第七章-无机非金属材料

无机非金属材料Chapter7Non-metallicInorganicMaterials1Chapter7Non-metallicInorganicMaterials本章内容7.1无机非金属材料的分类和特点7.2水泥与玻璃7.3陶瓷7.4半导体材料7.5超导材料2Chapter7Non-metallicInorganicMaterials学习目的•结合前面所学内容，理解无机非金属材料结构与性能特点；•了解常用无机非金属材料的合成和工艺。•了解各种新型无机非金属材料的特殊性能、作用原理、结构及用途。33Chapter7Non-metallicInorganicMaterials学习参考书目1.杨兴钰.材料化学导论.武汉：湖北科学技术出版社，20032.戴金辉，葛兆明主编，无机非金属材料概论，哈尔滨工业大学出版社，19993.H.F.W.Taylor,CementChemistry,AcademicPress,19904.M.W.Barsoum,FundamentalsofCeramics,IOP,20035.J.G.P.Binner,AdvancedCeramicProcessingandTechnology,Vol.1,Noyes,19904Chapter7Non-metallicInorganicMaterials7.1无机非金属材料的分类及特点•无机非金属材料——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）和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。5传统（普通）无机非金属材料新型（特种）无机非金属材料Chapter7Non-metallicInorganicMaterials传统（普通）无机非金属材料品种品种示例水泥等胶凝材料硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、石膏等陶瓷粘土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等耐火材料硅质、硅酸铝质、高铝质、镁质、铬镁质等玻璃硅酸盐搪瓷钢片、铸铁、铝和铜胎等铸石辉绿岩、玄武岩、铸石等研磨材料氧化锆、氧化铝、碳化硅等多孔材料硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸盐和硅酸铝等碳素材料石墨、焦炭和各种碳素制品等非金属矿粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金刚石等6Chapter7Non-metallicInorganicMaterials新型（特种）无机非金属材料7品种品种示例绝缘材料氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等铁电和压电材料钛酸钡系、锆钛酸铅系材料等磁性材料锰—锌、镍—锌、锰—镁、锂—锰等铁氧体、磁记录和磁泡材料等导体陶瓷钠、锂、氧离子的快离子导体和碳化硅等半导体陶瓷钛酸钡、氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化锆等过滤金属元素氧化物系材料等光学材料钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透明材料和石英系或多组分玻璃的光导纤维等高温结构陶瓷高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等难熔化合物超硬材料碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等人工晶体铝酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等生物陶瓷长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的载体材料等无机复合材料陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料Chapter7Non-metallicInorganicMaterials结构特征•离子键：无方向性、无饱和性–紧密堆积；键强较高–密度大，高强度、高硬度、高脆性、耐热•共价键：具有方向性与饱和性–键强度较高，具有稳定化学结构–密度较小，熔点高，硬度大，脆性大，热膨胀系数小，绝缘性好。•离子键与共价键混合8Chapter7Non-metallicInorganicMaterials部分陶瓷化合物化学键混合特征9陶瓷化合物结合原子电负性差离子键比例(%)共价键比例(%)MgOMg-O2.136832Al2O3Al-O1.835743SiO2Si-O1.544555Si3N4Si-N1.142872SiCSi-C0.651090Chapter7Non-metallicInorganicMaterials7.2水泥与玻璃•硅酸盐水泥•铝酸盐类水泥•硫铝酸盐水泥•氟铝酸盐水泥•铁铝酸盐水泥107.2.1水泥（cement）按矿物组成分类——一种水硬性胶凝材料，通过水化过程发生凝结和硬化，硬化后甚至在水中也可保持强度和稳定性。Chapter7Non-metallicInorganicMaterials11Chapter7Non-metallicInorganicMaterials硅酸盐水泥•熟料成分：–硅酸三钙（3CaO·SiO2），C3S–硅酸二钙（2CaO·SiO2），C2S–铝酸三钙（3CaO·Al2O3），C3A–铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3），C4AF12Chapter7Non-metallicInorganicMaterials硅酸盐水泥•熟料比例对水泥性质的影响–提高C3S的含量,可得到高强硅酸盐水泥–提高C3S和C3A的含量,即可制得快硬硅酸盐水泥–降低C3S和C3A的含量,提高C2S的含量可得低热或中热硅酸盐水泥.13Chapter7Non-metallicInorganicMaterials硅酸盐水泥生产14CaCO3CaO+CO2750－1000℃2CaCO32CaO1000－1300℃+SiO2SiO23CaCO33CaO1000－1300℃+Al2O3Al2O3Fe2O3Fe2O32CaO3CaO1300－1400℃+SiO2CaOSiO24CaCO34CaO1000－1300℃+Al2O3Al2O3+（硅酸二钙）（铝酸三钙）（铁铝酸四钙）（硅酸三钙）所得熟料经碾磨成细粉，加少量石膏，用以调节水泥的水硬化时间，即得水泥成品。熟料制备的化学过程：Chapter7Non-metallicInorganicMaterials15Chapter7Non-metallicInorganicMaterials硅酸盐水泥的水化、凝结硬化•水化——物质由无水状态变为有水状态，由低含水变为高含水，统称为水化。•凝结——水泥加水拌和初期形成具有可塑性的浆体，然后逐渐变稠并失去可塑性的过程•硬化——浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的石状固体（水泥石）。16Chapter7Non-metallicInorganicMaterials凝结、硬化过程173CaO·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·H2OChapter7Non-metallicInorganicMaterials7.2.2玻璃18玻璃瓶玻璃工艺烛台建筑玻璃艺术玻璃玻璃——熔体冷却后呈坚硬无定形状态的无机物Chapter7Non-metallicInorganicMaterials19普通玻璃的化学结构Chapter7Non-metallicInorganicMaterials玻璃中的组分构成：1.形成体：能够独立形成网络的氧化物–SiO2，B2O3，GeO22.中间体：不能独立形成网络的氧化物，但能够与形成体共同形成网络–Al2O3，V2O5，SeO23.改性剂：不仅不能形成网络，随着添加量的增大还会逐渐破坏网络，最终导致体系结晶。一般为碱金属与碱土金属的氧化物–Na2O，K2O，CaO，MgO，BaO等。20Chapter7Non-metallicInorganicMaterials21Na2O的加入对SiO2网络的影响Chapter7Non-metallicInorganicMaterials22鳞石英SiO2-Na2O相图方石英Na2O加入SiO2中，因形成低共熔混合物而使其熔融温度显著降低Chapter7Non-metallicInorganicMaterials7.2.2.1玻璃的制造231)硅酸盐形成阶段2)玻璃形成阶段4)玻璃液的均化阶段3)玻璃液澄清阶段5)玻璃液冷却阶段Chapter7Non-metallicInorganicMaterials24Process11)硅酸盐形成阶段温度800～1000C在固相或液相反应中形成易熔的中间体，如：Na2Ca(CO3)2(Na2O)0.5~2·(CaO)1~2·(SiO2)3Chapter7Non-metallicInorganicMaterials25Process2CO2,O2,SO2,NO2等2)玻璃形成阶段温度1200～1250C低共熔混合物熔化硅酸盐和剩余石英砂粒的互熔熔体中有大量气泡、条纹Chapter7Non-metallicInorganicMaterials26温度1400～1500C——除气泡加入澄清剂，如Na2SO4，放出SO3并带出气泡其它澄清剂：NaNO3/KNO3+As2O5——适于高温熔体1400～1500CNaNO3/KNO3+Sb2O3——适于低温熔体1300～1400C熔体中还有条纹，温度不均匀Process33)玻璃液澄清阶段Chapter7Non-metallicInorganicMaterials27Process4&54)玻璃液的均化阶段保持较高温度——通过扩散、对流、搅拌作用，消除条纹、成分不均匀和热不均匀性5)玻璃液冷却阶段冷却降温200～300C，达到成型所要求粘度Chapter7Non-metallicInorganicMaterials28大量连续生产各熔制阶段在窑的不同部位进行各部位温度恒定各熔制阶段均在同一坩埚内随时间推移依次进行，炉膛温度随时间变化，适用于产量小或经常更换料种的玻璃，如特种玻璃小型，间歇式生产,生产周期24小时小型，连续生产熔窑池窑坩埚窑间歇式池窑单元式熔窑Chapter7Non-metallicInorganicMaterials29玻璃成型工艺：（a）压制，（b）压吹，（c）拉纤(a)pressing,(b)pressandblowprocess,(c)drawingoffibers.Chapter7Non-metallicInorganicMaterials30连续平板玻璃生产设备Chapter7Non-metallicInorganicMaterials7.2.2.2玻璃分类•氧化物玻璃–石英玻璃–硅酸盐玻璃–钠钙玻璃–氟化物玻璃•非氧化物玻璃–硫系玻璃–卤化物玻璃31Chapter7Non-metallicInorganicMaterials•硅酸盐玻璃——基本成分为SiO2石英玻璃SiO2含量大于99.5％高硅氧玻璃SiO2含量约96％钠钙玻璃（又名钠玻璃）——含有15％的Na2O和16％的CaO铅硅酸盐玻璃主要成分有SiO2和PbO铝硅酸盐玻璃主要成分有SiO2和Al2O3硼硅酸盐玻璃（耐热玻璃）以SiO2和B2O3为主要成分钾玻璃（硬玻璃）以K2O代替钠玻璃中的部分Na2O，适当提高SiO2含量32Chapter7Non-metallicInorganicMaterials7.2.2.3特种玻璃•钢化玻璃–淬火产生内应力，导致表面增强•无色光学玻璃–可见光波长范围内吸光性极低——高纯度–高折射率——增加氧化钡、氧化铅含量•导电玻璃–ITO（IndiumTinOxide）玻璃导电33Chapter7Non-metallicInorganicMaterials•LCD专用平板玻璃–TFT-LCD使用无碱玻璃，避免钠离子迁移对半导体的破坏•光纤玻璃–高纯度石英–避免出现羟基结构，因硅羟基吸收近红外光信号•彩色玻璃–通过添加着色剂实现彩色–着色剂能对投射到玻璃上的白光进行选择性的吸收34Chapter7Non-metallicInorganicMaterials不同玻璃颜色所使用着色剂着色剂玻璃颜色氧化铁绿、棕氧化锰深琥珀色、紫水晶、脱色剂氧化钴深蓝氯化金宝石红硒化合物红碳氧化物琥珀色锰、钴、铁混合物黑色氧化锑白色氧化铀黄绿表面化合物琥珀/棕