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1、无机非金属材料科学基础,教师:赵宇龙 13645206621 学院:材料学院,很高兴认识各位同学!,课程说明,材料科学基础 金属学原理 材料科学与工程(1994)= 金属 + 无机非 + 高分子 无机(非金属)材料科学基础 无机材料物理化学 硅酸盐物理化学 本门课程 与 固体化学 在内容上交集较多! 固体化学 与 固体物理 凝聚态的基础知识!相对容易一些!,正式学习之前,先来看一下“本门课程”在所有“课程”的位置!,金属学原理 与 硅酸盐物理化学 的异同 晶体结构:多元素的方向性和饱和性,结构复杂(原子级结构对金属性能影响不大,不太关心原子级的结构) ; 缺陷:脆性断裂,晶界为主要影响因素,不
2、太关心线、面缺陷,关注点缺陷; 相变:关心液-固成核、长大等,固-固相变有,但水玻陶高温冷却后不再变化,没金属热处理要求高; 相图:以生成化合物的三元相图为主,多为化合物,固溶体不是主要研究对象! 扩散:双方要求差异不大,理论相同;,无机非和金属同属无机材料,与高分子不同,在知识方向有许多共用!下面看一下双方基础的异同!,塑性变形、凝固、回复、再结晶:不太关心; 非晶态固体:玻璃工业较为发达,非晶金属研究阶段; 固相反应:元素种类多,固相反应多,高温过程就是固相反应的过程,金属冶炼后化学反应不多,要求不高; 烧结:陶瓷的主要理论,初始研究者,金属有粉末冶金后期研究者,但成果颇多。 晶体、缺陷化
3、学、非晶体、固相反应、烧结为主!,课程大纲,绪 论,1,晶体学基础,2,缺陷化学基础,3,固相反应,5,烧 结,6,第一章 绪 论,1.1 无机非金属材料概述,1.1.3 无机非材料制备的共性,1.1.2 无机非金属材料的特性,1.1.1 无机非金属材料定义与分类,1.1.1 无机非金属材料定义及分类,什么是无机非金属材料?,除金属材料、高分子材料以外的材料。,以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐和非氧化物等物质组成的材料。,外延,内涵,如何下定义呢?外延?内涵?,传统分法,那么哪些材料是我们常说的无机非金属材料呢?,最新分类方法?,国家自然
4、科学基金委员会-工程与材料科学部-学科发展战略研究报告(2006-2010)-无机非金属材料学。,从科学研究的角度讲,传统无机非已是非热点领域?,1.1.2 无机非金属材料特性,金属材料,高分子材料,无机非金属,金属键,共价键,离子-共价,晶体结构复杂 没有自由电子 高熔点 高硬度,耐化学腐蚀 绝缘体 导热性差 变形差(韧性),无机非的特性是指在三大类材料对比中表现的?,大材料视野制备,1.1.3 无机非制备的共性,金属,金属的冶炼 金属的加工,高分子,无机非,高分子合成 高分子加工,粉体的制备 高温下制备,还是先来看一下材料的制备吧?,材料应用状态,颗粒固体,无机非原料初始状态多为粉体,块状
5、固体,高温处理,要理解无机非的工艺共性,先看一下材料的使用状态?,常见无机非制备工艺,原料,破碎,粉体,成型,干燥,高温,传统无机非,传统无机非,物理和化学法,块状固体,应用外形,并不全需要,1.2 无机非金属材料地位及应用,1. 传统无机非金属材料 水泥及混凝土: 基础材料,吨位之最;房屋、公路、桥梁、港口等混凝土约20亿m3;不是一体,变为一体! 陶瓷:坚硬的躯体,亮丽的表面,丰富的原料! 建筑陶瓷:每年30亿m3,世界产量的50%; 卫生陶瓷:6000万件,世界产量20%; 日用陶瓷:120亿件,世界产量60%; 5-10年中国将成为世界建筑卫生陶瓷中心。,我们从传统无机非和新型无机非两
6、个角度来讲?,传统无机非:水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料?,玻璃:坚硬的透明材料!没有玻璃之前的窗子? 建筑工业:平板玻璃 - 浮法玻璃 -世界第一生产大国,世界产量的30%左右,与英国、美国同为浮法原创国家。 汽车工业:平板玻璃的深加工产品 光电子产业:光纤、基板玻璃、激光玻璃等; 耐火材料:优良的高温强度! 高温技术基础材料,与科学研究和尖端技术紧密相关,70%用于冶金行业,我国占世界比重越来越大?,2.新型无机非金属材料 结构陶瓷: 近20年来,最活跃的研究领域之一,对许多领域有巨大的推动作用。 高性能陶瓷:氮化物、碳化物等,切削、摩擦等。 信息产业陶瓷:基板,氮化硅、碳化硅、氧化铝。 航空
7、航天陶瓷:航空航天的高温部件。 生物陶瓷:人工关节、人工骨及其它组织工程领域;,新型无机非:结构陶瓷、功能陶瓷、信息材料、纳米材料、人工晶体、能源材料、生物材料等,未来最活跃的材料领域? 结构-未知,功能陶瓷: 绝缘陶瓷:陶瓷基片、陶瓷封装; 电容器陶瓷:高频、大容量,片式陶瓷电容器; 半导体陶瓷:温敏、热敏、压敏、气敏等; 超导陶瓷:高温超导陶瓷; 透明陶瓷:透明氧化铝?,陶瓷基板 陶瓷电容器,信息材料: 硅半导体: 微电子技术基础:集成电路,硅单晶、硅片; 多晶硅:太阳能电池; 发光材料: 硅基发光材料 硅基激光器 宽带隙半导体:氮化镓、金刚石薄膜,为什么要搞宽带隙半导体?,纳米材料: 纳
8、米颗粒、纳米线、纳米杆、纳米管、纳米孔材料; 虽然有纳米金属和纳米高分子,但只占很少一部分!信息材料以半导体为基础,目前的半导体大部分从无机非金属发展而来! 能源材料: 能量产生:太阳能 硅、化合物、聚合物; 能量存储:锂离子电池; 能量传输:超导材料!,1.3 典型无机非金属材料,陶瓷,1,玻璃,2,水泥,3,碳材料,5,耐火材料,6,矿物材料,5,1.陶瓷 日用陶瓷,从各种无机非金属的应用看这些典型无机非金属材料?,与金属、高分子日用器相比优点、缺点?,卫生陶瓷,有金属、高分子浴缸和马桶吗?,电工陶瓷,与金属、高分子比优点是什么?,化工陶瓷,1吨酸如何存储和使用?,高温:坩埚、内衬,绝缘:
9、基板、封装外壳;,硬度:刀具加工飞机零件;,透明氧化铝陶瓷,下面看一下几种特种陶瓷? 先来看一下氧化铝陶瓷!,为什么氧化铝陶瓷具有这些性能,传统陶瓷不具备呢?,氧化镁陶瓷,不被碱性物质腐蚀,抗金属腐蚀,坩埚、模具、炉衬,加工使用过程中注意防水!,铂、铜、镁、锌、铝等金属都可用!,氧化镁也可以做陶瓷吗?有什么用啊?,氧化铍陶瓷,导热与绝缘的完美结合! 良好的中子减速能力! 超强的抗金属腐蚀能力!,我们先来看一个导热系数的数据?,氧化锆陶瓷,硬度高:切削工具、整形工具;,抗腐蚀:浇铸口,与钢水不浸润可做钢水内衬!,强度高、韧性好:迄今为止研究最好的增韧陶瓷;发动机构件,如内衬、活塞等。高温-氧化氛
10、围。,敏感性:氧化物半导体,气敏材料之一!,碳化硅陶瓷,碳化物中抗氧化性最好的,1000-1500发热元件!氧化物抗氧化不更好吗?,高强:拉丝、成型模具;喷砂嘴、泵零件!,微电子工业:封装和基板;不是导电吗? 核工业:耐辐射,作为密封套;,航空航天:火箭喷嘴!,碳化钛陶瓷,碳化钛陶瓷硬度大,是生产硬质合金的重要材料,耐磨:切削刀具,氮化硅和氮化硼陶瓷,氮化硅高温耐磨:陶瓷发动机活塞顶盖,氮化硅抗热震性:热电偶套管,抗热振的性能要求?,氮化硼仅次于金刚石的耐高温、超硬材料,磨料!,纳米陶瓷,纳米陶瓷:平均晶粒小于100nm的陶瓷;,低熔点:颗粒小,在较低的温度下可以被烧结;,高强高韧:纳米二氧化
11、钛陶瓷可以被弯曲;,磁化率高:纳米磁性金属是普通金属磁化率的20多倍,吸收电磁波,红外辐射陶瓷,红外辐射陶瓷:在一定红外波段范围内,有较强辐射率和辐射强度的陶瓷!主要是热辐射型!,常见陶瓷:碳化硅、氧化锆,加热干燥:均匀、速度快,航天:太阳直射,散热!,发光陶瓷,发光陶瓷:把从外界获得的其它能量变成光的陶瓷;,路标标志牌、装饰等,透明陶瓷,透明陶瓷:可以透过可见光的陶瓷;玻璃不透明吗?,透明氧化铝:工业最可行,强度、温度和透明:高压钠灯、高温窗口材料;,激光陶瓷,激光陶瓷:能够激发产生单色光的陶瓷;,红宝石、掺钕的钇铝石榴石、铝酸钇、钕玻璃。,单色光、激光器,抗菌陶瓷,抗菌陶瓷:能够抑制和杀灭
12、微生物的陶瓷;,有含有金属粒子如银的抗菌陶瓷,二氧化钛光催化型产生杀死微生物的基团!,多孔陶瓷,多孔陶瓷:含有大量开口、贯通气孔的陶瓷;,多孔陶瓷用途:腐蚀、溶解、高温过滤气体或液体!如汽车尾气!高温金属液体过滤、酸碱液体过滤、热交换器等!,导电陶瓷,导电陶瓷:具有电子、空穴或离子导电能力的陶瓷;,高温发热元件:碳化硅、二硅化钼、氧化锆等。,超导陶瓷:电线、发电机线圈等!,生物陶瓷,生物陶瓷:用作特定生物或生理功能的陶瓷;,骨、牙、心脏瓣膜、整形外科、药物传递等!,生物惰性:氧化铝、碳; 生物活性:HA、TCP,敏感陶瓷,敏感陶瓷:对某一信号敏感的陶瓷;信息技术中传感器技术的基础!,电阻变化、
13、电动势变化、磁变化,温度、压力、气氛、湿度、光强、电场、射线等!,2.玻璃,夹丝玻璃,压花玻璃,大规模、高强度透明材料?原料丰富、成本低!万能成型!想想所有透明材料都用树脂时树脂的价格!,建筑玻璃,平板玻璃,中空玻璃,日用玻璃,瓶瓶罐罐,保温瓶玻璃,仪器玻璃,瓶瓶罐罐,实验室中的瓶瓶罐罐,光学玻璃,显微镜、眼镜、照相机等光学玻璃,电真空玻璃,电子工业中的玻壳、芯柱和封装,防弹玻璃 单向透光玻璃,太阳能电池玻璃 导电玻璃,彩色玻璃,反射玻璃:反射凉爽,光致变色玻璃,灯具玻璃,玻璃纤维,玻璃纤维主要用途,光纤,激光玻璃棒,基板玻璃,生物玻璃,3.水泥,桥梁水泥,道路水泥,力学性能不是最适合的,但原
14、料、成本却是最划算的?想象如果力学材料全用钢铁时,钢铁的价格?理解传统无机非金属材料的基础地位?(都是天然矿物原料,是大规模生产和应用的基础),建筑水泥,油井水泥,框架为高层产生、为墙体材料的要求降低奠定基础?,大坝水泥:并不是任何水泥都可在任何场合应用,彩色水泥,快硬水泥,低热水泥,耐高温水泥?,4.晶体材料,非线性光学晶体,压电石英晶体,晶体生产成本相对较高,能用陶瓷、玻璃的地方一般不用晶体,但晶体的高度均一性所体现出来的性能其它做不到的?,电光晶体:折射率,红外光学晶体,热释电晶体,超硬晶体,半导体晶体,单晶硅,碳化硅单晶,早期晶体管:事物发展初期都很弱小,硅单晶上的信息技术,氧化铝单晶
15、:高温窗口材料,光学晶体材料,激光晶体,闪烁晶体,5.碳材料,碳纤维,碳纤维,与碳有关的材料多是软的,但要破坏CC键却非常难!,石墨坩埚,石墨电极,润滑石墨,耐腐蚀石墨,石墨密封,粘土砖,6.耐火材料,硅质砖,碳砖,莫来石,氧化铝砖,7.矿物材料,矿物与岩石的区别?,高岭土:陶瓷、造纸、涂料,吸附、白、可塑,膨润土:泥浆悬浮、农药载体、脱色澄清,吸附、不白、可塑,方解石:塑料制品、橡胶制品、造纸、牙膏、涂料、油墨、胶粘剂、食品和医药,白、硬,石灰石:轻质碳酸钙、水泥、玻璃、饲料、钙肥,石英:玻璃、铸造砂、单晶硅、光纤、石英玻璃、硅微粉、碳化硅,滑石:造纸增强吸附,橡胶、电缆、油漆涂料、陶瓷,海泡石:孔道,过滤、增稠剂、香烟滤嘴、杀虫剂载体,从应用角度有时很难区分?,1.3 关于本门课程,1.课程定位,材料科学与工程,金属材料,无机非金属材料,在材料科学的基础上,拓宽无机非金属材料科学基础的相关内容!有一定难度!,根据我院材料科学与工程专业现状?,主要包括课程定位、参考书籍、成绩评定、答疑时间、课堂纪律等?,2.参考书籍 教材: 无机材料科学基础教程 胡志强 化学工业出版社 参考书: 无机材料科学基础 张其土 华东理工大学出版社 无机材料科学基础