瓷的刚度很高。刚度是由弹性模量衡量的，而弹性模量又反映其化学键的键能。离子键和共价键的键能都要高于金属键，因此陶瓷材料的弹性模量要高于金属材料。陶瓷的硬度很高，多为1000Hv～1500Hv（普通淬火钢的硬度500～800Hv）。陶瓷硬度高的原因是离子晶体中离子堆积密度大、以及共价晶体中电子云的重叠程度高引起的。陶瓷的刚度很高。刚度是由弹性模量衡量的，而弹性模量又反映其化学键的键能。离子键和共价键的键能都要高于金属键，因此陶瓷材料的弹性模量要高于金属材料。陶瓷材料的性能特点力学性能强度陶瓷材料的强度取决于键的结合力，理论强度很高。但陶瓷中由于组织的不均匀性，内部杂质和各种缺陷的存在，使得陶瓷材料的实际强度要比理论强度低100多倍。陶瓷材料的强度也受晶粒大小的影响。晶粒越细，强度越高。此外，陶瓷材料一般具有优于金属材料的高温强度，高温抗蠕变能力强，且有很高的抗氧化性。常用于高温材料。陶瓷材料的性能特点力学性能塑性与韧性陶瓷材料的塑性和韧性较低，这是陶瓷最大的弱点。陶瓷材料受到载荷时在不发生塑性变形的情况下，就发生断裂。断裂是裂纹形成和扩展的过程。陶瓷内部和表面所产生的微裂纹，由于裂纹尖端的应力集中，内部裂纹在受到外应力时扩展很快，这是导致陶瓷材料断裂的根本原因。陶瓷材料的性能特点热学性能熔点陶瓷材料由离子键和共价键结合，因此具有较高的熔点。热容热膨胀陶瓷材料在低温下热容小，在高温下热容增大。陶瓷材料的热膨胀系数小，这是由晶体结构和化学键决定的。一般为10－5～10－6/K。陶瓷材料在低温下热容小，在高温下热容增大。陶瓷材料由离子键和共价键结合，因此具有较高的熔点。陶瓷材料在低温下热容小，在高温下热容增大。陶瓷材料的热膨胀系数小，这是由晶体结构和化学键决定的。一般为10－5～10－6/K。陶瓷材料由离子键和共价键结合，因此具有较高的熔点。陶瓷材料在低温下热容小，在高温下热容增大。陶瓷材料的性能特点电学性能陶瓷材料是良好的绝缘体。可用于隔电的绝缘材料；陶瓷还具有介电特性，可作为电器的介质。陶瓷材料的介电损耗很小，可大量制造高频、高温下工作的器件。陶瓷材料由于晶界和气孔的存在，一般是不透明的。可以通过烧结方法的改变和控制晶粒的大小，制备出透明的氧化物陶瓷。光学性能陶瓷材料是良好的绝缘体。可用于隔电的绝缘材料；陶瓷还具有介电特性，可作为电器的介质。陶瓷材料的介电损耗很小，可大量制造高频、高温下工作的器件。陶瓷材料由于晶界和气孔的存在，一般是不透明的。可以通过烧结方法的改变和控制晶粒的大小，制备出透明的氧化物陶瓷。陶瓷材料的性能特点化学性能陶瓷的结构非常稳定，很难与介质中的氧发生作用。例如在以离子晶体为主的陶瓷中，金属离子被氧离子所包围，被屏蔽在其紧密排列的间隙之中，不但室温下不会氧化，甚至在1000℃以上的高温也不会氧化。

陶瓷材料加工方法配料成形煅烧普通陶瓷的生产工艺及种类普通陶瓷的生产工艺1、原料配制黏土、石英、长石，各种氧化物或其它物质2、坯料成形可塑成形法，注浆成形法、模压成形法3、制品的烧结蒸发阶段、氧化物分解和晶型转化阶段、玻化成瓷阶段、冷却阶段1。日用陶瓷2。普通工业陶瓷1）建筑陶瓷2）卫生陶瓷4）化工陶瓷3）电器绝缘陶瓷普通陶瓷的种类（1）日用陶瓷一般应具有良好的白度、光泽度、透光性、热稳定性和强度。日用陶瓷主要应用于茶具、餐具和工艺品长石瓷质，绢云母瓷质，骨灰瓷质，日用瓷质1）建筑陶瓷以黏土为主要原料而制得的用于建筑物的陶瓷粗陶瓷：以难熔黏土为主要原料，包括砖、瓦、盆罐等精陶瓷：以瓷土和高岭土为主要原料，包括釉面砖、建筑卫生陶瓷等炻瓷：以陶土和黏土为主要原料，包括地砖、外墙砖、shi耐酸陶瓷等(紫砂)（2）普通工业陶瓷2）卫生陶瓷以高岭土为主要原料而制得的用于卫生设施的带釉陶瓷制品，有陶质、炻瓷质和瓷质等。3）电器绝缘陶瓷又称电瓷，是作为隔电、机械支撑及连接用的瓷质绝缘器件。分为低压电瓷、高压电瓷和超高压电瓷等。4）化工陶瓷要求耐酸、耐高温、具有一定强度。主要用于化学、化工、制药、食品等工业。结构陶瓷材料的制造工艺结构陶瓷材料结构陶瓷的生产工艺1、粉末制备固相法，气相法，液相法，机械法，熔剂蒸发法2、成形冷等静压成形，注射成形，爆炸成形3、烧结常压烧结，气氛压力烧结，热压烧结，热等静压烧结，反应烧结，电火花烧结，自扩散高温合成常用结构陶瓷材料结构陶瓷的种类氧化物陶瓷非氧化物陶瓷结构陶瓷材料氧化物陶瓷特点：化学稳定性好、抗氧化性强、熔融温度高、高温强度高。Al2O3陶瓷BeO陶瓷ZrO2陶瓷MgO/CaO陶瓷ThO2/VO2陶瓷结构陶瓷材料Al2O3陶瓷Al2O3陶瓷又称高铝陶瓷，主要成分是Al2O3和SiO2。主晶相为刚玉（α－Al2O3），随着SiO2质量百分数的增加，还出现莫来石和玻璃相。根据陶瓷坯中主晶相的不同，分为刚玉瓷、刚玉－莫来石瓷和莫来石瓷。Al2O3有三种结晶形态，即α、β、γ相。α型是高温型，而γ相是低温型。其中刚玉瓷的性能最佳。结构陶瓷材料Al2O3陶瓷的性能及应用1。强度高2。硬度高：机械加工磨料、磨具、切削工具等3。熔点高、抗腐蚀：耐火材料、炉管、热电偶保护套等4。化学稳定性好：坩埚、人体关节、人工骨骼5。电绝缘性好：基板、火化塞、电路外壳6。光学性能好：制成透光材料、微波整流罩窗口、激光振荡元件等结构陶瓷材料BeO陶瓷BeO晶体无色，属六方晶系，在固态下无晶型转变，结构稳定。BeO陶瓷的导热系数大，线膨胀系数不大，抗热震性高，高温电绝缘性好，电导率低，介电常数高；硬度与Al2O3差不多，化学稳定性好，是抵抗炭还原作用最强的一种氧化物。结构陶瓷材料ZrO2陶瓷ZrO2陶瓷有三种晶型。常温下是单斜晶系，1000度以上转变为四方晶系，到2300度以上又转变成立方晶系。由单斜向四方的转变是可逆的，并伴随7％的体积膨胀。导致陶瓷在烧结时容易开裂，为此，要加入适量的稳定剂，如Y2O3。ZrO2陶瓷的特点是热导率小，是理想的高温绝热材料。化学稳定性好，能抵抗酸性或中性熔渣的侵蚀，可用作特种耐火材料；硬度高，可制作冷成型工具、整形模、切削工具、剪刀等；强度高、韧性好，可制作发动机构件等。结构陶瓷材料MgO/CaO陶瓷耐高温，抗金属及碱性熔渣腐蚀，可以用作坩埚冶炼高纯度Fe、Mo、Cu、Mg等。也可用于高温热电偶保护套等。ThO2/VO2陶瓷具有高熔点、高密度、低热传导性、低挥发性。主要用于制造熔炼Lr、Pt、Ag和其他金属的坩埚，电炉构件，核动力反应堆中的发热元件等。结构陶瓷材料非氧化物陶瓷特点：高耐火度、高硬度、高耐磨性。SiC陶瓷有两种晶体结构：α－SiC和β－SiC。前者属六方晶系，是高温稳定相；后者属等轴晶系，是低温稳定相。SiC陶瓷的莫氏硬度13，在1400度的高温下仍能保持相当高的弯曲强度；SiC陶瓷有很高的热传导能力，抗蠕变性能好，对酸性熔体有很强的抵抗力，但不抗强碱。SiC陶瓷主要用作高温结构材料。如火箭尾喷管的喷嘴，热电偶套管等高温零件。还可用于高温下热交换器。SiC陶瓷Si3N4陶瓷BN陶瓷B4C陶瓷结构陶瓷材料氮化物陶瓷特点：高耐火度、高硬度、高耐磨性。Si3N4陶瓷是强共价键材料，原子结合力强，属六方晶系。Si3N4陶瓷具有良好的化学稳定性，能抵抗除氢氟酸以外的各种酸、碱和熔融金属的侵蚀；具有优异的绝缘性；硬度高，摩擦系数小，是一种优良的耐磨材料；线膨胀系数小，热导率高，抗热震性好；室温强度虽然不高，但高温强度较高。此外，还有BN陶瓷和B4C陶瓷等。结构陶瓷材料耐火陶瓷什么是耐火材料？耐火度不低于1580度的材料。广泛应用于冶金、硅酸盐、化工、机械等领域的窑炉以及高温容器的耐高温材料。常见的耐火材料黏土砖轻质砖半硅砖高铝砖镁砖碳砖耐火砖耐火纤维耐火混凝土1）耐火材料的性能指标耐火度材料在高温下不熔化的性质。荷重软化温度指耐火材料在温度和荷重的作用下抵抗变形的能力。高温体积稳定性在高温下外形体积及线度保持稳定的能力。抗热震性抗渣性在高温下，温度急剧变化不破坏的能力。抵抗熔渣或熔融液侵蚀的能力。耐真空性在真空和高温下服役的能力。2）常见耐火砖粘土砖中性耐火材料，使用温度不超过1000℃，抗热震性。轻质砖轻质砖含有较多的气孔，不仅耐火而且绝热。半硅砖重烧线收缩很小，抗渣性也好。硅砖高铝砖硅砖高温强度好，荷重软化温度几乎接近耐火度。抗渣性好，耐压强度大，抗热震性很好。镁质耐火砖碱性耐火材料，耐火度很高，但抗热震性很差。炭砖耐火度高，抗渣性强，抗热震性好，强度高，耐磨。3）耐火纤维4）耐火混凝土具有一般纤维的特性（如柔韧、强度高等），可加工成各种纸、带、线绳、毡和毯等，又具有普通纤维所没有的耐高温、耐腐蚀和抗氧化的性能，克服了一般耐火材料的脆性，同时，有非常显著的节能效果。目前发展最快应用最多的是硅酸铝耐火纤维。硅酸铝纤维及其制品的耐火度多数可达1700℃以上。具有弹性好、热导率低、热膨胀小、质量轻、抗热震性好、安装容易等特点，因而得到广泛应用。主要用于加热炉以及窑炉、管道隔热和密封大件。一般由骨料、胶结料、掺和料三部分按一定比例制成混合料直接浇注而成，有时还要加促凝剂。根据胶结料的不同，耐火混凝土可分为：铝酸盐耐火混凝土、水玻璃耐火混凝土、磷酸盐耐火混凝土和硫酸铝耐火混凝土等。玻璃什么是玻璃？凡熔融体通过一定方式冷却，因黏度逐渐增加而具有固体性质与一定结构特征的非晶态物质，都称为玻璃。玻璃的分类钠钙玻璃铅玻璃硼硅酸盐玻璃石英玻璃钢化玻璃微晶玻璃彩色玻璃变色玻璃磨光玻璃磨砂玻璃压花玻璃夹层玻璃玻璃的发展简史玻璃的制造已有5000年以上的历史。古时候的玻璃也叫谬琳、琉璃、陆璃、颇璃等。玻璃的性质力学性质理论强度高，实际强度低。抗压强度高，抗拉强度低。硬度高，脆性大。物理性质高度透明，具有很重要的光学性质。能透可见光和红外线。化学性质化学性质稳定。抗酸腐蚀，但不抗碱。玻璃的生产压制成形吹制成形拉制成形加工纤维常见玻璃品种-17种钠钙玻璃铅玻璃硼硅酸盐玻璃石英玻璃钢化玻璃微晶玻璃彩色玻璃光致变色玻璃夹层玻璃夹丝玻璃吸热玻璃中空玻璃防护玻璃磨光玻璃磨砂玻璃压花玻璃电热玻璃石棉什么是石棉？是天然纤维状的硅质矿物的泛称，是一种被广泛应用于建材防火板的硅酸盐类矿物纤维，也是唯一的天然矿物纤维，它具有良好的耐火、耐热、保温、隔音、绝缘、防蚀性能和高的抗拉强度，故被广泛应用。石棉的种类很多，最常见的三种是温石棉（白石棉）、铁石棉（褐石棉）及青石棉（蓝石棉），其中以温石棉含量最为丰富，用途最广。根据不同矿产成分可分为蛇纹石类石棉和角闪石类石棉等两大类。蛇纹石类石棉角闪石类石棉名称来源：Serpentine一字，是指一种具有像蛇般云彩的绿色块状岩石。石棉制品与应用石棉线石棉绳石棉盘根石棉条石棉纸和石棉板石棉制动制品石棉对人体的危害与作业防护（1）广泛宣传教育（2）限制石棉制品（3）严格按石棉作业规程作业（4）采取妥善的防护措施石棉本身并无毒害，它的纤维是一种非常细小，肉眼几乎看不见的纤维，当这些细小的纤维释放以后可长时间浮游于空气中，被吸入人体内，被吸入的石棉纤维可多年积聚在人身体内，附着并沉积在肺部，造成肺部疾病。可引致以下几类疾病：①肺癌；②间皮癌－胸膜或腹膜癌；③石棉沉着病（石棉肺），因肺内组织纤维化而令肺部结疤。水泥什么是水泥？水泥是一种加入适量水后，成为塑性浆体的，既能在空气中硬化，又能在水中硬化的，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料。水泥的种类按主要水硬性物质硅酸盐水泥铝酸盐水泥硫铝酸盐水泥氟铝酸盐水泥火山灰水泥专用水泥特性水泥按用途和性能通用水泥水泥发展与研究进展远在古代，人们就开始使用黏土（有时还掺人稻草、壳皮等植物纤维）来抹砌简易建筑物。但未经煅烧的黏土不耐水且强度很低，所以这种建筑物很不耐久。在公元初，罗马人就开始用掺火山灰（硅铝化合物）而具有水硬性的石灰砂浆来兴修建筑物。1796年出现了罗马水泥。在此基础上，又进而用含适量黏土的石灰石（天然水泥岩）经煅烧磨细，制得天然水泥。19世纪初期（1810～1825年）已经将石灰石或白垩和黏土的细粉按一定比例配合，经高温烧结成块（熟料），再经粉磨制成水硬性胶凝材料，称为波特兰水泥（我国称为硅酸盐水泥）。1826年建立了第一台间隙立窑。1885年和1886年相继出现了第一台回转窑和多仓磨机，20世纪初，发明了各种不同用途的硅酸盐水泥，如快硬高强水泥、膨胀水泥、大坝水泥、油井水泥等。1907～1909年还发明了以低碱性铝酸盐为主要成分的高铝水泥。水泥的主要技术性能指标密度与堆密度……细度需水性凝结时间体积安定性强度标号水化热水泥标号目前我国生产的水泥一般有325＃、425＃、525＃等几种标号。生产不同标号的水泥，是为了适应制做不同标号的混凝土的需要。（1）硅酸盐水泥原料：石灰石、