第3章-无机非金属材料(2012)

材料科学与工程导论第三章河南理工大学材料科学与工程学院张义顺手机：[phone]E－mail：[e-mail]讨论和争论1.材料结构的测试方法？2.聚集态原子间是如何相互作用的？（辅导）3.原子间结合键的类型，什么是一次键、二次键？泡利不相容原理是由奥地利物理学家泡利（1900～1958）而得名。1924年，泡利发表了他的“不相容原理”：原子中不能有2个电子处于同一量子态上。这一原理使得当时所知的许多有关原子结构的知识变得有条有理。这就是“泡利原理”，即泡利不相容原理。泡利本人获得了1945年度的诺贝尔物理学奖。简单来说，泡利原理就是电子除空间运动状态外，还有一种状态叫做自旋。电子自旋可以比喻成地球的自转，电子自旋有顺时针和逆时针两种状态，常用上下箭头表示自旋状态相反的电子。在一个原子轨道里，最多只能容纳两个电子，而且它们的自旋状态相反，这就是由泡利首先提出的，并以其名字命名的泡利原理。泡利不相容原理可以这样解释：假如将任何两个粒子对调后波函数的值的符号改变的话，那么这个波函数就是完全反对称的。这说明两个费米子在同一个系统中永远无法占据同一量子态。由于所有的量子粒子是不可区分的，假如两个费米子的量子态完全相同的话，那么在将它们对换后波函数的值不应该改变。这个悖论的唯一解是该波函数的值为零：比如在上面的例子中假如两个粒子的位置波函数一致的话，那么它们的自旋波函数必须是反对称的，也就是说它们的自旋必须是相反的。该原理说明，两个电子或者两个任何其他种类的费米子，都不可能占据完全相同的量子态。返回第三章无机非金属材料主要内容1.无机非金属材料概述2.无机非金属材料的结构3.陶瓷4.耐火材料5.水泥6.混凝土7.玻璃8.人工晶体1)、硅酸盐材料：以地壳中质量分数最大的三种元素:硅、铝、氧(三种元素占地壳各元素总量的90%)所形成的硅酸盐为主要组成。原料丰富。2)、突出性能：极好的耐热性、化学稳定性、高硬度、高模量。最大缺点：韧性差预备知识3.1.1定义以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。20世纪40年代以后，随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。3.1无机非金属材料概述1.2元素结合力主要离子键、共价键、离子—共键混合键。可以排列成各种不同的晶系(如简单立方、面心立方、密排六方)，从而组成离子晶体的骨架。金属原子的直径小，它藏在非金属原子的间隙之中，这样可形成配位四面体或八面体中。方石英立体结构1.3特性耐热性——高熔点隔热性力学性能——高硬度、高强度、耐磨性化学稳定性——耐腐蚀、抗氧化性、催化电学性能——导电性、半导体、超导材料—液氦4K甚至液氮77K（农网改造）光学性能——透光性、雷达监控、隐形物（飞机）、光脑磁学性能——磁悬浮列车1.4分类水泥、陶瓷、耐火材料、玻璃、搪瓷、磨料、铸石、碳素材料、人工晶体等。1.5无机非金属材料的地位和作用在国民经济中占有重要的先行地位，具有超前特性，其发展速度通常高于国民经济总的发展速度。可以说无机非金属材料工业是整个国民经济兴衰的“晴雨表”，与人类的文明生活和国民经济的发展息息相关。我国材料产量统计居世纪第一。水泥20.6亿吨（2011年）；平板玻璃2亿重量箱（1重量箱=10ｍ2*2ｍｍ*2.5吨/ｍ3）建筑陶瓷25亿平方米卫生瓷5000万件墙地砖2400万ｍ2——25亿ｍ2103倍品种300——2000件3.2无机非金属材料的结构3.2.1基本特征无机非金属材料通常指陶瓷、玻璃、水泥等一类材料，由晶体或非晶体所组成，无金属光泽，是热和电的不良导体。在近代，陶瓷材料被看做是所有无机非金属材料的简称。大多数陶瓷材料都是由离子键构成的离子晶体，也有由共价键组成的共价晶体(如SiC)。3.2.2较为简单的晶体结构1).金刚石型立方结构2).氯化钠和氯化铯结构（AX型）氯化铯晶体结构（AX型）3).晶态氧化硅在SiO2的多种结晶形式中，有一种是部分共价键和部分离子键组成的晶态陶瓷结构.方石英立体结构3.2.3更复杂的结构1)硅酸盐结构在许多硅酸盐材料中存在着[SiO4]类型的Si-O单元(硅氧四面体)，但是硅的4价虽被满足，但氧的2价未被满足。因此为了满足氧原子的价，Si-O单元经常以离子键与金属原子结合，即负的硅酸盐离子[Si04]4-与正的金属离子如Ca2＋、Na＋、Mg2＋、A13＋等结合，形成晶体结构，也可形成非晶态结构。此外，1个氧原子也可与另1个硅原子结合，即这个氧原子为两个邻近的硅氧四面体所共有，形成[Si2O7]6-离子，彼此相连，组成多个四面体配位群，共用的氧称为氧桥。[SiO4]4-离子的四面体排列[Si2O7]6-型结构无规则网络结构学说的玻璃结构模型示意图（a）石英玻璃结构模型；（b）石英晶体结构模型；（c）钠硅玻璃结构模型2)玻璃结构大多数无机材料(工业玻璃)是以SiO2或各种硅酸盐为基础的，玻璃是无定形的，即非结晶的。它可看成是处在过冷状态的一种粘度极高的液体。3.3陶瓷中国是世界著名的文明古国之一，在世界科学史上和文化史上都曾写下光辉灿烂的篇章。陶瓷的制作工艺及其发展更是绚丽多彩、鲜艳夺目的一页。中国是瓷的母国、陶的故乡，我们作为龙的传人更应该学习和传递我们民族文化。让我们都来成为爱陶人和作陶人讲解：中国陶瓷发展史3.3.1陶瓷与文化陶字的来历中文的陶字，据甲骨文中的形象，是表示一个人蹲坐在地上，使用一根木棍之类的工具给黏土造型.这土坯经过烧结後便称为陶。最早出现的这个陶字是在商代留下的陶片上找到的，迄今为止仅发现这一片；是李济先生的研究成果（见1956年台北出版的《小屯》，殷虚器物：甲编，陶器）。但没有字的陶片，留下来的就很多了，我国制陶的历史悠久，已出土的陶片，经用碳的同位素C14测定，最古老的是在公元前九千年制成的。中文的陶字，据甲骨文中的形象，是表示一个人蹲坐在地上，使用一根木棍之类的工具给黏土造型（右图中最左的图形所示）。这土坯经过烧结後便称为陶。今天我们叫做陶器。3.3.2、陶瓷分类普通日用瓷：供日常生活用建筑瓷：铺设地面、彻筑、装饰、输水管陶瓷卫生瓷：用于卫生设施带釉的陶瓷制品电瓷：低压＜1kv、高压＞1KV、超高压＞500KV化学瓷：漏斗、研钵、燃烧舟特种structuralceramics——力学、热学陶瓷functionalceramics功能陶器瓷器胎料普通的粘土瓷土（高岭土）温度一般1000度一般1100度表层不施釉或低温釉多施釉吸水性胎质粗松，断面吸水率高胎体坚固致密，断面基本不吸水，敲之发出清脆的金属声响陶器---瓷器表面效果制作材料烧制温度敲击声音3.3.3、陶瓷生产工艺1）定义：采用高度精选的原料，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，便于进行结构设计，并具有优异特性的陶瓷。2）特种陶瓷与普通陶瓷主要区别：(1)原料。氮化物、氧化物、硅化物、硼化物、碳化物等为主要原料。3.3.4特种陶瓷(2)人工制造的纯化合物较多。(3)在制备工艺上，广泛采用超微细粉制备、等静压成形、热压烧结等现代化工艺手段。(4)在性能上，在高温、机械、电子、宇航、医学工程等名称:先进陶瓷、精细陶瓷、工程陶瓷，新型陶瓷，近代陶瓷，高技术陶瓷，高性能陶瓷。3.3.4.1结构陶瓷常用的高温结构陶瓷有(1)高熔点氧化物陶瓷。熔点一般都在2000℃以上；(2)碳化物陶瓷。如SiC，wC，HfC，NbC，TaC，ZrC(3)硼化物陶瓷。如ZrB2等，具有很强的抗氧化能力(4)氮化物陶瓷。如HN，A1N，ZrN，HfN等，以及赛龙陶瓷(sialon)；(5)硅化物陶瓷。如MoSi2，ZrSi等，(6)复合陶瓷（3Al2O3·2SiO2(莫来石)等）3.3.4.2功能陶瓷指侧重应用非力学性能(如电磁、光、热、化学和生物）1装置瓷——电绝缘瓷，如高频电绝缘子、插轴、瓷轴、瓷管、基板等。2电容器陶瓷——温度补偿型、温度稳定型、高介电常数型、半导体陶瓷电容器。7生物功能陶瓷——生物医学材料（氧化铝、碳素材料、高密度羟基磷灰石、氧化锆）3压电陶瓷——晶体发生与应力成比例的极化，导致晶体两端表面出现符号相反的电荷，反之……4磁性瓷——又称为铁氧体5导电陶瓷和超导陶瓷6半导体陶瓷——导电性介于导电和绝缘介质之间的陶瓷材料。它多半用于敏感元件釉下彩瓷瓶开片青瓷笔筒中国陶瓷艺术欣赏中国陶瓷艺术欣赏中国陶瓷艺术欣赏毛瓷清代，制瓷技术达到了顶峰，五彩瓷器色彩更丰富，还出现了珐琅彩瓷，以及比五彩瓷更娇艳，层次更丰富，以淡雅柔丽著名的粉彩瓷。日本彩绘罐异烧尖段花器康熙青花瓜棱瓶清雍正胭脂小瓶生物陶瓷结构陶瓷氧化铝陶瓷氧化锆陶瓷耐酸陶瓷高炉用系列耐火制品L维持炼铁高炉的长寿或者保护窑炉外环境--有益传热作业1、简述无机非金属材料的主要结构、组成？2、陶和瓷是如何定义的？可从哪几个方面进行区别？3、简述陶瓷材料的分类、组成、结构及生产工艺？讨论和争论1.无机非金属材料结构的基本特征是什么？其组成有什么不同？2、陶和瓷是如何定义的？可从哪几个方面进行区别？3、根据你所掌握的情况，高技术陶瓷以后应如何发展？3.4耐火材料(refractory)1)定义定义：耐火材料是耐火度(refractoriness)不低于1580℃的无机非金属材料。作用：高温窑炉等热工设备的结构材料，以及工业用高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。3.4.1定义及分类（1）.按矿物组成：氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、橄榄石质、尖晶石质、碳质、锆质及特殊耐材（2）.按制造方法分：天然矿石和人造制品。（3）.按其方式分：块状制品和不定形耐火材料。（4）.按热处理方式：不烧制品、烧成和熔铸制品。2)分类（5）.按耐火度分：普通、高级及特级耐火制品。（6）.按化学性质分：酸性、中性及碱性耐火材料。（7）.按其密度分：轻质及重质耐火材料。（8）.按制品的形状和尺寸分：标准砖、异形砖、特异形砖、管和耐火器皿等。（9）.按其应用分：高炉、水泥窑、玻璃窑、陶瓷窑。包括物理性质、力学性质、热学性质、电学性质及使用性质。1）.耐火度2）．荷重软化温度(refractorinessunderload)耐火制品在持续升温条件下，承受恒定载荷产生一定变形的温度。表示耐火制品对高温和荷重共同作用的抵抗性能。一般是在2kg/c㎡荷重下测定其软化变形温度，并且分为开始软化温度，变形4%温度，变形20~40%温度。自膨胀最大点压缩式样高度的0.6%变形的相应温度称为开始软化温度。3）．高温体积稳定性3.4.2耐火材料的性质4）．耐热震性(thermalshockresistance)耐热震性：又称耐急冷急热性，耐热崩裂性，耐热冲击性。耐火材料抵抗温度的急变而不破坏的性能叫耐热震性。5）．抗渣性6）．耐真空性(vacuumresistance)7）．制品形状的规整性和尺寸的准确性。高温作业领域应用广泛。1）.在各种热工设备和高温容器中作为低抗高温作用的结构材料和内衬。2）.在冶金工业中，炼焦炉主要是由耐火材科构成的。3）.在建材工业中，如水泥工业、玻璃工业、陶瓷工业中的窑炉或其内衬都必须用耐火材料来构筑。4）.其他如化工、动力、机械制造等工业高温作业部门中的各种焙烧炉、烧结炉、加热炉、锅炉及其附设火道、烟道、保温层等都必须使用耐火材料。3.4.3耐火材料的应用领域(1)能抵抗高温热负荷作用，不软化，不熔融。有相当高的耐火度(2)能抵抗高温热负荷作用，体积不收缩和仅有均匀膨胀。有高的体积稳定性，残存收缩及残存膨胀要小，无晶型转变及严重体积效应。(3)能抵抗高温热负荷和重负荷的共同作用，不丧失强度，不发生蠕变和坍塌。有相当高的常温强度和高温热态强度，高的荷重软化温度，高的抗蠕变性。(4)能抵抗温度剧变或受热不均的影响，不开裂，不剥落。热震好。3.4.4对耐火材料的基本要求(5