10无机非金属材料PPT课件

第七章硅和硅酸盐工业第三节无机非金属材料第三节无机非金属材料材料指为人类社会所需要并能用于制造有用器物的物质。材料传统无机非金属材料新型无机非金属材料无机非金属材料金属材料高分子材料石器——燧石取火硅酸盐——水泥、玻璃、陶瓷二氧化硅——光导纤维单晶硅——集成电路传统材料人类文明发展史新型材料信息材料无机非金属材料的发展传统无机非金属材料水泥玻璃陶瓷无机非金属材料新型无机非金属材料新型陶瓷光导纤维1.概念:以含硅物质为原料，经加工制得硅酸盐产品的工业称为硅酸盐工业。常见如水泥、玻璃、陶瓷等工业都属硅酸盐工业。2.硅酸盐工业的特点：(1)原料：（2）反应条件：(3)反应原理：(4)生成物：硅酸盐工业含硅的物质、碳酸盐等。高温复杂的物理、化学变化硅酸盐产品3.硅酸盐产品分类：陶瓷。水泥、玻璃、按组成可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等硅酸盐水泥是由粘土和石灰石按比例在旋转窑中于1450℃以上温度煅烧成熟料，再混入少量石膏，磨粉后制成。1、水泥（cement）1、水泥主要原料主要设备主要成分性质应用黏土石灰石石膏水硬性水泥回转窑3CaO·SiO22CaO·SiO23CaO·Al2O3水泥砂浆混凝土钢筋混凝土石膏—作用是调节水泥硬化速度1.建筑用粘合剂——水泥砂浆的成分是什么？2.混凝土又是什么做成的？水泥沙子和水的混合物水泥沙子和碎石混合而成水泥水泥是最常用的建筑材料下图是1949——1998年我国水泥产量示意图硅酸盐水泥熟料、矿物组成及含量组分化学式符号质量分数硅酸三钙3CaO.SiO2C3S0.37～0.60硅酸二钙2CaO.SiO2C2S0.15～0.37铝酸三钙3CaO.Al2O3C3A0.07～0.15铁铝酸四钙4CaO.Al2O3.Fe2O3C4AF0.10～0.18符号C表示CaO，S表示SiO2，A表示Al2O3，F表示Fe2O3。二、玻璃（glass）(1)普通玻璃(钠玻璃)是用石英砂、纯碱和石灰石共熔而制得的一种无色透明的熔体：Na2CO3+CaCO3+6SiO2=Na2O.CaO.6SiO2+2CO2(2)有色玻璃在玻璃原料中加入某些金属氧化物,可制成有色玻璃。如玻璃中加入CoO呈蓝色加入Mn2O3呈紫色加入Cr2O3呈绿色加入Cu2O呈红色（3）钢化玻璃玻璃聚乙烯醇丁醛玻璃(4)防弹玻璃又称为夹层玻璃。当受到外部撞击的时候，夹层可将受到的力发散开来，减少了子弹等武器的冲击力，进而保护了受保护者的安全！1、普通玻璃加热到一定温度后急剧冷却，就可以得到钢化玻璃。2、氢氟酸(HF)对玻璃具有腐蚀作用，可用于在玻璃上雕刻各种精美图案，也可用于在玻璃仪器(量筒、滴定管等)上标注刻度及文字。SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O在玻璃中加入适量的溴化银(AgBr)和氧化铜的微小晶粒，经过适当的热处理，可以制成变色玻璃。当强光照射到玻璃上，溴化银分解为银和溴单质，分解出的银原子聚集成银的微小晶粒，使玻璃呈现暗棕色，能挡住大部分光线。光线变暗，银和溴在氧化铜的催化作用下，重新生成溴化银。于是玻璃的颜色自动变浅，透光性增强。种类特性用途普通玻璃高温下易软化窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯钢化玻璃耐高温、耐腐蚀、强度大、质轻、抗震裂运动器材，微波通讯器材，汽车、火车的窗玻璃等玻璃纤维耐腐蚀、不怕烧、不导电、不吸水、隔热、吸声、防虫蛀太空飞行员的衣服、玻璃钢等光学玻璃透光性能好，有折光性和色散性眼镜片，照相机、显微镜、望远镜等中的凹凸透镜石英玻璃膨胀系数小、耐酸碱、强度大、滤光化学仪器，高压水银灯、紫外灯等的灯壳，光导纤维，压电晶体等几种玻璃的特性及比较玻璃态物质玻璃的结构特点——玻璃态物质玻璃是无定形硅酸盐的混合物，属于玻璃态物质。玻璃态物质没有固定的熔点，可以在某一温度范围内逐渐软化变成液态。在软化状态时，玻璃可吹制或轧成一定形状的制品。2．玻璃主要原料主要设备主要成分玻璃窑中发生的主要反应纯碱石灰石石英玻璃窑Na2SiO3CaSiO3SiO2Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2高温CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2高温水泥：Na2O.CaO.6SiO2＊陶瓷在我国历史悠久＊唐朝时的”唐三彩“＊宋朝时的”钧瓷“＊中国的英文名China就是源于陶瓷。＊中国的”瓷都“是江西景德镇＊中国的”陶都“是江苏宜兴3、陶瓷（china）古代重庆一带被称为巴国，由于当时的食盐多产于巴国，因此食盐也叫做盐巴！3、陶瓷主原料要生产过程反应条件种类性能黏土①混合②成型③干燥④烧结⑤冷却高温土器陶器炻器瓷器抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型陶瓷是由黏土在高温下烧制而成，根据原料和烧制温度的不同主要分为：土器、陶器、炻器、瓷器。土器：含杂质比较高的粘土在适当的温度下而成的，如常见的砖、瓦。瓷器：需要纯净的粘土做原料，温度也更高，瓷器比陶器磁体白净质地致密。主要种类：土器：砖瓦(自然冷却，Fe2O3含量较多)(淋水冷却，Fe3O4、FeO较多)陶器：彩陶江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑瓷器：碗盘茶具收藏珍品炻器：水缸、砂锅景德镇陶瓷红瓦青瓦水泥玻璃陶瓷主要原料石灰石.粘土石英.纯碱石灰石粘土主要设备回转炉玻璃熔炉陶瓷窑反应条件高温高温高温反应原理复杂的物理、化学变化Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2CaCO3+SiO2===CaSiO3+CO2复杂的物理化学变化主要成分3CaO·SiO22CaO·SiO23CaO·Al2O3Na2SiO3CaSiO3SiO2成分复杂特性水硬性玻璃态物质抗氧化.酸碱.腐蚀耐高温.绝缘水泥、玻璃、陶瓷生产比较新型无机非金属材料传统无机非金属材料与新型材料的比较传统的硅酸盐材料优、缺点优点：抗腐蚀、耐高温；缺点：质脆、经不起热冲击。新型无机非金属材料特性①承受高温，强度高。②具有光学特性。③具有电学特性。④具有生物功能。新型无机非金属材料的特性1.能承受高温、强度高。例如：氮化硅陶瓷在1200℃左右的高温下，仍具有很高的强度，可用来制造汽轮机叶片、轴承、永久性模具等。2.具有电学特性，一些新型无机非金属材料可以作为半导体、导体、超导体等，一些绝缘性材料常被用于集成电路的基板。3.具有光学特性。有些新型无机非金属材料能发出各色的光，有的能透过可见光，有的能使红外线、雷达射线穿过。4.具有生物特性。有些新型无机非金属材料强度高、无毒、不溶于水，对人体组织有较好的适应性，可直接植入人体内，用这类材料制成的人造牙齿、人造骨骼，已被应用在医疗上。光导纤维opticalwaveguidefibre简称光纤，是用来传递光线和图象的纤维。制造光导纤维用的光学材料，必须高度纯净、成分均匀。一般无水石英（SiO2）是常用的光导纤维材料。光导纤维的用途：近年来，光导纤维用于光通信的技术迅速发展。此外，在农业、国防、医疗、电视、传真、电话、科研等方面都有广泛的用途。１、光导纤维光纤通信较之普通电缆通信有许多突出的优点。首先，光纤通信有巨大的信息容量，一根头发丝那么细的光导纤维可以通几万路电话或2000路电视。如果用许多根光导纤维组合成光缆，它的通信容量更大得惊人。而且，光纤通信不受外界电磁场的干扰，工作稳定可靠，保密程度高。光纤通信损耗低，目前无中继传送距离一般为30～70km(而同轴电缆每隔1．5km就需设立一个中继站，来补偿电信号在传输中的损耗)，很适合远距离信息传输。目前，人们已建成大西洋海底光缆(全长约7000km)。计划中的南太平洋光缆(全长约16000km)也正在紧锣密鼓的准备之中。进一步降低光纤损耗，减少中继站数目，甚至不用中继站，是人们的下一步目标。光学纤维胃镜光纤光缆普通电缆信息量大，每根光缆上理论上可同时通过10亿路电话8管同轴电缆每条通话1800路原料来源广（石英玻璃），节约有色金属资源较少质量小，每km27g，不怕腐蚀，铺设方便每km1.6t成本低，每km10000元左右普通光缆每km200000元左右性能好，抗电磁干扰保密性强，能防窃听，不发生电辐射２、新型陶瓷材料习惯上把陶瓷(ceramics)分为传统陶瓷和特种陶瓷。传统陶瓷是以粘土、长石、石英等天然矿物为原料经烧结而成的。特种陶瓷是以人工合成的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物超细微粒为原料特制而成。又称精细陶瓷、精密陶瓷。氧化铝陶瓷二氧化锆结构陶瓷几种典型的新型无机非金属材料高温结构陶瓷特点：耐高温、耐腐蚀、硬度大、耐磨损、不怕氧化、密度小等(1)氧化铝陶瓷性能用途熔点高坩埚、高温炉管硬度大刚玉球磨机透明、耐高温高压钠灯灯管高纯氧化铝透明陶瓷管高压钠灯氮化硅（Si3N4）是由共价键形成的原子晶体。用途：硬度高、耐磨系数低、有自润滑作用，所以是优良的耐磨材料。热强度和化学稳定性高，热膨胀系数小，是优良的高温结构材料。耐腐蚀，可作高温轴承、转子、叶片、燃烧室喷嘴等高温零件以及高温下使用的模具和夹具。（2）氮化硅陶瓷碳化硅（SiC--金刚砂）和氮化硅一样，是稳定的原子晶体。具有高的热传导能力、硬度大、熔点高、比重小，有较高的强度和较好的热稳定性，与各种酸都不起作用，其抗氧化性能在高达1550OC时仍很优良。用途：制造磨料、模具、特种耐火材料制品；用于制造电阻发热元件。（3）碳化硅陶瓷功能陶瓷(functionalceramics)材料是以特定的性能或通过各种物理因素（如声、光、电、磁）作用而显示出独特功能的材料。功能陶瓷TiO2、ZrO2、LaCrO3等高温电子陶瓷，用于制造电容器和电子工业中的高温高频器件。如BaTiO3类陶瓷用于制造温度传感材料；CdS、PbTiO3系陶瓷用于制造光敏传感材料；ZnO系陶瓷，SiC、BaTiO3系陶瓷用于制造压力和振动传感材料等。功能陶瓷的用途：生物陶瓷是用于人体器官替换、修补，及外科矫形的陶瓷材料。主要包括羟基磷灰石、氧化铝、生物活性玻璃陶瓷等。生物陶瓷材料羟基磷灰石（Ca10(PO4)6(OH)2）陶瓷的用途：它具有良好的生物活性，能与人骨紧密结合。主要用于不承载的小型种植体（如耳骨），用金属支撑加强的牙科种植体。生物陶瓷人工听小骨假体由羟基磷灰石(HA)陶瓷制成，表面具有微孔，可使患者听力平均高20~30dB，适用于慢性化脓性中耳炎患者作听小骨置换和鼓腊修复手术。自1989年以来已临床应用800多例，通过省级鉴定。透明陶瓷和纳米陶瓷一般陶瓷因为内部有杂质和气孔而不透明。用高纯度的原料可获得透明陶瓷。这些透明陶瓷不仅光学性能优异，而且耐高温，熔点一般都在2000℃以上。透明陶瓷的透明度、强度、硬度都高于普通玻璃。用透明陶瓷制造高压钠灯，发光效率比高压汞灯高一倍，使用寿命可达2万小时。人们把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级，便得到了纳米陶瓷。纳米陶瓷成功地解决了陶瓷易碎的问题。纳米陶瓷还具有延展性，如室温下合成的Ti02陶瓷可以弯曲，塑性、韧性好。纳米氧化锆陶瓷颗粒金刚石、石墨和C60—新材料诞生新科技金刚石石墨粉足球烯(C60)唐三彩唐三彩女侍俑唐三彩女坐俑唐三彩少女俑唐三彩文吏俑钧瓷景泰蓝