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1、9/17/2018 4:49 AM,第7章 无机非金属材料,Chapter 7 Non-metallic Inorganic Materials,9/17/2018 4:49 AM,本章内容,7.1 无机非金属材料的分类和特点 7.2 水泥与玻璃 7.3 陶瓷 7.4 半导体材料 7.5 超导材料,9/17/2018 4:49 AM,学习目的,结合前面所学内容，理解无机非金属材料结构与性能特点； 了解常用无机非金属材料的合成和工艺。 了解各种新型无机非金属材料的特殊性能、作用原理、结构及用途。,9/17/2018 4:49 AM,学习参考书目,1. 杨兴钰. 材料化学导论. 武汉：湖北科学技术
2、出版社，2003 2. 戴金辉，葛兆明 主编。无机非金属材料概论，哈尔滨工业大学出版社，1999 3. H. F.W. Taylor. Cement Chemistry, Academic Press, 1990 4. M. W. Barsoum. Fundamentals of Ceramics, IOP, 2003 5. J. G. P.Binner. Advanced Ceramic Processing and Technology, Vol. 1, Noyes, 1990,9/17/2018 4:49 AM,7.1 无机非金属材料的分类及特点,无机非金属材料以氧化物、碳化物、氮化物、
3、硼化物、硫系化合物（包括硫化物、硒化物及碲化物）和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。,传统（普通）无机非金属材料,新型（特种）无机非金属材料,9/17/2018 4:49 AM,传统（普通）无机非金属材料,9/17/2018 4:49 AM,新型（特种）无机非金属材料,9/17/2018 4:49 AM,结构特征,离子键：无方向性、无饱和性 紧密堆积；键强较高 密度大，高强度、高硬度、高脆性、耐热 共价键：具有方向性与饱和性 键强度较高，具有稳定化学结构 密度较小，熔点高，硬度大，脆性大，热膨胀系数小，绝缘性好。 离子键与共价键混合,9/17/2018 4:49 A
4、M,部分陶瓷化合物化学键混合特征,9/17/2018 4:49 AM,7.2 水泥与玻璃,硅酸盐水泥 铝酸盐类水泥 硫铝酸盐水泥 氟铝酸盐水泥 铁铝酸盐水泥,7.2.1 水泥（cement）,按矿物组成 分类,-一种水硬性胶凝材料，通过水化过程发生凝结和硬化，硬化后甚至在水中也可保持强度和稳定性。,9/17/2018 4:49 AM,山水集团熟料生产线 山东山水水泥集团有限公司（简称山水集团）是以水泥为主导的大型企业集团，也是国家重点支持的12户全国性重点水泥企业之一；2008年7月4日山水集团在香港上市，成为中国水泥行业第一支红筹股；目前，下属企业主要集中在山东和辽宁，是山东省和辽宁省最大、
5、全国第二大水泥生产商。2010年，熟料产能将达到5000万吨，水泥产能将达到8000万吨。-山水集团网站,9/17/2018 4:49 AM,预应力钢筒混凝土输水管 内衬式预应力钢筒混凝土管(PCCPL): 在钢筒内壁成型混凝土层后在 钢筒外表面上缠绕环向预应力钢丝并制作水泥砂浆保护层而制成的管子。 埋置式预应力钢筒混凝土管(PCCPE): 在钢筒内、外壁成型混凝土层后，在管芯混凝土外表面缠绕环向预应力钢丝并制作水泥砂浆保护层而制成的管子。性能特点: 抗渗性能好，承受内压和外压能力强。PCCP采用经水压检验的钢筒，解决了渗水问题；可承受很高的内水压力，最高可达2.5Mpa；设计上充分利用混凝土
6、的抗压强度，可承受较高的外压荷载。 接头采用钢制承插口，插口是带有凹槽的特制异型钢，密封胶圈放置在凹槽内，确保接头极好的水密性。 耐腐性能强，使用寿命长。构成PCCP的所有钢材都被密实的混凝土包裹，高碱性环境阻止其腐蚀，使用寿命可达百年。 通水能力强，管材内表面光滑，没有瘤节，不会结垢，没有二次污染。 适应地基能力和抗震性能强，PCCP的刚性接头和柔性接口使其刚柔皆有，可转动一定角度，适应地基变化的能力较其他管材强。 管道运行经济安全，社会综合效益好。安装时沟槽开挖窄，接口工作坑较浅，综合造价低，单位工程造价比钢管有较大节省。-山水集团网站,9/17/2018 4:49 AM,硅酸盐水泥,熟料
7、成分： 硅酸三钙（3CaOSiO2），C3S 硅酸二钙（2CaOSiO2），C2S 铝酸三钙（3CaOAl2O3），C3A 铁铝酸四钙（4CaOAl2O3Fe2O3），C4AF,9/17/2018 4:49 AM,硅酸盐水泥,熟料比例对水泥性质的影响 提高C3S的含量,可得到高强硅酸盐水泥 提高C3S和C3A的含量,即可制得快硬硅酸盐水泥 降低C3S和C3A的含量,提高C2S的含量可得低热或中热硅酸盐水泥.,9/17/2018 4:49 AM,硅酸盐水泥生产,所得熟料经碾磨成细粉，加少量石膏，用以调节水泥的水硬化时间，即得水泥成品。,熟料制备的化学过程：,9/17/2018 4:49 AM,9
8、/17/2018 4:49 AM,硅酸盐水泥的水化、凝结硬化,水化物质由无水状态变为有水状态，由低含水变为高含水，统称为水化。 凝结水泥加水拌和初期形成具有可塑性的浆体，然后逐渐变稠并失去可塑性的过程 硬化浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的石状固体（水泥石）。,9/17/2018 4:49 AM,凝结、硬化过程,3CaOSiO2 nH2O 2CaOSiO2(n-1)H2O Ca(OH)22CaOSiO2 mH2O 2CaOSiO2mH2O3CaOAl2O3 6H2O 3CaOAl2O36H2O4CaOAl2O3Fe2O3 7H2O 3CaOAl2O36H2O CaOAl2O3Fe2O3H2O,9/
9、17/2018 4:49 AM,7.2.2 玻璃,玻璃瓶,玻璃工艺烛台,建筑玻璃,艺术玻璃,玻璃熔体冷却后呈坚硬无定形状态的无机物,9/17/2018 4:49 AM,Glass in lab,9/17/2018 4:49 AM,普通玻璃的化学结构,9/17/2018 4:49 AM,玻璃中的组分构成： 1. 形成体：能够独立形成网络的氧化物 SiO2，B2O3，GeO2 2. 中间体：不能独立形成网络的氧化物，但能够与形成体共同形成网络 Al2O3，V2O5，SeO2 3. 改性剂：不仅不能形成网络，随着添加量的增大还会逐渐破坏网络，最终导致体系结晶。一般为碱金属与碱土金属的氧化物 Na2O
10、，K2O，CaO，MgO，BaO等。,9/17/2018 4:49 AM,Na2O的加入对SiO2网络的影响,9/17/2018 4:49 AM,方石英,鳞石英,Mole percent Na2OSiO2-Na2O相图,Na2O加入SiO2中，因形成低共熔混合物而使其熔融温度显著降低,9/17/2018 4:49 AM,7.2.2.1 玻璃的制造,1) 硅酸盐形成阶段,9/17/2018 4:49 AM,Process1,1) 硅酸盐形成阶段,9/17/2018 4:49 AM,Process2,CO2, O2, SO2, NO2等,2) 玻璃形成阶段,9/17/2018 4:49 AM,Pr
11、ocess3,3) 玻璃液澄清阶段,9/17/2018 4:49 AM,Process4 & 5,4) 玻璃液的均化阶段,9/17/2018 4:49 AM,熔窑 池窑 坩埚窑间歇式池窑 单元式熔窑,9/17/2018 4:49 AM,玻璃成型工艺：（a）压制，（b）压吹，（c）拉纤(a) pressing, (b) press and blow process, (c) drawing of fibers.,9/17/2018 4:49 AM,连续平板玻璃生产设备(the latter being float law glass),9/17/2018 4:49 AM,7.2.2.2 玻璃分类
12、,氧化物玻璃 石英玻璃 硅酸盐玻璃 钠钙玻璃 氟化物玻璃 非氧化物玻璃 硫系玻璃 卤化物玻璃,9/17/2018 4:49 AM,硅酸盐玻璃基本成分为SiO2 石英玻璃SiO2含量大于99.5 高硅氧玻璃SiO2含量约96 钠钙玻璃（又名钠玻璃）含有15的Na2O和16的CaO 铅硅酸盐玻璃主要成分有SiO2 和PbO 铝硅酸盐玻璃主要成分有SiO2 和Al2O3 硼硅酸盐玻璃（耐热玻璃） 以SiO2和B2O3为主要成分 钾玻璃（硬玻璃）以K2O代替钠玻璃中的部分Na2O，适当提高SiO2含量,9/17/2018 4:49 AM,7.2.2.3 特种玻璃,钢化玻璃 淬火产生内应力，导致表面增强
13、 无色光学玻璃 可见光波长范围内吸光性极低高纯度 高折射率增加氧化钡、氧化铅含量 导电玻璃 ITO（Indium Tin Oxide）玻璃导电,9/17/2018 4:49 AM,LCD专用平板玻璃 TFT-LCD(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display )使用无碱玻璃，避免钠离子迁移对半导体的破坏 光纤玻璃 高纯度石英 避免出现羟基结构，因硅羟基吸收近红外光信号 彩色玻璃 通过添加着色剂实现彩色 着色剂能对投射到玻璃上的白光进行选择性的吸收,9/17/2018 4:49 AM,不同玻璃颜色所使用着色剂,9/17/2018 4:49 AM,无色光
14、学玻璃,ITO导电玻璃,彩色玻璃,钢化玻璃,光纤玻璃,9/17/2018 4:49 AM,几种玻璃的特性和用途,9/17/2018 4:49 AM,（附）石英光纤制备CVD法,9/17/2018 4:49 AM,MCVD,A. 光纤预制棒制造,MCVD改进的化学汽相沉积,9/17/2018 4:49 AM,MCVD系内部汽相沉积的一种。 一支超纯石英管装载于一台装有氢氧喷灯玻璃车床上。氯化物和氧气从石英管的一端馈入管中，在喷灯提供的高温下反应，在喷灯的下游所生成的烟灰状SiO2和GeO2亚微米颗粒沉积于石英管的内壁上。当喷灯经过沉积物时，它们就被凝固为固态的玻璃。借助改变硅、锗氯化物的比例，从
15、外部包层到芯层，一层跟着一层形成了所要求的折射率剖面（更多的锗，更高的折射率）。 优点：沉积和溶缩一步完成，避免了可能的污染 缺点：生产效率不高。有的制造商采用高频等离子喷灯来提高生产效率，同时减少氢氧燃烧生成物水的影响。为提高效率，在拉丝之前，预制棒还要装在一支石英套管内，以满足纤芯和包层的规范。,9/17/2018 4:49 AM,OVD,OVD外部汽相沉积,9/17/2018 4:49 AM,OVD是一种外部沉积工艺方法，其高温是由一个氢氧喷灯提供的。在这个工艺过程中，四氯化硅和四氯化锗的混合汽以及氧被馈送到火焰中。 反应生成的二氧化硅和二氧化锗烟灰状颗粒被沉积在一支氧化铝芯棒上以形成烟
16、灰状颗粒预制棒，当芯层沉积完成后，接着必须沉积包层，为此，仅仅混合汽反应物的组分是不同的。 在足够的芯层和包层沉积之后并移去芯棒后，烟灰颗粒状预制棒被置于烧结炉中脱水、烧结和熔缩以闭合芯棒留下的孔。一个透明、固态的预制棒就可以进入拉丝工序了。,9/17/2018 4:49 AM,VAD,VAD垂直轴向汽相沉积,9/17/2018 4:49 AM,轴向气相沉积工艺允许在轴向上沉积烟灰状颗粒。 在这个工艺方法中预制棒是在长度方面生长而不象OVD在直径方面生长。在沉积开始时采用了一个芯棒。 在轴向生长的预制棒沉积到足够大后，它仍然是多孔的，需要在一个温度为1500C 至1600C的电炉中脱水和烧结。 烧结后的预制棒仍然较短和粗，它们需要进一步的拉伸以符合随后工序的要求。 应用专门的干燥工艺VAD现在可以生产非常低水峰的光纤供全带应用。,9/17/2018 4:49 AM,PCVD,PCVD等离子化学汽相沉积,
