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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
