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1、材料科学与工程导论,主讲人：黄艳琴南京邮电大学材料科学与工程学院2011年12月1日,2,第四章 无机非金属材料,3,陶瓷，水泥和玻璃均是以含硅物质为原料，在高温下经过一系列复杂的物理和化学变化而得到的硅酸盐产品。,水泥时代,瓷器由陶器脱胎而来，制瓷器的要求比制陶器高，它需要纯净的粘土作原料，烧制温度也相对较高。因此，瓷器比陶器瓷体白净，质地致密，完全改变了陶器多孔与透水的缺点。这是陶器发展过程的重大飞跃，由此在公元元年左右形成了水泥时代。,4,无机非金属材料,主要包括陶瓷、玻璃、水泥等陶瓷按性能和用途分类：传统陶瓷和广义陶瓷传统陶瓷（普通陶瓷），以天然的黏土（含水的硅酸盐矿物，主要含SiO2
2、,Al2O3,H2O、Fe2O3等）为主要原料，经粉碎、成形、烧结制成，产量大，应用广。广义陶瓷（特种陶瓷、精细陶瓷、高技术陶瓷、先进陶瓷），是以非硅酸盐矿物高纯化工原料和合成矿物为原料，沿用传统陶瓷的工艺制得的新材料，具有各种特殊的力学、物理或化学性能；可分为金属氧化物陶瓷（如Al2O3、MgO、CaO等）和非氧化物陶瓷，如C、N、B、Si等的化合物。,一、陶瓷的结构与性能,6,一、结合键 离子键 离子晶体强度高、硬度高、熔点高，但脆性大，无延展性，受热膨胀小，固态时绝缘，熔融后可导电，例如MgO、Al2O3、ZrO2等金属氧化物。共价键 共价晶体强度高、硬度高、熔点高，但脆性大，无延展性，
3、受热膨胀小，固态和熔融后均不导电，例如金刚砂SiC、高温陶瓷Si3N4、BN等。离子键与共价健的混合键 比较不同元素间的电负性，可以大体看出它们形成化合物时不同键成分的比例。陶瓷材料多数以混合键结合。通常认为以离子键结合的MgO，离子键比例为84%，而通常认为以共价键结合的SiC，有18%的离子键结合。,陶瓷材料的结构,7,二、基本相晶体相、玻璃相、气相晶体相晶体相是陶瓷材料中的最主要的组成相，可以是固溶体，也可以是化合物。陶瓷材料一般有多个晶体相组成，称为：主晶相、次晶相、第三晶相。普通陶瓷的主晶相是硅酸盐晶体硅酸盐的结合键为离子键和共价键的混合键；硅酸盐晶体的基本单元是：SiO4四面体（4
4、个O原子分布在正四面体的顶点上，Si原子位于四面体的中心）；经常有一些其它的离子如Al3+、Mg2+等存在于硅酸盐晶体内。,陶瓷材料的结构,8,晶体相氧化物陶瓷的主晶相一般是氧化物本身的晶体或氧化物与其它物质反应生成的复杂相，主要以离子键结合。例如：氧化铝陶瓷的主晶相就是氧化铝晶体。Al2O3的氧原子组成八面体排列，铝原子位于八面体的间隙中，由于间隙没被金属离子完全填满，铝离子只占全部空隙的三分之二，可以向Al2O3陶瓷中掺入不同的微量杂质，来改善其性能。例如掺入铬离子就成为红宝石，可做仪表等微型精密仪器的轴承，以及优良的固体激光材料。,陶瓷材料的结构,9,晶体相非氧化物陶瓷主要以共价键结合，
5、也有一定的金属键和离子键。例如：大多数过渡金属碳化物晶体中，金属与碳之间的键是处于共价键和金属键之间的过渡状态。大多数碳化物具有良好的导电、导热性，硬度高，耐高温。,陶瓷材料的结构,10,玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分，结构如同玻璃。普通陶瓷中玻璃相含量较高，特种陶瓷中含量较低。玻璃相的形成：在陶瓷配方中一般要加入少量添加剂，这些添加剂能互相反应生成低熔点的复杂化合物，在陶瓷烧结时熔化成液态，凝固后就成为位于晶体晶界上的玻璃相。玻璃相的作用：粘结分散的晶体相，提高陶瓷的致密度；降低陶瓷的烧成温度，加快烧结过程；填充气孔间隙；对陶瓷的强度、介电性能、耐热耐火性能不利，必须控制其体积分
6、数，一般为20%-40%。,陶瓷材料的结构,11,气相各成分在加热过程中发生物理、化学作用所生成的孔隙，孔隙大部分被玻璃相填充，少部分残留下来变成气孔。气孔的存在对陶瓷性能不利，降低强度，造成裂纹。普通陶瓷气孔率5%-10%，特种陶瓷气孔率小于5%。,陶瓷材料的结构,12,三、晶体缺陷1.点缺陷 存在置换原子、间隙原子、空位等缺陷；当晶体的温度高于绝对零度时，晶格内原子吸收能量，在其平衡位置附近热振动。温度越高，热振动幅度加大，原子的平均动能随之增加。热振动的原子在某一瞬间可以获得较大的能量，挣脱周围质点的作用，离开平衡位置，进入到晶格内的其它位置，而在原来的平衡格点位置上留下空位。点缺陷意味
7、着局部电子浓度的缺乏或过剩，其运动可以提高晶体的导电性。,陶瓷材料的结构,13,2.面缺陷 陶瓷一般是多晶体。固体从蒸汽、溶液或熔体中结晶出来时，只有在一定条件下，例如有籽晶存在时，才能形成单晶，而大多数固体属于多晶体。多晶是由许多小晶粒组成。这些小晶粒本身可以近似看作单晶，且在多晶体内做杂乱排列。多晶体中晶粒与晶粒的交界区域称为晶界。晶界的影响巨大，晶界两侧晶粒取向的不同可以阻止裂纹的扩展，因此细化晶粒是提高陶瓷材料强韧性的有效手段。,陶瓷材料的结构,14,陶瓷材料的性能,性能与化学键、晶体结构、显微组织（包括组成相分布，晶粒形状和大小，气孔的分布、大小和数量，杂质和缺陷等）等多种因素有关，
8、波动范围大，但仍有一定共性。,15,四、力学性能1.硬度：材料抵抗局部塑性变形或断裂的能力。取决于组成相的结构。共价晶体中电子云的重叠程度越大，离子晶体中离子堆积密度越高，硬度越大。硬度高：维氏硬度（用金刚石压入材料表面时，单位面积的承载能力，单位兆帕）。,陶瓷材料的性能,16,2.强度：材料在外力作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力。理论强度很高，但由于大量缺陷、气孔的存在，实际强度与理论值相差可达100倍以上。一般具有优于金属材料的高温强度，所以可以作为高温材料使用。,陶瓷材料的性能,17,3.塑性与韧性大多数陶瓷材料的塑性几乎为零，提高陶瓷韧性和降低脆性一直是陶瓷材料的主要研究课题。改进措施
9、：a.“细、密、匀、纯”：细晶、致密、相结构分布均匀、原料高度纯净；b.复合强化，例如，采用SiC纤维增韧陶瓷。,陶瓷材料的性能,18,五、热性能1.熔点：一般很高，具有极好的化学稳定性，可以作为高温材料。2.热膨胀：线膨胀系数与晶体结构和化学键类型有关。键能高，线膨胀系数较小。陶瓷线膨胀系数比金属、聚合物要低得多，一般只有10-5-10-6/K。3.导热性：主要通过原子的热震动导热，由于没有自由电子的传热，陶瓷中的气孔对热传导不利，所以陶瓷一般为绝热材料。,陶瓷材料的性能,19,4.抗热震性 指材料承受温度急剧变化而不发生失效的能力，陶瓷的抗热震性能一般用浸入冷水中急冷而不破裂的最高温度来表
10、达。由于制备工艺的原因，陶瓷内部结构很难均匀，而且存在内应力，所以，一般抗热震性不好。如日用陶瓷的抗热震性为220。,陶瓷材料的性能,20,六、电性能大多数陶瓷材料是良好的绝缘体，所以经常被用作介电材料；有一部分陶瓷（如SiC）是半导体材料；ZrO2用CaO、MgO改性后在高温时是良好的导体。七、光学性能具有晶体结构的陶瓷因为晶界、气孔的存在，一般不透光；光学陶瓷不仅可透光，还有导光性、光反射等性能，可作为光材料。八、化学性能非常稳定，一般在常温下对氧、酸、碱、盐都具有较强的抵抗力。,陶瓷材料的性能,21,二、普通陶瓷,22,主要工艺过程：原料制备与处理制坯烧结1.原料制备与处理选料：粘土（可
11、塑性原料，主要含SiO2,Al2O3,H2O、Fe2O3等）、石英（非可塑性原料，主要含SiO2）、长石等。配料加工（破碎、混合、磨细）。要求粒度细（一般10m）而均匀。,普通陶瓷,景德镇瓷器被誉为：洁如玉，明如镜，薄如纸，声如馨。,23,普通陶瓷,制瓷器的要求比制陶器高，它们生产工艺过程的对比：1.选料。首先，陶器是普通粘土烧成的，而瓷器则需要纯净的粘土作原料，瓷器的胎必须是瓷土，瓷土主要成份是高岭土（现在国际上通用的高岭土学名-Kaolin，就是来源于景德镇东郊的高岭村边的高岭山；高岭土理想的化学式为AL2O3-2SiO2-2H2O。2.配料加工。瓷器的特点是质地紧密坚硬，这就要求瓷土“细
12、滑”。一般是采用舂（把东西放在石臼或乳钵里捣掉皮壳或捣碎）方法，把瓷土舂细，并在水池中经过淘洗，然后沉淀滤去水分，从而得到细滑、纯净的瓷土。,24,2.制坯：将原料加工成一定形状和尺寸的半成品，使之具有一定的致密度和必要的强度。可塑成型法：在坯料中加入水或塑化剂，经手工、挤压或机械加工成型。注浆成型法：将坯料注入多孔性模型中制成，适用于形状复杂、不规则、薄而体积大且尺寸要求不严的制品。模压成型法：将干粉料在模型中压成致密坯体。上釉：釉料是金属及其化合物，使陶瓷表面光滑，不渗水，且具有丰富的色彩。为了得到不同颜色的瓷器，还要求严格控制釉中的铁、铜、锰等各种金属呈色元素的含量。,普通陶瓷,25,青
13、瓷烧制后，呈青绿色或青黄色，这与瓷器表面釉层中含有一定的铁元素有关。,普通陶瓷,青瓷是瓷器的起源，瓷器之母：,26,在青瓷的基础上发展了白瓷：,普通陶瓷,降低铁的含量，呈白色则是白瓷。初期的白瓷，釉色泛青，胎质细腻，有显著的从青瓷到白瓷的过度特征形态。上等白瓷的胎和釉中的含铁量必须控制在1%以下，方能烧成。,27,普通陶瓷,红色釉瓷器的呈色剂是铜元素，青花瓷器则是以锰元素为呈色剂。,红瓷,青花瓷,28,3.烧结：通过一系列物理化学变化，去除坯内所含溶剂、粘结剂、塑化剂等，减少坯体中的气孔，增强颗粒间的结合强度。陶器烧成的最高温度在960左右；瓷器是在一千二百至一千四百摄氏度的高温下烧成的，温度
14、的上升速度、火焰的性质以及冷却的方法等，都直接关系到瓷器的质量。,普通陶瓷,釉上彩：瓷器上的彩色图案一般是在烧结后加绘的，用金属颜料加透明釉调成颜料在素的瓷器上描画彩色图案，也有用镶金、贴花的方法的，即把金纸条或印花纸贴在瓷器上，再刷上透明釉。釉上图案制成后，把器物再放入烘炉中烘烤，便可得到美丽的彩绘瓷器。烘烤温度一般为七百至八百摄氏度。,29,大量用于日用陶器、瓷器、建筑工业、电器绝缘材料、耐蚀要求不很高的化工容器、管道，以及机械性能要求不高的耐磨件，如纺织工业中的导纺零件等。,普通陶瓷,30,三、特种陶瓷,31,特种陶瓷,1.结构陶瓷（又称为工程陶瓷）：以承受载荷为主，具有良好的机械功能和
15、热功能，硬度大、熔点高、化学性质稳定，如氧化物陶瓷（Al2O3、BeO、ZrO2）、非氧化物陶瓷（SiC、Si3N4、BN）。2.功能陶瓷：具有电、光、磁、生物、化学特性的陶瓷，如电子陶瓷、超导陶瓷、磁性陶瓷、光学陶瓷、生物陶瓷、敏感陶瓷等。,氧化铝陶瓷,氮化硅陶瓷,生物陶瓷,32,结构陶瓷：氧化铝陶瓷Al2O3有多种晶型，一般有、型。其中天然存在的是-Al2O3型，俗称为刚玉。刚玉结构紧密、活性低、高温稳定。氧化铝陶瓷主要成分是Al2O3和SiO2，其中Al2O3含量大于45%，也称为高铝陶瓷。当Al2O3含量在90%99.5%时主晶相为刚玉，称为刚玉瓷。氧化铝陶瓷耐高温性能很好，在氧化气氛
16、中可使用到1950。氧化铝含量越高，高铝陶瓷性能越好，刚玉瓷的性能最好。高铝陶瓷的硬度高、电绝缘性能好，耐蚀性和耐磨性也很好。可用作高温器皿、刀具、内燃机火花塞、轴承、化工用泵、阀门等。,特种陶瓷,33,能将气体参量（如浓度）转换成电信号。原理：陶瓷空隙吸附（物理吸附、化学吸附）气体分子后，陶瓷的电阻率发生变化。为了增加敏感性，一般要加热、掺杂催化剂（如Au、Ag、Pt、Pd、Ir、Rh、Fe以及一些盐类）。,特种陶瓷,功能陶瓷：气敏陶瓷,34,四、水泥和玻璃,35,你知道现代建筑使用的材料主要有哪些？,人类建筑的变迁:从阴冷潮湿的洞穴、破败不堪的茅草屋、简陋粗造的石屋、到水泥、砖瓦修建的房屋
17、、再到具有现代气息的摩天大楼。,钢筋、水泥、玻璃,36,水泥简介,水泥：细磨材料，加入适当水后，成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，能把砂、石材料牢固地胶结在一起的水硬性凝胶材料。（混凝土：水泥，沙子，碎石）,37,玻璃：凡熔融体通过一定方式冷却，因黏度增加而具有固体性质和一定结构特征的非晶态物质。,玻璃材料简介,38,玻璃材料简介,39,有色玻璃,玻璃材料简介,在玻璃原料中加入一定量的着色剂，使玻璃呈现不同的颜色。如加入锰化合物使玻璃呈紫色，加入氧化亚铜使玻璃呈现红色，加入氧化钴可使玻璃呈现蓝色等；在玻璃表面喷涂、镀膜等可以制得。在玻璃表面涂镀一层或多层金属、合金或金属化合物薄膜
18、，例如热反射玻璃一般是在玻璃表面镀一层或多层诸如铬、钛或不锈钢等金属或其化合物组成的薄膜，不仅使产品呈丰富的色彩，对于可见光有适当的透射率，对红外线有较高的反射率，对紫外线有较高吸收率，因此，也称为阳光控制玻璃，主要用于建筑和玻璃幕墙。,40,在玻璃中加入适量的溴化银和氧化铜的微小晶粒，经过热处理制得。,玻璃材料简介,玻璃颜色变浅,变色玻璃：玻璃的颜色随光线照射变暗，停止照射后，又恢复到原来的颜色。,原理：,应用：汽车防护玻璃、高级窗玻璃、太阳镜等。,41,利用二氧化硅的特性可在玻璃上雕刻各种精美图案以及刻度、文字等。,原理：,玻璃材料简介,刻花玻璃,玻璃中的二氧化硅与氢氟酸反应（腐蚀玻璃）SiO2+4HF=SiF4+2H2O,应用：日用品、工艺品、在玻璃仪器（量筒、滴定管）标注刻度及文字等。,Thank you for your attention!,
