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1、无机非金属材料 Non-metallic Inorganic Materials,无机非金属材料概论,无机非金属材料 Non-metallic Inorganic Materials 第一章 绪论 Introduction 第二章 无机非金属材料的科学基础 Science Basis for NMIMs 第三章 天然矿物材料 Natural minerals 第四章 陶瓷 Ceramics 第五章 玻璃 Glass 第六章 耐火材料 Refractories 第七章 胶凝材料 Adhesives 第八章 混凝土 Concrete 实验课 硅酸盐陶瓷制品的工艺制备综合性实验 抗折强度的测定 气孔

2、率、吸水率及体积密度的测定,无机非金属材料概论,Chapter 1 Introduction of Inorganic Materials,What is Materials? Materials and human civilization What is Materials science? 1.1 Category of Materials 1.2 Relationship between Composition-Structure-property-technics process,What is Materials?,世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。 材料是具有一定性能，可以用来

3、制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。 材料存在于我们周围，与我们的生活、我们的生命息息相关。,Materials and human civilization,材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的物质基础和技术先导。 历史上，人们将石器、青铜器、铁器等当时的主导材料作为时代的标志，称其为石器时代、青铜器时代、铁器时代。 在近代，材料的种类及其繁多，各种新材料不断涌现，很难用一种材料来代表当今时代的特征。,第一次产业革命的突破口是推广应用蒸汽机，但只有在开发了铁和铜等新材料以后，蒸汽机才得以使用并逐步推广。 第二次产业革命一直延续到20世纪中叶，以石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力发

4、展飞机、汽车和其他工业，支持这个时期产业革命的仍然是新材料开发。如合金钢、铝合金以及各种非金属材料的发展。,无机非金属材料概论,Figure 1.1 Application of advanced composite materials in Boeing 757-200 commercial aircraft Source: Boeing Commercial Airplane Company,材料是当代文明的三大支柱之一 材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。 材料是全球新技术革命的四大标志之一 新材料技术、新能源技术、信息技

5、术、生物技术,What is Materials Science?,材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉基础应用学科 材料科学运用电子显微镜、X射线衍射、热谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。,1.1.1 按化学组成（或基本组成）分类 1.1.2 按材料性能分类 1.1.3 按服役领域分类 1.1.4 按结晶状态分类 1.1.5 按材料尺寸及形态分类,1.1 Category of Materials,

6、1.1.1 按化学组成（或基本组成）分类,1. 金属材料（metallic materials） 2. 无机非金属材料（inorganic nonmetallic materials） 3. 高分子材料（聚合物）（organic polymer materials） 4. 复合材料（complex materials）,A familiar item that is fabricated from three different material types is the beverage container. Beverages are marketed in aluminum (metal

7、) cans (top), glass (ceramic) bottles (center), and plastic (polymer) bottles (bottom). (Permission to use these photographswas granted by the Coca-Cola Company.),无机非金属材料概论,1. Metallic Materials,金属材料：由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。 金属材料可分为由一种金属元素构成的单质（纯金属）；由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。合金又可分为固溶体和金属间化合物。,2. Inorg

8、anic Nonmetallic Materials,无机非金属材料（简称无机材料）：由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料，是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称，与广义的陶瓷材料有等同的含义。 无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前无统一完善的分类方法，一般分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。,3. Organic Polymer Materials,高聚物：由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。 高聚物的种类繁多，性能各异，其分类方法多

9、种多样。 按高分子材料来源分为天然高分子材料和合成高分子材料；按材料性能和用途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。,4. Complex Materials,复合材料：由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。 复合材料是多相材料，主要包括：基本相和增强相。 基体相：为连续相材料，将改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用； 增强相：起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。 复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。,复合材料种类繁多，目前无统一分类方法，一般可根据复合材料三要素分

10、类。 按基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等； 按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状增强复合材料； 按性能可分为结构复合材料和功能复合材料。,1.1.2 按材料性能分类,根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同，可分为： 结构材料 功能材料,结构材料：指具有抵抗外场作用而保持自己形状和结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材料。 通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、桥梁、铁路等，包括机械制造材料、建筑材料，如结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构材料（一般结构材料）以及高温合金

11、、结构陶瓷等高级结构材料。,功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。,1.1.3 按服役领域分类,根据材料服役的技术领域可分为信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等。,信息材料：指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电信息材料。主要包括信息的监测和传感（获取）材料、信息的传输材料、信息的存储材料、信息的运算和处理材料。,航空航天材料：主要包括新型金属材料（如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料。此外，还包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻

12、尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料等。这些材料大部分属于高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金属材料。,能源材料：指能源工业和能源技术所使用的材料，按使用目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料等。新能源材料包括增值堆用核材料、聚变堆材料、太阳能电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅等）；节能材料包括非晶体金属磁性材料（用作变压器铁芯的Fe-Mn-B-Si合金）和超导材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁体用材料）；储氢材料以及高比能电池（如钠硫电池）等。,生物医用材料：是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合，能作用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或替换机体的组织、器官或功能。 医

13、用金属及合金 医用高分子材料：包括合成和天然高分子，已被广泛用于韧带、肌腱、皮肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织及器官的修复和制造。 医用生物陶瓷：包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化铝瓷、氧化锆瓷、生物碳以及羟基磷灰石、磷酸三钙陶瓷等。 医用复合材料：表面涂层生物活性人工牙根、人工心脏瓣膜、人造血管等。,1.1.4 按结晶状态分类,单晶材料：由一个较完整晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅； 多晶材料：由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。 非晶态材料：由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。,准晶材料：指准周期性晶体材料的简称，

14、准晶仍然是晶体，准晶中的原子分布有严格的位置序，但位置序无周期性，即没有周期性平移对称关系，在准晶材料中存在不符合传统晶体学的五次、八次、十二次对称轴。 准晶从结构角度看是一种新的物质形态，但实际上它们仅在特定的金属合金中形成，是成分范围较窄的金属间化合物。,1.1.5 按材料尺寸及形态分类,零维（纳米）材料 一维（纤维）材料 二维（薄膜）材料 三维（块体）材料,零维材料：大小1100nm的超微粒，比表面积大（可作为高效催化剂）、比表面能高、熔点低、烧结温度下降、扩散速度快、强度高而塑性下降慢、电子态由连续能带变为不连续、光吸收也发生异常现象（可以成为高效微波吸收材料）。,一维材料： 光导纤维

15、，由于其信息传输量远比铜、铅的同轴电缆大，且有很强保密性，所以发展很快。 增强纤维：脆性块状材料变成细丝后便增加了韧性，可用来增强其它的块状。实用增强纤维有碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。 纤维中强度和刚度最高的为晶须。,二维材料（薄膜）：如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。 由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响，可表现出不同的电子迁移规律，完成特定的电学、光学或电子学功能，如成为绝缘体、铁电体、导体或半导体等，从而有可能作为光学薄膜用于非线性光学、光开关、放大或调幅、敏感与传感元件，用于显示或探测器，用于环保或表面改性的保护膜。 三维材料：即块状材料。,1.2 Relationship be

16、tween Composition- Structure-Property-Technics Process,材料科学与工程的四个基本要素： 合成与制备、组成与结构、性能、使用效能 探索四要素之间的关系，覆盖从基础学科到工程的全部内容，它们之间的密切关系确定了材料科学与工程学科领域。,组成-结构-性质-工艺过程之间关系示意图,合成与制备：包括传统的制粉、煅烧、冶炼、压力加工、焊接等，也包括真空溅射、气相沉积等新工艺，使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成为可能。 组成：指构成材料物质的原子、分子及其数量关系； 结构：指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布，包括原子与电子结构、分

17、子结构、晶体结构、相结构、晶粒结构、表面与晶界结构、缺陷结构等 。,材料性质：指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，主要取决于材料的组成与结构。 使用效能：材料在使用状态下表现的行为，它与材料设计、工程环境密切相关，包括可靠性、耐用性、寿命预测及延寿措施等。,Introduction of Inorganic Materials,1.1 Category of Inorganic Materials 1.1.1 Silicon Materials 1.1.2 Advanced Inorganic Materials,传统无机材料主要是指由SiO2及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，包括陶瓷

18、、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、铸石（辉绿岩、玄武岩等）、碳素材料、非金属矿（石棉、云母、大理石等）也属于传统的无机材料。,1.1.1 传统无机材料（Silicon Materials）,陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即普通陶瓷和特种陶瓷。 根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器。,传统的无机非金属材料 之一：陶瓷（ceramic）,普通陶瓷：即传统陶瓷，指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。,普通陶瓷的分类方法,中国日用瓷分类标准,相

19、比于瓷器，陶器的坯体结构较疏松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙无光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。,传统的无机非金属材料 之二：玻璃（glass）,玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料（noncrystal materials）。根据其形成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成体分为SiO2、B2O3和P2O5。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类。,传统的无机非金属材料 之三：水泥（cement）,水泥：是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料。,通用水泥：为大量土木工程

20、所使用的一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。 专用水泥：指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。 特性水泥：则是某种性能较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。,传统的无机非金属材料 之四：耐火材料 （refractory materials ）,耐火材料：指专门为高温技术服务的耐火度不低于1580的无机非金属材料，是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。,按矿物组成可分为

21、：氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊耐火材料（常用分类方法）； 按制造方法可分为：天然矿石、人造制品； 按热处理方式可分为：不烧制品、烧成制品、熔铸制品； 按外观分为：耐火砖、不定形耐火材料,耐火材料的矿物组成分类,按耐火度分为：普通（15801770）、高级（1770 2000）、特级（2000以上）耐火制品； 按化学性质分为：酸性、中性、碱性耐火材料； 按密度分为：轻质、重质耐火材料； 按制品的形状和尺寸分为：标准砖、异型砖、特异型砖、耐火管、耐火器皿等； 按应用分为：高炉用、水泥窑用、玻璃窑用、 陶瓷窑用耐火材料等。,1.1.2 新型无机

22、材料 （advanced inorganic materials）,先进（或新型）无机材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的具有优异性能和特殊功能的材料。主要包括特种陶瓷、特种玻璃、人工晶体、半导体材料、无机涂层（薄膜材料） 、无机纤维、介孔材料等。,1. 特种陶瓷 （advanced ceramic）,特种陶瓷（亦称为新型陶瓷）是指以精制的高纯天然无机物或人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制的制造加工工艺烧结，具有优异特性，主要用于各种现代工业及尖端科学技术领域的高性能陶瓷，包括： 结构陶瓷（structure ceramic

23、） 功能陶瓷（function ceramic）,结构陶瓷（structure ceramic）指以具有优良的力学性能（高强度、高硬度、耐磨损） 、热学性能（抗热冲击、抗蠕变）和化学性能（抗氧化、抗腐蚀）的陶瓷材料，主要应用于高强度、高硬度、高刚性的切削刀具和要求耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐热冲击等的结构部件，包括氮化硅系统、碳化硅系统和氧化锆系统、氧化铝系统的高温结构陶瓷等。,功能陶瓷（function ceramic）指利用其电、磁、声、光、热等直接效应和耦合效应所提供的一种或多种性质来实现某种使用功能的陶瓷材料，主要包括装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、

24、导电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功能陶瓷等。,特种玻璃（亦称为非晶态材料 ）是指采用精制、高纯或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。 特种玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃、非氧化物玻璃以及光学纤维等。 根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。,2. 特种玻璃（special glass）,3. 人工晶体 （synthetic

25、 crystal）,人工晶体指采用精密控制的人工方法合成和生长的具有多种独特物理性能的无机功能单晶材料，主要用于实现电、光、声、热、磁、力等不同能量形式的交互作用的转换。 人工晶体的分类：按化学分类可分为无机晶体和有机晶体（包括有机-无机复合晶体）等；按生长方法分类可分为水溶性晶体和高温晶体等；按形态（或维度）分类可分为体块晶体、薄膜晶体、超薄层晶体和纤维晶体等；按其物理性质（功能）分类可分为半导体晶体、激光晶体、非线性光学晶体、光折变晶体、电光晶体、磁光晶体、声光晶体、闪烁晶体等。,半导体材料（semiconductor materials）,半导体材料是指其电阻率介于导体和绝缘体之间，数值

26、一般在1041010cm范围内，并对外界因素，如电场、磁场、光、温度、压力及周围环境气氛非常敏感的材料。 半导体材料的分类：按成分可分为由同一种元素组成的元素半导体和由两种或两种以上元素组成的化合物半导体；按结构可分为单晶态、多晶态和非晶态；按物质类别可分为无机材料和有机材料；按其形态可分为块体材料和薄膜材料；按其性能，多数材料在通常状态下就呈半导体性质，但有些材料需在特定条件下才表现出半导体性能。,5. 薄膜材料（film materials）,薄膜材料（也称无机涂层，inorganic coating ）是相对于体材料而言，指采用特殊的方法，在体材料的表面沉积或制备的一层性质与体材料性质完

27、全不同的物质层，从而具有特殊的材料性能或性能组合。 薄膜材料分类：按功能特性可分为半导体薄膜，主要有半导体单晶薄膜、薄膜晶体管、太阳能电池、场致发光薄膜等；电学薄膜，包括集成电路（IC）中的布线、透明导电膜、绝缘膜、压电薄膜等；信息记录用薄膜，如磁记录材料、巨磁电阻材料、光记录元件材料等；各种热、气敏感薄膜；光学薄膜，包括防反射膜、薄膜激光器等。,6. 无机纤维（inorganic fibre）,纤维是指长径比非常大、有足够高的强度和柔韧性的长形固体。纤维不仅能作为材料使用，而且还作为原料和辅助材料，用来制作纤维增强复合材料。 根据化学键特征，纤维可分为无机、有机、金属三大类。 无机纤维分类：

28、如按材料来源可分为天然矿物纤维和人造纤维；按化学组成可分为单质纤维（如碳纤维、硼纤维等）、硬质纤维（如碳化硅纤维、氮化硅纤维等）、氧化物纤维（如石英纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维等）、硅酸盐纤维（如玻璃纤维、陶瓷纤维和矿物纤维等）。,7. 多孔材料 （porous materials）,多孔材料：指具有很高孔隙率和很大比表面积的一类材料。 多孔材料的分类：小于2nm为微孔；250nm为介孔;大于50nm为大孔，有时也将小于0.7nm的微孔称为超微孔材料。,1.2 Characteristic of Inorganic Materials,表现在晶体结构、化学组成、形态和显微结构、合成与制备及应用

29、领域上均有其特点。,Features Crystal structure: complicated or sophisticated No free electrons Bond : ionic & covalent High Tm High hardness, chemical inertness Good insulators Good optical properties, transparent Poor heat conductor Hardly deformed,无机非金属材料概论,在晶体结构上，其质点间结合力主要为离子键、共价键或离子-共价混合键，具有高键能、高键强、大极性的特点

30、，赋与高熔点、高强度、耐磨损、高硬度、耐腐蚀和抗氧化的基本属性，同时具有宽广的导电性、导热性和透光性以及良好的铁电性、铁磁性、压电性甚至高温超导性。,在化学组成上，随着新型无机材料的发展，已不局限于硅酸盐，还包括其他含氧酸盐、氧化物、氮化物、碳与碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物、硅、锗、IIIV族及IIVI族化合物等。 在形态上和显微结构上，也日益趋于多样化，薄膜（二维）、纤维（一维）、纳米（零维）材料，多孔材料，单晶和非晶材料占有愈来愈重要的地位。,在合成与制备上，为了取得优良的材料性能，普遍要求高纯度、高细度的原料并在化学组成、添加物的数量和分布、晶体结构和材料微观结构上能精确加以控制。 在应用领域上，已成为传统工业技术改造和现代高新技术、新兴产业以及发展现代国防和生物医学所不可缺少的重要组成部分而广泛应用于化工、冶金、信息、通讯、能源、环境、生物、空间、军事、国防等各个方面。,1.3 无机材料学科内涵,无机材料科学与工程是一门研究无机材料合成与制备、组成与结构、性能与使用效能四者之间相互关系与制约规律的科学。 科学方面：偏重于研究无机材料的合成与制备、组成与结构、性能及使用效能各组元本身及其相互间关系的规