无机非金属复习(上部)ppt.

•先进无机材料制备科学与技术（上部）•复习提纲•2013.1.161.实用陶与瓷器的分类2.特种陶瓷的概念与术语•特种陶瓷是一类采用高度精选的的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加工的，便于进行结构设计的，具有优异性能的陶瓷。•术语：•先进陶瓷、精细陶瓷、工程陶瓷、近代陶瓷、高技术陶瓷、高性能陶瓷等。•3.特种陶瓷的分类、性能与应用?•4.特种陶瓷与传统陶瓷的区别•5.陶瓷的致命弱点---脆性?•改善陶瓷脆性以及强化陶瓷的主要途径?1.实用陶与瓷器的分类种类粗陶普通陶细陶炻细炻普通瓷细瓷吸水率%11~206~144~123~7110.5烧结温度/度~8001100~12001250~1280----1200~13001250~14001250~1400三、特种陶瓷与传统陶瓷的区别•1、概述：•传统意义上的陶瓷主要是指硅酸盐类材料。•现在一般认为，陶瓷材料是指各种无机非金属材料的统称。•2、区别：主要区别特种陶瓷材料传统陶瓷材料原料人工合成高度精选的原料（氧化物、非氧化物）天然矿物原料，如黏土、石英、长石等。成型压制、热压制、注射、轧膜、等静压成型为主注浆、可塑成型为主烧成1200~2200度，广泛采用诸如真空烧结、气氛烧结、热压、热等静压烧结，燃料以电、油气为主。一般在1350度以下、燃料以煤、油、气为主。性能以内在质量为主，具优良的物理化学性能，高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗热，且在热、光、声、电、磁、化学、生物等方面具卓越功能。以外观效果为主。加工一般需要加工（切割、打孔、研磨、抛光）一般不需要加工用途在石油、化工、钢铁、电子、纺织和汽车等行业种、在许多尖端技术领域如航天、核工业、军事工业种有着广泛的应用价值和潜力。炊具、餐具、工艺品。3.特种陶瓷的分类、性能与应用?•一、根据性能与用途的不同分：•1、结构材料用陶瓷（耐磨损、高强度、硬质、耐热等）•2、功能陶瓷（电磁、光电、生物-化学）•二、按化学组成分：•1、氧化物陶瓷•2、氮化物陶瓷•3、碳化物陶瓷陶瓷的致命弱点---脆性•脆性的直观表现：•在外载荷作用下，断裂是无先兆的，爆发性的。•脆性的间接表现：无机械冲击性和温度急•变性。•脆性的本质：•脆性是由陶瓷材料的化学键性质和晶体结构所决定的，陶瓷材料的化学键为离子键、共价键或离子--共价混合键，其特点为结合力强并且具方向性。•（1）从晶体结构看，在陶瓷中缺乏独立的滑移系统，陶瓷材料一旦处于受力状态就难以通过滑移所引起的塑性变形来松驰应力。•（2）在陶瓷材料中存在大量的微裂纹，并且容易引起高度集中。从而导致脆性断裂。改善陶瓷脆性以及强化陶瓷的主要途径•1.氧化锆增韧•2.微裂纹增韧•3.颗粒弥散补强增韧•4.纤维（晶须）补强增韧•5.纳米陶瓷增强增韧陶瓷材料的其他弱点：1.加工困难2.可靠行差3.重现行差•结构陶瓷材料的主要特性：•主要性能：•高温强度及耐热特性耐腐蚀，化•学稳定性高硬度、耐磨性密度小，高强比•高弹性，低膨胀系数生物化学性其他•三、特种陶瓷今后的主要研究任务•1、研究现有陶瓷材料的性能及改性的主要途径•2、研究制备陶瓷的最佳工艺•3、对烧结后的半成品进行精加工之技术，金属化与焊接技术研究•4、发掘陶瓷材料的潜能和开发新的陶瓷材料6、原料的分类方法根据工艺特性分：可塑性原料，非可塑性原料（瘠性），熔剂性原料。根据用途分：坯用原料，釉用原料，色料和彩料。根据矿物组成分：粘土原料，硅质原料，长石原料，钙质原料，镁质原料。根据原料的获得方式分：矿物原料，化工原料。天然原料1.黏土的成因类型，特点。2.黏土的组成（化学组成，矿物组成，颗粒组成）对工艺性质的影响。3.黏土的矿物组成，黏土矿物的主要类型，结构特点。4.黏土的工艺性质（可塑性，结合性，离子交换性，触变性，膨胀性，收缩，烧结性能，（耐火度）粘土在陶瓷生产中的作用5.石英矿石的类型。石英的性质，石英的晶型转化类型及其特点。6.长石的种类和性质，长石的熔融特性。黏土类原料•概念：黏土是一种颜色多样，细分散的多种含水铝硅酸盐矿物的混合体，粒度一般小于2µm，主要由黏土矿物以及其他一些杂质矿物组成。分布广,种类繁多,储量丰富.•黏土具独特的可塑性和结合性，是构成陶瓷生产的工艺基础。黏土的成因类型•1,风化残积型（一次黏土）•特点:以脉状,覆盆状或帽状产出.•典型代表：景德镇高岭村，晋江白安，潮州飞天燕矿。•2,沉积型黏土矿(二次黏土)•指风化了的黏土矿物借雨水活风力的搬运作用搬离原母岩后，在低洼地方沉积而成。•特点:呈层状，透镜状产出，面积大，厚度小。•典型代表：南安康垅，清远源潭矿。3.热液蚀变型成因：热液作用于母岩所形成的。热液：高温岩浆冷凝结晶后，残余岩浆含大量挥发分和水分。当温度进一步降低时，水分以液态存在，但其中溶有大量其它化合物。特点:呈层状,脉状,透镜状.代表：苏州阳山、衡阳界碑等地粘土矿多为热液蚀变型。黏土的组成•黏土的性质取决于黏土的组成。其组成包括：•1、化学组成•2、矿物组成•3、颗粒组成一、黏土的化组成对工艺性质的影响•1.当黏土的化学组成与高岭石的化学组成很接近→高岭土。•2.碱性氧化物含量高→可能为蒙脱石类或伊利石类黏土矿物为主。•3.石英颗粒（游离）含量高→可塑性差，干燥和烧成收缩小。•4.碱金属、碱土金属、铁含量高→耐火度差，烧结温度较低。•5.Al2O3含量高→属高岭石类黏土，耐火度高，难于烧结。•6.Fe2O3，TiO2含量高→严重影响颜色和电性能。•7.Fe2O3含量高→引起鼓泡和膨胀。•8.灼烧量大，则说明黏土中有机物和碳酸盐含量高→烧成收缩大。•9.碳酸盐、硫酸盐含量高含量高→针孔、气泡。二.黏土的矿物组成•黏土矿物是一些含铝硅酸盐矿物，是黏土的主要组成矿物，其种类和含量决定黏土的类别和性质。根据黏土中矿物的性质和数量将其分为：黏土矿物和杂质矿物。•1.黏土矿物的主要分类：•（1）高岭石类•（2）蒙脱石类•（3）伊利石类•2.杂质矿物•包括非黏土类矿物，有机物质等。•有益类杂质矿物：石英、长石等。•有害类杂质矿物：碳酸盐、硫酸盐、金红石、铁质矿物。各种黏土的矿物结构黏土的工艺性质•黏土的工艺性质取决于黏土的化学组成、矿物组成、与颗粒组成，其中矿物组成是基本的因素。•1.可塑性•可塑性是指粘土粉碎后用适量的水调和、混练后捏成泥团，在一定外力的作用下可以任意改变其形状而不发生开裂，除去外力后，仍能保持受力时的形状的性能。•4.触变性•粘土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时，粘度会降低而流动性增加，静置后又能逐渐恢复原状。反之，相同的泥料放置一段时间后，在维持原有水分的情况下会增加粘度，出现变稠和固化现象。上述情况可以重复无数次。粘土的上述性质统称为触变性，也称为稠化性。•5.膨胀性•膨胀性是指粘土吸水后体积增大的现象。这是由于粘土在吸附力、渗透力、毛细管力的作用，水分进入粘土晶层之间、或者胶团之间所致，因此可分为内膨胀性与外膨胀性两种。•6.收缩•粘土泥料干燥时，因包围在粘土颗粒间的水分蒸发、颗粒相互靠拢而引起的体积收缩，称为干燥收缩。•粘土泥料煅烧时，由于发生一系列的物理化学变化(如脱水作用、分解作用、莫来石的生成、易熔杂质的熔化，以及熔化物充满质点间空隙等等)，因而使粘土再度产生的收缩，称为烧成收缩。这两种收缩构成粘土泥料的总收缩。•7.烧结性能•通指粘土在烧结过程中所表现出的各种物理化学变化及性能。•8.耐火度•耐火度是耐火材料的重要技术指标之一，它表征材料无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性能。•2.结合性•粘土的结合性是指粘土能结合非塑性原料形成良好的可塑泥团、有一定干燥强度的能力。••3.离子交换性•粘土颗粒带有电荷，其来源是其表面层的断键和晶格内部被取代的离子，因此必须吸附其它异号离子来补偿其电价，粘土的这种性质称为离子交换性。•特点:发生在黏土颗粒的表面部分,不影响铝硅酸盐晶体的结构.•石英•外观：视其种类不同而异，大多呈乳白色，有的呈灰白色，半透明状态，断面具有玻璃光泽或脂肪光泽。•硬度：莫氏硬度为7。•密度：晶型不同密度不同，变动范围2.22—2.65g/cm3。••石英具有很强耐酸侵蚀能力（氢氟酸除外），但与碱性物质接触时能起反应而生成可溶性的硅酸盐。高温下，石英易与碱金属氧化物作用生成硅酸盐与玻璃态物质。••石英材料的熔融温度范围：1400C—1770C，取决于二氧化硅的形态和杂质的含量。常压下有七种结晶态和一种玻璃态，在一定条件下相互转化：—石英—鳞石英—方石英熔融态石英—鳞石英石英玻璃—石英—鳞石英—方石英870℃1713℃1470℃573℃±0.82%±0.2%117℃163℃±4.7%±0.2%±16%±2.8%180~270℃急冷石英的晶型转化类型有两种：（1）高温型的缓慢转化（2）低温型的快速转化SiO2多晶转变的特点高温型的迟缓转化（横向转化或一级转化）由表面向内部逐步进行，结构变化。因为形成新的稳定晶型，所以需较高的活化能；转变速度慢；体积变化较大，所以需较高温度及较长时间。低温型的迅速转变（纵向转变或二级转变）由表及里瞬间同时转化，体积变化小，结构不特殊变化，位移型转变（键之间的角度稍做变动为位移型转变），易进行，且转化可逆。SiO2晶型转化与生产应用石英预烧，利于粉碎：1000C煅烧急冷变松，利用石英573C晶型转化时的体积变化效应。炻器、建材、彩釉砖，尽量减少石英用量，或使石英颗粒尽量细，以适应快速烧成的特点。陶瓷的烧成过程，必须注意升降温速度的问题，之所以要控制升降温速度就是由于一些原材料在加热或冷却过程中伴随着体积的膨胀或收缩。如果控温不当，这些膨胀或收缩在极短的时间完成，会造成坯体或制品开裂。石英在陶瓷生产中的作用1.石英是瘠性原料，可对泥料的可塑性起调节作用。2.在陶瓷烧成时，石英影响陶瓷坏体的体积收缩。3.在瓷器中，石英对坯体的力学强度有着很大的影响。4.石英对陶瓷釉料的性能有很大影响。（二）长石的熔融特性1.钾长石的熔融温度不是太高，且其熔融温度范围宽。2.钠长石的开始熔融温度比钾长石低，其熔化时没有新的晶相产生，液相的组成和未熔长石的组成相似，即液相很稳定，但形成的液相粘度较低。3.钙长石的熔化温度较高，熔融温度范围窄，高温下熔体不透明、粘度也小。冷却时容易析晶，化学稳定性也差。4.钡长石的熔点更高，其熔融稳定范围不宽，普通陶瓷产品不采用它。（三）长石在陶瓷生产中的作用长石在高温下熔融，形成粘稠的玻璃熔体，是坯料中碱金属氧化物（K2O，Na2O）的主要来源，能降低陶瓷坯体组分的熔化温度，有利于成瓷和降低烧成温度。熔融后的长石熔体能熔解部分高岭土分解产物和石英颗粒•长石熔体能填充于各结晶颗粒之间，有助于坯体致密和减少空隙。•在釉料中长石是主要熔剂。•长石作为瘠性原料，在生坯中还可以缩短坯体干燥时间、减少坯体的干燥收缩利变形等。新型陶瓷原料8，氧化铝的结构和性质，Al2O3原料的制备，氧化铝主要用途。9.氧化锆（ZrO2）的三种晶体形态，相转变特点，应用。10碳化硅的性质、种类及应用11.氮化物原料：氮化硅；氮化硼；氮化钛；氮化铝和赛隆。结构、特性。概述•粉体(Powder)，就是大量固体粒子的集合系。它表示物质的一种存在状态，既不同于气体、液体，也不完全同于固体。•粒径是粉体最重要的物理性能，对粉体的比表面积、可压缩性、流动性和工艺性能有重要影响。•粉体的制备方法一般可分为粉碎法和合成法两种。第二章粉体的制备与合成新型陶瓷原料•（一）氧化物原料•1.氧化铝(Al2O3)•氧化铝的结构和性质•氧化铝化学式：Al2O3，分子量101.96。矾土的主要成分。白色粉末。具有不同晶型，常见的是α-Al2O3和γ-Al2O3a.氧化铝的晶型转变氧化铝的晶型转变示意图氧化铝在无机非金属材料中的应用•在α型氧化铝的晶格中，氧离子为六方紧密堆积，Al3+对称地分布在氧离子围成的八面体配位中心，晶格能很大，故熔点、沸点很高．•α型氧化铝不溶于水和酸，用于制各种耐火砖、耐火坩埚、耐火管、耐高温实验仪器