無機(jī)非金屬材料分類和概論

1、無機(jī)非金屬材料分類和概論材料發(fā)展歷史 什么是材料？ 材料是人類賴以生 存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類 進(jìn)步的一個重要里程碑。（人類制造的第一種材料：陶）材料是具有一定配比的若干相互作用的元素組成、具有一定結(jié)構(gòu)層次和確定性能，并能用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的物質(zhì)。材料是物質(zhì)，但不表示所有物質(zhì)都可以稱為材料。如燃料和化學(xué)原料、工業(yè)化學(xué)品、食物和藥物，一般都不算是材料。材料和人類社會的發(fā)展密切相關(guān)，當(dāng)前國際公認(rèn)，材料、能源和信息技術(shù)是現(xiàn)代文明的三大支柱。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中，可以看到，每一項重大的發(fā)現(xiàn)，往往有賴于新材料的發(fā)展 一種新材料的出現(xiàn)，常常引起生產(chǎn)力大發(fā)展推動社會進(jìn)步。正是如此，才有

2、了今天人類豐富多彩、璀璨奪目的世界與文化。沒有半導(dǎo)體單晶硅材料，便不可能有今天的微電子工業(yè)；有低損耗的光導(dǎo)纖維，當(dāng)今世界蓬勃發(fā)展的光纖通訊才得以實現(xiàn)。單晶硅棒單晶硅片單晶芯片電子元件天然材料 陶瓷 青銅 鐵 鋼 有色金屬 高分子材料 新型材料 材料發(fā)展的歷史演進(jìn)（1）天然材料包括竹、木、骨、牙、皮、毛、石等材料。自然界當(dāng)中大量存在，人類可以直接從自然中獲取。經(jīng)過簡單的加工就可以為人類所利用。竹筷骨針石制品皮毛制品典型的天然材料石器大約25000年前，人類就學(xué)會使用材料。人類只能利用巖石、樹木、獸皮、骨骼等天然材料并進(jìn)行粗糙加工，除此之外別無他物。從挖掘的人類當(dāng)年所使用的各種用途的鋒利石片，可想

3、象人類遠(yuǎn)祖的艱苦和聰明。石刀石斧石針?biāo)麄兡軈^(qū)別、選用各種石頭創(chuàng)造出刀、斧、針各種器具，用于生產(chǎn)、生活和戰(zhàn)爭。 石器時代的生產(chǎn)工具極其落后，人類社會的生產(chǎn)力也極端低下，社會發(fā)展極其緩慢，人類文化也是相當(dāng)簡單和粗俗的。 石器工具據(jù)考古學(xué)家分析，距今約一萬年前就有陶器出現(xiàn)，人們用粘土或以粘土、長石、石英為主的混合物，經(jīng)成型、干燥、燒制（燒制溫度低于1200），得到堅硬的陶器。陶是人類創(chuàng)造的第一種“人造材料”，由于高溫?zé)飘a(chǎn)生物理化學(xué)變化，得到和粘土不一樣的新物質(zhì)。新石器時代晚期(公元前3000一前2800年) 黑陶豆陶體的黑色是因為滲入了碳（2）陶器（無機(jī)非金屬材料）我國陶器大約出現(xiàn)在8000年前，

4、具有悠久的歷史。半坡村出土的碗、缽、釜、罐、瓶等，甚至還有吹氣能發(fā)聲的陶塤。 半坡變體鳥紋盆 半坡小口尖底瓶 半坡陶盆 陶塤從著名的仰韶和龍山文化遺址出土的陶器中，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)時祖先已經(jīng)掌握了燒制黑色陶器和白色陶器的配方和技術(shù)。 仰韶白陶瓶龍山黑陶瓶聞名于世的秦始皇兵馬俑是典型的陶制品；著名的唐三彩創(chuàng)始于唐高宗時期，用白粘土作胎，以Cu、Fe、Co等礦物作釉的著色劑，兩次燒制后成為絢麗多彩的陶器精品；江蘇宜興紫砂壺 (紫砂泥由粘土、云母、赤鐵礦等組成，其中Fe2O3含量約7-10，TiO21) 制造技術(shù)精湛，色澤淳樸，造型獨特，別具一格。 兵馬俑 唐三彩馬 方韻紫砂壺商 陶酒尊唐 三彩俑陶的出現(xiàn)

5、，人類可吃煮熟的谷物，喝煮開的水，可長時間儲存食物，促進(jìn)人類進(jìn)化。陶器也是最初的耐火材料，為以后的銅、鐵冶煉提供物質(zhì)條件。 豬紋陶盆陶器是人類創(chuàng)造的第一種無機(jī)非金屬材料。人類第一次有意識地創(chuàng)造發(fā)明自然界沒有的，并且具有全新性能的“新”材料，從此人類能離開上天的賜予而進(jìn)入自力創(chuàng)造材料的時代。恩格斯論述：人類從低級階段向文明階段的發(fā)展是從學(xué)會制陶開始的。陶器的出現(xiàn)成為新石器時代開始的標(biāo)志之一。 陶器的不足是不致密、易滲漏、強(qiáng)度也不高。 3000多年前的殷、周時期發(fā)明了釉瓷。爐窯溫度達(dá)到1200，能將金屬氧化物燒制成釉瓷，用途更為廣泛，質(zhì)地比陶更為細(xì)膩、外觀美觀。 陶向瓷的過渡 商朝釉瓷什么是瓷器？

6、瓷土與陶土相比，F(xiàn)e2O3、CaO、MgO等助熔劑物質(zhì)明顯減少，SiO2含量也降至70以下，Al2O3含量顯著增加。 瓷器制造工藝水平有很大改進(jìn)，燒結(jié)溫度提高到1200以上，反映人類改造自然能力的增強(qiáng)。 釉是用礦物(長石、方解石、石英等)和顏料按一定比例配制，高溫下釉料被熔融并均勻地覆蓋在瓷器表面，冷卻后質(zhì)地堅硬、光滑、不粘污，并 可調(diào)配成各種顏色。江西景德鎮(zhèn)的薄胎瓷器被贊為潔如玉、明如鏡、薄如紙、聲如磐。瓷器作為中華文明象征，大量流傳。9世紀(jì)傳至阿拉伯國家，13世紀(jì)傳到日本，15世紀(jì)傳到歐洲，以其精美絕倫征服西方。輝煌的瓷器之國景德鎮(zhèn)四大名瓷青花、玲瓏、顏色釉、粉彩 （3）青 銅 我國青銅的

7、冶煉在公元前2140-1711年開始，目前考察已可追溯到公元前3600年。 到殷、西周時期已經(jīng)發(fā)展到較高水平。 青銅即銅錫合金，其冶煉溫度較低，制作器具的成型性好，是人類最早大規(guī)模利用的金屬材料。蘇美爾文明中的青銅塑像，出現(xiàn)年代-公元前4000年銅爵高厘米、口徑17-18厘米，距今3600年河南堰師二里頭文化 青銅錛越絕書載：禹穴之時，以銅為兵，以鑿伊闕，通龍門，東注入海牛首獸面紋鼎西周，器形端莊，文飾在商代基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，是今已知我國最大青銅器之一， （4）鐵器鐵是地球上儲量居于第三的元素（前兩位為硅、鋁），來源于大型恒星的聚變。中國同埃及、美索不達(dá)米亞等古國一樣，對鐵的認(rèn)識都是從隕鐵開始

8、的。隕鐵世界最早的鐵器赫梯鐵器青銅器到鐵器并不是偶然的銅的精煉帶動鐵的冶煉；青銅熔煉時，為造渣和降低熔點，古人往往加入氧化鐵作為熔劑，直接為鐵礦石還原積累經(jīng)驗；赤鐵礦(Fe2O3)與赤銅礦(CuO)極為相似，青銅冶煉所需的高溫和還原氣氛，為一氧化碳與鐵礦石接觸還原金屬鐵創(chuàng)造極為有利的條件； （5）鋼含碳量在0.0218%-2.11%之間的鐵碳合金稱為鋼，強(qiáng)度較高，用途更廣。 距今1800年前出現(xiàn)兩步煉鋼技術(shù)，即先煉成鐵，再煉成鋼，并一直沿用至今。但其工藝復(fù)雜，未能大面積推廣。一直到19世紀(jì)前半期，人類始終生活在“鐵器時代”。 艾菲爾鐵塔鋼的應(yīng)用舊金山金門大橋建筑設(shè)備（6）有色金屬近代以來，人們

9、除了發(fā)展鋼鐵材料以外，還進(jìn)一步發(fā)展了金、銀、銅、鈦、鋁、鎂、鉬等有色金屬及其合金材料。全世界每年金屬材料總產(chǎn)量約達(dá)八億噸，其中黑色金屬約占95，有色金屬只占5。有色金屬資源的開發(fā)和利用，不只是對鋼鐵材料的補(bǔ)充，更重要的是可發(fā)揮和開發(fā)鋼鐵材料不具備的各種特殊性能。在特定領(lǐng)域中，還必須采用有色金屬才能最大限度滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對各種材科性能所提出的要求。 鋁合金：20世紀(jì)上半葉，材料學(xué)家用合金化和時效強(qiáng)化，把Al合金強(qiáng)度提高到700MPa，其比強(qiáng)度為(強(qiáng)度/密度106cm，是鋼106cm)的4倍多，這意味著達(dá)到同樣強(qiáng)度Al合金用量只有鋼的1/4，這為Al合金作為一種結(jié)構(gòu)材料帶來極大優(yōu)勢，對于結(jié)構(gòu)材料

10、來說無疑是一個飛躍。沒有高比強(qiáng)度的Al合金，就沒有現(xiàn)代的航天航空成就。 鋁合金車體鋁合金材料鋁合金航空材料鋁合金輪轂（7) 高分子材料從人類文明出現(xiàn)以來，高分子材料就一直陪伴著人們。天然高分子，如絲、皮、毛等從遠(yuǎn)古開始就被人們發(fā)現(xiàn)并利用。人們不斷改進(jìn)加工技術(shù)，將木、棉、麻、絲、皮、毛等用于建筑、工具、用品、紡織、造紙、制衣制革、防寒制品；把植物體內(nèi)的“樹脂”(樹流出的油脂)用于涂料、粘合劑、藥物和溶劑等。 天然橡膠絲綢波音787是世界上首款主體結(jié)構(gòu)采用碳纖維復(fù)合材料制造的大型客機(jī) 奔馳SLR跑車車身由碳纖維復(fù)合材料制成，車速可達(dá)334公里/小時 復(fù)合材料20世紀(jì)人類進(jìn)入新材料時代，衣、食、住、

11、行以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都離不開新材料，同時出現(xiàn)了各種材料的復(fù)合技術(shù)。金屬與無機(jī)材料的復(fù)合金屬與高分子材料的復(fù)合無機(jī)材料與高分子材料的復(fù)合金屬/高分子復(fù)合材料-粘結(jié)NdFeB磁體金屬/無機(jī)復(fù)合材料-景泰藍(lán)高分子/無機(jī)復(fù)合材料-絕緣板材材料發(fā)展歷史小結(jié)20世紀(jì)前材料進(jìn)步主要依靠人們經(jīng)驗積累和技巧，發(fā)展緩慢在于人們還沒能對材料在科學(xué)上有深刻的認(rèn)識和理解，缺乏科學(xué)對材料發(fā)展的指導(dǎo)。20世紀(jì)科學(xué)突破成功揭示了微觀世界的基本規(guī)律，加速了人們對聲、光、電、磁、熱現(xiàn)象以及材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，這既促使多種新材料的誕生，也開辟了一系列重大科學(xué)技術(shù)突破 ?？茖W(xué)引導(dǎo)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展推動的雙重作用，誕生各種各樣的新材料，

12、構(gòu)成21世紀(jì)人類文明的基礎(chǔ)?？傊翰牧鲜蔷哂幸欢ㄐ阅?，可以用來制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。材料存在于我們周圍，與我們的生活、我們的生命息息相關(guān)。依據(jù)化學(xué)特征一般劃分為： 1、無機(jī)材料 （無機(jī)材料中除金屬以外統(tǒng)稱為無機(jī)非金屬材料，其主要化學(xué)組成均為硅酸鹽類。因此無機(jī)非金屬材料亦稱為硅酸鹽材料，又因其中陶瓷材料歷史悠久，應(yīng)用甚為廣泛，故國際上也將無機(jī)非金屬材料稱為陶瓷材料。）2、有機(jī)材料 塑料、橡膠等 無機(jī)非金屬材料種類繁多，用途各異，目前無統(tǒng)一完善的分類方法，一般分為傳統(tǒng)的（普通的）和新型的（先進(jìn)的）無機(jī)非金屬材料兩大類。 無機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料新型無機(jī)非金屬材料水 泥 玻

13、 璃陶 瓷光導(dǎo)纖維新型陶瓷耐火材料水 泥 玻 璃陶 瓷水 泥 玻 璃陶 瓷傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料水 泥 玻 璃陶 瓷無機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料水 泥 玻 璃陶 瓷無機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料水 泥 玻 璃陶 瓷新型無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料水 泥 玻 璃陶 瓷光導(dǎo)纖維新型陶瓷新型無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料水 泥 玻 璃陶 瓷光導(dǎo)纖維新型陶瓷新型無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料水 泥 玻 璃陶 瓷光導(dǎo)纖維新型陶瓷新型無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料水 泥 玻 璃陶 瓷光導(dǎo)纖維新型陶瓷新型無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)無機(jī)

14、非金屬材料水 泥 玻 璃陶 瓷耐火材料光導(dǎo)纖維新型陶瓷新型無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料水 泥 玻 璃陶 瓷 半導(dǎo)體材料、超硬耐高溫材料 、 發(fā)光材料等傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料主要是指由SiO2及其硅酸鹽化合物為主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、鑄石（輝綠巖、玄武巖等）、碳素材料、非金屬礦（石棉、云母、大理石等）也屬于傳統(tǒng)的無機(jī)材料。 1、傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料陶瓷按其概念和用途不同，可分為兩大類，即普通陶瓷和特種陶瓷。根據(jù)陶瓷坯體結(jié)構(gòu)及其基本物理性能的差異，陶瓷制品可分為陶器和瓷器。 傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料 之一：陶瓷普通陶瓷：即傳統(tǒng)陶瓷，指以粘土為

15、主要原料與其它天然礦物原料經(jīng)過粉碎混練、成型、煅燒等過程而制成的各種制品。包括日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、電瓷以及其它工業(yè)用陶瓷。相比于瓷器，陶器的坯體結(jié)構(gòu)較疏松，致密度較低，有一定吸水率，斷口粗糙無光，沒有半透明性，斷面成面狀或貝殼狀。 傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料 之二：玻璃玻璃是由熔體過冷所制得的非晶態(tài)材料。根據(jù)其形成網(wǎng)絡(luò)的組分不同可分為硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等，其網(wǎng)絡(luò)形成體分為SiO2、B2O3和P2O5。習(xí)慣上玻璃態(tài)材料可分為普通玻璃和特種玻璃兩大類。普通玻璃是指采用天然原料，能夠大規(guī)模生產(chǎn)的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光學(xué)玻璃和玻璃纖維等。 傳統(tǒng)

16、的無機(jī)非金屬材料 之三：水泥水泥：是指加入適量水后可成塑性漿體，既能在空氣中硬化又能在水中硬化，并能夠?qū)⑸?、石等材料牢固地膠結(jié)在一起的細(xì)粉狀水硬性材料。水泥的種類很多，按其用途和性能可分為：通用水泥、專用水泥和特性水泥三大類；按其所含的主要水硬性礦物，水泥又可分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥以及以工業(yè)廢渣和地方材料為主要組分的水泥。目前水泥品種已達(dá)一百多種。通用水泥：為大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復(fù)合硅酸鹽水泥等。專用水泥：指有專門用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。特性水泥：則是

17、某種性能較突出的一類水泥，如快硬硅酸鹽水泥、抗硫酸鹽硅酸鹽水泥、中熱硅酸鹽水泥、膨脹硫鋁酸鹽水泥、自應(yīng)力鋁酸鹽水泥等。 傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料 之四：耐火材料 耐火材料：指專門為高溫技術(shù)服務(wù)的耐火度不低于1580的無機(jī)非金屬材料，是用作高溫窯爐等熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料，以及用作工業(yè)高溫容器和部件的材料，并能承受相應(yīng)的物理化學(xué)變化及機(jī)械作用。大部分耐火材料以天然礦石（如耐火粘土、硅石、菱鎂礦、白云石等）為原料制造。采用工業(yè)原料和人工合成原料（如工業(yè)氧化鋁、碳化硅、合成莫來石、合成尖晶石等）制備耐火材料也日益增多。按礦物組成可分為：氧化硅質(zhì)、硅酸鋁質(zhì)、鎂質(zhì)、白云石質(zhì)、橄欖石質(zhì)、尖晶石質(zhì)、含碳質(zhì)、含鋯質(zhì)耐

18、火材料及特殊耐火材料（常用分類方法）；按制造方法可分為：天然礦石、人造制品；按熱處理方式可分為：不燒制品、燒成制品、熔鑄制品；按外觀分為：耐火磚、不定形耐火材料按耐火度分為：普通（15801770）、高級（1770 2000）、特級（2000以上）耐火制品；按化學(xué)性質(zhì)分為：酸性、中性、堿性耐火材料；按密度分為：輕質(zhì)、重質(zhì)耐火材料；按制品的形狀和尺寸分為：標(biāo)準(zhǔn)磚、異型磚、特異型磚、耐火管、耐火器皿等；按應(yīng)用分為：高爐用、水泥窯用、玻璃窯用、 陶瓷窯用耐火材料等。先進(jìn)（或新型）無機(jī)材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各種無機(jī)非金屬化合物經(jīng)特殊的先進(jìn)工藝制成的具有優(yōu)異性能和特殊

19、功能的材料。主要包括特種陶瓷、特種玻璃、人工晶體、半導(dǎo)體材料、無機(jī)涂層（薄膜材料） 、無機(jī)纖維、介孔材料等。新型無機(jī)非金屬材料1、特種陶瓷 特種陶瓷（亦稱為新型陶瓷）是指以精制的高純天然無機(jī)物或人工合成的無機(jī)化合物為原料，采用精密控制的制造加工工藝燒結(jié)，具有優(yōu)異特性，主要用于各種現(xiàn)代工業(yè)及尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的高性能陶瓷，包括：結(jié)構(gòu)陶瓷 和功能陶瓷 結(jié)構(gòu)陶瓷是指以具有優(yōu)良的力學(xué)性能（高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損） 、熱學(xué)性能（抗熱沖擊、抗蠕變）和化學(xué)性能（抗氧化、抗腐蝕）的陶瓷材料，主要應(yīng)用于高強(qiáng)度、高硬度、高剛性的切削刀具和要求耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐熱沖擊等的結(jié)構(gòu)部件，包括氮化硅系統(tǒng)、碳化硅系統(tǒng)和氧化鋯系統(tǒng)、氧化鋁系統(tǒng)的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷等。 功能陶瓷指利用其電、磁、聲、光、熱等直接效應(yīng)和耦合效應(yīng)所提供的一種或多種性質(zhì)來實現(xiàn)某種使用功能的陶瓷材料，主要包括裝置瓷（即電絕緣瓷）、電容器陶瓷、壓電陶瓷、磁性陶瓷（又稱為鐵氧體）、導(dǎo)電陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷（又稱為敏感陶瓷）、熱學(xué)功能陶