第四章-無機(jī)非金屬材料

第四章無機(jī)非金屬材料第一節(jié)概述一、無機(jī)非金屬材料的定義除金屬和高分子材料以外的固體材料以金屬元素或非金屬元素的化合物或非金屬元素單質(zhì)為組元，原子與原子之間通過離子鍵和共價(jià)鍵而鍵合，主要組成成分大多為硅酸鹽類，因此有時(shí)也稱為硅酸鹽材料。二、化學(xué)鍵的特點(diǎn)無機(jī)非金屬材料的化學(xué)鍵主要以離子鍵、共價(jià)鍵和混合鍵為主。離子鍵理論Dx>1.7電子發(fā)生轉(zhuǎn)移形成離子共價(jià)鍵理論Dx<1.7共用電子對(duì)路易斯理論形成稀有氣體式的穩(wěn)定的電子層結(jié)構(gòu)，無量子力學(xué)的計(jì)算基礎(chǔ)現(xiàn)代共價(jià)鍵理論有量子力學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)1927年以后現(xiàn)代價(jià)鍵理論電子在原子軌道中運(yùn)動(dòng)電子屬于原子分子軌道理論電子在分子軌道中運(yùn)動(dòng)電子屬于分子分子軌道由原子軌道線性組合得到三、無機(jī)非金屬材料的共性化學(xué)健主要是離子鍵、共價(jià)健以及它們的混合鍵；硬而脆、韌性低、抗壓不抗拉、對(duì)缺陷敏感；熔點(diǎn)高，具有優(yōu)良的耐高溫和化學(xué)穩(wěn)定性；一般自由電子數(shù)目少、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性較??；耐化學(xué)腐蝕性好；耐磨損。四、無機(jī)非金屬材料的分類傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料主要包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。無機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料——硅酸鹽材料新型無機(jī)非金屬材料——半導(dǎo)體材料、超硬耐高溫材料、發(fā)光材料等1、玻璃態(tài)材料－熔融后，在低溫下仍保持熔體結(jié)構(gòu)的固態(tài)物質(zhì)2、陶瓷材料－粉末狀材料經(jīng)過成型和燒結(jié)形成的多相固體材料3、水泥－能夠在水或空氣中硬化的水硬性粉體材料4、耐火材料－指能夠耐高溫（耐受1580度以上溫度）的固體材料，包括耐火磚、耐火纖維和耐火水泥等五、無機(jī)非金屬材料在自然界的分布分布廣泛，存在形式多樣，有晶體結(jié)構(gòu)和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，有人工產(chǎn)品也有天然產(chǎn)物六、無機(jī)非金屬材料的加工工藝包括熱加工工藝和冷加工工藝第二節(jié)陶瓷一、陶瓷材料的分類及性能1、普通陶瓷（傳統(tǒng)陶瓷）指以天然硅酸鹽為原料，經(jīng)過粉碎、成型、燒結(jié)制成的固體材料和器皿。包括日用陶瓷、建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、絕緣陶瓷、化工陶瓷等。2、現(xiàn)代陶瓷（特種陶瓷）一般指以高純度化工原料或人工合成材料為原料燒結(jié)成的固體材料。也稱為新型陶瓷、精細(xì)陶瓷、高技術(shù)陶瓷、高性能陶瓷等。根據(jù)功能分類有電子陶瓷、光學(xué)陶瓷、高硬度陶瓷等根據(jù)化學(xué)成分劃分有氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷等（碳化物、氮化物、硼化物、硅化物等）。根據(jù)使用性質(zhì)劃分有結(jié)構(gòu)陶瓷（工程陶瓷）和功能陶瓷。3、陶瓷材料的相組成及結(jié)構(gòu)：陶瓷的組成相主要有晶體相、玻璃相和氣相結(jié)構(gòu)。晶體相是指分子有序排列部分，玻璃相是指分子不規(guī)則排列部分，氣相是指陶瓷材料中的氣孔部分。4、陶瓷材料的晶體缺陷點(diǎn)缺陷（置換原子、間隙子、空位等）線缺陷（指晶體的位錯(cuò)）面缺陷（晶界面缺陷）5、陶瓷材料的力學(xué)性能硬度（HV：1000~5000）遠(yuǎn)大于金屬（1000以下）和高分子材料（100以下），主要取決于堆積密度；剛度（彈性模量大于金屬數(shù)倍，高分子材料數(shù)百倍），主要取決于化學(xué)鍵的種類、晶體結(jié)構(gòu)和氣孔率；強(qiáng)度主要體現(xiàn)為高溫強(qiáng)度大，抗蠕變能力強(qiáng)，主要取決于晶粒大??；塑性與韌性很差，斷裂伸長(zhǎng)接近0。6、陶瓷材料的特殊功能某些陶瓷具有特殊的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和化學(xué)性質(zhì)，是構(gòu)成功能陶瓷的基礎(chǔ)。二、陶瓷材料的加工制備工藝陶瓷材料的加工制備工藝三個(gè)階段：粉體制備、坯體成型、燒結(jié)1、粉體制備原料制備：將礦物原料經(jīng)揀選、粉粹后配料、混合、磨細(xì)得到坯料控制指標(biāo)：粉體的粒度、均勻性、純度等。制備方法：包括固相合成法//氣相合成法//液相合成法//液相沉淀法//溶膠-凝膠法//機(jī)械粉碎法//噴霧干燥法//冷凍干燥法2、坯體成型坯料成型：將坯料加工成一定形狀和尺寸并有一定機(jī)械強(qiáng)度和致密度的半成品?？刂浦笜?biāo)：密度、均勻性、尺寸精度等制備方法：擠壓成型法//注漿成型法//熱壓注漿成型法//模壓法//等靜壓成型法//爆炸成型法等可塑成型（如傳統(tǒng)陶瓷）注漿成型（如形狀復(fù)雜、精度要求高的普通陶瓷）壓制成型（如特種陶瓷和金屬陶瓷）3、燒結(jié)干燥后的坯料加熱到高溫，進(jìn)行一系列的物理、化學(xué)變化而成瓷的過程。燒成：燒成是使坯件瓷化的工藝（1250℃～1450℃）燒結(jié)：燒結(jié)是指燒成的制品開口氣孔率極低、而致密度很高的瓷化過程。燒結(jié)的要求：燒結(jié)體為緊密堆積的多晶體、玻璃體構(gòu)成，氣孔盡可能少。燒結(jié)方法：常壓燒結(jié)//氣體氛壓力燒結(jié)//熱壓燒結(jié)//熱等靜壓燒結(jié)//反應(yīng)燒結(jié)（氫化、炭化、氮化等）//電活化壓力燒結(jié)//自擴(kuò)散高溫?zé)Y(jié)//微波燒結(jié)三、結(jié)構(gòu)陶瓷1、特點(diǎn)機(jī)械性能優(yōu)異、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、硬度高、強(qiáng)度大2、種類根據(jù)陶瓷結(jié)構(gòu)還可以分成陶瓷構(gòu)件、陶瓷纖維、陶瓷涂層、陶瓷內(nèi)襯等。氧化鋁陶瓷：氧化鋁的結(jié)構(gòu)是排成密排六方結(jié)構(gòu)，占據(jù)間隙位置。根據(jù)含雜質(zhì)的多少,氧化鋁呈紅色(如紅寶石)或藍(lán)色(如藍(lán)寶石)；實(shí)際生產(chǎn)中,氧化鋁陶瓷按含量可分為75、95和99等幾種。氧化鋁熔點(diǎn)達(dá)2050℃，抗氧化性好，廣泛用于耐火材料；較高純度的粉末壓制成形、高溫?zé)Y(jié)后得到剛玉耐火磚、高壓器皿、坩堝、電爐爐管、熱電偶套管等；微晶剛玉的硬度極高（僅次于金剛石），可作要求高的工具如切削淬火鋼刀具、金屬拔絲模等。有很高的電阻率和低的導(dǎo)熱率，是很好的電絕緣材料和絕熱材料。強(qiáng)度和耐熱強(qiáng)度均較高（是普通陶瓷的5倍），是很好的高溫耐火結(jié)構(gòu)材料，如可作內(nèi)燃機(jī)火花塞、空壓機(jī)泵零件等。單晶體氧化鋁可做藍(lán)寶石激光器；氧化鋁管坯做鈉蒸氣照明燈泡。氧化鈹陶瓷：導(dǎo)熱性好氧化鈹陶瓷具備一般陶瓷的特性，導(dǎo)熱性極好，很高的熱穩(wěn)定性，強(qiáng)度低，抗熱沖擊性較高；消散高能輻射的能力強(qiáng)、熱中子阻尼系數(shù)大。氧化鈹陶瓷制造坩堝，作真空陶瓷和原子反應(yīng)堆陶瓷，氣體激光管、晶體管散熱片和集成電路的基片和外殼等。氧化鋯陶瓷：強(qiáng)度和硬度高，韌性好，耐腐蝕、熱導(dǎo)低氧化鋯陶瓷的熔點(diǎn)在2700℃以上，耐2300℃高溫，推薦使用溫度2000℃～2200℃；能抗熔融金屬的浸蝕，做鉑、鍺等金屬的冶煉坩堝和1800℃以上的發(fā)熱體及爐子、反應(yīng)堆絕熱材料等；氧化鋯作為添加劑大大提高陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性，氧化鋯增韌陶瓷可替代金屬制造模具、拉絲模、泵葉輪和汽車零件如凸輪、推桿、連桿等。碳化物陶瓷碳化物陶瓷有很高的熔點(diǎn)、硬度（近于金剛石）和耐磨性（特別是在浸蝕性介質(zhì)中），缺點(diǎn)是耐高溫氧化能力差（約900℃～1000℃）、脆性極大。炭化硅陶瓷：高溫高強(qiáng)，熱導(dǎo)系數(shù)高碳化硅陶瓷密度為3.2×103kg/m3，彎曲強(qiáng)度為200MPa～250MPa，抗壓強(qiáng)度1000MPa～1500MPa，硬度莫氏9.2，熱導(dǎo)率很高，熱膨脹系數(shù)很小，在900℃～1300℃時(shí)慢慢氧化。主要用于制造加熱元件、石墨表面保護(hù)層以及砂輪及磨料等。炭化硼陶瓷：強(qiáng)度大，硬度高，耐高溫碳化硼陶瓷硬度極高，抗磨損能力很強(qiáng)；熔點(diǎn)達(dá)2450℃，高溫下會(huì)快速氧化，與熱或熔融黑色金屬發(fā)生反應(yīng)，使用溫度限定在980℃以下。主要用作磨料，有時(shí)用于制造超硬質(zhì)工具材料。碳化鉬、碳化鈮、碳化鉭、碳化鎢和碳化鋯陶瓷的熔點(diǎn)和硬度都很高，在2000℃以上的中性或還原氣氛中作高溫材料；碳化鈮、碳化鈦還可用作2500℃以上的氮?dú)鈿夥罩械母邷夭牧?。氮化硅陶瓷：耐腐蝕、絕緣性好、硬度高、摩擦系數(shù)小氮化硼陶瓷：絕緣、絕熱性好、尺寸穩(wěn)定，硬度極高3、應(yīng)用高硬度刀具//耐腐蝕內(nèi)襯//精密筏門//耐高溫導(dǎo)彈罩//陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)//火箭噴口//磨料四、功能陶瓷1、電子陶瓷陶瓷固體電解質(zhì)，壓電陶瓷，光導(dǎo)陶瓷，電光陶瓷壓電陶瓷是電子陶瓷的一類，是近代電子技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的重要組成部分，它在現(xiàn)代通訊（發(fā)射、接收材料）雷達(dá)、聲納、自動(dòng)測(cè)量與控制、超聲換能、引燃引爆方面均得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在我國(guó)在壓電陶瓷材料及其應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)仍處于發(fā)展階段，此行業(yè)的發(fā)展將具有廣闊的前景。2、超導(dǎo)陶瓷鑭系超導(dǎo)陶瓷（La2CuO3），釔系超導(dǎo)陶瓷(YBa2CuO)，鉍系超導(dǎo)陶瓷（Bi-Sr-Cu-O），鉈系超導(dǎo)陶瓷（Tl-Ba-Ca-Cu-O）等。3、磁性陶瓷鐵氧體陶瓷4、光學(xué)陶瓷透明陶瓷，紅外光學(xué)陶瓷，激光陶瓷，光致變色陶瓷等5、生物陶瓷生物惰性陶瓷（生物穩(wěn)定性），生物活性陶瓷（生物相容性）。6、敏感陶瓷熱敏電阻陶瓷，壓敏電阻陶瓷，磁敏陶瓷，氣敏陶瓷、濕敏陶瓷等陶瓷種類日用陶瓷建筑陶瓷高壓陶瓷耐酸陶瓷密度/（103kg·m-3）2.3～2.5～2.22.3～2.42.2～2.3氣孔率/%～5<6吸水率/%3～7<3抗拉強(qiáng)度/MPa10.8～51.923～358～12抗壓強(qiáng)度/MPa568.4～803.680～120抗彎強(qiáng)度/MPa40～6540～9670～8040～60沖擊韌度/(kJ·m-2)1.8～2.11.8～2.21～1.5線膨脹系數(shù)/（10-6/℃）2.5～4.54.5～6.0導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m·K)-1～1.50.92～1.04介電常數(shù)6～7損耗角正切0.02～0.04體積電阻率/Ω·m≮1011莫氏硬度777熱穩(wěn)定性/℃220250150～200(2*)第三節(jié)水泥一、水泥的分類1.根據(jù)成分劃分：硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥等。2.根據(jù)用途劃分：通用水泥、專用水泥、特種水泥（早強(qiáng)水泥、膨脹水泥、抗酸水泥等）3.根據(jù)原料劃分：硅酸鹽水泥、普通水泥、火山灰水泥、礦渣水泥、粉煤灰水泥等。二、水泥的性能指標(biāo)1、水泥的標(biāo)號(hào)：標(biāo)號(hào)標(biāo)識(shí)水泥固化28天后的抗壓強(qiáng)度(MPa)，標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1.65MPa。2、水泥的粒度：主要成分為直徑3－30微米的顆粒大于60微米，對(duì)硬度無貢獻(xiàn)，必須少于10%小于3微米，早強(qiáng)成分3、凝結(jié)時(shí)間、早期強(qiáng)度、膨脹度等三、水泥的生產(chǎn)過程原料開采：鈣質(zhì)礦物（灰?guī)r）+硅鋁質(zhì)礦物（黏土）生料制備：破碎、配料、烘干、均化等熟料燒成：預(yù)燒（650~1300℃）燒成（1300~1450~1300℃）冷卻（1300~常溫）粉碎研磨：熟料+石膏+填料四、典型水泥介紹1、硅酸鹽水泥（波特蘭水泥）原料：石灰質(zhì)（氧化鈣）+黏土（氧化硅、氧化鋁、氧化鐵）燒成硅酸鹽熟料，硅酸鹽熟料+石膏研磨而成主要成分：硅酸鈣、鋁酸鈣和鐵鋁酸鈣特點(diǎn)：硬度高、硬化快、耐凍性好不耐腐蝕（海水、淡水、酸堿等），耐熱性差，硬化時(shí)放熱量大。2、普通水泥在硅酸鹽水泥中加入不超過15%的填充性或活性混合料，性能接近硅酸鹽水泥，用途也接近。3、礦渣水泥采用高爐礦渣作為混合料，加入量控制在20~70%之間，特點(diǎn)是早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度高，水化熱低，耐熱性好，耐腐蝕，保水性差。適用于地下、水下及海水工程。特別適合大體積混凝土施工，但是不適合冬季施工。4、粉煤灰和火山灰水泥原料：粉煤灰水泥中含粉煤灰20~40%火山灰水泥含有火山灰20~50%與礦渣水泥類似，早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度高，一般28天之后強(qiáng)度可以超過硅酸鹽水泥。主要特點(diǎn)：水化熱低，耐腐蝕性強(qiáng)，耐熱性差、抗凍性不好3CaO?Al2O3和3CaO?Al2O3和3CaO?SiO2石膏水泥的細(xì)度提高水泥中的相對(duì)含量都可以提高水泥的早期強(qiáng)度。早強(qiáng)水泥的標(biāo)號(hào)用3天后的抗壓強(qiáng)度標(biāo)注。適合搶修工程。但是水化熱大、抗腐蝕能力差、易吸潮，保存時(shí)間短（一個(gè)月）。6、膨脹水泥填加高鋁水泥（無水硫鋁酸鈣）和石膏可以提高水泥的膨脹系數(shù)，生成水化硫鋁酸鈣時(shí)發(fā)生體積膨脹。除了膨脹性外，透水性低，耐凍性好，抗腐蝕也是其特點(diǎn)。適合用于防滲和修補(bǔ)性施工。7、白水泥以硅酸鈣為主要成分的水泥，要求氧化鐵的含量低于0.5%。燒結(jié)溫度一般在1500~1600℃，主要用于裝飾工程。第四節(jié)玻璃一、玻璃的定義及特征1、玻璃的定義玻璃（Na2O·CaO·6SiO2）是固熔體材料，即熔融體冷卻后仍然保持熔體結(jié)構(gòu)的固態(tài)物質(zhì)，其狀態(tài)稱為玻璃態(tài)。玻璃態(tài)材料的特點(diǎn)是遠(yuǎn)程無序（溶液狀態(tài)）和非流動(dòng)性（固體性質(zhì)）。玻璃態(tài)材料由于其保持了溶液狀態(tài)因此也稱為“過冷液態(tài)固體”。2、玻璃態(tài)物質(zhì)的主要特征各向同性：在各個(gè)方向上物理化學(xué)性質(zhì)相同。介穩(wěn)性（亞穩(wěn)定性）：在高溫下有結(jié)晶傾向。無固定熔點(diǎn)：有軟化溫度區(qū)間。性質(zhì)變化的連續(xù)性和可逆性二、玻璃的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)1、玻璃的結(jié)構(gòu)微晶結(jié)構(gòu)無序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)納米尺度的有序結(jié)構(gòu)（微晶）大尺寸無序（微晶取向無序）2、玻璃的物理性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)折射率－密度引起光速變化透光率－對(duì)不同光的吸收性質(zhì)色散率－折射率隨光波長(zhǎng)變化率反射率－反射光與入射光比值散射性質(zhì)非線性光學(xué)性質(zhì)2、玻璃的物理性質(zhì)機(jī)械性質(zhì)：韌性、強(qiáng)度、硬度等溫度性質(zhì)：膨脹系數(shù)、融化（軟化溫度）等三、玻璃的分類1、普通玻璃（鈉鈣玻璃）鈉玻璃－在二氧化硅中加入氧化鈉鈉鈣玻璃－在二氧化硅中同時(shí)加入氧化鈉和氧化鈣有時(shí)還含有鉀、鎂氧化物，具有相同性質(zhì)2、石英玻璃——主要成分為二氧化硅性能特點(diǎn)耐高溫－1100～1200℃化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定－耐酸，耐氯、溴、碘等，但不耐堿透射紫外光強(qiáng)度高、硬度大尺寸穩(wěn)定性好－膨脹系數(shù)小，耐急熱和急冷3、硼酸鹽玻璃（硬質(zhì)玻璃）在普通玻璃中加入三氧化二硼性能特點(diǎn)：可以提高玻璃硬度，同時(shí)折射率和密度發(fā)生變化。耐腐蝕性能好。4、含鉛玻璃在普通玻璃中加入氧化鉛用于替代氧化鈣性能特點(diǎn)：最大特點(diǎn)是耐輻射性能好，對(duì)高能射線有較強(qiáng)吸收5、鋼化玻璃普通玻璃經(jīng)過淬火工藝得到產(chǎn)品性能特點(diǎn)：耐受急冷急熱，強(qiáng)度高；破裂時(shí)成小碎片6、微晶玻璃（玻璃陶瓷）在玻璃中加入成核物質(zhì)，經(jīng)熱處理、光處理、化學(xué)處理，在玻璃中形成均勻的微晶相。性能特點(diǎn)：具有一定陶瓷性質(zhì)，可切削，強(qiáng)度高、耐高溫。可用作導(dǎo)彈頭部防護(hù)罩等。7、彩色玻璃常用的有色玻璃是在原料中加入一定量無機(jī)著色劑--金屬的氧化物或金屬。如硒化合物、氯化鈷使玻璃顯紅色，氧化亞銅顯深紅色，二氧化錳使玻璃顯紫色，微量的鉻的化合物使玻璃顯綠色，也可以通過表面著色處理。變色鏡片是在玻璃中加進(jìn)金屬鹵化物制成的。性能特點(diǎn)：對(duì)可見光有選擇性吸收，主要用于濾色片等光學(xué)領(lǐng)域。8、磨砂玻璃對(duì)玻璃表面進(jìn)行打磨處理得到的產(chǎn)品性能特點(diǎn)：表面粗糙，發(fā)生光散射，透光不透視，主要用于裝飾。9、復(fù)合玻璃（增強(qiáng)玻璃）對(duì)玻璃進(jìn)行多層復(fù)合加工得到的產(chǎn)品，可以分為夾層和夾絲玻璃性能特點(diǎn)：與普通玻璃相比，可以通過添加中間層的方式起到增韌、增強(qiáng)的作用10、功能玻璃——具有特殊性能的玻璃吸熱玻璃－加入鐵、鈷、鎳等氧化物，吸收紅外線中空隔熱玻璃－隔音、隔熱、保濕電熱玻璃－其中加入電熱絲或網(wǎng)、膜等，用于加熱除霜變色玻璃－加入鹵化銀其他光敏感材料，光照后發(fā)生變色化學(xué)反應(yīng)四、玻璃的生產(chǎn)制備1、主要原料石英砂－提供氧化硅，可以含鈉、鉀、鈣、鋁等氧化物，不含鐵、鉻等氧化物砂巖－長(zhǎng)石、高嶺石、白云石、方解石等，不含氧化鈦等氧化鋁－長(zhǎng)石、高嶺土等氧化鈉－純堿碳酸鈉、芒硝硫酸鈉等氧化鈣－石灰石碳酸鈣、方解石等氧化鎂－白云石氧化硼－硼酸、硼砂硼酸鈉等2、輔料澄清劑－受熱分解產(chǎn)生氣體，消除氣泡。常用氧化砷、氧化銻、硫酸鈉、氟化鈣、氟硅酸鈣等著色劑－錳、鈷、鉻、銅化合物等脫色劑－化學(xué)脫色、物理脫色氧化還原劑－調(diào)整氧化態(tài)乳濁劑－不透明3、生產(chǎn)制備配料：破碎→粉碎→篩分→稱量→混合熔制：硅酸鹽形成階段（800-900℃，時(shí)間短）玻璃形成階段（1200-1250℃，時(shí)間長(zhǎng)）消泡澄清階段（1400-1500℃）均化階段，冷卻增稠階段（1000-1100℃）成型：吹制成型（空心制品）壓制成型（玻璃容器）壓延成型（壓花玻璃）澆鑄成型（透鏡等體形材料）拉伸成型（平板玻璃）浮法成型（平板玻璃）4、平板玻璃的生產(chǎn)常用的平板玻璃有三種生產(chǎn)工藝，垂直引上法、平拉法和浮法。垂直引上法又分為有槽、無槽和對(duì)輥引上法。平拉法是在垂直引上過程中借助轉(zhuǎn)向輥使玻璃板水