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1、1第第4 4章章 无机非金属材料无机非金属材料n传统陶瓷、特种陶瓷传统陶瓷、特种陶瓷n水泥水泥n玻璃玻璃n耐火材料耐火材料材料概论材料概论24.1无机非金属材料概述无机非金属材料概述什么是无机非金属材料？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。通称为无机非金属材料。p硅酸盐材料：硅酸盐材料：陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料等以等以天然硅酸盐天然硅酸盐为原料的制品。为原料的制品。p新型新型无机材无机材料：料：用用人工合成方法人工合成方法制成的不含制成的不含硅或很少含硅或很少含SiO2的材料，如一些
2、氧化物、氮化的材料，如一些氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、卤化物、硫化物和碳素物、碳化物、硼化物、卤化物、硫化物和碳素材料等。材料等。可分为：可分为：3熔点高熔点高耐高温耐高温硬度高硬度高强度高强度高弹性模量大弹性模量大无机非金属材料主要特征无机非金属材料主要特征绝缘性好绝缘性好耐磨损耐磨损耐氧化耐氧化耐腐蚀耐腐蚀化学稳定性好化学稳定性好脆性大，韧性差脆性大，韧性差4正长石正长石 K2O.Al2O3.6SiO2 K2Al2Si6O16白云母白云母 K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O K2H4Al6(SiO4)6高岭土高岭土 Al2O3.2SiO2.2H2O Al2H4Si2O9石石 棉
3、棉 CaO.3MgO.4SiO2 Mg3Ca(SiO3)4滑滑 石石 3MgO.4SiO2.H2O Mg3H2(SiO3)4泡沸石泡沸石 Na2O.Al2O3.2SiO2. nH2O Na2Al2(SiO4)2. nH2O 天然硅酸盐在自然界中分布很广天然硅酸盐在自然界中分布很广, ,是构成地是构成地壳的主要组分。其化学式很复杂，可看成是二壳的主要组分。其化学式很复杂，可看成是二氧化硅和金属氧化物的复合氧化物。氧化硅和金属氧化物的复合氧化物。天然硅酸盐天然硅酸盐(silicate)矿物矿物5石棉片石棉片黄玉黄玉正长石正长石高岭石高岭石6水晶水晶7白云母白云母滑石滑石粘土粘土8天然硅酸盐不论组成
4、多么复杂，在其晶体内天然硅酸盐不论组成多么复杂，在其晶体内部，基本结构单元都是部，基本结构单元都是SiOSiO4 4四面体。硅占据四面体。硅占据四面体的中心，四面体的中心，4 4个氧则占据个氧则占据4 4个顶角。个顶角。OSi9SiO44-Si2O76-Si3O96-Si6O1812-104.2 陶瓷材料陶瓷材料 陶瓷与中国？陶瓷与中国？第一阶段：火与土的文明，陶器诞生第一阶段：火与土的文明，陶器诞生11第二阶段：瓷器诞生，从此瓷器与中国结缘；第二阶段：瓷器诞生，从此瓷器与中国结缘；西晋西晋青瓷青瓷羊！羊！China的来源？的来源？12白瓷诞生，精纯原料白瓷诞生，精纯原料KaolinKaoli
5、n的使用；的使用；法门法门寺五寺五瓣花瓣花口瓷口瓷碗！碗！瓷器在中国的演变？瓷器在中国的演变？13中国瓷器的顶峰，青花及五彩中国瓷器的顶峰，青花及五彩彩色彩色瓷器瓷器的诞的诞生！生！14第三阶段，传统工业陶瓷，陶瓷技术第三阶段，传统工业陶瓷，陶瓷技术+ +工业革命；工业革命；瓷器文明中心的转移？瓷器文明中心的转移？15瓷器技术的飞跃？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！第四阶段：特种陶瓷的诞生，陶瓷理论的推动！16 “ “ “ “陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷”是指所有以粉状粘土为主要原料与其它是指所有以粉状粘土为主要原料与其它是指所有以粉状粘土为主要原料与其它是指所有以粉状粘土为主要
6、原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程天然矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程天然矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程天然矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程而形成而形成而形成而形成的的的的多晶、多相的聚集体多晶、多相的聚集体多晶、多相的聚集体多晶、多相的聚集体。 性能：性能：耐高温、耐磨、耐腐蚀、高硬度、高强度及其耐高温、耐磨、耐腐蚀、高硬度、高强度及其它特殊性能它特殊性能( (压电性、磁性和光学性能压电性、磁性和光学性能) )，但脆性大但脆性大4.2 陶瓷材料陶瓷材料 4.2.1 概述概述 174.2 陶陶 瓷瓷 材材 料料4.2.2 陶瓷材料的结构和性能陶瓷材
7、料的结构和性能陶瓷材料的结合键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键、共价键以及离子键与共价键的混合键离子晶体离子晶体以离子键结合的晶体。以离子键结合的晶体。 金属氧化物晶体：金属氧化物晶体：MgO、Al2O3共价晶体共价晶体共价键结合的晶体。共价键结合的晶体。 金刚石、金刚石、SiC、Si3N4、BNAl2O3 金刚石金刚石181.1.结晶相结晶相：主要组成相，由离子键主要组成相，由离子键或共价键结合而成，决定陶瓷的性能：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、高熔点、高耐热性、高化学稳定性、高绝缘性、高脆性。高绝缘性、高脆性。2.2.玻玻璃
8、璃相相：非非晶晶态态固固体体，将将晶晶相相粘粘结结在在一一起起，降降低低烧烧结结温温度度，抑抑制制晶晶相相晶晶粒长大和填充气孔。粒长大和填充气孔。3.3.气相气相：气孔（：气孔（5 51010）。）。 对对性性能能的的不不利利影影响响：增增加加脆脆性性、降降低低强强度度、是是造造成成裂裂纹纹的的根源。根源。电击穿强度降低，绝缘性能降低。电击穿强度降低，绝缘性能降低。 对性能的有利影响：对性能的有利影响：提高吸振性，使陶瓷密度减小提高吸振性，使陶瓷密度减小陶瓷的组成陶瓷的组成19陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能力学性能力学性能20l理论强度高理论强度高离子键和共价键离子键和共价键l实际强度要较理论强
9、度低实际强度要较理论强度低组织的不均匀性，组织的不均匀性，内部杂质和各种缺陷内部杂质和各种缺陷l晶粒越细，强度越高。晶粒越细，强度越高。l高温强度、高温抗蠕变能力、抗氧化性优于金高温强度、高温抗蠕变能力、抗氧化性优于金属材料属材料常用于高温材料常用于高温材料陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能强强 度度21u陶瓷的塑性和韧性较低，无塑性变形，脆陶瓷的塑性和韧性较低，无塑性变形，脆性断裂性断裂陶瓷最大的弱点。陶瓷最大的弱点。u断裂过程断裂过程：裂纹形成和扩展的过程：裂纹形成和扩展的过程u断裂的原因断裂的原因：陶瓷内部和表面所产生的微：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。裂纹，在
10、受到外应力时快速扩展。陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能塑性与韧性塑性与韧性22陶瓷材料的热学性能陶瓷材料的热学性能23陶瓷材料的电学和光学性能陶瓷材料的电学和光学性能244.2.3 4.2.3 陶瓷的分类陶瓷的分类结构陶瓷结构陶瓷功能陶瓷功能陶瓷日用陶瓷日用陶瓷建筑陶瓷建筑陶瓷电绝缘瓷电绝缘瓷化工陶瓷化工陶瓷传统陶瓷传统陶瓷陶瓷陶瓷特种陶瓷特种陶瓷按性能按性能划分划分区区别别常见陶瓷分类方法？常见陶瓷分类方法？25区别区别传统陶瓷传统陶瓷特种陶瓷特种陶瓷原料原料原料原料天然矿物材料天然矿物材料天然矿物材料天然矿物材料人工精致合成原料人工精致合成原料人工精致合成原料人工精致合成原料成型成型成
11、型成型注浆、可塑成型注浆、可塑成型注浆、可塑成型注浆、可塑成型注射、轧膜、等静压、流注射、轧膜、等静压、流注射、轧膜、等静压、流注射、轧膜、等静压、流延等延等延等延等烧成烧成烧成烧成1350135013501350以下，煤、油、气以下，煤、油、气以下，煤、油、气以下，煤、油、气结构陶瓷需结构陶瓷需结构陶瓷需结构陶瓷需1600160016001600，功能，功能，功能，功能陶瓷需精确控制，电、油、陶瓷需精确控制，电、油、陶瓷需精确控制，电、油、陶瓷需精确控制，电、油、气气气气性能性能性能性能外观效果为主外观效果为主外观效果为主外观效果为主内在质量为主，高强、耐内在质量为主，高强、耐内在质量为主，
12、高强、耐内在质量为主，高强、耐磨、耐高温、耐腐蚀等磨、耐高温、耐腐蚀等磨、耐高温、耐腐蚀等磨、耐高温、耐腐蚀等加工加工加工加工一半不需要加工一半不需要加工一半不需要加工一半不需要加工切割、打孔、研磨、抛光切割、打孔、研磨、抛光切割、打孔、研磨、抛光切割、打孔、研磨、抛光传统陶瓷与特种陶瓷的区别传统陶瓷与特种陶瓷的区别262728293031323334结构陶瓷结构陶瓷 35强度较高，绝缘电阻大，硬度大，耐磨、耐蚀强度较高，绝缘电阻大，硬度大，耐磨、耐蚀 介电损耗低介电损耗低 透光性透光性 耐高温耐高温 用途最广泛，原料最丰富，价格最低廉用途最广泛，原料最丰富，价格最低廉 金属熔炼的坩埚、金属熔
13、炼的坩埚、炉管、炉芯、热炉管、炉芯、热电偶保护管等各电偶保护管等各种耐热部件种耐热部件 化工领域输送酸化工领域输送酸的管道内衬、阀的管道内衬、阀门以及各种耐酸门以及各种耐酸泵的泵体、叶轮泵的泵体、叶轮 电工电子：火花电工电子：火花塞绝缘瓷、装置塞绝缘瓷、装置瓷，大功率电子瓷，大功率电子管支架、窗口、管支架、窗口、管壳，大规模集管壳，大规模集成电路的基片及成电路的基片及原件等原件等 各种刀具、各种刀具、模具、磨料模具、磨料及耐磨件及耐磨件 透光材料：透光材料：钠蒸汽灯管钠蒸汽灯管红外窗口等红外窗口等 Al2O3陶瓷陶瓷36仅次于氧化铝陶瓷的另外一种重要的结构陶瓷仅次于氧化铝陶瓷的另外一种重要的结
14、构陶瓷 硬度高、强度高、韧性好、耐腐蚀、敏感硬度高、强度高、韧性好、耐腐蚀、敏感所有陶瓷所有陶瓷中最高的中最高的 冷成型工具冷成型工具切削工具切削工具耐磨材料耐磨材料 发动机活塞帽、发动机活塞帽、汽缸内衬、轴汽缸内衬、轴承、连杆承、连杆 惰性惰性生物生物陶瓷陶瓷 气敏元件气敏元件 熔点很高（熔点很高（2667），高温抗腐蚀能力非常强，用作特种），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。耐火材料、浇注口，熔炼铂、钯、铑等金属的坩埚等。 ZrO2陶瓷陶瓷37383940功能陶瓷功能陶瓷 功能陶瓷功能陶瓷: : 利用电、磁、声、光、热等直接效应及其耦利用电、磁、
15、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使用功能的陶瓷材料一般利用其一般利用其非力学性能非力学性能特点：特点：品种多、产量大、价格低、应用广、功能全、品种多、产量大、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。技术高、更新快，在材料领域中占有重要的地位。应用：应用：能源开发、空间技术、电子技术、传感技术、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、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、 环境科学等领域环境科学等领域广泛的应用广泛的应用41材料
16、科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院4.2 陶陶 瓷瓷 材材 料料绝绝缘缘陶陶瓷瓷 电电介介质质陶陶瓷瓷 压压电电和和热热释释电电陶陶瓷瓷 敏敏感感陶陶瓷瓷 磁磁性性陶陶瓷瓷 导导电电和和超超导导陶陶瓷瓷 生生物物陶陶瓷瓷 抗抗菌菌陶陶瓷瓷 多多孔孔陶陶瓷瓷 透透明明和和光光学学陶陶瓷瓷 功能陶瓷功能陶瓷42透明陶瓷：透明陶瓷：可以透过可见光的陶瓷可以透过可见光的陶瓷透明氧化铝：工业最可行透明氧化铝：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陶瓷本身的耐高温耐腐蚀高强度等优异性能
17、 陶瓷光学透镜陶瓷光学透镜高压钠灯灯管高压钠灯灯管43压电陶瓷：一种压电陶瓷：一种具有压电效应、具有压电效应、能够将机械能和电能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。能互相转换的功能陶瓷材料。 压电陶瓷压电陶瓷如：钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅（如：钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅（PZT）等）等44骨、牙、心脏瓣膜、整形外科、药物传递等骨、牙、心脏瓣膜、整形外科、药物传递等生物陶瓷生物陶瓷4546黏土矿物高岭石钾长石石英陶瓷材料的制备工艺陶瓷材料的制备工艺 原料配制原料配制 坯料成型坯料成型 烧结烧结 成品成品主要原料：主要原料：黏土、石英、长石黏土、石英、长石4.2.4 4.2.4 陶瓷的制备陶瓷的制
18、备 47原料选取原料选取配方设计配方设计坯料制备坯料制备坯体成型坯体成型釉料制备釉料制备施釉施釉高温处理高温处理 ？陶瓷制备的一般工艺过程陶瓷制备的一般工艺过程48u 陶瓷工业发展迅速，各种新型陶瓷不断陶瓷工业发展迅速，各种新型陶瓷不断问世问世u 美国美国“哥伦比亚哥伦比亚”号航天飞机的外壳铺号航天飞机的外壳铺砌了砌了3.23.2万块金属陶瓷耐热片万块金属陶瓷耐热片u 用新型陶瓷材料代替金属材料制发动机用新型陶瓷材料代替金属材料制发动机u 专家们预言：随着新陶瓷技术的发展，专家们预言：随着新陶瓷技术的发展，人类将人类将“重返重返” ” 石器时代，不过是一个全石器时代，不过是一个全新的石器时代。
19、新的石器时代。陶瓷材料的发展前景陶瓷材料的发展前景494.3 4.3 玻璃材料玻璃材料 什么是玻璃？什么是玻璃？凡熔融体通过一定方式冷却，因黏度逐渐增加而具有固体凡熔融体通过一定方式冷却，因黏度逐渐增加而具有固体性质与一定结构特征的性质与一定结构特征的非晶态非晶态物质，都称为玻璃。物质，都称为玻璃。纯碱、石灰石、石英纯碱、石灰石、石英设备：设备：原料：原料：玻璃窑或玻璃熔炉玻璃窑或玻璃熔炉原理：原理： Na2CO3SiO2 = Na2SiO3CO2高温高温CaCO3SiO2=CaSiO3CO2高温高温成分：成分：SiO2 、Na2SiO3 、CaSiO350战战国国中中晚晚期期玻玻璃璃璧璧隋隋
20、李李静静训训墓墓出出土土的的玻玻璃璃圆圆盒盒清清乾乾隆隆白白地地套套红红玻玻璃璃双双合合瓶瓶古古埃埃及及玻玻璃璃制制品品古古代代玻玻璃璃制制品品515253在玻璃原料中加入某些金属氧化物制成在玻璃原料中加入某些金属氧化物制成如加入如加入CoO，玻璃呈蓝色；，玻璃呈蓝色；加入加入Mn2O，呈紫色；，呈紫色；加入加入Cu2O，呈红色；，呈红色；加入加入Cr2O3，呈绿色。，呈绿色。有色玻璃有色玻璃它的抗弯强度比普通玻璃大它的抗弯强度比普通玻璃大5-75-7倍，只倍，只有受到强烈冲击时才会破坏，而且有受到强烈冲击时才会破坏，而且碎片棱角圆滑，不易飞溅，不易伤碎片棱角圆滑，不易飞溅，不易伤人，是很好的
21、安全玻璃。人，是很好的安全玻璃。将玻璃进行淬火处理或用化学方法处理制成将玻璃进行淬火处理或用化学方法处理制成钢化玻璃钢化玻璃544.4 4.4 胶凝材料胶凝材料 凡能在物理、化学作用下，由浆体变为坚固凡能在物理、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。度的物质，通称为胶凝材料。 胶凝材料胶凝材料无机无机有机有机沥青和各种树脂沥青和各种树脂水硬性胶凝材料水硬性胶凝材料气硬性胶凝材料气硬性胶凝材料水泥水泥 55又称波特兰又称波特兰(Portland)水泥，是由粘土和石灰石水泥，是由粘土和石灰石按比例在旋
22、转窑中于按比例在旋转窑中于1450以上温度煅烧成熟以上温度煅烧成熟料，再混入少量石膏，磨粉后制成。料，再混入少量石膏，磨粉后制成。硅酸盐水泥硅酸盐水泥 产量最大，应用最广泛产量最大，应用最广泛 5657少量游离氧化钙（少量游离氧化钙（f-CaO）、方镁石、含碱矿物及玻璃体等）、方镁石、含碱矿物及玻璃体等584.4 胶胶 凝凝 材材 料料硅酸盐水泥的水化硬化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。即为水泥
23、的凝结硬化。 水化水化过程过程为前为前提提 以以水泥水泥为为胶凝材料胶凝材料，与水和粗、细集料，与水和粗、细集料等材料按适当比例配合拌制成拌合物，等材料按适当比例配合拌制成拌合物，再经浇筑成型硬化后得到的人造石材。再经浇筑成型硬化后得到的人造石材。水泥混凝土水泥混凝土5960特种水泥特种水泥 特种水泥指具有某些特殊性能和特种功能的特种水泥指具有某些特殊性能和特种功能的水泥。水泥。快快硬硬高高强强水水泥泥低低水水化化热热水水泥泥膨膨胀胀水水泥泥油油井井水水泥泥耐耐高高温温水水泥泥装装饰饰水水泥泥其其它它水水泥泥特种水泥特种水泥 耐耐腐腐蚀蚀水水泥泥61 耐火材料是指耐火温度不低于耐火材料是指耐火
24、温度不低于1580,1580,并在高温下能耐气体、熔融金属、熔融炉渣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等物质侵蚀，而且有一定机械强度的无机非金属材料。金属材料。4.5 4.5 耐火材料耐火材料 62硅砖硅砖镁砖镁砖高铝砖高铝砖p常用耐火材料的主要组分是一些高熔点氧化物，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按其化学性质可分为酸性、碱性和中性酸性、碱性和中性。酸性耐火。酸性耐火材料的主要组分是材料的主要组分是SiOSiO2 2等，如硅砖；碱性耐火材料等，如硅砖；碱性耐火材料的主要组分是的主要组分是MgOMgO、CaOCaO等，如镁砖；中性耐火材料等，如镁砖；中性耐火材料的主要组分是的主要组分是AlAl2 2O O3 3、CrCr2 2O O3 3等，如高铝砖。等，如高铝砖。6364
