第7章 無機非金屬材料.ppt

無機非金屬材料 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 1 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 本章內(nèi)容 7 1無機非金屬材料的分類和特點7 2水泥與玻璃7 3陶瓷7 4半導(dǎo)體材料7 5超導(dǎo)材料 2 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 學(xué)習(xí)目的 結(jié)合前面所學(xué)內(nèi)容 理解無機非金屬材料結(jié)構(gòu)與性能特點 了解常用無機非金屬材料的合成和工藝 了解各種新型無機非金屬材料的特殊性能 作用原理 結(jié)構(gòu)及用途 3 3 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 學(xué)習(xí)參考書目 楊興鈺 材料化學(xué)導(dǎo)論 武漢 湖北科學(xué)技術(shù)出版社 2003戴金輝 葛兆明主編 無機非金屬材料概論 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 1999H F W Taylor CementChemistry AcademicPress 1990M W Barsoum FundamentalsofCeramics IOP 2003J G P Binner AdvancedCeramicProcessingandTechnology Vol 1 Noyes 1990 4 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 1無機非金屬材料的分類及特點 無機非金屬材料 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 和硅酸鹽 鈦酸鹽 鋁酸鹽 磷酸鹽等含氧酸鹽為主要組成的無機材料 5 傳統(tǒng) 普通 無機非金屬材料 新型 特種 無機非金屬材料 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 傳統(tǒng) 普通 無機非金屬材料 6 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 新型 特種 無機非金屬材料 7 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 結(jié)構(gòu)特征 離子鍵 無方向性 無飽和性緊密堆積 鍵強較高密度大 高強度 高硬度 高脆性 耐熱共價鍵 具有方向性與飽和性鍵強度較高 具有穩(wěn)定化學(xué)結(jié)構(gòu)密度較小 熔點高 硬度大 脆性大 熱膨脹系數(shù)小 絕緣性好 離子鍵與共價鍵混合其它鍵合 8 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 部分陶瓷化合物化學(xué)鍵混合特征 9 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 2水泥與玻璃 硅酸鹽水泥鋁酸鹽類水泥硫鋁酸鹽水泥氟鋁酸鹽水泥鐵鋁酸鹽水泥 10 7 2 1水泥 cement 按礦物組成分類 一種水硬性膠凝材料 通過水化過程發(fā)生凝結(jié)和硬化 硬化后甚至在水中也可保持強度和穩(wěn)定性 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 11 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 硅酸鹽水泥 熟料成分 硅酸三鈣 3CaO SiO2 C3S硅酸二鈣 2CaO SiO2 C2S鋁酸三鈣 3CaO Al2O3 C3A鐵鋁酸四鈣 4CaO Al2O3 Fe2O3 C4AF 12 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 硅酸鹽水泥 熟料比例對水泥性質(zhì)的影響提高C3S的含量 可得到高強硅酸鹽水泥提高C3S和C3A的含量 即可制得快硬硅酸鹽水泥降低C3S和C3A的含量 提高C2S的含量可得低熱或中熱硅酸鹽水泥 13 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 硅酸鹽水泥生產(chǎn) 14 所得熟料經(jīng)碾磨成細(xì)粉 加少量石膏 用以調(diào)節(jié)水泥的水硬化時間 即得水泥成品 熟料制備的化學(xué)過程 原料為石灰石 黏土等 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 15 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 硅酸鹽水泥的水化 凝結(jié)硬化 水化 物質(zhì)由無水狀態(tài)變?yōu)橛兴疇顟B(tài) 由低含水變?yōu)楦吆?統(tǒng)稱為水化 凝結(jié) 水泥加水拌和初期形成具有可塑性的漿體 然后逐漸變稠并失去可塑性的過程硬化 漿體的強度逐漸提高并變成堅硬的石狀固體 水泥石 16 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 凝結(jié) 硬化過程 17 3CaO SiO2 nH2O 2CaO SiO2 n 1 H2O Ca OH 22CaO SiO2 mH2O 2CaO SiO2 mH2O3CaO Al2O3 6H2O 3CaO Al2O3 6H2O4CaO Al2O3 Fe2O3 7H2O 3CaO Al2O3 6H2O CaO Al2O3 Fe2O3 H2O Chapter7Non metallicInorganicMaterials 三個階段 溶解水化期 準(zhǔn)備區(qū) 膠化期 凝結(jié)期 結(jié)晶期 硬化期 氫氧化鈣 含水硅酸鈣 含水鋁酸鈣 含水鐵酸鈣 含水鋁酸鈣 7 2 2玻璃 18 玻璃瓶 玻璃工藝燭臺 建筑玻璃 藝術(shù)玻璃 玻璃 熔體冷卻后呈堅硬無定形狀態(tài)的無機物 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 19 普通玻璃的化學(xué)結(jié)構(gòu) Chapter7Non metallicInorganicMaterials 玻璃中的組分構(gòu)成 形成體 能夠獨立形成網(wǎng)絡(luò)的氧化物SiO2 B2O3 GeO2中間體 不能獨立形成網(wǎng)絡(luò)的氧化物 但能夠與形成體共同形成網(wǎng)絡(luò)Al2O3 V2O5 SeO2改性劑 不僅不能形成網(wǎng)絡(luò) 隨著添加量的增大還會逐漸破壞網(wǎng)絡(luò) 最終導(dǎo)致體系結(jié)晶 一般為堿金屬與堿土金屬的氧化物Na2O K2O CaO MgO BaO等 20 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 21 Na2O的加入對SiO2網(wǎng)絡(luò)的影響對網(wǎng)絡(luò)的破壞 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 22 鱗石英 SiO2 Na2O相圖 方石英 Na2O加入SiO2中 因形成低共熔混合物而使其熔融溫度顯著降低 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 玻璃態(tài)的通性 各向同性熱力學(xué)亞穩(wěn)性狀態(tài)轉(zhuǎn)化的漸變性性質(zhì)變化的連續(xù)性與可逆性 無定形玻璃與晶體的體積變化圖 7 2 2 1玻璃的制造 24 1 硅酸鹽形成階段 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 25 Process1 1 硅酸鹽形成階段 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 26 Process2 CO2 O2 SO2 NO2等 2 玻璃形成階段 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 27 Process3 3 玻璃液澄清階段 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 28 Process4 5 4 玻璃液的均化階段 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 29 熔窯池窯坩堝窯間歇式池窯單元式熔窯 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 30 玻璃成型工藝 a 壓制 b 壓吹 c 拉纖 a pressing b pressandblowprocess c drawingoffibers Chapter7Non metallicInorganicMaterials 31 連續(xù)平板玻璃生產(chǎn)設(shè)備 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 2 2 2玻璃分類 按組成 氧化物玻璃石英玻璃硅酸鹽玻璃 產(chǎn)量最大 品種最多鈉鈣玻璃氟化物玻璃非氧化物玻璃硫系玻璃 電阻低 據(jù)有開關(guān)與記憶特性鹵化物玻璃 折射率低 色散低 32 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 硅酸鹽玻璃 基本成分為SiO2石英玻璃 SiO2含量大于99 5 高硅氧玻璃 SiO2含量約96 鈉鈣玻璃 又名鈉玻璃 含有15 的Na2O和16 的CaO鉛硅酸鹽玻璃 主要成分有SiO2和PbO鋁硅酸鹽玻璃 主要成分有SiO2和Al2O3硼硅酸鹽玻璃 耐熱玻璃 以SiO2和B2O3為主要成分鉀玻璃 硬玻璃 以K2O代替鈉玻璃中的部分Na2O 適當(dāng)提高SiO2含量 33 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 其它分類按玻璃用途 建筑玻璃 日用玻璃 按性能 鋼化玻璃 多孔玻璃 導(dǎo)電玻璃 微晶玻璃 耐熱玻璃 按功能特點 力學(xué)性能玻璃 熱學(xué)性能玻璃 電學(xué)性能玻璃 34 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 2 2 3特種玻璃 鋼化玻璃淬火產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力 導(dǎo)致表面增強無色光學(xué)玻璃可見光波長范圍內(nèi)吸光性極低 高純度高折射率 增加氧化鋇 氧化鉛含量導(dǎo)電玻璃ITO IndiumTinOxide 玻璃導(dǎo)電 35 Chapter7Non metallicInorganicMaterials LCD專用平板玻璃TFT LCD使用無堿玻璃 避免鈉離子遷移對半導(dǎo)體的破壞光纖玻璃高純度石英避免出現(xiàn)羥基結(jié)構(gòu) 因硅羥基吸收近紅外光信號彩色玻璃通過添加著色劑實現(xiàn)彩色著色劑能對投射到玻璃上的白光進(jìn)行選擇性的吸收 36 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 不同玻璃顏色所使用著色劑 37 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 38 無色光學(xué)玻璃 ITO導(dǎo)電玻璃 彩色玻璃 鋼化玻璃 光纖玻璃 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 幾種玻璃的特性和用途 39 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 40 附 石英光纖制備 CVD法 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 41 MCVD A 光纖預(yù)制棒制造 MCVD改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積 Chapter7Non metallicInorganicMaterials MCVD系內(nèi)部氣相沉積的一種 一支超純石英管裝載于一臺裝有氫氧噴燈玻璃車床上 氯化物和氧氣從石英管的一端饋入管中 在噴燈提供的高溫下反應(yīng) 在噴燈的下游所生成的煙灰狀SiO2和GeO2亞微米顆粒沉積于石英管的內(nèi)壁上 當(dāng)噴燈經(jīng)過沉積物時 它們就被凝固為固態(tài)的玻璃 借助改變硅 鍺氯化物的比例 從外部包層到芯層 一層跟著一層形成了所要求的折射率剖面 更多的鍺 更高的折射率 優(yōu)點 沉積和溶縮一步完成 避免了可能的污染缺點 生產(chǎn)效率不高 有的制造商采用高頻等離子噴燈來提高生產(chǎn)效率 同時減少氫氧燃燒生成物水的影響 為提高效率 在拉絲之前 預(yù)制棒還要裝在一支石英套管內(nèi) 以滿足纖芯和包層的規(guī)范 42 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 43 OVD OVD外部氣相沉積 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 44 OVD是一種外部沉積工藝方法 其高溫是由一個氫氧噴燈提供的 在這個工藝過程中 四氯化硅和四氯化鍺的混合氣以及氧被饋送到火焰中 反應(yīng)生成的二氧化硅和二氧化鍺煙灰狀顆粒被沉積在一支氧化鋁芯棒上以形成煙灰狀顆粒預(yù)制棒 當(dāng)芯層沉積完成后 接著必須沉積包層 為此 僅僅混合氣反應(yīng)物的組分是不同的 在足夠的芯燈和包層沉積之后并移去芯棒后 煙灰顆粒狀預(yù)制棒被置于燒結(jié)爐中脫水 燒結(jié)和熔縮以閉合芯棒留下的孔 一個透明 固態(tài)的預(yù)制棒就可以進(jìn)入拉絲工序了 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 45 VAD VAD垂直軸向氣相沉積 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 46 軸向氣相沉積工藝允許在軸向上沉積煙灰狀顆粒 在這個工藝方法中預(yù)制棒是在長度方面生長而不象OVD在直徑方面生長 在沉積開始時采用了一個芯棒 在軸向生長的預(yù)制棒沉積到足夠大后 它仍然是多孔的 需要在一個溫度為1500 C至1600 C的電爐中脫水和燒結(jié) 燒結(jié)后的預(yù)制棒仍然較短和粗 它們需要進(jìn)一步的拉伸以符合隨后工序的要求 應(yīng)用專門的干燥工藝VAD現(xiàn)在可以生產(chǎn)非常低水峰的光纖供全帶應(yīng)用 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 47 PCVD PCVD等離子化學(xué)氣相沉積 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 48 等離子激活化學(xué)氣相沉積PCVD系菲利浦開發(fā)的一種內(nèi)部氣相沉積工藝方法 四氯化硅和四氯化鍺以及氧的混合物饋入一個超純石英管 在反應(yīng)區(qū)內(nèi) SiO2和GeO2直接被沉積為一層透明玻璃 沒有煙灰狀顆粒形成或沉積 所以無須應(yīng)用固態(tài)工序 由于它的沉積層非常薄 于是可以按照設(shè)計實現(xiàn)精密的折射率剖面 因此能生產(chǎn)世界上頂級的多模光纖和復(fù)雜折射率剖面的光纖 因為PCVD工藝方法反應(yīng)溫度是如此之高以至需要更高純度的原料 然而 其原料的利用率非常高 幾乎是100 為其它工藝方法的兩倍 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 49 熔縮 熔縮 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 50 具有沉積層的襯管需要熔縮成一個實心的棒 這個工藝過程是在剛結(jié)束沉積后立即于同一臺車床上進(jìn)行的 或者在一臺專用的熔縮車床上進(jìn)行 在熔縮過程中 由于二氧化鍺在高溫下蒸發(fā) 在折射率剖面的中央回出現(xiàn)一個凹陷 為消除這個降低光纖質(zhì)量的凹陷 在管子還沒閉合前的熔縮最后階段 采用氟利昂腐蝕工藝 某些制造商應(yīng)用感應(yīng)高頻電爐來代替氫氧噴燈以降低預(yù)制棒中的水含量從而降低光纖的水峰衰減值 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 51 套管 套管 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 52 為了提高效率 預(yù)制棒裝入一作為機械包層的石英套管內(nèi)后 再拉制光纖 有些制造商使用OVD工藝來制作機械包層 阿爾卡特則采用高頻等離子來沉積機械包層 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 53 等離子包層沉積 等離子包層沉積 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 54 過濾的空氣被饋入一個等離子噴燈 一個高頻感應(yīng)線圈將其加熱到高溫 在氬氣流中以電火花激發(fā)并使其達(dá)到導(dǎo)電狀態(tài) 然后由感應(yīng)電流加溫 然后將氣流切換到該工藝所用的空氣流 高度純化的石英顆粒被饋送至等離子高溫火焰區(qū) 許多層被沉積于預(yù)制棒上 直到所要求的直徑為止 一個可視系統(tǒng)按要求的直徑自動地調(diào)整包層的外徑 此工藝方法的優(yōu)點是 使用廉價的原材料 沒有腐蝕性和危險性的副產(chǎn)品 免除了裝備污染處理裝置 而且 所達(dá)到的高溫 10000 C 進(jìn)一步純化了石英顆粒 其結(jié)果是使這種玻璃具有優(yōu)秀的機械特性 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 55 拉絲 B 拉絲 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 56 其一端加工成圓錐形并接上一小段石英棒的預(yù)制棒固定于預(yù)制棒饋入器上 當(dāng)錐形端饋入至溫度約2200 C的拉絲爐中一定時間后 一個溶化的垂體形成并下落 隨著下落 一根細(xì)的光纖就形成了 加熱元件由氬氣保護(hù)以防止元件在空氣中燒毀 采用了氦氣流以保護(hù)預(yù)制棒免受污染 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 57 2000 左右加熱熔化預(yù)型件 拉絲過程最重要的是控制纖維直徑的恒定 為此必須嚴(yán)格穩(wěn)定爐溫和控制氣氛的變化 拉絲裝置 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 58 篩選 C 篩選 張力篩選 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 59 光纖著色 光纖著色 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3陶瓷Ceramics 60 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 陶器 Pottery 與瓷器 China 比較 61 陶瓷 陶器 瓷器 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 1陶瓷的定義DefinitionofCeramics Traditional 陶瓷 所有以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經(jīng)過粉碎 混煉 成形 燒結(jié)等過程而制成的各種制品General 陶瓷 用陶瓷生產(chǎn)方法制造的無機非金屬固體材料和制品的通稱 62 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 德國陶瓷協(xié)會 陶瓷是化學(xué)工業(yè)或化學(xué)生產(chǎn)工藝的一個分支 包括陶瓷材料和器物的制造或進(jìn)一步加工成陶瓷制品 元件 陶瓷材料屬于無機非金屬材料 最少含30 結(jié)晶體 一般是在室溫中將原料成型 通過800 以上的高溫處理 以獲得這種材料的典型性質(zhì) 有時也在高溫下成型 甚至可經(jīng)過熔化及析晶等過程 美國和日本等國 Ceramics是包括各種硅酸鹽材料和制品在內(nèi)的無機非金屬材料的通稱 不僅指陶瓷 還包括水泥 玻璃 搪瓷等材料 63 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 2陶瓷一般結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì) 微結(jié)構(gòu)特征 多相結(jié)構(gòu)由晶相 玻璃相和氣孔組成各相的組成結(jié)構(gòu) 數(shù)量 幾何形態(tài)及分布不同 使不同的陶瓷材料性能各異 晶相 陶瓷中最重要的組成相 主晶相的性能常常就決定著陶瓷的物化性能 玻璃相 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的低熔點固體組織其作用是填充晶粒間隙 粘結(jié)晶粒 提高致密程度 適當(dāng)降低燒結(jié)溫度 改善工藝 抑制晶粒生長過大 氣孔 也對控制陶瓷材料性能 質(zhì)量有重要作用陶瓷的許多電氣性能與熱性能隨氣孔率 氣孔尺寸及分布不同可在較大范圍內(nèi)變化 64 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 3陶瓷分類 65 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 陶瓷分類及特點 66 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 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 新型碳化物陶瓷 C3N4等 硼化物陶瓷 TiB2 ZrB2等 復(fù)合陶瓷 3Al2O3 2SiO2莫來石等 特種陶瓷 特種陶瓷 按成分分類 67 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 普通陶瓷vs特種陶瓷 68 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 4陶瓷合成化學(xué) 工藝流程普通陶瓷 材料精選 礦物精選 化學(xué)處理 原料粉化 制備陶瓷粉 生坯 成型 燒結(jié) 機械加工 陶瓷成品 特種陶瓷 69 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 4 1陶瓷合成原材料及粉體制備 普通陶瓷 以天然礦物為原料三大主要原材料 粘土 長石 石英礦輔料礦物 磁石 鋁土礦 滑石 硅灰石 鋰云母 方解石 菱鎂礦 白云石等水化 機械混合 直接形成生坯特種陶瓷 人工合成的原料 70 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 71 A Clay 粘土Clay 形成黃土高原的厚粘土層 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 72 Structureofclay 粘土 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 73 TheKaoliniteGroup 高嶺石族KaoliniteGroup Chapter7Non metallicInorganicMaterials 74 TheMontmorilloniteGroup 蒙脫石族Montmorillonite SmectiteGroup Chapter7Non metallicInorganicMaterials 75 TheIlliteGroup 伊利石族TheIlliteGroup TheClay mica Chapter7Non metallicInorganicMaterials 76 C Feldspar Feldspar長石 鉀 鈉 鈣 鋇等堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸鹽礦物 SiO2 Al2O3 K2O Na2O CaO 架狀結(jié)構(gòu) Chapter7Non metallicInorganicMaterials 77 鈉長石 鉀長石 Examples Chapter7Non metallicInorganicMaterials 78 Useoffeldspar 長石的主要用途 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 79 B Quartz Quartz 石英砂石英砂巖石英巖脈石英粉石英 主要成分 SiO2 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 80 Examples Chapter7Non metallicInorganicMaterials 81 D Carbonate 白云石Dolomite CaCO3 MgCO3晶體屬三方晶系 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 82 Calcite 方解石Calcite CaCO3晶體屬三方晶系 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 83 Magnesite 菱鎂礦Magnesite MgCO3 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 84 Limestone 石灰?guī)rLimestone CaCO3三方晶系 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 85 E Others 滑石Talc 3MgO 4SiO2 H2O三斜晶系 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 86 Serpentine 蛇紋石Serpentine 3MgO 2SiO2 2H2O一族層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物的總稱 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 87 Wollastonite 硅灰石Wollastonite CaO SiO2針狀晶形細(xì)小的顆粒也呈纖維狀 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 88 Diopside 透輝石Diopside CaO MgO 2SiO2單斜晶系柱狀晶體 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 89 Apatite 磷酸鹽礦物的總稱M5 PO4 3XM代表Ca Ba Na等 X代表F Cl OH六方晶系 磷灰石Apatite Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 4 1陶瓷合成原材料及粉體制備 續(xù) 普通陶瓷 以天然礦物為原料特種陶瓷 人工合成的原料氧化物 單一氧化物 如Al2O3 ZrO2 TiO2 MgO等復(fù)合氧化物 如鈦酸鹽 鋁酸鹽 鋯酸鹽等非氧化物 碳化物 氮化物 硼化物等如SiC Si3N4 90 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 原料制備方法固相法液相法氣相法 91 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 熱分解反應(yīng)法 很多金屬的硫酸鹽 硝酸鹽等 都可以通過熱分解法而獲得特種陶瓷用氧化物粉末 化合反應(yīng)法 92 BaCO3 TiO2 BaTiO3 CO2Al2O3 MgO MgAlO43Al2O3 2SiO2 3Al2O3 2SiO2 1 固相法 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 氧化還原法SiC粉末的制備 將SiO2與焦炭混合 在1460 1600 的加熱條件下 逐步還原碳化Si3N4粉末的制備 在1600 附近及N2條件下 通過SiO2與C的還原 氮化 93 SiO2 C SiO COSiO 2C SiC COSiO C Si COSi C SiC 3SiO2 6C 2N2 Si3N4 6CO Chapter7Non metallicInorganicMaterials 94 3 氣相合成法 2 液相合成法 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 4 2原料處理 煅燒除絕大多數(shù)揮發(fā)性雜質(zhì) 有機物 溶劑 水份等 提高純度使原料顆粒致密化 晶粒長大 減輕后期成形燒結(jié)時的體積收縮效應(yīng) 凈化 去除固體雜質(zhì)粉碎 分級改變粒度 粒子形態(tài)結(jié)構(gòu) 流散性和成形性 改變晶型混入粉體助劑 如化學(xué)增塑劑 粘結(jié)劑 95 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 4 3陶瓷燒成 成型燒結(jié)固相燒結(jié) Solidstatesintering 在燒結(jié)溫度下 粉末坯體在固態(tài)情況下達(dá)到致密化過程液相燒結(jié) Liquidphasesintering 粉末坯體在燒結(jié)過程中有液相存在的燒結(jié)過程 96 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 5結(jié)構(gòu)陶瓷StructuralCeramics 結(jié)構(gòu)陶瓷 作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的陶瓷材料主要利用陶瓷材料優(yōu)越的力學(xué)性能 尤其是高溫力學(xué)性能 特別適用于高溫 高壓等工業(yè)環(huán)境 機械強度和斷裂韌性對其應(yīng)用非常重要 97 如何克服陶瓷的高脆性 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 結(jié)構(gòu)陶瓷的工藝技術(shù) 致密化技術(shù) 如熱壓燒結(jié) 熱均壓燒結(jié) 提高致密度和均勻度細(xì)晶化技術(shù) 如納米陶瓷 減小初始裂紋尺寸 提高臨界應(yīng)力復(fù)合技術(shù) 如顆粒增強 晶須增強 纖維增強 納米復(fù)合 98 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 主要成分 Al2O3 少量SiO2 剛玉 莫來瓷 75瓷 含75 Al2O3剛玉瓷95瓷 含95 Al2O399瓷 含99 Al2O3 99 氧化鋁陶瓷 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 氧化鋁陶瓷的晶體結(jié)構(gòu) 氧化鋁三種常見同素異構(gòu)體 Al2O3 Al2O3 Al2O3 氧化鋁陶瓷的主晶相是 Al2O3 Al2O3屬于六方系 穩(wěn)定性好 在熔點2050 之前不發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變 不溶于水 也不溶于酸和堿 耐高溫 無色透明者稱白玉 含微量三價鉻的顯紅色稱紅寶石 含二價鐵 三價鐵或四價鈦的顯藍(lán)色稱藍(lán)寶石 含少量四氧化三鐵的顯暗灰色 暗黑色稱剛玉粉 可用做精密儀器的軸承 鐘表的鉆石 砂輪 拋光劑 耐火材料和電的絕緣體 色彩艷麗的可做裝飾用寶石 人造紅寶石單晶可制激光器的材料 100 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 氧化鋁陶瓷的晶體結(jié)構(gòu) Al2O3屬于尖晶石型 立方 結(jié)構(gòu) 氫氧化鋁在140 150 的低溫環(huán)境下脫水制得 高溫時不穩(wěn)定 在1600 轉(zhuǎn)變?yōu)?Al2O3 具有強吸附力和催化活性 可做吸附劑和催化劑 不溶于水 但能溶于酸和堿 是典型的兩性氧化物 Al2O3 它有離子傳導(dǎo)能力 允許Na通過 以 鋁礬土為電解質(zhì)制成鈉 硫蓄電池 101 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 性能與應(yīng)用 高強度 高溫穩(wěn)定性裝飾瓷 噴嘴 火箭 導(dǎo)彈的導(dǎo)流罩 高硬度 高耐磨性切削工具 模具 磨料 軸承 人造寶石 低的介電損耗 高電阻率 高絕緣性火花塞 電路基板 管座 熔點高 抗腐蝕耐火材料 坩堝 爐管 熱電偶保護(hù)套等 102 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 103 氧化鋁陶瓷坩堝 氧化鋁陶瓷密封環(huán) Chapter7Non metallicInorganicMaterials 104 氧化鋯陶瓷 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 性能與應(yīng)用 熱導(dǎo)率小 化學(xué)穩(wěn)定性好 耐腐蝕性高可用于高溫絕緣材料 耐火材料 如熔煉鉑和銠等金屬的坩堝 噴嘴 閥心 密封器件等硬度高 耐磨性好可用于制造切削刀具 模具 剪刀 高爾夫球棍頭等 具有敏感特性可做氣敏元件 還可作為高溫燃料電池固體電解隔膜 鋼液測氧探頭等 105 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 由Si3N4四面體組成的共價鍵固體Si3N4為主晶相是一種高溫強度高 高硬度 耐磨 耐腐蝕并能自潤滑的高溫陶瓷線膨脹系數(shù)在各種陶瓷中最小具有極好的耐腐蝕性具有優(yōu)良的電絕緣性和耐輻射性 106 氮化硅陶瓷 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 氮化硅的制備與燒結(jié)工藝 工業(yè)硅直接氮化3Si 2N2 Si3N4硅粉成本高二氧化硅還原氮化3SiO2 6C 2N2 Si3N4 6CO 107 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 氮化硅陶瓷的性能特點 強度 比強度 比模量高硬度僅次于金剛石 碳化硼等摩擦系數(shù)僅為0 1 0 2熱膨脹系數(shù)小抗熱震性大大高于其他陶瓷材料化學(xué)穩(wěn)定性高 108 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 氮化硅陶瓷的應(yīng)用 熱壓燒結(jié)氮化硅用于形狀簡單 精度要求不高的零件如切削刀具 高溫軸承等 反應(yīng)燒結(jié)氮化硅用于形狀復(fù)雜 尺寸精度要求高的零件如機械密封環(huán)等 109 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 110 氮化硅軸承 氮化硅齒輪 氮化硅刀具 汽輪機轉(zhuǎn)子 葉片氣閥等零件 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 是通過鍵能很高的C Si共價鍵結(jié)合的晶體 主晶相為SiC由石英沙 SiO2 加焦碳直接加熱至高溫還原而成 SiO2 3C SiC 2CO 燒結(jié)工藝也有熱壓和反應(yīng)燒結(jié)兩種由于碳化硅表面有一層薄氧化膜 因此很難燒結(jié) 需添加燒結(jié)助劑促進(jìn)燒結(jié) 常加的助劑有硼 碳 鋁等 111 碳化硅陶瓷 金剛砂 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 碳化硅陶瓷的性能特點和應(yīng)用 高溫強度高 有很好的耐磨損 耐腐蝕 抗蠕變性能 其熱傳導(dǎo)能力很強 僅次于氧化鈹陶瓷 用于制造火箭噴嘴 澆注金屬的喉管 熱電偶套管 爐管 燃?xì)廨啓C葉片及軸承 泵的密封圈 拉絲成型模具等 112 常壓燒結(jié)碳化硅 Chapter7Non metallicInorganicMaterials SiC密封件 SiC陶瓷工件 SiC陶瓷軸承 113 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 結(jié)構(gòu)及性能特點主晶相是BN 屬于共價晶體 為六方晶系硬度較其它陶瓷低 可進(jìn)行切削加工良好的耐熱性和導(dǎo)熱性 導(dǎo)熱率與不銹鋼相當(dāng)熱膨脹系數(shù)小 故其抗熱震性和熱穩(wěn)定均好絕緣性好 在2000 的高溫下仍是絕緣體化學(xué)穩(wěn)定性高 能抵抗鐵 鋁 鎳等熔融金屬的侵蝕 有自潤滑性 114 六方氮化硼陶瓷 白石墨 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 六方氮化硼陶瓷的應(yīng)用 制作熱電偶套管 熔煉半導(dǎo)體及金屬的坩鍋 冶金用高溫容器和管道 玻璃制品成型模 高溫絕緣材料等由于BN有很大的吸收中子截面 可作核反應(yīng)堆中吸收熱中子的控制棒 115 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 6功能陶瓷FunctionalCeramics 功能陶瓷是指其自身具有某方面的物理化學(xué)特性 表現(xiàn)出對電 光 磁 化學(xué)和生物環(huán)境產(chǎn)生響應(yīng)的特征性陶瓷具有性能穩(wěn)定 可靠性高 來源廣泛 可集多種功能于一體的特性可用來制造很多功能材料在信息技術(shù)領(lǐng)域具有十分重要的地位 廣泛應(yīng)用于各種信息的存儲 轉(zhuǎn)換和傳導(dǎo) 116 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 按功能特點分類 一次功能陶瓷 輸出與輸入能量形式相同的陶瓷材料如單純的導(dǎo)電陶瓷 通以電能 輸出仍為電能 二次功能陶瓷 發(fā)生能量形式轉(zhuǎn)換的陶瓷如壓電陶瓷 施予機械能 產(chǎn)生電能 117 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 6 1介電陶瓷dielectricceramic 介電性 物質(zhì)受到電場作用時 構(gòu)成物質(zhì)的帶電粒子只能產(chǎn)生微觀上的位移而不能進(jìn)行宏觀上的遷移的性質(zhì) 宏觀表現(xiàn)出對靜電能的儲存和損耗的性質(zhì) 通常用介電常數(shù) 和介電損耗tg 來表示介電材料也屬于絕緣體 但更強調(diào)其可極化特征根據(jù)其介電性能特征可以分為絕緣陶瓷 介電陶瓷 壓電陶瓷和鐵電陶瓷 118 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 1 絕緣陶瓷Insulatingceramics 主要利用其絕緣性電性要求 介電常數(shù) 9 介電損耗tg 于2 10 4 9 10 3之間 電阻率要求大于1010 cm 其它要求 較高的力學(xué)強度 耐熱性 高導(dǎo)熱性 119 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 絕緣陶瓷種類 主晶相為莫來石 3Al2O3 SiO2 的普通陶瓷主晶相為剛玉 Al2O3的氧化鋁陶瓷鎂質(zhì)陶瓷晶相為含鎂硅酸鹽 MgO Al2O3 SiO2系 鋇長石瓷 BaO Al2O3 2SiO2 由高嶺土與BaCO3燒制而成高溫介電損耗小 用作電阻瓷 高導(dǎo)熱絕緣陶瓷BeO陶瓷非氧化物類陶瓷 如AlN Si3N4 SiC BN等 120 絕緣子 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 121 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 2 介電陶瓷dielectricceramic 也稱介質(zhì)陶瓷主要利用其介電性按使用頻率 可分為高頻介質(zhì)陶瓷微波介質(zhì)陶瓷 122 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 高頻介質(zhì)陶瓷 電性要求 高頻電場 1MHz 下具有適中至較高的介電常數(shù) 8 5 900 高頻介電損耗小 tg 小于6 10 4主要由堿土金屬和稀土金屬的鈦酸鹽或它們的固溶體構(gòu)成例如CaTiO3是由CaCO3與TiO2高溫?zé)贫捎糜谥谱餍〕叽绺哳l電容器 123 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 124 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 微波介質(zhì)陶瓷 應(yīng)用于微波頻段 300MHz 300GHz 電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶瓷電性要求 高的介電常數(shù) r在30 200之間高穩(wěn)定性 頻率溫度系數(shù) 要小微波頻段介質(zhì)損耗要小 tan 10 4 Q 10000代表性的微波介質(zhì)陶瓷包括BaO TiO2體系 鈣鈦礦型陶瓷 Ba Sr ZrO3 CaZrO3 Ca Zr Ti O3 Sr Zr Ti O3 Ba Sr Zr Ti O3等應(yīng)用 制作諧振器 濾波器 介質(zhì)天線 介質(zhì)導(dǎo)波回路等微波元器件 125 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 微波介質(zhì)陶瓷的應(yīng)用 制作諧振器 濾波器 介質(zhì)天線 介質(zhì)導(dǎo)波回路等微波元器件 126 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 2 鐵電陶瓷和壓電陶瓷FerroelectricCeramic PiezoelectricCeramics 鐵電陶瓷一定具有壓電性 但是壓電陶瓷不一定具有鐵電性 鐵電陶瓷用途 制作鐵電陶瓷電容器 壓電元件 熱釋電元件 電光元件 電熱器件等 127 Chapter7Non metallicInorganicMaterials BaTiO3 典型的鐵電陶瓷隨溫度變化 晶相結(jié)構(gòu)發(fā)生改變 很高的介電常數(shù) 特別是在其居里點Tc 120 附近 可高達(dá)6000損耗因子可高達(dá)0 01 0 02 128 Chapter7Non metallicInorganicMaterials BaTiO3的改性 形成置換固溶體置換Ba2 的有Ca2 Sr2 Pb2 等置換Ti4 的有Zr4 等摻雜改性如電荷不匹配的La3 Cd3 Dy3 部分取代Ba2 尺寸不匹配的Nb4 Ta5 取代Ti4 129 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 壓電陶瓷 具有壓電效應(yīng) 能夠?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料 130 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 常用的壓電陶瓷 鈦酸鋇系鈦酸鉛 鋯酸鉛二元系二元系中添加第三種ABO3 A表示二價金屬離子 B表示四價金屬離子或幾種離子總和為正四價 型化合物如 Pb Mn1 3 Nb2 3 O3和Pb CO1 3Nb2 3 O3等組成的三元系 鈮酸鹽系壓電陶瓷如Na0 5 K0 5 NbO3 Bax Sr1 x Nb2O5不含有毒的鉛 對環(huán)境保護(hù)有利 131 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 鈦鋯酸鉛 PZT 最有代表性的壓電陶瓷材料 132 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 壓電陶瓷應(yīng)用 換能器 超聲 電聲換能器等 陶瓷濾波器 陶瓷變壓器 陶瓷鑒頻器 高壓發(fā)生器 紅外探測器 聲表面波器件 電光器件 引燃引爆裝置和壓電陀螺等 133 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 6 2導(dǎo)電陶瓷 1 電子導(dǎo)電陶瓷非金屬元素的碳化物 氮化物以共價鍵為主 金屬鍵為輔 這幾類化合物構(gòu)成的陶瓷都是電子導(dǎo)電如SiC MoSi2電熱材料某些氧化物陶瓷通過加熱或者用其它的方法激發(fā) 使外層電子獲得足夠的能量成為自由電子而具有導(dǎo)電性如氧化鋁陶瓷 氧化釷陶瓷及由復(fù)合氧化物組成的鉻酸鑭陶瓷 都是新型的高溫電子導(dǎo)電材料 134 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 2 離子導(dǎo)電陶瓷利用離子的遷移導(dǎo)電 固體電解質(zhì) 或快離子導(dǎo)體 陽離子導(dǎo)體 利用陽離子遷移導(dǎo)電如 Al2O3的系 通式為nA2O3 M2O A代表三價金屬A13 Ga3 Fe3 等 M代表一價離子Na K H3O 等陰離子導(dǎo)體 利用O2 或F 陰離子遷移導(dǎo)電螢石結(jié)構(gòu)氧化物 ZrO2 HfO2 CeO2等 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物 LaAlO3 CaTiO3 135 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 6 3敏感性陶瓷 1 熱敏陶瓷 指對溫度變化敏感的陶瓷半導(dǎo)體材料 136 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 正溫度系數(shù)熱敏電阻 PositiveTemperaturecoefficient PTC 電阻隨溫度升高而增大用途 彩電自動消磁 電機啟動 過電流保護(hù) 恒溫發(fā)熱 程控電話交換機 137 幾種PTC熱敏電阻的電阻曲線 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 NegativeTemperaturecoefficient NTC 電阻隨溫度的升高而減小用途 廣泛用于工業(yè)和醫(yī)用溫度計 液面控制 液體流量測定等 138 幾種NTC熱敏陶瓷的溫度電阻曲線 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 2 氣敏陶瓷 吸收某種氣體后電阻率發(fā)生變化的一種功能陶瓷能級生成理論吸附還原性氣體時 氣體將電子給予半導(dǎo)體吸附氧化性氣體時 氣體從半導(dǎo)體獲取電子接觸粒界勢壘理論當(dāng)界面存在氧化性氣體時勢壘增加存在還原性氣體時勢壘降低 139 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 140 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 氣敏陶瓷的種類SnO2ZnOFe2O3 3 濕敏陶瓷 電阻隨環(huán)境濕度而變化的一類功能陶瓷 141 MgCr2O4 TiO2陶瓷濕度 電阻特性 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 4 壓敏陶瓷 一種電阻值對外加電壓敏感的功能陶瓷 阻值隨外加電壓呈非線性變化 142 1 ZnO壓敏電阻 2 SiC壓敏電阻 3 線性電阻 原理 低電壓通過時 由于自身較大電阻 起到遏制電流作用 電壓突增時 電子受高電壓驅(qū)動可穿越晶界阻擋層 相當(dāng)于電容擊穿 形成大電流通路 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 5 光敏陶瓷 電阻隨入射光強弱而改變的一種功能陶瓷本征半導(dǎo)體陶瓷材料 當(dāng)入射光子能量大于或等于禁帶寬度時 價帶頂?shù)碾娮榆S遷至導(dǎo)帶 使材料阻值下降 雜質(zhì)半導(dǎo)體陶瓷 當(dāng)雜質(zhì)原子未全部電離時 光照能使未電離的雜質(zhì)原子激發(fā)出電子或空穴 產(chǎn)生附加電導(dǎo) 從而使阻值下降 可用于光的測量 光控和光電轉(zhuǎn)換 將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化 如制作光控開關(guān) 照相機自動曝光裝置 光電計數(shù)器 煙霧報警器 光電跟蹤系統(tǒng)等 143 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 6 4光學(xué)陶瓷 1 高透明性陶瓷選用高純原料 并通過工藝手段排除氣孔就可能獲得透明陶瓷 盡可能降低陶瓷的晶相與玻璃相之間折光率差異 以減少折射 增加透明性 144 透明陶瓷與玻璃的比較 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 透明陶瓷與玻璃的本質(zhì)區(qū)別 145 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 2 電光陶瓷光學(xué)性質(zhì)會隨外電場的變化而改變 表現(xiàn)出電控雙折射主要用作光信息存儲 顯示和光閘 146 透明電光陶瓷開關(guān)示意圖 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 7 3 6 5生物陶瓷Bioceramics 生物陶瓷是指具有特殊生理行為的一類陶瓷材料 主要用來構(gòu)成人類骨骼和牙齒的某些部分 甚至可望部分或整體地修復(fù)或替換人體的某些組織 器官 或增進(jìn)其功能 147 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 對生物醫(yī)用材料的要求 生物兼容性Biocompatibility無毒性及無致癌性化學(xué)穩(wěn)定性 不隨時間衰退 充分的機械強度 對人工骨等材料 充分的疲勞壽命 對人工骨等材料 適當(dāng)?shù)闹亓颗c密度具市場競爭力 如成本低廉 再現(xiàn)性高 易大量制造等 148 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 各類生物材料比較 149 Chapter7Non metallicInorganicMaterials 1 生物陶瓷分類 可吸收性生物陶瓷Comp