第七章无机非金属材料.pdf

第第第第7 7章章章章 无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials1PDF pdfFactory Pro 本章内容7.1无机非金属材料的分类和特点无机非金属材料的分类和特点7.2 水泥与玻璃水泥与玻璃7.3 陶瓷陶瓷7.4 半导体材料半导体材料7.5 超导材料超导材料2Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 学习目的 结合前面所学内容，理解无机非金属材料结构结合前面所学内容，理解无机非金属材料结构与性能特点；与性能特点；了解常用无机非金属材料的合成和工艺。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。用原理、结构及用途。3 3Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 学习参考书目1.杨兴钰.材料化学导论.武汉：湖北科学技术出版社，20032.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,19904.M.W.Barsoum,Fundamentals of Ceramics,IOP,20035.J.G.P.Binner,Advanced Ceramic Processing and Technology,Vol.1,Noyes,19904Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 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、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。5传统（普通）无机非金属材料传统（普通）无机非金属材料新型（特种）无机非金属材料新型（特种）无机非金属材料Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 传统（普通）无机非金属材料品种品种品种示例品种示例水泥等胶凝材料水泥等胶凝材料硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、石膏等硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、石膏等陶瓷陶瓷粘土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等粘土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等耐火材料耐火材料硅质、硅酸铝质、高铝质、镁质、铬镁质等硅质、硅酸铝质、高铝质、镁质、铬镁质等玻璃玻璃硅酸盐硅酸盐搪瓷搪瓷钢片、铸铁、铝和铜胎等钢片、铸铁、铝和铜胎等铸石铸石辉绿岩、玄武岩、铸石等辉绿岩、玄武岩、铸石等（铸石是一种经加工而成（铸石是一种经加工而成的硅酸盐结晶材料其耐磨性比碳素钢高数十倍；其的硅酸盐结晶材料其耐磨性比碳素钢高数十倍；其莫氏硬度莫氏硬度78，仅次于仅次于金金刚刚石和石和刚玉刚玉）研磨材料研磨材料氧化锆、氧化铝、碳化硅等氧化锆、氧化铝、碳化硅等多孔材料多孔材料硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸盐和硅酸铝等硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸盐和硅酸铝等碳素材料碳素材料石墨、焦炭和各种碳素制品等石墨、焦炭和各种碳素制品等非金属矿非金属矿粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金刚石等粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金刚石等6Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 新型（特种）无机非金属材料7品种品种品种示例品种示例绝缘材料绝缘材料氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等铁电和压电材料铁电和压电材料钛酸钡系、锆钛酸铅系材料等钛酸钡系、锆钛酸铅系材料等磁性材料磁性材料锰锰锌、镍锌、镍锌、锰锌、锰镁、锂镁、锂锰等铁氧体、磁记录和磁泡材料等锰等铁氧体、磁记录和磁泡材料等导体陶瓷导体陶瓷钠、锂、氧离子的快离子导体等钠、锂、氧离子的快离子导体等半导体陶瓷半导体陶瓷钛酸钡、氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化锆等过渡金属元素氧化物系材料等钛酸钡、氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化锆等过渡金属元素氧化物系材料等光学材料光学材料钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透明材料和石英系或多组分玻璃的光导纤维等钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透明材料和石英系或多组分玻璃的光导纤维等高温结构陶瓷高温结构陶瓷高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等难熔化合物高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等难熔化合物超硬材料超硬材料碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等人工晶体人工晶体铝酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等铝酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等生物陶瓷生物陶瓷长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的载体材料等长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的载体材料等无机复合材料无机复合材料陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 结构特征 离子键：离子键：无无方向方向性、无性、无饱饱和性和性 紧密紧密堆积堆积；键键强较强较高高 密密度度大大，高，高强强度、高硬度、高度、高硬度、高脆脆性、耐性、耐热热 共价共价键：键：具有具有方向方向性与性与饱饱和性和性 键键强强度度较较高，高，具有稳定具有稳定化学化学结结构构 密密度度较小较小，熔熔点高，硬度点高，硬度大大，脆脆性性大大，热膨胀热膨胀系系数数小小，绝缘绝缘性性好。好。离子键离子键与与共价共价键键混混合合8Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 部分陶瓷化合物化学键混合特征9陶瓷陶瓷化合物化合物结结合合原原子子电电负负性性差差离子键离子键比例比例(%)共价共价键键比例比例(%)MgOMg-O2.136832Al2O3Al-O1.835743SiO2Si-O1.544555Si3N4Si-N1.142872SiCSi-C0.651090Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 7.2 水泥与玻璃 硅酸盐水泥硅酸盐水泥 铝酸盐水泥铝酸盐水泥 硫硫铝酸盐水泥铝酸盐水泥 氟氟铝酸盐水泥铝酸盐水泥 铁铝酸盐水泥铁铝酸盐水泥107.2.1 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。Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 11Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 硅酸盐水泥 熟料成分：硅酸三钙（3CaOSiO2），C3S 硅酸二钙（2CaOSiO2），C2S 铝酸三钙（3CaOAl2O3），C3A 铁铝酸四钙（4CaOAl2O3Fe2O3），C4AF12Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 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.13Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials（低低、中中水水化化热热，微微小膨胀小膨胀性性能能）PDF pdfFactory Pro 硅酸盐水泥生产14CaCO3CaO+CO275010002CaCO32CaO10001300+SiO2SiO23CaCO33CaO10001300+Al2O3Al2O3Fe2O3Fe2O32CaO3CaO13001400+SiO2CaO SiO24CaCO34CaO10001300+Al2O3Al2O3+（硅酸二钙）（铝酸三钙）（铁铝酸四钙）（硅酸三钙）生生料经料经上述烧上述烧结结过过程所得熟程所得熟料经料经碾碾磨成磨成细粉细粉，加，加少量少量石膏，石膏，用以调节用以调节水泥的水硬水泥的水硬化化时间时间，即得即得水泥成品水泥成品。熟熟料料制制备备的的化学过化学过程程：Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 15Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 硅酸盐水泥的水化、凝结、硬化大大致致分分为三个阶段为三个阶段：水水化化水泥与水的水泥与水的化学化学反应称为反应称为水水化化。凝结凝结水泥加水水泥加水拌拌和和初期形初期形成成具有可塑具有可塑性的性的浆浆体体。随着。随着水水化化反应反应的的不断进行不断进行，浆浆体体逐渐变逐渐变稠失去流动稠失去流动性性。硬硬化化浆浆体的体的强强度度逐渐提逐渐提高高并变并变成成坚坚硬的石硬的石状固状固体（水泥石）体（水泥石）。16Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 水化、凝结、硬化过程包括复杂的物理化学变化过程（水化是关键因素）包括复杂的物理化学变化过程（水化是关键因素）173CaOSiO2 nH2O 2CaOSiO2(n-1)H2O Ca(OH)22CaOSiO2 mH2O 2CaOSiO2mH2O3CaOAl2O3 6H2O 3CaOAl2O36H2O4CaOAl2O3Fe2O3 7H2O 3CaOAl2O36H2O CaOAl2O3Fe2O3H2O各种水化产物逐渐形成一个三维空间牢固结合、密实的整体。但关于凝结、硬化机制仍不十分清楚。Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 7.2.2 玻璃18玻璃玻璃瓶瓶玻璃工玻璃工艺烛台艺烛台建筑建筑玻璃玻璃艺术艺术玻璃玻璃玻璃玻璃：通常以石英砂、纯碱、长石（铝硅酸盐）及石灰：通常以石英砂、纯碱、长石（铝硅酸盐）及石灰石为主要原料，在高温炉内发生熔融反应后形成的熔体石为主要原料，在高温炉内发生熔融反应后形成的熔体冷冷却却后后呈坚硬呈坚硬无无定定形形状态状态的无机物的无机物Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 19普通玻璃的无定形化学结构Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials含量最含量最高的为非高的为非晶晶SiO2，一般一般为为50%80%，在在石英玻璃石英玻璃中中高高达达98%以以上上。SiO2形成形成骨架骨架。普普通玻璃通玻璃还含有还含有K2O,Na2O,CaO等等PDF pdfFactory Pro 玻璃玻璃中中的的组组分分构构成成：1.形成体：形成体：能能够独立够独立形成形成骨架骨架（网络网络）的）的氧氧化物化物 SiO2，B2O3，GeO22.中间中间体：体：不不能能独立独立形成形成网络网络的的氧氧化物，化物，但但能能够够与形成体与形成体共同共同形成形成网络网络 Al2O3，V2O5，SeO23.辅助辅助原料：原料：一般一般为碱金属与碱为碱金属与碱土土金属的金属的氧氧化物化物 Na2O，K2O，CaO，MgO，BaO等等，以，以便便得到由得到由硅酸盐和硅酸盐和剩余剩余SiO2组组成的成的烧烧结物结物。20Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 21Na2O的加入对SiO2网络的影响Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials钠钙钠钙玻璃，玻璃，又名钠又名钠玻璃，玻璃，易易成型，成成型，成本低本低，历史最悠久历史最悠久，用途，用途最广最广PDF pdfFactory Pro 22鳞石英鳞石英SiO2-Na2O相图相图方方石石英英Na2O加加入入SiO2中中，因形因形成成低低共共熔熔混混合物合物而而使使其其熔熔融融温温度度显著降显著降低低PDF pdfFactory Pro 7.2.2.1 玻璃的制造231)硅酸盐硅酸盐形形成成阶段阶段2)玻璃玻璃形形成成阶段阶段4)玻璃玻璃液液的的均均化化阶段阶段3)玻璃玻璃液澄清液澄清阶段阶段5)玻璃玻璃液冷却液冷却阶段阶段Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 24Process11)硅酸盐形成阶段一般一般在熔在熔制制过程过程初期进行初期进行。对普对普通通钠钠玻璃玻璃而言而言，此阶段此阶段在在 800-900完完成。成。在在固相或液相固相或液相反应反应中中形成形成由由各种硅酸盐、与各种硅酸盐、与剩余剩余SiO2，组组成的成的不透明烧不透明烧结物。结物。如如：CaCO3CaO+CO2CaO+SiO2CaSiO3形成形成低共低共熔熔混混合物：合物：SiO2-Na2OChapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 25Process2CO2,O2,SO2,NO2等等CO2,O2,SO2,NO2等等2)玻璃形成阶段继续加热烧继续加热烧结物，硅酸盐形成结物，硅酸盐形成阶段阶段生成的各种硅生成的各种硅酸盐与酸盐与剩余剩余SiO2开始开始熔融，熔融，它们之间相互它们之间相互熔解、熔解、扩散扩散，此阶段此阶段结结束时束时变成变成透明透明体。（体。（对普对普通通钠钠玻玻璃璃而言而言通常在通常在 1200-1250完完成）。成）。低共低共熔熔混混合物熔化合物熔化硅酸盐和硅酸盐和剩余剩余石英砂石英砂粒粒的的互互熔熔熔体熔体中有大量气泡中有大量气泡、条纹条纹PDF pdfFactory Pro 26此阶段对此阶段对产品质产品质量量影响很影响很大大（对普对普通通钠钠玻璃玻璃而言而言通常在通常在1400-1500）加加入澄清剂除入澄清剂除气泡气泡，如如Na2SO4，放出放出SO3并带出并带出气气体。体。其其它它澄清剂澄清剂，如如：脱色剂脱色剂，主要，主要弱弱化化铁铁化合物化合物对对玻璃玻璃着色着色的的影响影响，将将低低价价铁铁氧氧化成高化成高价铁价铁（FeO着色着色能能力力是是Fe2O3的的10倍倍），），提提高玻璃高玻璃透明透明度度。常用。常用硝硝酸盐，酸盐，但但其分其分解温解温度度低低（380C），在玻璃形成前，在玻璃形成前大大部分分部分分解解产产生的生的氧氧已已逸出逸出，脱色效果脱色效果不不理理想想。可采可采用：用：NaNO3/KNO3+As2O3适于适于高温熔体高温熔体14001500CNaNO3/KNO3+Sb2O3适于适于低低温熔体温熔体1300 1400C低低温温时时硝硝酸盐酸盐放出放出的的氧氧将将As2O3 及及Sb2O3氧氧化成化成AS2O5及及Sb2O5，高温，高温时时分分解解放出放出氧气氧气使使 FeO氧氧化成化成Fe2O3而而脱色脱色。熔体熔体中还有中还有条纹条纹，存存在玻璃化学成在玻璃化学成分分不不均匀均匀，温，温度度不不均匀均匀。Process33)玻璃液澄清阶段PDF pdfFactory Pro 27Process4&54)玻璃液的均化阶段因因上上述述原因，原因，故需故需玻璃玻璃液液的的均均化，通常化，通常低低于澄清于澄清温温度下度下完完成成。通通过过扩散扩散、对对流流、搅搅拌拌作作用用，消除条纹消除条纹、成分、成分不不均匀均匀和和热不热不均匀均匀性性5)玻璃液冷却阶段Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials为了为了达到达到成型所成型所需粘度必须降需粘度必须降温（温（对普对普通通钠钠玻玻璃璃而言而言通常通常降降到到 1000-1100再再进行进行成型）成型）PDF pdfFactory Pro 28玻璃成型工玻璃成型工艺艺：（a）压制压制，（，（b）压压吹吹，（，（c）拉拉纤纤(a)pressing,(b)press and blow process,(c)drawing of fibers.Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 29连续平板连续平板玻璃玻璃生生产设产设备备Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials浮法浮法成型成型平拉法平拉法成型成型退火退火：将平板将平板玻璃玻璃缓慢缓慢加热到一定加热到一定温温度度，保持足保持足够时间够时间，然然后以后以缓慢速度缓慢速度冷冷却却的的一一种种热热处处理工艺。理工艺。目目的是的是去除去除残残余余应应力力，得到得到预预期期的物理性能。的物理性能。PDF pdfFactory Pro 7.2.2.2 玻璃分类氧化物氧化物玻璃（品种和数玻璃（品种和数量量很很多多）石英玻璃石英玻璃（SiO2含含量量 99.5%，热膨胀热膨胀系系数数低低、耐高、耐高温温、透透紫外紫外光光和和红外红外光光）硅酸盐玻璃硅酸盐玻璃（基基本本成分成分为为SiO2，产产量量最最大大、品种、品种最最多多）钠钙钠钙玻璃玻璃（又名又名钠钠玻璃，玻璃，含含有有15%Na2O，16%CaO，成，成本本低低廉廉，易易成型，成型，产产量量占实占实用用玻璃的玻璃的90%，如如：玻璃玻璃瓶瓶、罐罐、平板平板玻璃、玻璃、器皿器皿等等，是，是用量用量很很大大的普通玻璃）的普通玻璃）铅铅酸盐玻璃酸盐玻璃（基基本本成分成分为为SiO2和和PbO，含含有有大大量量PbO的的铅铅玻璃能玻璃能阻挡阻挡x射线射线和和射线射线）非非氧化物氧化物玻璃（品种和数玻璃（品种和数量量很很少少）硫系硫系玻璃玻璃（阴阴离子多离子多为硫为硫、硒硒、碲碲等，等，多多用用作作光学光学玻璃玻璃）卤卤化物玻璃化物玻璃（如如：以以氟化铍或氟化铍或氯氯化铍或化铍或氯氯化锌微化锌微主要主要成分的玻璃）成分的玻璃）氟氟化物玻璃化物玻璃（未来未来的的光纤光纤材料，材料，光光传传输输性性能能优优于于SiO2基光纤基光纤材料）材料）30PDF pdfFactory Pro 硅酸盐玻璃硅酸盐玻璃基基本本成分成分为为SiO2石石英英玻璃玻璃SiO2含含量量大于大于99.5高硅高硅氧氧玻璃玻璃SiO2含含量量约约96钠钠钙钙玻璃（玻璃（又名又名钠钠玻璃）玻璃）含含有有15的的Na2O和和16的的CaO（成（成本本低低，易易成型）成型）铅铅硅酸盐玻璃硅酸盐玻璃主要主要成分成分有有SiO2和和PbO铝硅酸盐玻璃铝硅酸盐玻璃主要主要成分成分有有SiO2和和Al2O3硼硼硅酸盐玻璃（耐硅酸盐玻璃（耐热热玻璃）玻璃）以以SiO2和和B2O3为为主要主要成分成分钾钾玻璃（硬玻璃）玻璃（硬玻璃）以以K2O代替代替钠钠玻璃玻璃中中的的部部分分Na2O，适当适当提提高高SiO2含含量量，较较硬硬31Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 7.2.2.3 特种玻璃钢钢化化玻璃玻璃 淬火产淬火产生内应生内应力力，导致表导致表面面增强增强，是，是一一种种表表面面增强增强的高的高强度强度玻璃玻璃无无色色光学光学玻璃玻璃 可见光波可见光波长长范围范围内内吸光吸光性性极极低低高纯高纯度度（有有色色金属金属离子可引起光吸离子可引起光吸收收）高高折射率折射率增增加氧加氧化化钡钡、氧氧化化铅铅含量含量导导电电玻璃玻璃 ITO（Indium Tin Oxide，氧氧化化铟锡铟锡）透明透明导导电电玻璃，玻璃，ITO导导电电玻璃玻璃是在是在钠钙钠钙基基或或硅硅硼基基片硼基基片玻璃玻璃上上，利利用用磁控溅射磁控溅射的的方方法法镀镀上一上一层层ITO膜膜加加工工制制作成的，是作成的，是电电子子工工业业的的基础基础材料，主要用材料，主要用于于液晶液晶显示器显示器（LCD），是，是目目前前电电子子工工业业用途用途最广最广泛泛、发、发展展最最迅迅速速的的一一类类产品产品。LCD专专用用平板平板玻璃玻璃 TFT-LCD（薄膜薄膜晶晶体体管管-液晶液晶显示器显示器）使使用无碱玻璃，用无碱玻璃，避免避免钠钠离子离子迁迁移移对对半半导导体的体的破坏破坏，无碱玻璃以，无碱玻璃以无碱硅酸铝玻璃无碱硅酸铝玻璃为主，为主，其其碱金属碱金属总总含含量量1%。32Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 光纤光纤玻璃玻璃 高纯高纯度度石英（石英（SiO2）。作为）。作为光光传输传输的的介介质质材料材料称称为为光导光导纤维纤维，简称简称光光纤纤。主要为通。主要为通信信光光纤纤。一一对对金属金属电电话线至话线至多多只只能能同同时时传传送送一一千千多多路路电电话话，而，而根据根据理理论计算论计算，一，一对对细细如蛛丝如蛛丝的的光光导导纤维纤维可以可以同同时时通一通一百亿路百亿路电电话！铺设话！铺设1000公里公里的的同轴同轴电电缆缆大大约需要约需要500吨吨铜，铜，改改用用光纤光纤通通信只信只需几公需几公斤斤石石英英就就可以可以了了。有有光纤光纤之父之父之之称称的的华裔科华裔科学学家家高高锟锟，凭借凭借在在光纤光纤领域领域的的卓卓著著研研究究而而获获得得2009年年度度诺贝尔诺贝尔物理学物理学奖奖。33PDF pdfFactory Pro 高高纯纯度度SiO2，掺掺有有极极少量少量的的掺杂剂掺杂剂(GeO2，P2O5)34光纤结构光纤结构 包层 纤芯 包层 入射角 反射角 光通过内部反射传播 光在防护层中吸收较少 防护层 纤芯 包层 防护层 防护层 光纤光纤(Optical Fiber)是是由由中中心心的的纤纤芯芯和和外外围围的的包层包层同轴同轴组组成的成的圆柱圆柱形细形细丝丝。纤纤芯芯的的折折射射率率比比包层稍包层稍高，高，损耗损耗比比包层更包层更低低，光光主要主要在在纤纤芯内芯内传传输输。包层包层为为光光的传的传输输提提供供反反射射面面和和光光隔隔离离，并并起起一一定定的机的机械保护械保护作作用。用。设设纤纤芯芯和和包层包层的的折折射射率率分分别别为为n1和和n2，光光在在光纤光纤中中传传输输的的必必要条要条件件是是n1n2。PDF pdfFactory Pro 不同玻璃颜色所使用着色剂着着色色剂剂玻璃玻璃颜颜色色氧化氧化铁铁绿、绿、棕棕氧化锰氧化锰深琥珀深琥珀色色氧化氧化钴钴深蓝深蓝氯氯化化金金宝宝石石红红硒硒化合物化合物红红锰锰、钴钴、铁、铁混混合物合物 黑黑色色氧化氧化锑锑白白色色氧化氧化铀铀黄黄绿绿铜铜化合物化合物浅蓝浅蓝、红红锡化合物锡化合物白白色色铅铅-锑锑化合物化合物黄黄35彩彩色色玻璃玻璃通通过过添添加加着着色色剂剂变变成成彩彩色色着着色色剂剂能能对对投投射射到到玻璃玻璃上上的的白白光光进进行行选择选择性的性的吸收吸收PDF pdfFactory Pro 36无无色色光学光学玻璃玻璃ITO导导电电玻璃玻璃彩彩色色玻璃玻璃钢钢化化玻璃玻璃光纤光纤玻璃玻璃Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 种 类种 类特 性特 性用用 途途普通玻璃普通玻璃在在高高温温下下易易软软化化窗窗玻璃、玻璃玻璃、玻璃瓶瓶、玻璃、玻璃杯杯等等石石英英玻璃玻璃膨胀膨胀系系数数小小，耐酸，耐酸碱碱，强强度度大大，滤滤光光化学化学仪仪器器，高，高压压水水银灯银灯，紫外紫外灯灯，光光导导纤维纤维，压电压电晶体等晶体等光学光学玻璃玻璃透光透光性性能好能好，有有折折光光和和色散色散性性眼镜眼镜片，片，照照相相机，机，显显微微镜镜，望望远镜远镜用用凸凹凸凹透透镜镜等等光学光学仪仪器器玻璃玻璃纤维纤维耐耐腐蚀腐蚀，不不怕怕烧烧，不不导导电电，不不吸吸水，水，隔隔热热，吸声吸声，防蛀虫防蛀虫太空飞太空飞行行员员的的衣服衣服，玻璃钢等，玻璃钢等钢钢化化玻璃玻璃耐高耐高温温，耐，耐腐蚀腐蚀，强强度度大大，质，质轻轻，抗震裂抗震裂运运动动器器材，材，微微波波通通讯讯器器材，材，汽汽车车，火，火车车窗窗玻璃等玻璃等几种玻璃的特性和用途37Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 7.3 陶 瓷Ceramics38Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 陶器（陶器（Pottery）与瓷器（）与瓷器（China）比较）比较39性性能能及及特特征征陶陶器器瓷瓷器器吸水性/一般大于3一般不大于3透光性不透光透光胎体特征未玻化或玻化程度差、断面粗糙玻化程度高、结构致密、细腻，断面呈石状或贝壳状敲击声沉浊清脆陶瓷：是陶器与瓷器或陶器、炻器与瓷器的总称炻器：又称缸器。介于陶器和瓷器之间的制品，如水缸、宜兴紫砂陶等，多为棕色、黄褐色或灰蓝色玻璃相：陶瓷胎体（坯体）中的一部分组成高温下会形成熔体(液态)，冷却过程中形成的非晶态固体即玻璃相PDF pdfFactory Pro 7.3.1 陶瓷的定义传统陶瓷定义传统陶瓷定义 陶瓷陶瓷指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经经过过配配料、成型、料、成型、干燥干燥、烧烧结（结（焙焙烧烧）等等过程过程而制成的器物。陶和瓷有区别。而制成的器物。陶和瓷有区别。较全面的定义：较全面的定义：陶瓷陶瓷是天然或人工制备的粉体，经过是天然或人工制备的粉体，经过成型和高成型和高温温烧烧结结而而成的成的固固体材料。包括：体材料。包括：传统陶瓷传统陶瓷（普普通通陶陶瓷瓷，为通常硅酸盐，为通常硅酸盐陶瓷陶瓷）、及特种、及特种陶瓷陶瓷（现代陶瓷现代陶瓷，先先进进陶瓷陶瓷包括包括碳碳化物、化物、氮氮化物、硅化物、化物、硅化物、硼硼化物化物、氧氧化物化物等等为主要成为主要成分分的的结构结构陶瓷陶瓷及及功功能能陶瓷陶瓷）40Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 7.3.2 陶瓷一般结构与基本性质 微微结结构构特特征征：多：多相相结结构构 由由晶晶相相、玻璃、玻璃相相和和气气孔组孔组成成 各各相相的的组组成结成结构构、数、数量量、几几何何形形态态及及分分布布不不同同，使不使不同同的陶瓷材料性的陶瓷材料性能能各各异异。晶晶相相：陶瓷陶瓷中中最最重重要要的的组组成成相相，主主晶晶相相的性的性能能常常常常就就决决定着定着陶瓷的陶瓷的物化物化性性能。能。玻璃玻璃相相：非晶非晶态态结结构构的的低低熔熔点点固固体体组组织织 其其作作用用是是填充填充晶晶粒粒间间隙隙，粘结晶，粘结晶粒粒，提提高高致致密密程程度，度，可可降降低烧低烧结结温温度，度，改改善善工工艺艺，抑抑制制晶晶粒粒生生长长过大过大。气气孔孔：也也对对控控制制陶瓷材料性陶瓷材料性能能、质、质量有量有重重要作要作用用 陶瓷的陶瓷的许许多电多电气气性性能能与与热热性性能随能随气气孔孔率率、气气孔孔尺寸尺寸及及分分布布不不同同可在较可在较大大范范围内围内变变化化。41Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 7.3.3 陶瓷分类42Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 陶瓷分类及特点分类分类概念特点概念特点应用范围应用范围特种陶瓷用于现代工业和尖端科学技术所需的陶瓷制品结构陶瓷耐磨耐热耐冲击功能陶瓷光、声、电、磁、热、生物、化学等性能陶瓷普通陶瓷陶 器坯体结构较疏松,致密度较差的陶瓷制品。日用器皿，缸器，建筑卫生装饰用品。瓷 器坯体致密，基本上不吸水，半透明，断面呈石状或贝壳状。瓷质细腻，玻化程度高。日用餐茶具，陈设瓷及部份工业瓷炻 器介于陶器和瓷器之间的制品，如水缸、砂锅等，质地致密坚硬日用器皿，建筑卫生用品，工业用品。43Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 氧化物陶瓷（Al2O3、ZrO2、MgO等）碳化物陶瓷（SiC、B4C、WC等）氮化物陶瓷（Si3N4、TiN、BN等）碳化物陶瓷（SiC、TiC等）硼化物陶瓷（TiB2、ZrB2等）复合陶瓷（3Al2O32SiO2莫来石等）特种陶瓷特种陶瓷（按成分分类）44Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 普通陶瓷vs特种陶瓷普通陶瓷普通陶瓷特种陶瓷特种陶瓷原原料料天然矿物原料人工精制合成原料纯纯度度纯度较低纯度较高成型成型注浆、可塑成型为主压制、热压铸、注射、流延等静压成型为主功功能能容器或艺术品工业材料、科技材料45Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 7.3.4 陶瓷合成化学工艺流程 普通陶瓷普通陶瓷：材料精选（矿物精选）化学处理原料粉化制备陶瓷粉生坯（成型）烧结机械加工陶瓷成品。特种陶瓷特种陶瓷：46Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 7.3.4.1 陶瓷合成原材料及粉体制备 普通陶瓷：普通陶瓷：以天然矿物为原料以天然矿物为原料 三大主要原材料：三大主要原材料：粘土（硅酸铝盐粘土（硅酸铝盐）、长石（碱金、长石（碱金属或碱土金属铝硅酸盐）、石英矿属或碱土金属铝硅酸盐）、石英矿 辅料矿物：辅料矿物：铝土矿（铝土矿（Al2O3nH2O）、滑石（含水硅、滑石（含水硅酸镁酸镁）、硅灰石（、硅灰石（Ca3(Si3O9)或或CaSiO3）、等、等 水化、机械混合，直接形成生坯水化、机械混合，直接形成生坯 特种陶瓷：特种陶瓷：人工合成的原料人工合成的原料 氧化物：氧化物：单一氧化物，如单一氧化物，如Al2O3，ZrO2，TiO2，MgO等等 复合氧化物，如钛酸盐、铝酸盐、锆酸盐等复合氧化物，如钛酸盐、铝酸盐、锆酸盐等 非氧化物：非氧化物：碳化物、氮化物、硼化物等碳化物、氮化物、硼化物等 如如SiC，Si3N447PDF pdfFactory Pro 原料制备方法(参阅第5章:材料的制备）固相法液相法气相法48Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 热分解反应法：热分解反应法：很多金属的硫酸盐、硝酸盐等，都可以通过热分解法而获得特种陶瓷用氧化物粉末。Al2(NH4)2(SO4)4H2OAl2O3SO3NH3H2O 化合反应法：化合反应法：49BaCO3 TiO2 BaTiO3 CO2Al2O3 MgO MgAl2O4（尖晶石）3Al2O3 2SiO2 3Al2O32SiO2（莫来石）（1）固相法Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 氧化还原法氧化还原法（非氧化物特种陶瓷的原料粉末多用此法制（非氧化物特种陶瓷的原料粉末多用此法制备备）SiC粉末的制粉末的制备备：将SiO2与焦炭混合，在14601600的加热条件下，逐步还原碳化 Si3N4粉末的制粉末的制备备：在1600附近及N2条件下，通过SiO2与C的还原-氮化。50SiO2 C SiO CO SiO 2C SiC CO SiO C Si CO Si C SiC3SiO2 6C 2N2 Si3N4 6COChapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 51（3）气相合成法物物理气相沉积理气相沉积法法（physical vapor deposition,PVD）如如：真空蒸镀真空蒸镀，阴阴极极溅射溅射化化学气相沉积学气相沉积法（法（chemical vapor deposition,CVD）如如：热热分分解、解、氢氢还还原、原、光光化学化学气相气相沉积沉积、等等离子离子体体增强增强化学化学气相气相沉积沉积法法（2）液相合成法化化学共沉淀学共沉淀法法溶胶溶胶-凝胶凝胶法法溶剂蒸发溶剂蒸发法法Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 7.3.4.2 粉体原料处理 煅烧 除绝大多数挥发性杂质（有机物、溶剂、水份等），提高纯度 使原料颗粒致密化、晶粒长大，减轻后期成形烧结时的体积收缩效应。净化去除固体杂质 粉碎、分级 改变粒度、粒子形态结构、流散性和成形性，改变晶型 混入粉体助剂如：化学增塑剂、粘结剂52Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 7.3.4.3 陶瓷烧成 成型如：注浆、可塑成型、热压铸、注射、流延、等静压成型，等 烧结 固相烧结（Solid state sintering）在烧结温度下，粉末坯体在固态情况下达到致密化过程 液相烧结（Liquid phase sintering）粉末坯体在烧结过程中有液相存在的烧结过程 高温烧结的驱动力 来源于降低粉体自身表面张力的趋势，或表面自由能的降低53Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 7.3.5 结构陶瓷 结构陶瓷作为工程结构材料使用的陶瓷材料 主要利用陶瓷材料优越的力学性能，尤其是高温力学性能，特别适用于高温、高压等工业环境。机械强度和断裂韧性对其应用非常重要54如何克服陶瓷的高脆性？Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 主要成分：Al2O3少量SiO2。刚玉-莫来瓷（75瓷）：含75%Al2O3 刚玉瓷 95瓷：含 95%Al2O3 99瓷：含99%Al2O355氧化铝陶瓷Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 氧化铝陶瓷的晶体结构 氧化铝三种常见同素异构体：-Al2O3、-Al2O3、-Al2O3。氧化铝陶瓷的主晶相是-Al2O3 -Al2O3 属于六方系，稳定性好，在熔点2050 之前不发生晶型转变。-Al2O3属于尖晶石型（立方）结构，高温时不稳定，在1600转变为-Al2O3 56Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 性能与应用 高强度、高温稳定性 装饰瓷，喷嘴、火箭、导弹的导流罩；高硬度（仅次于金刚石、碳化硅、立方氮化硼、碳化硼）、高耐磨性（如：密封环）切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石(Cr3+：红宝石；Fe2+，Fe3+，Ti4+蓝宝石）低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性 火花塞，电路基板，管座；熔点高、抗腐蚀 耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等；57Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 5895瓷瓷纺织纺织件件99瓷瓷纺织纺织件件氧化氧化铝耐高铝耐高温温喷嘴喷嘴氧化氧化铝陶瓷铝陶瓷坩埚坩埚陶瓷陶瓷刀刀陶瓷陶瓷轴轴承承氧氧化化铝铝陶陶瓷瓷密密封封环环Chapter7 Non-metallic Inorganic MaterialsPDF pdfFactory Pro 59氧化锆陶瓷m-ZrO2：单斜