高分子和陶瓷材料的结构与性能.pptx

l传统腐蚀定义 金属与周围环境介质之间发生的化学或电化学作用而引起腐蚀破坏；l广义腐蚀定义 材料和材料性质在与其所处的环境介质作用下发生退化变质的现象。矿石（稳定）金属（不稳定）冶炼(能量)腐蚀（能量）自发过程能量差腐蚀驱动力第第1页页/共共58页页材料的源泉和归宿 资源/环境腐蚀破坏资源/环境负荷第第2页页/共共58页页研究腐蚀与防护的重要意义研究腐蚀与防护的重要意义直接损失直接损失l材料、构件、设备的直接腐蚀破坏；防止腐蚀或延缓腐蚀的投入（高耐腐蚀材料、表面处理、涂覆、电化学保护、环境介质处理等），可估算。l据国际权威统计-金属年产量的1/3受腐蚀报废，其中2/3尚可回炉,即约10金属永久腐蚀损失。l全世界金属产量约为10亿吨，损失1亿吨/年l我国金属年产量达1亿吨，损失0.1亿吨/年l据权威报告(英国Hoar报告和美国NBS报告)估计：每年因腐蚀造成的经济损失占国民经济总值2-4%第第3页页/共共58页页表表1.1.工业发达国家工业发达国家19841984年腐蚀损失统计年腐蚀损失统计国别国别 腐蚀损失腐蚀损失 GNP%美国2000亿美元4前苏联147 亿卢布2联邦德国300 亿马克3英国100亿英镑3.5法国1150亿法郎1.5日本150亿美元1.8表2.美国腐蚀损失逐年增加 人均损失：1100美元/人.年 3000亿中2000亿美元可避免 美元美元（亿）（亿）1995年第第4页页/共共58页页每年仅腐蚀就造成经济损失：每年仅腐蚀就造成经济损失：4%GDP材料服役失效造成材料服役失效造成的经济损失的经济损失25-40%可以挽回可以挽回2004年我国年我国GDP13.7万亿元万亿元4%GDP损失损失5480亿元亿元可挽回可挽回13602100亿元亿元腐蚀防护的意义腐蚀防护的意义腐蚀防护的意义腐蚀防护的意义第第5页页/共共58页页n2006年年8月月6日石油巨头日石油巨头BP公司宣布，因位于阿拉斯加州公司宣布，因位于阿拉斯加州北部北部Prudhoe Bay的美国最大油田一条输油管道遭到腐蚀的美国最大油田一条输油管道遭到腐蚀发生原油泄漏。大量石油流入阿拉斯加冻土发生原油泄漏。大量石油流入阿拉斯加冻土,估计共泄漏估计共泄漏20 万加仑万加仑(相当于相当于76 万升万升),是该油田历史上最大的一次漏油是该油田历史上最大的一次漏油事故。油管被迫立即关闭进行修复与清理工作。预计原油事故。油管被迫立即关闭进行修复与清理工作。预计原油日产量将减少日产量将减少40 万桶万桶,相当于美国原油日产量的相当于美国原油日产量的8%。n受受Prudhoe Bay油田减产影响，国际市场原油价格油田减产影响，国际市场原油价格7日大日大幅上升。纽约商品交易所幅上升。纽约商品交易所9月份交货的轻质原油期货价格每月份交货的轻质原油期货价格每桶上涨桶上涨1.23美元美元，收于每桶，收于每桶75.99美元。伦敦北海布伦特美元。伦敦北海布伦特9月份交货的原油期货价格每桶上涨月份交货的原油期货价格每桶上涨1.09美元美元，收于每桶，收于每桶77.26美元。美元。n油管壁厚度减少油管壁厚度减少70到到81。“结果绝对超过我们预料结果绝对超过我们预料”。n 原油开采过程中，原油开采过程中，二氧化碳与水、石油和天然气混合，是二氧化碳与水、石油和天然气混合，是管道腐蚀的主要原因。管道腐蚀的主要原因。第第6页页/共共58页页第第7页页/共共58页页n塔里木雅克拉气田一口气井由于油管腐蚀使天然气由油套塔里木雅克拉气田一口气井由于油管腐蚀使天然气由油套管的环空窜入地面着火管的环空窜入地面着火72天，造成直接经济损失天，造成直接经济损失3000万万元。元。n华北油田采油三厂溜华北油田采油三厂溜58断块富含断块富含CO2气体。自气体。自1984年年4月开采到月开采到1985年年7月，月，仅使用仅使用14个月个月，就有，就有3口日产原油口日产原油100400 t、天然气、天然气10000 m3的高产油井因油层套管严的高产油井因油层套管严重腐蚀而相继报废，造成直接经济损失重腐蚀而相继报废，造成直接经济损失1500万元。万元。n吉林油田万五井于吉林油田万五井于1985年年8月投产，产量为月投产，产量为20000 m3/d，投产，投产不到三年不到三年，由于油管被，由于油管被CO2腐蚀得千疮百孔，致使腐蚀得千疮百孔，致使800 m油管掉落井下。油管掉落井下。n四川油田、长庆油田、塔里木油田以及南海涠四川油田、长庆油田、塔里木油田以及南海涠103油田也油田也都因严重的都因严重的CO2腐蚀而造成巨大的经济损失。腐蚀而造成巨大的经济损失。第第8页页/共共58页页n塔里木油田，塔里木油田，P105油管投产油管投产1年零年零9个月个月 CO2腐腐蚀穿孔蚀穿孔n四川达窝输气管四川达窝输气管线，线，H2S腐蚀造腐蚀造成开裂爆炸事故，成开裂爆炸事故，24人死亡人死亡第第9页页/共共58页页油气管道爆裂事故油气管道爆裂事故1989：前苏联乌拉尔山输气管道爆裂：前苏联乌拉尔山输气管道爆裂：1024死亡死亡油气管道开裂和泄漏造成的环境污染严重油气管道开裂和泄漏造成的环境污染严重第第10页页/共共58页页腐蚀防护的意义腐蚀防护的意义腐蚀防护的意义腐蚀防护的意义不锈钢的发明和应用：-硝酸和合成氨工业的发展 美国阿波罗登月计划：6%NO缓蚀剂避免储存N2O4推进剂高压容器的应力腐蚀破裂 美国用30年（1947-1976）时间研究熔盐原子能反应堆，但由于裂变产物对材料的腐蚀难以解决而放弃第第11页页/共共58页页第三节高分子材料的结构与性能第三节高分子材料的结构与性能一、高分子材料概述一、高分子材料概述二、高分子材料的结构二、高分子材料的结构三、高分子材料的性能三、高分子材料的性能第第12页页/共共58页页一、一、高分子材料概述高分子材料概述1、基本概念、基本概念高分子化合物（高分子聚合物或高聚物）：高分子化合物（高分子聚合物或高聚物）：是指是指分子量很大分子量很大的化合物。的化合物。分子量大于分子量大于5,000 低分子化合物低分子化合物:分子量小于分子量小于500天然天然高分子材料：高分子材料：高高分分子子材材料料人工合成人工合成高分子材料：高分子材料：蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、天然橡胶、蛋白质、淀粉等天然橡胶、蛋白质、淀粉等塑料、合成橡胶、涂料、塑料、合成橡胶、涂料、合成纤维、胶粘剂等合成纤维、胶粘剂等第第13页页/共共58页页1 1 聚乙烯聚乙烯(PE)(PE)产品产品保鲜膜保鲜膜吹塑成型的聚乙烯薄膜吹塑成型的聚乙烯薄膜无毒，化学稳定性好，适合做无毒，化学稳定性好，适合做食品和药物的包装材料食品和药物的包装材料常见塑料的用途常见塑料的用途第第14页页/共共58页页2 2 聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVCPVC）化学稳定性好，耐酸碱腐蚀，使用温度化学稳定性好，耐酸碱腐蚀，使用温度不宜超过不宜超过60，在低温下会变硬，在低温下会变硬分为：软质塑料和硬质塑料分为：软质塑料和硬质塑料第第15页页/共共58页页3.聚丙烯(PP)4.聚苯乙烯(PS)5.有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯PMMA)6.尿醛塑料(电玉)第第16页页/共共58页页7.聚四氟乙烯(PTFE)8.ABS塑料第第17页页/共共58页页化合物化合物分子量分子量低分子低分子（500以下）以下）无机无机铁铁水水石英石英55.81860有机有机甲烷甲烷苯苯三硬脂酸甘油脂三硬脂酸甘油脂1678890高分子高分子（5000以上）以上）天然天然天然纤维素天然纤维素天然橡胶天然橡胶570,000200,000500,000合成合成聚氯乙烯聚氯乙烯聚甲基丙烯酸甲脂聚甲基丙烯酸甲脂尼龙尼龙6612,000160,00050,000140,00020,00025,000（1）化合物的分类及分子量）化合物的分类及分子量第第18页页/共共58页页高分子化合物由低分子化合物通过高分子化合物由低分子化合物通过聚合反应聚合反应获得。获得。组成高分子化合物的低分子化合物称作组成高分子化合物的低分子化合物称作单体单体。（2）高分子化合物的化学描述）高分子化合物的化学描述例：聚乙烯例：聚乙烯乙烯乙烯(CH2=CH2)聚氯乙烯聚氯乙烯氯乙烯氯乙烯(CH2=CHCl)高分子化合物的分子质量很大，呈长链形高分子化合物的分子质量很大，呈长链形-大分子链，大分子链，它是由许许多多结构相同的它是由许许多多结构相同的基本单元基本单元重复连接构成的；重复连接构成的；组成大分子链的这种组成大分子链的这种结构单元结构单元称作称作链节链节(表表1-12)CH2CH2CH2CH2CH2-CH2CHCH2CH-CH2-CH-Cl Cl ClCH2CH2 n第第19页页/共共58页页2 2、高分子材料的合成、高分子材料的合成（2 2）缩聚反应（缩合聚合反应）缩聚反应（缩合聚合反应）-缩聚物缩聚物一种或几种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出一种或几种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出(缩去缩去)某种低分子物质某种低分子物质(如水、氨、醇、卤化氢等如水、氨、醇、卤化氢等)的反的反应。应。缩聚物成分与单体不同缩聚物成分与单体不同。聚合反应聚合反应-将低分子化合物（单体）聚合形成高分将低分子化合物（单体）聚合形成高分子化合物的过程子化合物的过程（1 1）加聚反应（加成聚合反应）加聚反应（加成聚合反应）-加聚物加聚物一一种种或或多多种种单单体体相相互互加加成成而而连连接接成成聚聚合合物物的的反反应应，加加聚聚物物具有同其单体相同的成分具有同其单体相同的成分（无副产物无副产物）。）。如：乙烯如：乙烯聚乙烯聚乙烯 nCH2=CH2 CH2 CH2 n第第20页页/共共58页页第三节高分子材料的结构与性能第三节高分子材料的结构与性能一、高分子材料概述一、高分子材料概述二、高分子材料的结构二、高分子材料的结构三、高分子材料的性能三、高分子材料的性能第第21页页/共共58页页l组成元素：组成元素：C、H、O，另外，另外N、Cl、F、B、Si、S等。等。共价键共价键二、高分子材料的结构二、高分子材料的结构1.大分子链的结构大分子链的结构（1）化学组成）化学组成金属材料：各种金属材料：各种金属元素金属元素，合金元素及杂质，合金元素及杂质金属键金属键第第22页页/共共58页页碳链大分子碳链大分子：主链全部由碳原子以共价键结合。：主链全部由碳原子以共价键结合。例：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯例：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯杂链大分子杂链大分子：大分子链除碳原子外，还有：大分子链除碳原子外，还有O O、N N、S S、P P 例例:聚甲醛、聚酰胺聚甲醛、聚酰胺元素链大分子元素链大分子：大分子链中不含碳原子，而是由：大分子链中不含碳原子，而是由SiSi、O O、B B、S S、P P等元素组成等元素组成.例例:氟硅橡胶氟硅橡胶分类分类(组成元素组成元素)第第23页页/共共58页页A A、线型分子链线型分子链：各链节以共价键连接成长链分子，直径小，长度各链节以共价键连接成长链分子，直径小，长度很长，呈卷曲状或线团状。很长，呈卷曲状或线团状。长径比长径比1000:11000:1B B、支化型分子链支化型分子链：在主链的两侧以共价键连接相当数量的长短在主链的两侧以共价键连接相当数量的长短不一的支链，其形状有树枝型、梳型、线团型。不一的支链，其形状有树枝型、梳型、线团型。C C、体型分子链体型分子链：在线型或支化型分子链之间，沿横向通过链节以在线型或支化型分子链之间，沿横向通过链节以共价键连接起来，形成三维网状大分子。共价键连接起来，形成三维网状大分子。（2 2）大分子链的形态）大分子链的形态第第24页页/共共58页页热塑性聚合物：热塑性聚合物：线型和支化型分子链构成的聚合物，线型聚合物线型和支化型分子链构成的聚合物，线型聚合物性能：性能：高弹性、高塑性高弹性、高塑性特点：特点：重复的软化和硬化重复的软化和硬化例如：涤纶、尼龙、生橡胶例如：涤纶、尼龙、生橡胶热固性聚合物热固性聚合物：体型分子链构成的聚合物，体型聚合物体型分子链构成的聚合物，体型聚合物性能：具有性能：具有较高的强度和热固性较高的强度和热固性特点：特点：不能再加热熔化和软化不能再加热熔化和软化例如：环氧树脂、酚醛树脂、硫化橡胶例如：环氧树脂、酚醛树脂、硫化橡胶第第25页页/共共58页页立体异构：立体异构：化学成分相同而化学成分相同而不对称取代基沿分子链占不对称取代基沿分子链占 据位置不同据位置不同，具有不同链结构的现象。，具有不同链结构的现象。（3 3）大分子链的空间构型）大分子链的空间构型 原子或原子团在空间的排列方式，即链结构。原子或原子团在空间的排列方式，即链结构。A A、如分子链的、如分子链的侧基为氢原子侧基为氢原子时，则其排列顺序不时，则其排列顺序不 影响空间构型。影响空间构型。B B、分子链的、分子链的侧基中有其他原子或原子团侧基中有其他原子或原子团，则排列，则排列 方式不只一种。方式不只一种。第第26页页/共共58页页立体异构有三类立体异构有三类n1、全同立构：全同立构：取代基取代基R有规律地位于碳链平面同一侧。有规律地位于碳链平面同一侧。n2、间同立构：间同立构：取代基取代基R交替地排列在碳链平面两侧。交替地排列在碳链平面两侧。n3、无规立构：无规立构：取代基取代基R无规律排列在碳链平面两侧。无规律排列在碳链平面两侧。易结晶，易结晶，硬度、密硬度、密度、软化度、软化温度及熔温度及熔点较高点较高不易结晶不易结晶性能较差性能较差第第27页页/共共58页页2.2.大分子链的构象及柔性大分子链的构象及柔性1 1内旋转内旋转：由于原子热运动：由于原子热运动,两个原子作相对旋转两个原子作相对旋转,即保即保持键角、键长不变的情况下，单键作旋转持键角、键长不变的情况下，单键作旋转2 2大分子链的大分子链的构象构象：单链内旋转所产生的空间形象：单链内旋转所产生的空间形象3 3分子链的柔性分子链的柔性：能拉伸、回缩的性能：能拉伸、回缩的性能弹性好弹性好分子链的内旋转示意图分子链的内旋转示意图分子链旋转愈容分子链旋转愈容易，柔性愈好易，柔性愈好第第28页页/共共58页页3、高分子材料的聚集态、高分子材料的聚集态晶态晶态分子链在空间规则排列分子链在空间规则排列强度、刚度、耐热性、强度、刚度、耐热性、抗熔性好抗熔性好部分晶态部分晶态部分规则排列部分规则排列介于两者之间介于两者之间非晶态非晶态无规则排列无规则排列弹性、延伸率、韧性好弹性、延伸率、韧性好第第29页页/共共58页页粘液体粘液体玻璃态玻璃态部分晶态部分晶态晶态晶态l晶态高聚物比体积发生突变，结晶体积减小晶态高聚物比体积发生突变，结晶体积减小l大多数聚合物都是部分晶态或完全非晶态大多数聚合物都是部分晶态或完全非晶态l 结晶度结晶度30%90%第第30页页/共共58页页第三节高分子材料的结构与性能第三节高分子材料的结构与性能一、高分子材料概述一、高分子材料概述二、高分子材料的结构二、高分子材料的结构三、高分子材料的性能三、高分子材料的性能第第31页页/共共58页页三、高分子材料的性能三、高分子材料的性能1、机械性能、机械性能 （1 1）线型非晶态高聚物的力学性能）线型非晶态高聚物的力学性能T Tb b为脆化温度，为脆化温度，T Tg g为玻璃化温度，为玻璃化温度，T Tf f 为粘流温度，为粘流温度，T Td d为化学分解温度。为化学分解温度。线型非晶态高聚物在恒定应力下的变形线型非晶态高聚物在恒定应力下的变形-温度曲线温度曲线塑料塑料纤维纤维橡胶橡胶成型加工成型加工第第32页页/共共58页页 （2 2）其它类型高聚物的力学状态）其它类型高聚物的力学状态 1 1）线型晶态高聚物的力学状态）线型晶态高聚物的力学状态对对于于一一般般分分子子量量的的完完全全晶晶态态线线型型高高聚聚物物来来说说，因因有有固固定定的的熔熔点点T Tm m，而而没有高弹态。没有高弹态。对于对于部分晶态线型高聚物部分晶态线型高聚物，在，在T Tg gT Tm m之间出现一种既韧又硬的皮革态。之间出现一种既韧又硬的皮革态。2 2）体型非晶态高聚物的力学状态）体型非晶态高聚物的力学状态若交联点密度小，链段可运动，具有高弹态若交联点密度小，链段可运动，具有高弹态轻度硫化的橡胶轻度硫化的橡胶若交联点密度大，链段不能运动，其性能硬而脆若交联点密度大，链段不能运动，其性能硬而脆酚醛塑料酚醛塑料 高分子材料的力学状态受高分子材料的力学状态受化学成分、分子链结构、相对分化学成分、分子链结构、相对分子质量、结晶度子质量、结晶度等内因影响，对等内因影响，对应力、温度、环境介质应力、温度、环境介质等等外界条件也很敏感。外界条件也很敏感。第第33页页/共共58页页2 2、高分子材料的性能特点、高分子材料的性能特点 1 1）低强度和较高的比强度）低强度和较高的比强度 抗拉强度平均为抗拉强度平均为100MPa100MPa，比金属材料低得多，但是高分子材料的，比金属材料低得多，但是高分子材料的密度小，只有钢的密度小，只有钢的1/41/41/81/8，所以其比强度并不比某些金属低。，所以其比强度并不比某些金属低。2 2）高弹性和低弹性模量）高弹性和低弹性模量 橡胶是典型的高弹性材料，其弹性变形率为橡胶是典型的高弹性材料，其弹性变形率为100%100%1000%1000%，弹性，弹性模量仅为模量仅为2 220MPa20MPa左右。左右。3 3）塑性好和受迫弹性高）塑性好和受迫弹性高 屈服应变达屈服应变达20%20%以上。在玻璃化温度以下，链节运动由卷曲以上。在玻璃化温度以下，链节运动由卷曲变为伸直形，变形不能恢复。变为伸直形，变形不能恢复。（1 1）力学性能特点）力学性能特点 第第34页页/共共58页页 6 6）高减摩、耐磨性）高减摩、耐磨性 部分塑料的摩擦系数小，具有自润滑性能。塑料的摩擦系数小，具有自润滑性能。4 4）粘弹性）粘弹性 高聚物的粘弹性表现为高聚物的粘弹性表现为蠕变、应力松弛和内耗蠕变、应力松弛和内耗三种现象。三种现象。蠕蠕变变是是在在恒恒定定载载荷荷下下，应应变变随随时时间间而而增增加加的的现现象象，它它反反映映材材料料在一定外力作用下的形状稳定性。在一定外力作用下的形状稳定性。应应力力松松弛弛是是在在应应变变恒恒定定的的条条件件下下，应应力力随随时时间间延延长长而而逐逐渐渐衰衰减减的现象。的现象。内耗是在交变应力作用下，处于高弹态的高分子，当其形变速内耗是在交变应力作用下，处于高弹态的高分子，当其形变速度跟不上应力变化速度时，就会出应变滞后应力的现象。度跟不上应力变化速度时，就会出应变滞后应力的现象。5 5）韧性）韧性仅为金属的百分之一数量级，不宜作为工程结构材料。仅为金属的百分之一数量级，不宜作为工程结构材料。第第35页页/共共58页页 （2 2）高分子材料的物化性能特点）高分子材料的物化性能特点 1.1.高绝缘性及隔热隔音性高绝缘性及隔热隔音性 2.2.低耐热性低耐热性 3.3.耐蚀性耐蚀性 4.4.老化老化主要缺点主要缺点 第第36页页/共共58页页 高高分分子子材材料料在在长长期期储储存存和和使使用用过过程程中中，由由于于受受氧氧、光光、热热、机机械械力力、水水蒸蒸气气及及微微生生物物等等外外因因的的作作用用，使使性性能逐渐退化，直至丧失使用价值的现象称为能逐渐退化，直至丧失使用价值的现象称为老化老化。改进措施：改进措施：1 1）改变高聚物的结构改变高聚物的结构 例如可将聚乙烯氯化，以改变其热稳定性。例如可将聚乙烯氯化，以改变其热稳定性。2 2）添添加加防防老老化化剂剂 高高聚聚物物中中加加入入水水杨杨酸酸脂脂，二二甲甲苯苯酮酮类类有有机机物物和和碳碳黑黑，可防止光氧化。可防止光氧化。3 3）表面处理）表面处理 在高分子材料表面镀金属（如银、铜在高分子材料表面镀金属（如银、铜/镍）和喷涂耐老化镍）和喷涂耐老化涂料（如漆、石蜡）作为保护层。涂料（如漆、石蜡）作为保护层。（3 3）高分子材料的老化及防止）高分子材料的老化及防止降解，降解，断链或裂解，强度、熔点、粘度变低断链或裂解，强度、熔点、粘度变低交联，交联，分子链间生成化学键，网状结构，变硬、变脆分子链间生成化学键，网状结构，变硬、变脆第第37页页/共共58页页第四节陶瓷材料的结构与性能第四节陶瓷材料的结构与性能一、陶瓷材料概述一、陶瓷材料概述二、陶瓷材料的结构二、陶瓷材料的结构三、陶瓷材料的性能三、陶瓷材料的性能第第38页页/共共58页页一、陶瓷材料概述一、陶瓷材料概述1.陶瓷的概念（陶瓷的概念（ceramic,porcelain)传统上，传统上，“陶瓷陶瓷”是指所有以粘土为主要原料与其它天然矿是指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程而制成的各种制物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程而制成的各种制品。品。传统陶瓷包括常见的日用陶瓷制品和建筑陶瓷、电瓷等。传统陶瓷包括常见的日用陶瓷制品和建筑陶瓷、电瓷等。日用陶瓷餐具日用陶瓷餐具建筑陶瓷地砖建筑陶瓷地砖电瓷电瓷第第39页页/共共58页页 传统陶瓷的主要原料：取之于自然界的传统陶瓷的主要原料：取之于自然界的硅酸盐矿物硅酸盐矿物(如粘土、长石、石如粘土、长石、石英等英等)，所以传统陶瓷可归属于硅酸盐类材料和制品。，所以传统陶瓷可归属于硅酸盐类材料和制品。因此，陶瓷工业可与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业同属因此，陶瓷工业可与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业同属“硅酸硅酸盐工业盐工业”的范畴。的范畴。粘土矿物高岭石粘土矿物高岭石钾长石钾长石石英石英第第40页页/共共58页页陶瓷概念已扩大到整个无机非金属材料，即以陶瓷概念已扩大到整个无机非金属材料，即以陶瓷概念已扩大到整个无机非金属材料，即以陶瓷概念已扩大到整个无机非金属材料，即以氧化物、氮氧化物、氮氧化物、氮氧化物、氮化物、碳化物化物、碳化物化物、碳化物化物、碳化物等为原料制成的无机固体材料。等为原料制成的无机固体材料。等为原料制成的无机固体材料。等为原料制成的无机固体材料。生产过程基本上还是原料处理、成形、烧结这种传统的陶生产过程基本上还是原料处理、成形、烧结这种传统的陶生产过程基本上还是原料处理、成形、烧结这种传统的陶生产过程基本上还是原料处理、成形、烧结这种传统的陶瓷生产方法瓷生产方法瓷生产方法瓷生产方法A A超声波雾化器用超声波雾化器用压电陶瓷晶片压电陶瓷晶片 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷金属陶瓷阀门金属陶瓷阀门第第41页页/共共58页页n广义的陶瓷概念：广义的陶瓷概念：用陶瓷生产方法制造的无机非金属固用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的通称。体材料和制品的通称。n德国陶瓷协会：德国陶瓷协会：“陶瓷是化学工业或化学生产工艺的一陶瓷是化学工业或化学生产工艺的一个分支，包括陶瓷材料和器物的制造或进一步加工成陶个分支，包括陶瓷材料和器物的制造或进一步加工成陶瓷制品瓷制品(元件元件)。陶瓷材料属于无机非金属材料，最少含。陶瓷材料属于无机非金属材料，最少含3030结晶体。一般是在室温中将原料成型，通过结晶体。一般是在室温中将原料成型，通过800800以以上的高温处理，以获得这种材料的典型性质。有时也在上的高温处理，以获得这种材料的典型性质。有时也在高温下成型，甚至可经过熔化及析晶等过程。高温下成型，甚至可经过熔化及析晶等过程。”n美国和日本等国：美国和日本等国：CeramicsCeramics是包括各种硅酸盐材料和制是包括各种硅酸盐材料和制品在内的无机非金属材料的通称，不仅指陶瓷，还包括品在内的无机非金属材料的通称，不仅指陶瓷，还包括水泥、玻璃、搪瓷等材料。水泥、玻璃、搪瓷等材料。第第42页页/共共58页页u简单说来，陶瓷材料是包含简单说来，陶瓷材料是包含金属和非金属元素的化合金属和非金属元素的化合物物，其结合键主要是离子键和共价键，大多数是，其结合键主要是离子键和共价键，大多数是离子键离子键u离子键离子键无方向性，键强度较高，无方向性，键强度较高，离子键赋予陶瓷材离子键赋予陶瓷材料相当高的稳定性，所以陶瓷材料通常具有料相当高的稳定性，所以陶瓷材料通常具有极高的熔点极高的熔点和硬度和硬度，但同时陶瓷材料的，但同时陶瓷材料的脆性也很大脆性也很大。u共价键共价键具有方向性和饱和性，因此共价晶体中原子具有方向性和饱和性，因此共价晶体中原子的堆积密度较小。共价晶体键强度较高，且有稳定的结的堆积密度较小。共价晶体键强度较高，且有稳定的结构，这类陶瓷熔点高、硬度高、脆性大、构，这类陶瓷熔点高、硬度高、脆性大、热胀系数小热胀系数小。u陶瓷多为陶瓷多为混合键混合键结合。结合。第第43页页/共共58页页无机玻璃（硅酸盐玻璃）：无机玻璃（硅酸盐玻璃）：非晶结构。工业、建筑、日用玻璃非晶结构。工业、建筑、日用玻璃 陶瓷（晶体陶瓷）：陶瓷（晶体陶瓷）：普通陶瓷普通陶瓷日用，建筑卫生，电器，化工，多孔日用，建筑卫生，电器，化工，多孔 特种陶瓷特种陶瓷电容器，压电，磁性，电光，高温电容器，压电，磁性，电光，高温 金属陶瓷金属陶瓷结构陶瓷，硬质合金结构陶瓷，硬质合金微晶玻璃（玻璃陶瓷）：微晶玻璃（玻璃陶瓷）：单个晶体分布在非晶态的玻璃基体上单个晶体分布在非晶态的玻璃基体上 耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷2.2.陶瓷的分类（按组织形态）陶瓷的分类（按组织形态）第第44页页/共共58页页(1)原料制备原料制备（拣选，破碎，磨细，混合）（拣选，破碎，磨细，混合）普通陶瓷普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料）（粘土，石英，长石等天然材料）特种陶瓷特种陶瓷（各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物）（各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物）(2)坯料的成形坯料的成形（压制成形压制成形，可塑成形，注浆成形），可塑成形，注浆成形）(3)烧成或烧结烧成或烧结(4)冷却冷却3.陶瓷的生产陶瓷的生产(SiO2Al2O3Fe2O3CaO)SiO2SiO2Al2O3K2O第第45页页/共共58页页低温阶段低温阶段（室温（室温300）-残余水分的排除残余水分的排除加热烧成或烧结和冷却过程加热烧成或烧结和冷却过程四个阶段四个阶段的变化：的变化：分解及氧化阶段分解及氧化阶段（300950）矿物中结构水的排除）矿物中结构水的排除有机物、碳素和无机物等的氧化；有机物、碳素和无机物等的氧化；碳酸盐、硫化物的分解；碳酸盐、硫化物的分解；石英由低温晶型转变为高温晶型石英由低温晶型转变为高温晶型高温阶段高温阶段（950烧成温度）烧成温度）氧化、分解反应继续进氧化、分解反应继续进 行；液相相继出现；各组成物逐渐溶解；晶体生成并长大行；液相相继出现；各组成物逐渐溶解；晶体生成并长大被液相粘结，发生烧结过程，体积收缩，致密度提高，成瓷。被液相粘结，发生烧结过程，体积收缩，致密度提高，成瓷。冷却阶段冷却阶段（烧成温度（烧成温度室温）室温）析出或长大成粗大二次析出或长大成粗大二次莫来石晶体；液相转变为玻璃；莫来石晶体；液相转变为玻璃；石英由高温晶型转变为低温晶型。石英由高温晶型转变为低温晶型。第第46页页/共共58页页二、陶瓷材料的结构二、陶瓷材料的结构陶瓷的典型组织：陶瓷的典型组织：晶体相晶体相、玻璃相玻璃相和和气相气相第第47页页/共共58页页l l陶瓷中原子、离子和分子按周期、有规律的空间排列陶瓷中原子、离子和分子按周期、有规律的空间排列陶瓷中原子、离子和分子按周期、有规律的空间排列陶瓷中原子、离子和分子按周期、有规律的空间排列而成的固体相，是而成的固体相，是而成的固体相，是而成的固体相，是陶瓷的陶瓷的主要组成相主要组成相l其结构、数量、形态和分布决定物理和化学性能其结构、数量、形态和分布决定物理和化学性能硅酸盐硅酸盐氧化物氧化物非氧化物非氧化物1.1.晶体相晶体相第第48页页/共共58页页（1）硅酸盐）硅酸盐n硅酸盐是普通陶瓷的主要原料，同时硅酸盐是普通陶瓷的主要原料，同时也是陶瓷组织中重要的晶体相也是陶瓷组织中重要的晶体相n结合键为离子键与共价键的混合键结合键为离子键与共价键的混合键n基本单元是基本单元是SiOSiO4 4四面体四面体n每个氧原子最多只被两个每个氧原子最多只被两个SiOSiO4 4 共有共有nSi-O-SiSi-O-Si的键角为的键角为145145nSiOSiO4 4 可孤立存在，亦可通过共用顶可孤立存在，亦可通过共用顶点连接成链状、平面或三维网状结构，点连接成链状、平面或三维网状结构，故硅酸盐材料有故硅酸盐材料有无机高聚物无机高聚物之称之称第第49页页/共共58页页第第50页页/共共58页页（3 3）非氧化物：）非氧化物：（2 2）氧化物：）氧化物：u氧化物是大多数陶瓷特别是特种陶瓷的主要组氧化物是大多数陶瓷特别是特种陶瓷的主要组成和晶体相成和晶体相u结合键以离子键为主，又称离子晶体结合键以离子键为主，又称离子晶体u氧化物结构的主要特点是氧化物结构的主要特点是氧离子紧密排列构成氧离子紧密排列构成晶格骨架晶格骨架，组成六方或面心立方点阵，而，组成六方或面心立方点阵，而正离子正离子位于骨架的适当间隙之中位于骨架的适当间隙之中。如：如：CaOCaO、MgOMgO、AlAl2 2O O3 3、ZrOZrO2 2u不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物，不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物，是金属陶瓷的主要晶体相是金属陶瓷的主要晶体相u如如SiSi3 3N N4 4、SiCSiC、BNBN等以共价键为主，称共价晶体。等以共价键为主，称共价晶体。第第51页页/共共58页页2 2、玻璃相、玻璃相是一种非晶态固体，存在于各晶粒间。是一种非晶态固体，存在于各晶粒间。陶瓷中玻璃相的作用：陶瓷中玻璃相的作用：（1 1）充填晶粒间隙，粘接晶粒，提高材料的致密程度；）充填晶粒间隙，粘接晶粒，提高材料的致密程度；（2 2）降低烧成温度，加快烧结过程；）降低烧成温度，加快烧结过程；（3 3）阻止晶体转变，抑制晶体长大；）阻止晶体转变，抑制晶体长大；（4 4）获得一定程度的玻璃特性，如透光性等）获得一定程度的玻璃特性，如透光性等玻璃相熔点低、热稳定性差，在较低温度下开始软玻璃相熔点低、热稳定性差，在较低温度下开始软化，导致陶瓷在高温下发生蠕变，且其中常有一些金化，导致陶瓷在高温下发生蠕变，且其中常有一些金属离子而降低陶瓷的绝缘性。属离子而降低陶瓷的绝缘性。玻璃相的含量玻璃相的含量20%40%20%40%第第52页页/共共58页页3、气相、气相n在陶瓷材料中起重要作用。气孔是陶瓷成型过程中残在陶瓷材料中起重要作用。气孔是陶瓷成型过程中残留于制品内的气体留于制品内的气体n气孔包括开口气孔和闭口气孔气孔包括开口气孔和闭口气孔n致密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔陶瓷致密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔陶瓷n气孔存在可使陶瓷机械性能显著下降气孔存在可使陶瓷机械性能显著下降n气孔率：气孔率：n普通陶瓷，普通陶瓷，5%10%5%10%；n特种陶瓷，特种陶瓷，5%5%以下；以下；n金属陶瓷，小于金属陶瓷，小于0.5%0.5%n对陶瓷材料的光学性能有很大影响。合理控制陶瓷中对陶瓷材料的光学性能有很大影响。合理控制陶瓷中气孔的数量、形态和分布极为重要。气孔的数量、形态和分布极为重要。第第53页页/共共58页页(1)(1)刚度高刚度高(2)(2)硬度高、耐磨性好硬度高、耐磨性好 100010005000Hv 5000Hv（淬火钢（淬火钢500 500 800Hv800Hv，高聚物，高聚物20Hv20Hv）(3)(3)抗拉强度低，抗压强度较高抗拉强度低，抗压强度较高 晶界晶界及缺陷，实际强度仅为理论及缺陷，实际强度仅为理论强度的强度的1/1000 1/1000 1/1001/100。但抗。但抗压强度高，为抗拉强度的压强度高，为抗拉强度的10 10 4040倍。倍。(4)(4)塑性低塑性低(5)(5)韧性极低或韧性极低或脆性极高脆性极高最最大缺点大缺点三、陶瓷材料的性能三、陶瓷材料的性能1.1.陶瓷材料的机械性能陶瓷材料的机械性能材料材料KIC /MPa.m1/245钢钢90球墨铸铁球墨铸铁2040氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷3.55几种材料的断裂韧性几种材料的断裂韧性第第54页页/共共58页页(1)(1)熔点高熔点高 一般在一般在20002000以上，高温强度和高温蠕变抗力优于金属。以上，高温强度和高温蠕变抗力优于金属。(2)(2)热膨胀性低热膨胀性低(2)(2)导热性差导热性差较好的绝热材料较好的绝热材料(3)(3)热稳定性低热稳定性低主要缺点主要缺点(4)(4)化学稳定性好化学稳定性好耐火材料、坩埚耐火材料、坩埚(5)(5)导电性导电性良好的绝缘材料，良好的绝缘材料，但有重要的半导体材料但有重要的半导体材料ZnOZnO、NiONiO、FeFe3 3O O4 42.2.物化性能物化性能优势优势劣势劣势陶陶瓷瓷性性能能特点特点不不可可燃燃烧烧，高高耐耐热热，高高化化学学稳稳定定，不不老老化化，高高硬硬度度，良好抗压能力良好抗压能力脆脆性性高高，温温度度急急变变抗抗力力低，抗拉抗弯性能差低，抗拉抗弯性能差小结：小结：第第55页页/共共58页页思考题思考题:金属材料、高分子材料和陶瓷材料的组织结金属材料、高分子材料和陶瓷材料的组织结构，性能上的异同及原因。构，性能上的异同及原因。l工程材料辅助教材工程材料辅助教材l习题（习题（P47，P9）第第56页页/共共58页页第一章材料的结构与性能第一章材料的结构与性能金属材料金属材料（金属键）（金属键）高分子材料高分子材料（共价键、分子键）（共价键、分子键）陶瓷材料陶瓷材料（离子键、共价键）（离子键、共价键）晶体结构晶体结构(BCC(BCC、FCC)FCC)；缺陷；缺陷(点点,线线,面面)；合金；合金；相相(固溶体、金属间化合物固溶体、金属间化合物)；组织；组织工艺性能；强度工艺性能；强度 塑性塑性 硬度硬度 韧性；韧性；腐蚀腐蚀C H OC H O大分子链；线大分子链；线 支化支化 体型；热固性体型；热固性 热塑性热塑性线型非晶态线型非晶态玻璃玻璃 高弹高弹 粘流态；粘流态；老化老化原料制备原料制备,坯料成型坯料成型,烧结；晶体相烧结；晶体相,玻璃相玻璃相,气相气相脆性脆性极大极大 第第57页页/共共58页页感谢您的观看。感谢您的观看。第第58页页/共共58页页