无机非金属材料 (2)精选PPT.ppt

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1、关于无机非金属材料(2)第1页，讲稿共37张，创作于星期二传统硅酸盐材料传统硅酸盐材料水水泥泥玻玻璃璃陶陶瓷瓷第2页，讲稿共37张，创作于星期二1.概念概念:以以含含硅硅物物质质为为原原料料，经经加加工工制制得得硅硅酸酸盐盐产产品品的的工工业业称为硅酸盐工业。称为硅酸盐工业。常见如常见如水泥水泥、玻璃玻璃、陶瓷陶瓷等工业都属硅酸盐工业。等工业都属硅酸盐工业。2.硅酸盐工业的特点：硅酸盐工业的特点：(1)(1)原料：原料：(2)(2)反应条件：反应条件：(3)(3)反应原理：反应原理：(4)(4)生成物：生成物：硅酸盐工业硅酸盐工业含硅的物质、碳酸盐等。含硅的物质、碳酸盐等。高温高温复杂的物理、

2、化学变化复杂的物理、化学变化硅酸盐产品硅酸盐产品3.硅酸盐产品分类：硅酸盐产品分类：陶瓷。陶瓷。水泥、水泥、玻璃、玻璃、传统硅酸盐材料传统硅酸盐材料第3页，讲稿共37张，创作于星期二结构中都含有硅氧四面体结构中都含有硅氧四面体特点：稳定性高、硬度高、熔点特点：稳定性高、硬度高、熔点高、难溶于水、绝缘、耐腐蚀等高、难溶于水、绝缘、耐腐蚀等传统硅酸盐材料传统硅酸盐材料第4页，讲稿共37张，创作于星期二1.1.陶瓷陶瓷(China)(China)（1 1）主要原料主要原料：黏土：黏土 （2 2）传统生产过程传统生产过程：混和、成型、干燥、烧结、冷：混和、成型、干燥、烧结、冷却却 （3 3）反应原理反

3、应原理：复杂的物理、化学变化：复杂的物理、化学变化 （4 4）主要成分主要成分：硅酸盐：硅酸盐 （5 5）主要特性主要特性：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等优点。缘、易成型等优点。一、传统硅酸盐材料一、传统硅酸盐材料陶瓷陶瓷第5页，讲稿共37张，创作于星期二你知道陶釉的成分吗？你知道陶釉的成分吗？金属及金属氧化物，如红色金属及金属氧化物，如红色CuCu2 2O O。陶瓷陶瓷第6页，讲稿共37张，创作于星期二主要种类：主要种类：土器：砖瓦土器：砖瓦(自然冷却，自然冷却，FeFe2 2O O3 3含量较多含量较多)(淋水冷却，淋水冷却，FeFe3 3O O

4、4 4、FeOFeO较多较多)陶器：陶器：彩陶彩陶江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑瓷器：瓷器：碗盘碗盘茶具茶具收藏珍品收藏珍品炻器：炻器：水缸、砂锅水缸、砂锅景德镇陶瓷景德镇陶瓷红瓦红瓦青瓦青瓦陶瓷陶瓷第7页，讲稿共37张，创作于星期二2.玻璃玻璃（1 1）原原 料料：纯碱、石灰石和石英：纯碱、石灰石和石英 （2 2）主要设备主要设备：玻璃熔炉：玻璃熔炉 （3 3）生产过程生产过程：原料粉碎，玻璃熔炉中强热，成型：原料粉碎，玻璃熔炉中强热，成型冷却冷却（4 4）反应原理反应原理：复杂的物理、化学变化，主要反应：复杂的物理、化学变化，主要反应Na2CO3+SiO2=Na2

5、SiO3+CO2高温CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2高温玻璃玻璃第8页，讲稿共37张，创作于星期二（5 5）主要成分主要成分：Na2SiO3CaSiO3SiO2（6 6）主要性能主要性能：玻璃态物质，没有固定：玻璃态物质，没有固定的熔点，在一定温度范围内逐渐软化。的熔点，在一定温度范围内逐渐软化。（Na2OCaO6SiO2）玻璃玻璃第9页，讲稿共37张，创作于星期二种类特性用途普通玻璃 高温下易软化窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯钢化玻璃耐高温、耐腐蚀、强度大、质轻、抗震裂运动器材，微波通讯器材，汽车、火车的窗玻璃等玻璃纤维耐腐蚀、不怕烧、不导电、不吸水、隔热、吸声、防虫蛀太空飞行员的衣服、玻

6、璃钢等光学玻璃透光性能好，有折光性和色散性眼镜片，照相机、显微镜、望远镜等中的凹凸透镜石英玻璃膨胀系数小、耐酸碱、强度大、滤光化学仪器，高压水银灯、紫外灯等的灯壳，光导纤维，压电晶体等几种玻璃的特性及比较几种玻璃的特性及比较玻璃玻璃第10页，讲稿共37张，创作于星期二b.有色玻璃有色玻璃在玻璃原料中加入某些在玻璃原料中加入某些金属氧化物金属氧化物,可制成有色可制成有色玻璃。如玻璃中玻璃。如玻璃中加入加入CoO呈蓝色呈蓝色加入加入Mn2O3呈紫色呈紫色加入加入Cr2O3呈绿色呈绿色加入加入Cu2O呈红色呈红色c.钢化玻璃钢化玻璃玻璃玻璃普通玻璃加热到一定温度后急剧冷却，普通玻璃加热到一定温度后急

7、剧冷却，就可就可以得到钢化玻璃。以得到钢化玻璃。a.普通玻璃普通玻璃第11页，讲稿共37张，创作于星期二玻璃玻璃聚乙烯醇丁醛聚乙烯醇丁醛玻璃玻璃d.防弹玻璃又称为夹层玻璃。当受到外部撞击的时候，夹层可将受到的力发散开来，减少了子弹等武器的冲击力，进而保护了受保护者的安全！玻璃玻璃第12页，讲稿共37张，创作于星期二f.光学玻璃光学玻璃玻璃玻璃第13页，讲稿共37张，创作于星期二g.石英玻璃石英玻璃玻璃玻璃第14页，讲稿共37张，创作于星期二 在玻璃中加入适量的溴化银在玻璃中加入适量的溴化银(AgBr)(AgBr)和氧化铜的微小和氧化铜的微小晶粒，经过适当的热处理，可以制成变色玻璃。当强光晶粒，

8、经过适当的热处理，可以制成变色玻璃。当强光照射到玻璃上，溴化银分解为银和溴单质，分解出的银照射到玻璃上，溴化银分解为银和溴单质，分解出的银原子聚集成银的微小晶粒，使玻璃呈现暗棕色，能挡住原子聚集成银的微小晶粒，使玻璃呈现暗棕色，能挡住大部分光线。大部分光线。光线变暗，银和溴在氧化铜的催化作用下，重新光线变暗，银和溴在氧化铜的催化作用下，重新生成溴化银。于是玻璃的颜色自动变浅，透光性增生成溴化银。于是玻璃的颜色自动变浅，透光性增强。强。H.变色玻璃变色玻璃第15页，讲稿共37张，创作于星期二思考：思考：玻璃为什么会被人工吹制成各种形状？玻璃为什么会被人工吹制成各种形状？普通玻璃是普通玻璃是Na2

9、SiO3、CaSiO3、SiO2熔合在一起熔合在一起形成的物质，主要成分是形成的物质，主要成分是SiO2。玻璃不是晶体，而是。玻璃不是晶体，而是玻璃态物质，这类物质没有固定的熔点，可以在某一玻璃态物质，这类物质没有固定的熔点，可以在某一温度范围内逐渐软化变成液态。在软化状态时，玻璃温度范围内逐渐软化变成液态。在软化状态时，玻璃可吹制或轧成一定形状的制品。可吹制或轧成一定形状的制品。玻璃玻璃第16页，讲稿共37张，创作于星期二3.3.水泥：水泥：主要原料主要原料：黏土和石灰石：黏土和石灰石 主要设备主要设备：水泥回转窑：水泥回转窑生产过程生产过程：生料研磨，高温煅烧得熟料，再：生料研磨，高温煅烧

10、得熟料，再加石膏研成粉末得普通硅酸盐水泥加石膏研成粉末得普通硅酸盐水泥辅助原料辅助原料：石膏：石膏作用是调节水泥硬化速度作用是调节水泥硬化速度石膏石膏作用是调节水泥硬化速度作用是调节水泥硬化速度水泥水泥第17页，讲稿共37张，创作于星期二水泥回转窑水泥回转窑水泥水泥第18页，讲稿共37张，创作于星期二主要成分主要成分：硅酸三钙：硅酸三钙(3CaO(3CaOSiOSiO2 2)、硅酸二钙、硅酸二钙(2CaO(2CaOSiOSiO2 2)、铝酸三钙、铝酸三钙(3CaO(3CaOAlAl2 2O O3 3)等等 主要性能主要性能：水硬性：水硬性主要用途主要用途：建筑、修路。：建筑、修路。如：水泥砂浆

11、、混凝土、如：水泥砂浆、混凝土、钢筋混凝土钢筋混凝土 。反应原理反应原理：复杂的物理、化学变化：复杂的物理、化学变化 你听说过豆腐渣工程吗，产生现象的原因很多，你听说过豆腐渣工程吗，产生现象的原因很多，但都与水泥标号有关，查阅资料了解水泥标号有关但都与水泥标号有关，查阅资料了解水泥标号有关问题。问题。水泥水泥学与问学与问第19页，讲稿共37张，创作于星期二水泥水泥玻璃玻璃陶瓷陶瓷主要原料主要原料石灰石、粘土石灰石、粘土石英、纯碱、石灰石石英、纯碱、石灰石粘土粘土主要设备主要设备回转炉回转炉玻璃熔炉玻璃熔炉陶瓷窑陶瓷窑反应条件反应条件高温高温高温高温高温高温反应原理反应原理复杂的物理、化学复杂的

12、物理、化学变化变化NaNa2 2COCO3 3+SiO+SiO2 2=Na=Na2 2SiOSiO3 3+COCO2 2 CaCOCaCO3 3+SiO+SiO2 2=CaSiO=CaSiO3 3+CO+CO2 2复杂的物理化学变复杂的物理化学变化化主要成分主要成分3CaOSiO3CaOSiO2 22CaOSiO2CaOSiO2 23CaOAl3CaOAl2 2O O3 3NaNa2 2SiOSiO3 3、CaSiOCaSiO3 3、SiOSiO2 2成分复杂成分复杂特性特性水硬性水硬性玻璃态物质玻璃态物质抗氧化抗氧化.酸碱酸碱.腐蚀腐蚀 耐高温耐高温.绝缘绝缘水泥、玻璃、陶瓷生产比较水泥、玻

13、璃、陶瓷生产比较传统硅酸盐材料传统硅酸盐材料第20页，讲稿共37张，创作于星期二定定 义：义：特特 性：性：种种 类：类：具有特殊结构和特殊功能（性质）的新材料。具有特殊结构和特殊功能（性质）的新材料。能承受高温、强度大：氮化硅陶瓷（耐能承受高温、强度大：氮化硅陶瓷（耐1200OC)具有光学特性：光导纤维具有光学特性：光导纤维具有电学特性：具有电学特性：K3C60超导体超导体具有生物功能：如具有生物功能：如Ca3(PO4)2系陶瓷系陶瓷用用 途：途：氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷光导纤维光导纤维医学、日常生活、交通、通讯、机械、建筑医学、日常生活、交通、通讯、机械、建筑航空、航天等航空、航天等二、新型无

14、机非金属材料二、新型无机非金属材料新型无机非金属材料新型无机非金属材料第21页，讲稿共37张，创作于星期二传统无机非金属材料与新型材料的比较传统无机非金属材料与新型材料的比较传统的硅酸盐材料优、缺点传统的硅酸盐材料优、缺点优点：抗腐蚀、耐高温；优点：抗腐蚀、耐高温；缺点：质脆、经不起热冲击。缺点：质脆、经不起热冲击。新型无机非金属材料特性新型无机非金属材料特性承受高温，强度高。承受高温，强度高。具有光学特性。具有光学特性。具有电学特性。具有电学特性。具有生物功能。具有生物功能。新型无机非金属材料新型无机非金属材料第22页，讲稿共37张，创作于星期二新型无机非金属材料的特性新型无机非金属材料的特

15、性（1 1）.能承受高温、强度高能承受高温、强度高。例如：氮化硅陶瓷在。例如：氮化硅陶瓷在12001200左左右的高温下，仍具有很高的强度，可用来制造汽轮机叶片、轴右的高温下，仍具有很高的强度，可用来制造汽轮机叶片、轴承、永久性模具等。承、永久性模具等。（2 2）.具有电学特性具有电学特性，一些新型无机非金属材料可以作，一些新型无机非金属材料可以作为半导体、导体、超导体等，一些绝缘性材料常被用为半导体、导体、超导体等，一些绝缘性材料常被用于集成电路的基板。于集成电路的基板。（3 3）.具有光学特性具有光学特性。有些新型无机非金属材料能发。有些新型无机非金属材料能发出各色的光，有的能透过可见光，

16、有的能使红外线、出各色的光，有的能透过可见光，有的能使红外线、雷达射线穿过。雷达射线穿过。（4 4）.具有生物特性具有生物特性。有些新型无机非金属材料强度。有些新型无机非金属材料强度高、无毒、不溶于水，对人体组织有较好的适应性，高、无毒、不溶于水，对人体组织有较好的适应性，可直接植入人体内，用这类材料制成的人造牙齿、人可直接植入人体内，用这类材料制成的人造牙齿、人造骨骼，已被应用在医疗上。造骨骼，已被应用在医疗上。第23页，讲稿共37张，创作于星期二新新型型陶陶瓷瓷材材料料习惯上把习惯上把陶瓷陶瓷(ceramics)分为传统陶瓷和特种分为传统陶瓷和特种陶瓷。陶瓷。传统陶瓷是以粘土、长石、石英等

17、天然矿物为传统陶瓷是以粘土、长石、石英等天然矿物为原料经烧结而成的。原料经烧结而成的。特种陶瓷是以人工合成的氧化物、氮化物、特种陶瓷是以人工合成的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物超细微粒为原料特制而碳化物、硅化物、硼化物超细微粒为原料特制而成。又称精细陶瓷、精密陶瓷。成。又称精细陶瓷、精密陶瓷。第24页，讲稿共37张，创作于星期二碳化硅碳化硅SiC,俗称金刚砂。熔点高俗称金刚砂。熔点高(2450),硬度大硬度大(9.2),是重要的工业是重要的工业磨料。如其中掺入某些杂质磨料。如其中掺入某些杂质,会使会使之出现半导体之出现半导体,作为高温半导体作为高温半导体,用用于电热元件。作为高温结构陶

18、瓷于电热元件。作为高温结构陶瓷,日日益受到人们的重视。它最适宜的益受到人们的重视。它最适宜的应用领域是高温、耐磨和耐蚀的应用领域是高温、耐磨和耐蚀的环境环境,现已用作火箭喷嘴现已用作火箭喷嘴,热电偶热电偶保护管保护管,热交换器和耐磨、耐蚀的热交换器和耐磨、耐蚀的零件。零件。碳化硅制成的涡轮叶片 1 1、新型陶瓷新型陶瓷新型陶瓷新型陶瓷第25页，讲稿共37张，创作于星期二氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷（Si3N4）是灰白色固体，硬度为是灰白色固体，硬度为9，是最硬的材料之，是最硬的材料之一。它的导热性好且膨胀系数小，可经受低温高一。它的导热性好且膨胀系数小，可经受低温高温、骤冷骤热反复上千次的变化而不破坏

19、，因此温、骤冷骤热反复上千次的变化而不破坏，因此是十分理想的高温结构材料。是十分理想的高温结构材料。新型陶瓷新型陶瓷动动手动动手：写出制取碳化硅、氮化硅：写出制取碳化硅、氮化硅的化学反应方程式。的化学反应方程式。SiOSiO2 2+3C=SiC+2CO+3C=SiC+2CO3Si+2N3Si+2N2 2=Si=Si3 3N N4 43SiCl3SiCl4 4+2N+2N2 2+6H+6H2 2=Si=Si3 3N N4 4+12HCl+12HCl第26页，讲稿共37张，创作于星期二氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷性性 能能 用用 途途 熔点高熔点高 坩埚、高温炉管坩埚、高温炉管 硬度大硬度大 刚玉球磨机刚

20、玉球磨机 透明、耐高温透明、耐高温 高压钠灯灯管高压钠灯灯管 新型陶瓷新型陶瓷高纯氧化铝透明陶瓷管高纯氧化铝透明陶瓷管第27页，讲稿共37张，创作于星期二功能陶瓷功能陶瓷(functionalceramics)材料是以特定的材料是以特定的性能或通过各种物理因素（如声、光、电、磁）作用性能或通过各种物理因素（如声、光、电、磁）作用而显示出独特功能的材料。而显示出独特功能的材料。功能陶瓷功能陶瓷新型陶瓷新型陶瓷第28页，讲稿共37张，创作于星期二TiO2、ZrO2、LaCrO3等高温电子陶瓷，等高温电子陶瓷，用于制造电容器和电子工业中的高温高频器用于制造电容器和电子工业中的高温高频器件。如件。如B

21、aTiO3类陶瓷用于制造温度传感材料；类陶瓷用于制造温度传感材料；CdS、PbTiO3系陶瓷用于制造光敏传感材料；系陶瓷用于制造光敏传感材料；ZnO系陶瓷，系陶瓷，SiC、BaTiO3系陶瓷用于制造压系陶瓷用于制造压力和振动传感材料等。力和振动传感材料等。功能陶瓷的用途：功能陶瓷的用途：新型陶瓷新型陶瓷第29页，讲稿共37张，创作于星期二由硅石由硅石粗硅粗硅高纯多晶硅（纯度在高纯多晶硅（纯度在9 9个个“9 9”以上以上(99.9999999(99.9999999以上以上)单晶硅单晶硅（1 1）粗硅的制备：又称工业硅，纯度在粗硅的制备：又称工业硅，纯度在9595 9999的硅（反的硅（反应要点

22、应要点高温高温16001600 18001800）（2 2）SiHClSiHCl3 3的制备的制备多用粗硅与干燥氯化氢在多用粗硅与干燥氯化氢在200200以上反应：以上反应：SiSi十十3HCl=SiHCl3HCl=SiHCl3 3+H+H2 2（3 3）精馏提纯后的）精馏提纯后的SiHClSiHCl3 3用高纯氢气还原得到多晶硅用高纯氢气还原得到多晶硅 SiHClSiHCl3 3十十H H2 2=Si=Si十十3HCl3HCl2、现代信息技术材料、现代信息技术材料-单晶硅单晶硅SiOSiO2 2(s)(s)十十2C(s)2C(s)Si(s)Si(s)十十2CO(g)2CO(g)现代信息基础材

23、料现代信息基础材料单晶硅单晶硅第30页，讲稿共37张，创作于星期二阅读：科学视野阅读：科学视野太阳能电池太阳能电池现代信息基础材料现代信息基础材料单晶硅单晶硅第31页，讲稿共37张，创作于星期二1.1.高压合成金刚石的局限高压合成金刚石的局限性？性？2.2.化学气相沉积法制造化学气相沉积法制造金刚石薄膜的原理是什金刚石薄膜的原理是什么？么？3.石墨、金刚石、C60新材料诞生新技术石墨、金刚石和石墨、金刚石和C60第32页，讲稿共37张，创作于星期二注注意：意：金刚石金刚石石墨石墨C60之间的关系？之间的关系？C60金刚石金刚石石墨石墨石墨、金刚石和石墨、金刚石和C60第33页，讲稿共37张，创

24、作于星期二C C6060及其应用前景及其应用前景 C60的发现 19851985年，美国科学家克罗托（年，美国科学家克罗托（H.W.K.kroto)H.W.K.kroto)等用质谱仪等用质谱仪,严严格控制实验条件格控制实验条件,得到以得到以C C6060为主的质谱图。由于受建筑学家布克米为主的质谱图。由于受建筑学家布克米尼斯持尼斯持富勒（富勒（BuckminsterFullerBuckminsterFuller）设计的球形薄壳建筑结构的启）设计的球形薄壳建筑结构的启发，克罗托（发，克罗托（kroto)kroto)等提出等提出 C C6060是由是由6060个碳原子构成的球形个碳原子构成的球形3

25、232面面体，即由体，即由1212个五边形和个五边形和2020个六边形构成。其中五边形彼此不相连，个六边形构成。其中五边形彼此不相连，只与六边形相连。随后将只与六边形相连。随后将 C C6060分子命名为布克米尼斯持分子命名为布克米尼斯持富勒烯富勒烯（BuckminsterFullerBuckminsterFuller）。由于）。由于C C6060分子的结构酷似足球，所以分子的结构酷似足球，所以又称为足球烯（又称为足球烯（FootballeneFootballene）除）除C C6060外，具有封闭笼状结构的还外，具有封闭笼状结构的还可能有可能有 C C2828、C C3232、C C5050

26、、C C7070、C C8484、C C240240、C C540540等，统称为等，统称为FullerenesFullerenes，中文译名为富勒烯。，中文译名为富勒烯。石墨、金刚石和石墨、金刚石和C60第34页，讲稿共37张，创作于星期二C C6060的超导性的超导性 19911991年，赫巴德（年，赫巴德（HebardHebard）等首先提出掺钾）等首先提出掺钾C C6060具有超具有超导性，超导起始温度为导性，超导起始温度为18K18K，打破了有机超导体（，打破了有机超导体（EtEt）2 2CuNCuN（CNCN）2 2ClCl超导起始温度为超导起始温度为12.8K12.8K的纪录。不

27、久又制备出的纪录。不久又制备出RbRb3 3C C6060的超导体，超导起始温度为的超导体，超导起始温度为29K29K。表。表1-11-1列出了已合成的列出了已合成的各种掺杂各种掺杂C C6060的超导体和超导起始温度，说明掺杂的超导体和超导起始温度，说明掺杂C C6060的超导体的超导体已进入高温超导体的行列。我国在这方面的研究也很有成就，已进入高温超导体的行列。我国在这方面的研究也很有成就，北京大学和中国科学院物理所合作，成功地合成了北京大学和中国科学院物理所合作，成功地合成了K K3 3C C6060和和RbRb3 3C C6060的超导体，超导起始温度分别为的超导体，超导起始温度分别为

28、8K8K和和28K28K。有科学工作。有科学工作者预言，如果掺杂者预言，如果掺杂C C240240和掺杂和掺杂C C540540，有可能合成出具有更高超，有可能合成出具有更高超导起始温度的超导体。导起始温度的超导体。石墨、金刚石和石墨、金刚石和C60第35页，讲稿共37张，创作于星期二人人们们对对C60的的研研究究还还在在继继续续，希希望望同同学学们们加加油油，将将来来的的某某一一天天你你也也会会在在这这方方面面获获得得巨巨大大成成功功。石墨、金刚石和石墨、金刚石和C60科学视野科学视野技术进步对化学研究的影响技术进步对化学研究的影响P56第36页，讲稿共37张，创作于星期二2022/9/16感感谢谢大大家家观观看看第37页，讲稿共37张，创作于星期二