化学与无机非金属材料.ppt

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1、5.2 化学与无机非金属材化学与无机非金属材料料5.2.1 无机非金属材无机非金属材料概论料概论5.2.2 硅酸盐材料硅酸盐材料5.2.3 半导体材料半导体材料5.2.4 新型无机非金属材料新型无机非金属材料5.2.1 无机非金属材无机非金属材料概论料概论 无机非金属材无机非金属材料料(inorganic non-metallic material)简称简称无机材无机材料料。可分为：。可分为：硅酸盐材料：硅酸盐材料：陶瓷、玻璃、水泥、耐火材陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷等以天然硅酸盐为原料的制品。料、搪瓷等以天然硅酸盐为原料的制品。新型新型无机材无机材料：料：用人工合成方法制成的不用人工合成

2、方法制成的不含硅或少含含硅或少含SiOSiO2 2的材料，如一些氧化物、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。无机材料的特点：耐高温、抗氧化、耐无机材料的特点：耐高温、抗氧化、耐磨、耐腐蚀和硬度大。而脆性差：经不起碰磨、耐腐蚀和硬度大。而脆性差：经不起碰撞摔打，即抗机械冲击性能差；经不起冷热撞摔打，即抗机械冲击性能差；经不起冷热冲击，即抗热震动性能差。冲击，即抗热震动性能差。其中的无机工程结构材料主要是利用其其中的无机工程结构材料主要是利用其强度，特别是耐高温强度。而无机功能材料强度，特别是耐高温强度。而无

3、机功能材料还有诸如热、声、光、电、磁学等方面的特还有诸如热、声、光、电、磁学等方面的特殊性能，已成为许多科学技术领域中的关键殊性能，已成为许多科学技术领域中的关键性材料。性材料。5.2.2 硅酸盐材料硅酸盐材料 1.天然天然硅酸盐硅酸盐(silicate)正长石正长石 K2O.Al2O3.6SiO2或或K2Al2Si6O16白云母白云母 K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O或或K2H4Al6(SiO4)6高岭土高岭土 Al2O3.2SiO2.2H2O或或Al2H4Si2O9石石 棉棉 CaO.3MgO.4SiO2或或Mg3Ca(SiO3)4滑滑 石石 3MgO.4SiO2.H2O或或Mg

4、3H2(SiO3)4泡沸石泡沸石 Na2O.Al2O3.2SiO2.nH2O 或或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,是构成是构成地壳的主要组分。其化学式很复杂，可看成是地壳的主要组分。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。二氧化硅和金属氧化物的复合氧化物。石棉片石棉片黄玉黄玉正长石正长石水晶水晶白云母白云母滑石滑石粘土粘土 天然硅酸盐不论组成多么复杂，在其晶天然硅酸盐不论组成多么复杂，在其晶体内部，基本结构单元都是体内部，基本结构单元都是SiO4四面体。硅四面体。硅占据四面体的中心，占据四面体的中心，4个氧则占据

5、个氧则占据4个顶角。个顶角。天然硅酸盐的用途很广，是工业上的重天然硅酸盐的用途很广，是工业上的重要材料，也是制造要材料，也是制造陶瓷、玻璃、水泥和耐火陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等的原料。材料等的原料。OSi 2.水泥水泥(cement)按组成可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水按组成可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等。泥、铁铝酸盐水泥等。硅酸盐水泥又称波特兰硅酸盐水泥又称波特兰(Portland)水水泥，是由粘土和石灰石按比例在旋转窑中泥，是由粘土和石灰石按比例在旋转窑中于于1450以上温度煅烧成熟料，再混入少以上温度煅烧成熟料，再混入少量石膏，磨粉后制成。量石膏，磨粉后制成。硅酸盐水泥熟料的

6、矿物组成及含量硅酸盐水泥熟料的矿物组成及含量 组组 分分 化化 学学 式式 符号符号 质量分数质量分数硅酸三钙硅酸三钙 3CaO.SiO2 C3S 0.370.60硅酸二钙硅酸二钙 2CaO.SiO2 C2S 0.150.37铝酸三钙铝酸三钙 3CaO.Al2O3 C3A 0.070.15铁铝酸四钙铁铝酸四钙 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF 0.100.18符号符号C表示表示CaO，S表示表示SiO2，A表示表示Al2O3，F表示表示Fe2O3。3.玻璃玻璃(glass)(2)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,可制成有色玻璃。可制成有色

7、玻璃。如加入如加入CoO，玻璃呈蓝色；玻璃呈蓝色；加入加入Mn2O3，呈紫色；加入呈紫色；加入Cu2O，呈红色；加入呈红色；加入Cr2O3，呈绿色。呈绿色。(1)普通玻璃普通玻璃(钠玻璃钠玻璃)是用石英砂、纯碱和石灰石共熔而制得是用石英砂、纯碱和石灰石共熔而制得的一种无色透明的熔体：的一种无色透明的熔体：Na2CO3+CaCO3+6SiO2=Na2O.CaO.6SiO2+2CO2(3)微晶玻璃微晶玻璃 在玻璃中加入晶核形成剂在玻璃中加入晶核形成剂(如金、银、铜如金、银、铜的盐类的盐类)，经过热处理，可制成各种性能的微，经过热处理，可制成各种性能的微晶玻璃晶玻璃(又称玻璃陶瓷又称玻璃陶瓷)。(4

8、)钢化玻璃钢化玻璃 将玻璃进行淬火处理或用化学方法处理可将玻璃进行淬火处理或用化学方法处理可制成钢化玻璃。它的抗弯强度比普通玻璃大制成钢化玻璃。它的抗弯强度比普通玻璃大57倍，只有受到强烈冲击时才会破坏，而且倍，只有受到强烈冲击时才会破坏，而且碎片棱角圆滑，不易飞溅，不易伤人，是很好碎片棱角圆滑，不易飞溅，不易伤人，是很好的安全玻璃。的安全玻璃。4.耐火材料耐火材料(refractory material)耐火材料是指耐火温度不低于耐火材料是指耐火温度不低于1580,并并在高温下能耐气体、熔融金属、熔融炉渣等在高温下能耐气体、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金物质侵蚀，

9、而且有一定机械强度的无机非金属材料。属材料。常用耐火材料的主要组分是一些高熔点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酸性、碱性和氧化物，按其化学性质可分为酸性、碱性和中性。酸性耐火材料的主要组分是中性。酸性耐火材料的主要组分是SiO2等，等，如硅砖；碱性耐火材料的主要组分是如硅砖；碱性耐火材料的主要组分是MgO、CaO等，如镁砖；中性耐火材料的主要组分等，如镁砖；中性耐火材料的主要组分是是Al2O3、Cr2O3等，如高铝砖。等，如高铝砖。硅砖硅砖镁砖镁砖高铝砖高铝砖5.分子筛分子筛(molecular sieves)分子筛是一种人工合成的泡沸石型水合分子筛是一种人工合成的

10、泡沸石型水合铝硅酸盐晶体。它是由铝硅酸盐晶体。它是由SiO4和和AlO4四面体结四面体结构单元组成的多孔性晶体，空隙排列整齐，构单元组成的多孔性晶体，空隙排列整齐，空径均匀，有极大的内表面。是一种新型高空径均匀，有极大的内表面。是一种新型高效能、高选择性的吸附剂、干燥剂、分离剂效能、高选择性的吸附剂、干燥剂、分离剂和催化剂。其组成为：和催化剂。其组成为：M2/xO.Al2O3.mSiO2.nH2O 式中式中x是金属元素是金属元素M(一般为一般为Na、K或或Ca)的氧化值。的氧化值。分子筛中分子筛中m=2的称为的称为A型，型，A型中又有型中又有3A、4A、5A等，其孔径分别为等，其孔径分别为0.

11、30、0.42、0.50nm;m=2.23.0的称为的称为X型型,有有10X、13X等等,其孔径分别为其孔径分别为0.50、0.80nm;m=3.15.0的的称为称为Y型型,其孔径约为其孔径约为1.00nm。分子筛具有筛分子筛具有筛分大小不同的分子分大小不同的分子的能力。的能力。5.2.3 半导体材料半导体材料 半导体材料半导体材料(semiconductive material)指指电阻率介于金属导体电阻率介于金属导体(10-510-6cm)和绝缘体和绝缘体(10101015 cm)之间的材料。之间的材料。主要用途是制成主要用途是制成各种特殊功能的元器件各种特殊功能的元器件,如晶体管如晶体管

12、,集成电路集成电路,太阳能电池太阳能电池,各种微波器件各种微波器件,整流器和可控整流整流器和可控整流器等。器等。目前应用最多的半导目前应用最多的半导体材料是掺杂的硅、锗和体材料是掺杂的硅、锗和砷化镓。砷化镓。发光二极管是特殊的半导体二极管，将电流发光二极管是特殊的半导体二极管，将电流直接转换成光线。发光二极管只会放射出单色直接转换成光线。发光二极管只会放射出单色的光线，而光线的颜色可由采用的基本原料及的光线，而光线的颜色可由采用的基本原料及金属元素而定。它所采用的典型半导体物料有：金属元素而定。它所采用的典型半导体物料有：红色光线的红色光线的GaAs、绿色光线绿色光线GaP、蓝色光线的蓝色光线

13、的GaNi或含有氧化锌的或含有氧化锌的GaAs1.光光 导导 纤纤 维维 光导纤维光导纤维(optical waveguide fibre)，简简称光纤，是用来传递光线和图象的纤维。称光纤，是用来传递光线和图象的纤维。制造光导纤维用的光学材料，必须高度纯制造光导纤维用的光学材料，必须高度纯净、成分均匀。一般无水石英（净、成分均匀。一般无水石英（SiO2）是常用是常用的光导纤维材料。的光导纤维材料。光导纤维的用途：近年来，光导纤维用于光导纤维的用途：近年来，光导纤维用于光通信的技术迅速发展。此外，在农业、国防、光通信的技术迅速发展。此外，在农业、国防、医疗、电视、传真、电话、科研等方面都有广医疗

14、、电视、传真、电话、科研等方面都有广泛的用途。泛的用途。5.2.4 新型无机非金属材料新型无机非金属材料 光导纤维传递每个发光二极管所发出的光线，光导纤维传递每个发光二极管所发出的光线，分颜色及将每一点印在相纸上，从而聚合成一分颜色及将每一点印在相纸上，从而聚合成一幅完整的影像。此种玻璃导管诞生于幅完整的影像。此种玻璃导管诞生于20世纪世纪70年代，其内部核心光纤由高折射率玻璃组成，年代，其内部核心光纤由高折射率玻璃组成，而外层用低折射率的而外层用低折射率的玻璃导管包裹，两种物玻璃导管包裹，两种物料之间所产生的反射能料之间所产生的反射能防止光线流失，保证光防止光线流失，保证光线透过核心光纤传送

15、时，线透过核心光纤传送时，光纤末端的光线不会失光纤末端的光线不会失真。真。2.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)分为传统陶瓷和分为传统陶瓷和特种陶瓷特种陶瓷.传统陶瓷是以粘土、长石、石英等天然矿传统陶瓷是以粘土、长石、石英等天然矿物为原料经烧结而成的。物为原料经烧结而成的。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。而成。又称精细陶瓷、精密陶瓷。氧化铝陶瓷又叫高铝陶瓷，主要成分是氧化铝陶瓷又叫高铝陶瓷，主要成

16、分是Al 2O3 和和SiO2。Al 2O3含量越高则性能越好，含量越高则性能越好，但工艺更复杂，成本更高。但工艺更复杂，成本更高。用途：它的硬度高，耐磨性好，很早就用途：它的硬度高，耐磨性好，很早就用于制造刀具、模具、轴用于制造刀具、模具、轴承。耐腐蚀性很强，可制承。耐腐蚀性很强，可制作化工零件，如化工用泵作化工零件，如化工用泵的密封滑环，机轴套、叶的密封滑环，机轴套、叶轮等。轮等。(1)氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 氮化硅（氮化硅（Si3N4）是由共价键形成的原子是由共价键形成的原子晶体。晶体。用途：硬度高、耐磨系数低、有自润滑作用途：硬度高、耐磨系数低、有自润滑作用，所以是优良的耐磨材料。热强度

17、和化学稳用，所以是优良的耐磨材料。热强度和化学稳定性高，热膨胀系数小，是优良的高温结构材定性高，热膨胀系数小，是优良的高温结构材料。耐腐蚀，可作高温轴承、料。耐腐蚀，可作高温轴承、转子、叶片、燃烧室喷嘴等转子、叶片、燃烧室喷嘴等高温零件以及高温下使用的高温零件以及高温下使用的模具和夹具。模具和夹具。(2)氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 碳化硅（金刚砂）和氮化硅一样，是稳定碳化硅（金刚砂）和氮化硅一样，是稳定的原子晶体。具有高的热传导能力、硬度大、的原子晶体。具有高的热传导能力、硬度大、熔点高、比重小，有较高的强度和较好的热稳熔点高、比重小，有较高的强度和较好的热稳定性，与各种酸都不起作用，其抗氧化性能在

18、定性，与各种酸都不起作用，其抗氧化性能在高达高达1550OC时仍很优良。时仍很优良。用途：制造磨料、模用途：制造磨料、模具、特种耐火材料制品；具、特种耐火材料制品；用于制造电阻发热元件。用于制造电阻发热元件。(3)碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷 功能陶瓷功能陶瓷(functional ceramics)材料是以材料是以特特定的性能或通过各种物理因素（如声、光、电、定的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。磁）作用而显示出独特功能的材料。(4)功能陶瓷功能陶瓷 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

19、容器和电子工业中的高温高频器件。如件。如BaTiO3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系陶瓷用于制造系陶瓷用于制造压力和振动传感材料等。压力和振动传感材料等。功能陶瓷的用途：功能陶瓷的用途：生物陶瓷是用于人体器官替换、修补，及生物陶瓷是用于人体器官替换、修补，及外科矫形的陶瓷材料。主要包括羟基磷灰石、外科矫形的陶瓷材料。主要包括羟基磷灰石、氧化铝、生物活性玻璃陶瓷等。氧化铝、生物活性玻璃陶瓷等。(5)生物陶瓷材料生物陶瓷材料 羟基磷灰石（羟基磷灰石（Ca1

20、0(PO4)6(OH)2）陶瓷的陶瓷的用途：用途：它具有良好的生物活性，能与人骨紧密结它具有良好的生物活性，能与人骨紧密结合。主要用于不承载的小型种植体（如耳骨），合。主要用于不承载的小型种植体（如耳骨），用金属支撑加强的牙科种植体。用金属支撑加强的牙科种植体。生物陶瓷人工听小骨假体生物陶瓷人工听小骨假体由羟基磷灰石由羟基磷灰石(HA)陶瓷制成，表面具有微孔，可使患者听力陶瓷制成，表面具有微孔，可使患者听力平均高平均高2030dB，适用于慢性化脓性中耳炎患者适用于慢性化脓性中耳炎患者作听小骨置换和鼓腊修复手术。自作听小骨置换和鼓腊修复手术。自1989年以来年以来已临床应用已临床应用800多例，

21、通过省级鉴定。多例，通过省级鉴定。3.超超 导导 材材 料料 某些材料在临界温度以下，会产生零电某些材料在临界温度以下，会产生零电阻和排斥磁场阻和排斥磁场(迈斯纳效应迈斯纳效应)的现象称的现象称超导性超导性。具有超导性的材具有超导性的材料称为超导材料。料称为超导材料。将电阻突然将电阻突然降为零的温度称降为零的温度称为临界温度，用为临界温度，用符号符号Tc表示。表示。零电阻效应和零电阻效应和迈斯纳效应是超导迈斯纳效应是超导体的两个独立的基体的两个独立的基本属性，一种材料本属性，一种材料只有同时具备这两只有同时具备这两种效应时才具有超种效应时才具有超导性。导性。临界磁场临界磁场Hc 破坏超导态的最

22、小磁场强度。破坏超导态的最小磁场强度。临界电流临界电流Hc 超导态时超导体内允许流动的超导态时超导体内允许流动的 最大电流。最大电流。IIcHHcTTc 必须将条件控必须将条件控制在三个临界参数制在三个临界参数Tc、Hc、Ic之下，之下，才能使物体处于超才能使物体处于超导态。导态。三个临界参数的关系三个临界参数的关系 已发现有已发现有28种金属元素和数以千计的合金种金属元素和数以千计的合金及化合物具有超导性。目前研究最多的是及化合物具有超导性。目前研究最多的是YBaCuO，BiSrCaCuO和和TiBaCaCuO三个超三个超导体系；此外还有导体系；此外还有LaBaCuO，LaSrCuO和和PbBaBiO等体系。等体系。超导材料的用途：超导材料的用途：可用于超导输电，超导磁体用于发电机，可用于超导输电，超导磁体用于发电机，大大提高发电机输出功率。也可用于制造最快大大提高发电机输出功率。也可用于制造最快速的计算机。速的计算机。功率功率为两万为两万千瓦千瓦的超导发电机的超导发电机用于医学核磁共振成像装置用于医学核磁共振成像装置(MRI)核核磁共振磁共振断层扫描仪与断层扫描仪与人人体体断层扫描仪图断层扫描仪图制造高速磁悬浮列车制造高速磁悬浮列车