非金属材料及其制备方法-教材.

非金属材料及其制备方法-教材第一章、绪论什么是材料？材料的定义：可以用来制造有用的构件、器件或物品等的物质。钢材太阳能电池板橡胶宝石•材料是具有一定配比的若干相互作用的元素组成、具有一定结构层次和确定性能，并能用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。•材料是物质，但不表示所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。一、材料的分类1.按照物质化学成分2.按照用途无机非金属材料金属材料高分子材料传统无机非金属材料新型无机非金属材料——硅酸盐材料——半导体材料、超硬耐高温材料、发光材料等——金属、合金——塑料、合成橡胶、合成纤维按照物质化学成分材料按照用途划分结构材料——主要用于产品或工程的结构部件，着重于材料强度、韧性等力学性质的材料；功能材料——利用材料所具有的电、磁、光、声、热等特性和效应以实现某种功能的材料。玻璃、陶瓷和水泥二、传统无机非金属材料以含硅物质为原料加热制成硅酸盐工业：以含硅物质为原料，经加热制成硅酸盐产品的工业。如：水泥、玻璃、陶瓷等产品的工业。1、工业原料除二氧化硅、硅酸盐外还可加其它辅助成分2、原料与产品虽都为含硅物质，但主要成分并不相同3、将硅酸盐工业的原料变为硅酸盐产品的条件是：高温加热理解硅酸盐材料2.1水泥原料粘土和石灰石＋适量的石膏设备水泥回转窑反应原理复杂的物理、化学变化主要成分硅酸三钙(3CaO•SiO2)硅酸二钙(2CaO•SiO2)铝酸三钙(3CaO•Al2O3)等生产过程生料研磨，高温煅烧得熟料，再加石膏研成粉末得普通硅酸盐水泥主要性质水硬性辅助原料：石膏—作用是调节水泥硬化速度三、新型无机非金属材料•导电材料•介电材料•压电材料•热电材料•光电材料•磁性材料•发光材料•隐身材料等的3.5氧化铝陶瓷（人造刚玉）氧化铝陶瓷主要特性和主要用途主要特性主要用途高熔点高硬度可制成透明陶瓷无毒、不溶于水，强度高；对人体有较好的适应性高级耐火材料刚玉球磨机人造骨、人造牙、人造心瓣膜、人造关节等高压钠灯的灯管透明、耐高温高压钠灯灯管高压钠灯该灯灯内温度高达1400℃氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷人造心瓣膜人造骨人造牙人造髋关节高温炉管3.6氮化硅陶瓷主要特性主要用途氮化硅陶瓷主要特性和主要用途①超硬度，耐磨损；②抗腐蚀，高温时也抗氧化；③抗冷热冲击而不碎裂；④耐高温且不易传热；⑤本身具有润滑性制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。用于制造柴油机中发动机部件的受热面等氮化硅陶瓷发动机3.7氮化硅陶瓷沙漠车氮化硅陶瓷步兵战车用绝热陶瓷发动机可使其不易被红外探测器发现和被红外制导武器所摧毁，提高了生存率陶瓷柴油机航天飞机的机头温度2760°C，通常采用SiC、Si3N4复合材料航空飞机各部分耐温图碳化硅SiC,俗称金刚砂。熔点高(2450℃),硬度大(9.2),是重要的工业磨料。如其中掺入某些杂质,会使之出现半导体,作为高温半导体,用于电热元件。作为高温结构陶瓷,日益受到人们的重视。它最适宜的应用领域是高温、耐磨和耐蚀的环境,现已用作火箭喷嘴,热电偶保护管,热交换器和耐磨、耐蚀的零件。碳化硅制成的涡轮叶片碳化硅SiCa.陶瓷的耐热性好，可以提高发动机的工作温度，从而使发动机效率大大提高，可比目前作为其制造材料的镍基耐热合金的发动机效率提高30%左右。b.工作温度高，可使燃料充分燃烧，排出废气中的污染成分大大减少。这不仅降低了能源消耗，而且减少了环境污染。c.陶瓷的热传导性比金属低，这使发动机的热量不易散发，可节省能源。d.陶瓷具有较高的高温强度和热稳定性，这可延长发动机的使用寿命。第二章无机非金属材料原料及其合成制备•无机非金属材料使用的原料，根据其来源可分为天然矿物原料与人工合成原料。•天然矿物原料：组成由矿物生成的天然条件决定。•人工合成原料：通过各种物理与化学方法制备的陶瓷原料。各种化学试剂，例如：NaCl，TiO2天然矿物原料氧、硅、铝占三种元素占地壳中元素总量的80%多硅酸盐和铝硅酸盐自然界所愿藏的矿物类型中最主要的是？地壳中普通元素的蕴藏量例如：？长石K2O·Al2O3·6SiO2云母K2O·2Al2O36SiO2·2H2O高岭土Al2O3·2SiO2·2H2O•化学特征参数：包括粉料化学计量和杂质含量•晶体学特征参数：粉料中存在的非反应相与第二项的情况•形态学特征参数：原料颗粒团聚程度、颗粒尺寸和分布、颗粒形态以及粉料比表面积•堆积特征参数：原料的堆积性、流动性、以及热效应的表征2.1无机粉体的基本参数与表述2.1.1无机粉体的基本参数形态学特征与堆积特性对材料的影响•粉料颗粒的团聚程度、颗粒尺寸和分布、颗粒形状、比表面积以及原料堆积特性主要通过影响陶瓷材料的各种不同成形性和烧结特性而影像材料的显微组织。•细小尺寸的原料颗粒具有较大的表面自由能，有利于提高陶瓷材料的烧结推动力提高陶瓷材料的强度。•粉料的形态学和堆积学特性，有利于改善材料工艺制造过程的难度，提高效率和降低成本。粒径（粒度）：用来表示粉体颗粒尺寸大小的几何参数表示方法：①单个颗粒的单一粒径：（1）粒径单个颗粒的单一粒径颗粒群体的平均粒径单一球形颗粒：直径即为粒径非球形单一颗粒：单颗粒平均直径等效粒径（当量直径）bhl2.1.2无机粉体的基本参数的表述•单颗粒平均直径：大多数情况中的非球形单颗粒，可由该颗粒不同方向上的不同尺寸按照一定的计算方法加以平均，得到单颗粒的平均直径•等效粒径（当量直径）：以在同一物理现象中与之有相同效果的球形颗粒直径来表示，即等效粒径，或叫当量径。附表1：单一粒径的计算公式名称计算公式长轴径短轴径二轴平均径二轴几何平均径二轴调和平均径三轴调和平均径表面积平均径体面积平均径lb2/)(bl2/1)(lb)/1(/1/2bl)/1()/1(/1/3hbl6/)222(hlbhlb)/(3hlbhlblbhbh•费雷特（Feret）径：与颗粒投影相切的两条平行线之间的距离。•马丁（Martin）径：指沿一定方向把颗粒投影面积二等分线的长度。•最大定向径：沿一定方向测定颗粒的最大宽度所得的线度。•投影圆当量径：与颗粒投影圆面积相等的圆的直径。颗粒群的平均粒度在实际中，所涉及的不是单个的颗粒，而是包含各种不同粒径的颗粒的集合，即粒子群。对于不同粒径颗粒组成的粒子群，为简化其粒度大小的描述，常采用平均粒度的概念。平均粒度是用数学统计方法来表征的一个综合概括的数值。平均径名称符号个数基准质量基准备注个数(算术)平均径D1ndnWdWd23颗粒的总数或总长长度平均径D2ndnd2WdWd2p=1q=2面积平均径D3ndnd32WWdp=2q=3体积平均径D4ndnd43WdWp=3q=4平均表面积径DSndn2WdWd3p=0q=2平均体积径Dvndn33WWd33p=0q=3调和平均径DgnndWdWd34平均比表面积以个数为基准：相当于将ni个大小不同的颗粒排列起来，其长度为∑(nidi)，在此长度上排列∑ni个等直径的颗粒，则每个颗粒的等效果直径为：以质量为基准的公式推导：颗粒群中颗粒总长为：质量基准直径为：ni,di含义：颗粒粒径为di的颗粒的总个数为ni。mi,di的含义：颗粒粒径为di的颗粒，在整个颗粒群中占有的质量为mi。若颗粒较粗（1～20mm)，平均粒径可由下式获得333661.24pppmndmmdnnm为颗粒群总质量n为颗粒数，一般n≥200为颗粒密度p上述单一粒径和平均粒径的计算是为着不同的实际单元操作过程或某粉体研究需要服务的，譬如一些平均粒径所适用的有关物理化学过程见下表粉体颗粒的粒度分布横坐标表示各粒级的起讫粒度；纵坐标表示该粒级的颗粒所占百分数/D。实际应用中，用哪种取法因具体粉体物系而异。粒度间隔不相等的矩形图粒度间隔相等的矩形图和频率分布曲线看该图我们可以清晰的了解到：该产品粒径分布范围很小，从1.08到2.5微米之间，最粗的粒径不超过2.5微米，比表面积3.29m2/c.c.，适用于高档涂料填充等用途。附图是超细高岭土的激光粒度分布图频度分布曲线其意义是：任何粒度间隔内颗粒的百分数等于曲线下方该间隔内的面积占曲线下方总面积的百分数。频度分布曲线图Dm—最多数（量）径；D1/2—中位径；—平均径DDinidDfi1=式中：n—粒度间隔的数目；Di—每一间隔内的平均粒径fdi—颗粒在该粒度间隔的个数或质量分数2.1.3粒度的测定方法•筛分法：最简单也是用得最早和应用最广泛的粒度测定方法•沉降法：•显微镜法（包括光学显微镜和电子显微镜）•库尔特计数器•激光粒度分析仪粒度测试的方法很多，具统计有上百种。目前常用的有沉降法、激光法、筛分法、图像法、电阻法，显微图象法、刮板法、透气法、超声波法和动态光散射法等。筛分设备筛网采用电化学加工而成，用于微细颗粒精确筛分检测ф75电成型试验筛筛分法：使颗粒通过不同尺寸的筛孔来测试粒度的。分类：筛分法分干筛和湿筛两种形式操作方式：可以用单个筛子来控制单一粒径颗粒的通过率，也可以用多个筛子叠加起来同时测量多个粒径颗粒的通过率，并计算出百分数。筛分法分类：手工筛、振动筛、负压筛、全自动筛等多种方式筛分法2.显微镜采用定向径方法测量光学显微镜0.25——250μm电子显微镜0.001——5μm显微镜测定粒度要求统计颗粒的总数：粒度范围宽的粉末———10000以上粒度范围窄的粉末———1000左右显微镜方法的优缺点优点•可直接观察粒子形状•可直接观察粒子团聚•光学显微镜便宜缺点•代表性差•重复性差•测量投影面积直径•速度慢原理图激光器激光束透镜样品池透镜衍射光束未衍射光束光传感器列阵中心传感器粉末3.光衍射法粒度测试从He-Ne(氦气和氖气)激光器发出的激光束经扩束镜后会聚在针孔，针孔将滤掉所有的高阶散射光，只让空间低频的激光通过。然后，激光束成为发散的光束，该光束遇到傅立叶透镜后被聚焦。当光入射到颗粒时，会产生衍射，小颗粒衍射角大，而大颗粒衍射角小（Mie散射理论），某一衍射角的光强度与相应粒度的颗粒多少有关。当样品池内没有颗粒时，光束将被聚焦在环形光电探测器的中心；当样品池内有颗粒样品时，会聚的光束会有一部分被颗粒散射到环形探测器的各探测单元以及大角探测器上，形成“靶芯”状的衍射光环，此光环的半径与颗粒的大小有关，衍射光环的强度与相关粒径颗粒的多少有关，通过环形光电接受器阵列就可以接受到这些光能信号，光能信号通过光电探测器转换成了相应的电流信号，送给数据采集卡，该卡将电信号放大，再进行A/D转换后送入计算机，计算机用Mie散射理论对这些信号进行处理，即得样品的粒度分布。测量原理示意图激光衍射0.05—500μmX光小角衍射0.002—0.1μm测量方法目前的激光法粒度仪基本上都同时应用了夫琅霍夫(Fraunhofer)衍射理论和米氏(Mie)衍射理论，前者适用于颗粒直径远大于入射波长的情况，即用于几个微米至几百微米的测量；后者用于几个微米以下的测量。激光衍射性能特点•测量的动态范围大，动态范围越大越方便，目前先进的激光粒度可以超过1：1000（动态范围是指仪器同时能测量的最小颗粒与最大颗粒之比）；•测量速度快，从进样至输出测试报告，只需1min，是目前最快的仪器之一；•重复性好，由于取样量多，对同一次取样进行超过100次的光电采样，故测量的重复精度很高，达1%以内；•操作方便，不受环境温度影响（相对于沉降仪），不存在堵孔问题（相对库尔特计数器）•分辨率较低，不宜测粒度分布过窄又需要定量测量其宽度的样品如磨料微粉。4电阻法颗粒计数器电阻法(库尔特)颗粒计数工作原理：•采用小孔电阻原理，即库尔特法测量颗粒的大小。如图，小孔管浸泡在电解液中。小孔管内外各有一个电极，电流可以通过孔管壁上的小圆孔从阳极流到阴极。小孔管内部处于负压状态，因此管外的液体将流动到管内。测量时将颗粒分散到液体