无机精细化学品与材料

第二章无机精细化学品与材料

11/70CaCO3电子材料工业、光化学材料工业、传感器材料等精

细

化常见无机化合物22/7033/70概述无机精细化工就是精细化工中无机部分，在整个精细化工大家族中，起步相以较晚，产品较少，然而近几年来发展趋势越来越显著。44/702.1概述2.2精细化工艺技术2.3无机精细化学品55/702.1概述无机精细化学品——属于无机化合物精细化工产品。一、分类与研究范围陶瓷零件66/70无机精细化工——无机精细化学品和无机精细材料

无机精细化学品单质锂、钠、镁、硅等无机化合物无机过氧化物碱土金属化合物硼族化合物氮族化合物硫族化合物过渡金属化合物……….无机精细材料工程材料（精细陶瓷）功效材料（纤维材料、阻燃材料、超细分体材料）77/70从应用来说，无机精细材料已被开发应用作为：高性能结构材料（精细陶瓷）、纤维材料（石棉、玻璃纤维）、能源功效材料（太阳能电池）、阻燃材料(氢氧化铝、氢氧化镁)、微孔材料(分子筛)、超细粉体材料、电子信息材料、涂料和颜料、水处理材料、试剂和高纯物质等。从应用角度而言，能够概括为工程材料（即结构材料）和功效材料两大类。由此可见，无机精细化工材料开发，标志着一个国家科学技术和经济发展水平。88/70无机精细化工在发展国民经济中作用

国民经济主要组成部分，在当今世界新技术革命中，无机精细化工是信息科学、生命科学和材料科学三大前沿科学发展物质基础。特殊优异性能，比如说含有高硬、高强、轻质、不燃、耐高温、耐腐蚀、耐磨擦等。99/70以前对无机化合物认识和应用主要只停留在表面，近代化学和物理发展为揭示物质本质奥秘提供了理论依据，各种分析方法和精密度测试技术确实立有力地推进了对无机物物性更深层次认识。人们在充分认识了各种材料物性规律基础上，首先为合成新材料提供了理论和方法，更主要是，大量为改进已经有材料性能和挖掘已经有材料潜在特殊功效开辟了道路。无机精细化学品在很大程度上就是经过物理和化学新工艺，对已经有无机物进行精细化工加工而制得。精细化工艺技术1010/70立足于丰富资源，主动发展系列化、多规格、多性能、高质量产品。（碳化硅陶瓷,碳化硅纤维）注意发展与信息科学、生命科学和材料科学相关无机精细化工产品。开发新精细化工艺艺技术，大力发掘无机物潜在特殊功效面对现实状况，主动研制当前急需产品，为深入发展无机精细化工打好基础。三、发展趋势1111/70三、研究重点和有机精细化学品有大区分。不是合成更多化合物，而是改变现有物质微结构，赋予其新功效。1212/70单晶体是整个固体中原子规则有序排列结构一、单晶化工艺技术多晶体是许多微小单晶聚合体，即由许多取向不一样晶粒组成。非晶体是短程有序而宏观无序周期性结构1313/70晶体热学、电学、声学、光学、磁学及力学等性质都与晶体内部原子排列特点紧密相关。假如利用某种技术，将寻常多晶态物质制成含有一定使用尺寸单晶体或非晶体，都可赋于原物质新特征和功效，变成新型功效材料，使其含有更多更大应用价值。1414/70焰熔法：顾名思义，就是采取度以上火焰，将材料熔融，然后生成一定形状晶体方法。这种方法含有设备简单，晶体生长速率快等优点，是当前生长高熔点单晶体惯用工艺。单晶化工艺主要有：1515/70引上法（又称提拉法）：是丘克拉斯基(J.Czochralski)在1917年创造从熔体中提拉生长高质量单晶方法。就是在钼片或铂片做成坩埚中装入高纯原料，然后用电阻进行加热，在原料熔化后加入籽晶，在受控条件下，使籽晶和熔体在交界面上不停进行原子或分子重新排列，迟缓地把籽晶向上提，从籽晶开始单晶体就会逐步长大。1616/70导模法：从熔体人工制取单晶方法之一，一样是在钼制坩埚中加入原料，在电炉中加热，然后在熔融原料中插入一个中间开槽导模，经过导模进行拉片，就得到片状单晶体。利用此种方法能够直接制得片状单晶体。1717/70梯度法：与前面几个一样，也是先将原料熔融，只不过是事先在坩埚中央放有一粒籽晶，然后迟缓降低炉温，控制气体流量，就能得到长成大块单晶体。使用该方法，能够得到直径到达30厘米，厚度12厘米蓝宝石晶体。1818/70非晶态（无定形材料、无序材料、玻璃态材料）是物质另一个结构形态。非晶态是由晶态转变而来。与晶态相比，有两个最基本区分：

二、非晶化工艺技术原子排列不含有周期性非晶态材料属于热力学亚稳态。有继续释放能量、向平衡状态转变倾向但必须克服一定能垒，所以非晶态亚稳态区分于晶态稳定性，位垒越高，非晶态越稳定，越不轻易结晶化。位垒高低也直接关系到非晶态材料实用价值和使用寿命。1919/70当前非晶态材料包含非晶态金属及合金、非晶态半导体、非晶态电介质、非晶态离子导体、非晶态高聚物和氧化物玻璃。2020/70非晶态合金是在研究晶态合金快速淬火处理过程中意外发觉。

大多数纯金属无法非晶化。制备方法：液相急冷法、气相沉积法和镀层法三种。要制备非晶态合金，最主要条件是有足够快冷却速度，冷却到材料再结晶温度以下。2121/70

高强度高韧性力学性能

高导磁、低铁损软磁性能

耐强酸、强碱腐蚀化学特征

非晶态金属材料性能

2222/70三、超细化工艺技术名称粒径粉末或细颗粒小1mm微细颗粒0.1－10um超细颗粒小于0.1um，通常指0.1－0.01um之间1.超细颗粒介绍2323/70超细颗粒含有奇特征质：熔点低、化学活性高、磁性强、热传导好、对电磁波异常吸收。起因于“表面效应”和“体积效应”。2424/702.超细化原因——物质化学活性影响原因

表面效应：固体表面原子因和内部原子因所处环境不一样，而展现比较高化学活性现象。

体积效应：相同体积下，粒经越小，比表面积越大，也即表面原子数目越多，化学活性越高。2525/70制备方法：机械力粉碎和化学及物理方法物理方法极难到达微米级以下，化学及物理方法主要有气相法、液相法和固相法等。2626/70化学法1、沉淀法（1）定义：在原料溶液中添加适当沉淀剂，使原料中阳离子形成各种细颗粒形式沉淀物。（2）不利原因直接加入沉淀剂，会造成沉淀剂局部浓度过高，使沉淀中极易夹带其它杂质和产生颗粒粒度不均匀。2727/70（3）惯用改进方法预先加入某种物质，取得粒度均匀、纯度高超细粒子，常采取尿素。（NH2）2CO+3H2O→2NH4OH+CO22828/70

生成NH4OH与金属离子作用形成沉淀，也即NH4OH起沉淀剂作用。

经过控制化学反应能够控制NH4OH生成速度，也即控制了沉淀剂加入速度，进而能够控制超细颗粒生长速度。2929/702、醇盐法醇盐法是利用金属醇盐水解制备超细粉体材料。金属醇盐轻易水解，产生组成醇盐金属氧化物、氢氧化物或水合物沉淀。经典例子：由金属醇盐合成钛酸钡和钛酸锶。将Ba(OC3H7)2和Ti(OC5H11)4以等摩尔混合水解，再经后处理得到粒径小于15nm，纯度到达99.98%以上BaTiO3超细粉。3030/70水热反应是指在水溶液中，或大量水蒸汽存在下，高温高压下或高温常压下进行化学反应过程。初步研究认为水热条件---高温高压下能够加速水溶液中离子反应和促进水解反应，有利于原子、离子再分配和重结晶，含有很广实用价值。比如说：ZrO2、Al2O3、TiO2、CrO2等3、水热法3131/70表面改性技术丝光羊毛衫与普通羊毛衫表面改性对固体物质表面经过改性剂物理、化学作用或某一个工艺过程，改变其原来表面性能或功效。改性方法能够分为无机改性、有机改性和复合改性三大类。3232/70表面改性目标：改进超细粉体材料易团聚缺点改进粉体材料一些性能3333/701、无机改性主要有铝、钛、锆、硅、磷、氟化物等盐类或水溶液，利用其在粉体表面形成一层氧化物包膜或复合氧化物包膜，从而提升粉体热稳定性、耐候性、化学稳定性以及在有机物中分散性适度改进。如无机物如羟基磷灰石组成与人体骨类似，含有良好生物相容性、生物活性、骨传导性等优点,不过脆性、降解速率太慢,满足不了骨修复要求而限制了其应用。有机聚合物材料含有很好韧性，但缺乏生物活性。采取表面改性能够有效改变复合材料相界面，提升复合材料各方面性能。

3434/70主要用于高聚物，惯用主要有两类：表面活性剂和偶联剂。2、有机改性3535/70用于高聚物各种填料、粉体助剂，为了提升耐热性、耐候性和化学稳定性，往往先用无机改性剂进行包膜，然后再用有机改性剂处理，增强无机粉体材料与聚合物亲协力，从而取得更理想综合效果。3、复合改性3636/70五、薄膜化技术薄膜是物质一个形态，其膜材非常广泛，单质、化合物或复合物，可用无机材料或有机材料来制作薄膜。现有制膜工艺有涂布法、溶胶-凝胶法、化学溶液镀膜法、离子成膜法、物理蒸发法、化学堆积法和分子束外延法等。3737/70磷酸盐是无机盐工业中主要产品系列，化合物品种达120种以上。伴随科学技术发展磷酸盐正从肥料转向功效材料。近年来，特种磷酸盐、高纯磷酸盐、功效磷酸盐等得到了快速发展和应用。§3无机精细化学品3838/70§3无机精细化学品一、磷酸盐精细化学品磷酸盐作为主要精细产品，可做涂料、粘结剂、防锈颜料、催化剂、食品添加剂和品质改良剂等。主要有：

磷酸盐系涂料；磷酸盐系颜料；磷酸盐系催化剂；磷酸盐系离子交换剂；磷酸盐系食品添加剂；磷酸盐系荧光材料等。3939/70物化性质（可经过化工辞典/食品百科查取）

以氯化磷酸三钠为例，通用表示式是：4（Na3PO4.11H2O）.NaOCl白色针状或棒条状晶体。熔点62℃。微有氯气气味。易溶于水，溶液呈碱性。常温下较稳定，受热易分解。在水溶液中可直接与钙、镁及重金属离子形成不溶性磷酸盐结晶，使水软化，同时可使溶液中不溶性杂质凝聚而沉降。4040/70和主要用途在医院、食品加工、牛奶厂、啤酒厂、洗衣店和其它行业中广泛用于器械消毒处理，餐馆及家用餐具清洗和消毒，浴池、游泳池公用水、饮用水净化，废旧棉织品清洗消毒，墨渍、血渍、汗渍、茶垢等去除等。4141/702.主要生产方法（2）以一定配比磷酸和氢氧化钠与氯气逆相接触，对形成液体混合物后处理得产品。（1）磷酸三钠和次氯酸钠水溶液混合，反应生成复合物，再经过一系列后处理过程得产品；4242/70工业上普通用第一个主要工艺条件：a.溶解反应磷酸三钠加入到过量次氯酸钠水溶中，控制反应温度（60℃）左右，快速搅拌，在15~20min内快速完成。4343/70b.冷却结晶c.干燥温度25~35℃，时间1h为宜；干燥过程随温度升高，产品中有效氯成份分解加紧；普通采取干燥空气35~50℃对产品进行干燥，以35℃干燥最好。4444/70含硼化合物精细化工产品广泛应用于日用化工、医药、轻纺、玻璃、陶瓷、搪瓷、治金、机械、电子、建材、石油化工及军工、尖端技术等各部门各学科领域中。硼能与许各种金属形成硼化物，不但熔点高、硬度大，而且有良好导电性。可用来做高温热电偶材料、半导体及原子反应堆材料等。比如过硼酸钠和硼酸锌等。二、硼化物精细化学品4545/70二、硼化物精细化学品如硼酸锌为阻燃剂如：过硼酸钠[NaBO2·H2O2·3H2O]

1、用途氧化剂，织物漂白和脱脂，及用作消毒剂和杀菌剂，也用作洗涤剂、脱臭剂、电镀溶液添加剂、分析试剂、有机合成聚合剂以及制造牙膏、化装品等助剂。

4646/70钨、钼化工产品是冶金工业、电器和电子工业、化学工业以及玻璃、陶瓷工业主要中间体和原材料。比如二硫化钨是新型固体润滑剂，钼酸锌是新一代无公害白色无毒防绣颜料。三、钨、钼化合物4747/70早年，锂主要用于医药工业。伴随对锂各种性能深入研究，应用范围越来越广。比如说用锂片做阴极锂电池，能源密度相当于锰电池10倍。用于电视机显像管添加剂、耐热玻璃、多孔玻璃及镇静剂碳酸锂。溴化锂是高效水汽吸收剂和空气湿度调整剂等。三、锂化物4848/70三、锂化物如：溴化锂1、用途高效水汽吸收剂和空气湿度调整剂，天然纤维(如人发、羊毛等)膨胀剂，催眠剂和镇静剂等2、合成中和法、溴化铁法、尿素还原法等。4949/70无机精细材料是近年科技发展中展现新领域，从应用角度可概括为工程材料（结构材料）和功效材料两大类。3.4无机精细材料5050/703.4无机精细材料精细陶瓷纤维材料阻燃材料5151/70一、精细陶瓷1、精细陶瓷定义采取高度精选原料，含有能准确控制化学组成，按照便于进行结构设计及控制方法进行制造、加工，含有优异特征陶瓷称为精细陶瓷。陶瓷和金属材料、高分子材料并列为当代三大固体材料。三者主要区分在于化学键，即原子间相互作用力不一样，因而表现出性质上极大差异。陶瓷材料是以离子键及共价键为主要结协力无机非金属材料。5252/70工程陶瓷高性能结构材料是指在高温下仍含有高强度、高刚度、耐磨、耐腐蚀性能材料。如切削工具、各种轴承及各种发动机。5353/70功效陶瓷功效陶瓷指在应用时主要利用其非力学性能材料，这类材料通常含有一个或各种功效。功效陶瓷已在能源开发、空间技术、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术生物技术和环境科学行领域广泛应用。（1）光学陶瓷含有光学性能陶瓷称为光学陶瓷。比如说光纤陶瓷、电光陶瓷、激光陶瓷等。（2）电子陶瓷利用电磁反应为应用目标陶瓷称为电子陶瓷，比如说介电陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、电绝缘体陶瓷、磁性陶瓷等。（3）生物陶瓷与生命科学、生物工程学相关陶瓷称为生物陶瓷。比如人工骨骼、人工牙根及人工关节等。5454/702、精细陶瓷制备流程精细原料计量混合塑化成型烧结制品5555/70精细陶瓷制备实际上是将精细制作超细粉体原料经过成型、烧结，最终成为制品过程。在成型前须要塑化，就是利用塑化剂使原来无塑性坯料含有可塑性过程。烧结是使精细陶瓷取得预期显微结构关键程序。烧结方法有：（1）热压烧结法；（2）热等静压法；

从上到下（10~50MPa）边加热边升温各个方向

50~200MPa,℃（3）化学气相沉积法；（4）反应烧结法。

将原料气体加热，反应沉积反应同时烧结（5）等离子喷射熔化物料高速喷射2、精细陶瓷制备过程5656/703、陶瓷材料相组成特点陶瓷材料通常由三种不一样相组成，即晶相(1)、玻璃相(2)和气相(3)[气孔]。5757/70晶相是陶瓷材料中主要组成相，决定陶瓷材料物理化学性质主要是晶相。玻璃相作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提升材料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。气相是在工艺过程中形成并保留下来。5858/704、陶瓷材料工艺特点陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是经过粉体成型和高温烧结来成形，所以陶瓷是烧结体。烧结体也是晶粒聚集体，有晶粒和晶界，所存在问题是其存在一定气孔率。Al2O3粉末烧结组织ZrO2陶瓷中气孔5959/70氮化硅（Si3N4）陶瓷氮化硅是由四面体组成共价键固体。①氮化硅制备与烧结工艺工业硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO烧结工艺优点缺点反应烧结烧结时几乎没有收缩，能得到复杂形状密度低，强度低，耐蚀性差热压烧结用较少助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低工程陶瓷6060/70③性能特点及应用氮化硅强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为0.1~0.2；热膨胀系数小；抗热震性大大高于其它陶瓷材料；化学稳定性高。热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高零件，如切削刀具、高温轴承等。Si3N4轴承6161/70反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高零件，如机械密封环等。汽轮机转子叶片气阀等零件6262/70⑶碳化硅（SiC）陶瓷碳化硅是经过键能很高共价键结合晶体。碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成：SiO2+3C→SiC+2CO。碳化硅烧结工艺也有热压和反应烧结两种。因为碳化硅表面有一层薄氧化膜，所以极难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加助剂有硼、碳、铝等。常压烧结碳化硅636