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1、第4章 无机非金属材料,传统陶瓷、特种陶瓷水泥玻璃耐火材料,材料概论,4.1无机非金属材料概述,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。,硅酸盐材料：陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料等以天然硅酸盐为原料的制品。新型无机材料：用人工合成方法制成的不含硅或很少含SiO2的材料，如一些氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、卤化物、硫化物和碳素材料等。,可分为：,熔点高耐高温硬度高强度高弹性模量大,无机非金属材料主要特征,绝缘性好耐磨损耐氧化耐腐蚀化学稳定性好,脆性大，韧性差,天然硅酸盐在自然界中分布很广,是构成地壳的主要组分。其化学式很复杂，可看成是二氧化硅和金属氧化
2、物的复合氧化物。,天然硅酸盐(silicate)矿物,石棉片,黄玉,正长石,高岭石,水晶,白云母,滑石,粘土,天然硅酸盐不论组成多么复杂，在其晶体内部，基本结构单元都是SiO4四面体。硅占据四面体的中心，4个氧则占据4个顶角。,OSi,SiO44-,Si2O76-,Si3O96-,Si6O1812-,4.2 陶瓷材料,陶瓷与中国？,第一阶段：火与土的文明，陶器诞生,第二阶段：瓷器诞生，从此瓷器与中国结缘；,西晋青瓷羊！,China的来源？,白瓷诞生，精纯原料Kaolin的使用；,法门寺五瓣花口瓷碗！,瓷器在中国的演变？,中国瓷器的顶峰，青花及五彩,彩色瓷器的诞生！,第三阶段，传统工业陶瓷，陶瓷
3、技术+工业革命；,瓷器文明中心的转移？,瓷器技术的飞跃？,第四阶段：特种陶瓷的诞生，陶瓷理论的推动！,“陶瓷”是指所有以粉状粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程而形成的多晶、多相的聚集体。,性能：耐高温、耐磨、耐腐蚀、高硬度、高强度及其它特殊性能(压电性、磁性和光学性能)，但脆性大,4.2 陶瓷材料,4.2.1 概述,4.2 陶 瓷 材 料,4.2.2 陶瓷材料的结构和性能,陶瓷材料的结合键,离子键、共价键以及离子键与共价键的混合键,离子晶体以离子键结合的晶体。金属氧化物晶体：MgO、Al2O3共价晶体共价键结合的晶体。金刚石、SiC、Si3N4、BN,Al2O3,
4、金刚石,1.结晶相：主要组成相，由离子键或共价键结合而成，决定陶瓷的性能：高熔点、高耐热性、高化学稳定性、高绝缘性、高脆性。,2.玻璃相：非晶态固体，将晶相粘结在一起，降低烧结温度，抑制晶相晶粒长大和填充气孔。,3.气相：气孔（510）。对性能的不利影响：增加脆性、降低强度、是造成裂纹的根源。电击穿强度降低，绝缘性能降低。对性能的有利影响：提高吸振性，使陶瓷密度减小,陶瓷的组成,陶瓷材料的性能力学性能,理论强度高离子键和共价键实际强度要较理论强度低组织的不均匀性，内部杂质和各种缺陷晶粒越细，强度越高。高温强度、高温抗蠕变能力、抗氧化性优于金属材料常用于高温材料,陶瓷材料的力学性能,陶瓷的塑性和
5、韧性较低，无塑性变形，脆性断裂陶瓷最大的弱点。断裂过程：裂纹形成和扩展的过程断裂的原因：陶瓷内部和表面所产生的微裂纹，在受到外应力时快速扩展。,陶瓷材料的力学性能,陶瓷材料的热学性能,陶瓷材料的电学和光学性能,4.2.3 陶瓷的分类,结构陶瓷功能陶瓷,日用陶瓷建筑陶瓷电绝缘瓷化工陶瓷,传统陶瓷,陶瓷,特种陶瓷,按性能划分,区别,常见陶瓷分类方法？,传统陶瓷与特种陶瓷的区别,结构陶瓷,强度较高，绝缘电阻大，硬度大，耐磨、耐蚀 介电损耗低 透光性 耐高温,用途最广泛，原料最丰富，价格最低廉,金属熔炼的坩埚、炉管、炉芯、热电偶保护管等各种耐热部件,化工领域输送酸的管道内衬、阀门以及各种耐酸泵的泵体、
6、叶轮,电工电子：火花塞绝缘瓷、装置瓷，大功率电子管支架、窗口、管壳，大规模集成电路的基片及原件等,各种刀具、模具、磨料及耐磨件,透光材料：钠蒸汽灯管红外窗口等,Al2O3陶瓷,仅次于氧化铝陶瓷的另外一种重要的结构陶瓷,硬度高、强度高、韧性好、耐腐蚀、敏感,冷成型工具切削工具耐磨材料,发动机活塞帽、汽缸内衬、轴承、连杆,惰性生物陶瓷,气敏元件,熔点很高（2667），高温抗腐蚀能力非常强，用作特种耐火材料、浇注口，熔炼铂、钯、铑等金属的坩埚等。,ZrO2陶瓷,功能陶瓷,功能陶瓷:利用电、磁、声、光、热等直接效应及其耦 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,特点：品种多、产量大
7、、价格低、应用广、功能全、技术高、更新快，在材料领域中占有重要的地位。,应用：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、红外技术、生物技术、环境科学等领域,材料科学与工程学院,4.2 陶 瓷 材 料,绝缘陶瓷,电介质陶瓷,压电和热释电陶瓷,敏感陶瓷,磁性陶瓷,导电和超导陶瓷,生物陶瓷,抗菌陶瓷,多孔陶瓷,透明和光学陶瓷,功能陶瓷,透明陶瓷：可以透过可见光的陶瓷,透明氧化铝：工业最可行,透明陶瓷既具有像玻璃一样的透光性又具有陶瓷本身的耐高温耐腐蚀高强度等优异性能,压电陶瓷：一种具有压电效应、能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。,压电陶瓷,如：钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅（P
8、ZT）等,骨、牙、心脏瓣膜、整形外科、药物传递等,生物陶瓷,黏土矿物高岭石,钾长石,石英,陶瓷材料的制备工艺 原料配制 坯料成型 烧结 成品,主要原料：黏土、石英、长石,4.2.4 陶瓷的制备,原料选取,配方设计,坯料制备,坯体成型,釉料制备,施釉,高温处理,？,陶瓷制备的一般工艺过程,陶瓷工业发展迅速，各种新型陶瓷不断问世 美国“哥伦比亚”号航天飞机的外壳铺砌了3.2万块金属陶瓷耐热片 用新型陶瓷材料代替金属材料制发动机 专家们预言：随着新陶瓷技术的发展，人类将“重返”石器时代，不过是一个全新的石器时代。,陶瓷材料的发展前景,4.3 玻璃材料,什么是玻璃？,凡熔融体通过一定方式冷却，因黏度逐
9、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。,战国中晚期玻璃璧,隋李静训墓出土的玻璃圆盒,清乾隆白地套红玻璃双合瓶,古埃及玻璃制品,在玻璃原料中加入某些金属氧化物制成,如加入CoO，玻璃呈蓝色；加入Mn2O，呈紫色；加入Cu2O，呈红色；加入Cr2O3，呈绿色。,有色玻璃,它的抗弯强度比普通玻璃大5-7倍，只有受到强烈冲击时才会破坏，而且碎片棱角圆滑，不易飞溅，不易伤人，是很好的安全玻璃。,4.4 胶凝材料,凡能在物理、化学作用下，由浆体变为坚固的石状体，并能胶结其它物料而具有一定机械强度的物质，通称为胶凝材料。,胶凝材料,无机,有机,沥青和各种树脂,水硬性胶凝材料,气硬性胶凝
10、材料,又称波特兰(Portland)水泥，是由粘土和石灰石按比例在旋转窑中于1450以上温度煅烧成熟料，再混入少量石膏，磨粉后制成。,硅酸盐水泥,产量最大，应用最广泛,少量游离氧化钙（f-CaO）、方镁石、含碱矿物及玻璃体等,4.4 胶 凝 材 料,硅酸盐水泥的水化硬化,水泥和适量的水拌和后，形成能胶结砂石的可塑性浆体，随后凝结硬化变成具有一定强度的石状体，这一过程即为水泥的凝结硬化。,特种水泥,特种水泥指具有某些特殊性能和特种功能的水泥。,耐火材料是指耐火温度不低于1580,并在高温下能耐气体、熔融金属、熔融炉渣等物质侵蚀，而且有一定机械强度的无机非金属材料。,4.5 耐火材料,硅砖,镁砖,高铝砖,常用耐火材料的主要组分是一些高熔点氧化物，按其化学性质可分为酸性、碱性和中性。酸性耐火材料的主要组分是SiO2等，如硅砖；碱性耐火材料的主要组分是MgO、CaO等，如镁砖；中性耐火材料的主要组分是Al2O3、Cr2O3等，如高铝砖。,
