工程材料過控12無機(jī)非金屬材料

工程材料海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院賈非DalianUniversityofTechnology第12章

無機(jī)非金屬材料*

主要內(nèi)容無機(jī)非金屬材料基本特性

無機(jī)非金屬材料的定義與分類

無機(jī)非金屬材料的組成與結(jié)構(gòu)

無機(jī)非金屬材料的基本性能

過程裝備用無機(jī)非金屬材料的性能特點(diǎn)及應(yīng)用

化工陶瓷

特種陶瓷

玻璃

化工搪瓷

隔熱耐火材料

石墨材料*陶瓷材料

工業(yè)上應(yīng)用的典型的傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品如陶瓷器、玻璃、水泥等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的新型陶瓷。陶瓷材料是除金屬和高聚物以外的無機(jī)非金屬材料通稱。工程材料4

陶瓷材料也稱為無機(jī)非金屬材料，以無機(jī)非金屬天然礦物或化工產(chǎn)品為原料，經(jīng)原料處理、成型、干燥、燒成等工序制成的產(chǎn)品。陶瓷材料與金屬材料的區(qū)分：

根據(jù)兩種材料的電阻--溫度系數(shù)來區(qū)別。陶瓷材料與有機(jī)高分子材料的區(qū)分：

高分子材料含有不連續(xù)的大分子，在分子內(nèi)的碳原子是由共價(jià)鍵相聯(lián)，分子與分子間則通過較弱的分子鍵或氫鍵結(jié)合。

陶瓷材料沒有不連續(xù)的分子，是一種或多種原子的空間排列，有序?yàn)榫w，否則為非晶材料。陶瓷材料陶瓷材料的特點(diǎn)

陶瓷材料的相組成特點(diǎn)陶瓷材料通常由三種不同的相組成，即晶相(1)、玻璃相(2)和氣相(3)[氣孔]。

陶瓷材料

料致密度、降低燒結(jié)溫度和抑制晶粒長(zhǎng)大。氣相是在工藝過程中形成并保留下來的。晶相是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷材料物理化學(xué)性質(zhì)的主要是晶相。玻璃相的作用是充填晶粒間隙、粘結(jié)晶粒、提高材

陶瓷材料的相組成特點(diǎn)7陶瓷材料的化學(xué)鍵

原子結(jié)合鍵：三種強(qiáng)結(jié)合力的化學(xué)鍵:共價(jià)鍵、離子鍵、金屬鍵；二種弱結(jié)合鍵：范德華鍵、氫鍵；

陶瓷材料：離子鍵或共價(jià)鍵。陶瓷材料陶瓷材料的結(jié)合鍵陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其結(jié)合鍵以離子鍵(如Al2O3)、共價(jià)鍵(如Si3N4)及兩者的混合鍵為主。共價(jià)鍵離子鍵

陶瓷材料的特點(diǎn)陶瓷材料的性能特點(diǎn)陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性，耐高溫、耐氧化、耐腐蝕等特性。陶瓷材料還具有密度小、彈性模量大、耐磨損、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。功能陶瓷還具有電、光、磁等特殊性能。韌性陶瓷硬度壓痕脆性陶瓷硬度壓痕周圍的裂紋

陶瓷材料的特點(diǎn)陶瓷材料的工藝特點(diǎn)陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通過粉體成型和高溫?zé)Y(jié)來成形的，因此陶瓷是燒結(jié)體。燒結(jié)體也是晶粒的聚集體，有晶粒和晶界，所存在的問題是其存在一定的氣孔率。Al2O3粉末的燒結(jié)組織ZrO2陶瓷中的氣孔

陶瓷材料的特點(diǎn)陶瓷材料的分類按化學(xué)成分分類

可將陶瓷材料分為氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。導(dǎo)電玻璃玻璃幕墻

陶瓷材料按使用的原材料分類可將陶瓷材料分為普通陶瓷和特種陶瓷。普通陶瓷以天然的巖石、礦石、黏土等材料作原料。特種陶瓷采用人工合成的材料作原料。按性能和用途分類可將陶瓷材料分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩類。陶瓷零件

陶瓷材料的分類13陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)

通常金屬陽(yáng)離子尺寸較非金屬的陰離子小，在陶瓷晶體中占據(jù)由非金屬陰離子構(gòu)成的晶格中的間隙位置。 簡(jiǎn)單立方：CsCl,CsBr,CsI 面心立方：NaCl,CaO,MgO,MnO,NiO,FeO,BaO 密排六方：ZnS,Al2O3陶瓷材料14幾種陶瓷晶體結(jié)構(gòu)介紹

MX型結(jié)構(gòu)（M為金屬陽(yáng)離子，X為陰離子）閃鋅礦結(jié)構(gòu)陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)15幾種陶瓷晶體結(jié)構(gòu)介紹

MX型結(jié)構(gòu)NaCl型結(jié)構(gòu)MgO,NiO,TiC,VC,VN等都是這種結(jié)構(gòu)，具有這種結(jié)構(gòu)的化合物多數(shù)有熔點(diǎn)高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。陶瓷材料16幾種陶瓷晶體結(jié)構(gòu)介紹

MX2型結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)的典型代表是金紅石結(jié)構(gòu)。單位晶胞中的8個(gè)頂角和中心為陽(yáng)離子，陰離子的位置則正好處于由陽(yáng)離子構(gòu)成的稍有變形的八面體中心。陶瓷材料17幾種典型陶瓷晶體結(jié)構(gòu)介紹

M2X型結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)以赤銅礦為代表。陰離子構(gòu)成體心立方結(jié)構(gòu)，陽(yáng)離子處于間隙中。陶瓷材料18陶瓷材料的制備方法陶瓷普通制備工藝

在普通工藝中都包括以下幾個(gè)步驟：

原材料制成粉狀； 粉末壓制成一定的形狀的坯料； 坯料在高溫下的燒結(jié)，也可能在高溫和壓力下進(jìn)行； 加工至最終形狀和尺寸。

陶瓷材料19陶瓷普通制備工藝熱等靜壓工藝（HotIsostaticPressing,HIP)

壓力為100-300MPa，溫度可達(dá)1400℃，時(shí)間在1-8h。陶瓷材料20陶瓷普通制備工藝化學(xué)氣相沉積工藝加熱爐石英舟基底石英管進(jìn)氣口端出氣口端電源線熱電偶控溫儀陶瓷的制備方法21陶瓷普通制備工藝溶膠-凝膠工藝陶瓷的制備方法22陶瓷普通制備工藝溶膠-凝膠工藝陶瓷的制備方法23新型陶瓷制備工藝自延高溫合成工藝

該類工藝的又一名稱為鋁熱燃燒反應(yīng)。鋁與氧化鐵的放熱反應(yīng)釋放出的熱量很多，可使溫度達(dá)到2500℃。

SHS的突出特點(diǎn)：

極高的燃燒溫度簡(jiǎn)單、低成本的設(shè)備能精確控制其化學(xué)成分能制備不同的形狀的零件

陶瓷的制備方法過程裝備用無機(jī)非金屬材料的性能特點(diǎn)及應(yīng)用

化工陶瓷

普通陶瓷是用粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、長(zhǎng)石(K2O·Al2O3·6SiO2，Na2O·Al2O3·6SiO2)和石英(SiO2)為原料，經(jīng)成型、燒結(jié)而成的陶瓷。其組織中主晶相為莫來石(3Al2O3·2SiO2)，占25~30%，玻璃相占35~60%，氣相占1~3%。分為耐酸陶、耐酸耐溫陶及工業(yè)瓷三種。制造接觸強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的塔、儲(chǔ)槽、容器、管道等。

陶瓷材料普通陶瓷加工成型性好，成本低，產(chǎn)量大。除日用陶瓷、瓷器外，大量用于電器、化工、建筑、紡織等工業(yè)部門。景德鎮(zhèn)瓷器絕緣子

普通陶瓷新型結(jié)構(gòu)陶瓷氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷以Al2O3為主要成分,含有少量SiO2的陶瓷，又稱高鋁陶瓷。Al2O3化工、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、氣動(dòng)陶瓷配件單相Al2O3陶瓷組織常用工業(yè)陶瓷27氧化鋁陶瓷的結(jié)構(gòu)

氧化鋁陶瓷主要成分為Al2O3和SiO2。Al2O3含量越高，性能越好。

Al2O3只有一種穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，即-Al2O3，呈密排六方結(jié)構(gòu)。

氧化鋁的制備原料是工業(yè)氧化鋁，加入少量的添加劑后，經(jīng)壓制坯料燒結(jié)而成。

氧化鋁的硬度很高，有很好的耐磨性，很好的耐高溫性能。氧化鋁陶瓷根據(jù)Al2O3含量不同分為75瓷(含75%Al2O3，又稱剛玉-莫來石瓷)、95瓷和99瓷，后兩者又稱剛玉瓷。氧化鋁陶瓷耐高溫性能好，可使用到1950℃。具有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度極高(僅次于金剛石).95瓷紡織件99瓷紡織件氧化鋁耐高溫噴嘴氧化鋁陶瓷29

氧化鋁陶瓷的主要性能氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷轉(zhuǎn)心球閥氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷坩堝氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料，如耐火磚、坩堝、熱偶套管，淬火鋼的切削刀具、金屬拔絲模，內(nèi)燃機(jī)的火花塞，火箭、導(dǎo)彈的導(dǎo)流罩及軸承等。氧化鋁陶瓷氮化硅（Si3N4）陶瓷氮化硅是由Si3N4四面體組成的共價(jià)鍵固體。氮化硅的制備與燒結(jié)工藝工業(yè)硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4二氧化硅還原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO燒結(jié)工藝優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)反應(yīng)燒結(jié)燒結(jié)時(shí)幾乎沒有收縮，能得到復(fù)雜的形狀密度低，強(qiáng)度低，耐蝕性差熱壓燒結(jié)用較少的助劑就能致密化，強(qiáng)度、耐蝕性最好只能制造簡(jiǎn)單形狀，燒結(jié)助劑使高溫強(qiáng)度降低新型結(jié)構(gòu)陶瓷32

氮化硅（Si3N4)是鍵合能很高的共價(jià)化合物。有兩種晶體結(jié)構(gòu)，型與型，兩者均為密排六方結(jié)構(gòu)，但-Si3N4的C-軸長(zhǎng)度是-Si3N4的兩倍。

主要的制備工藝有： 冷壓燒結(jié)法

熱壓燒結(jié)法 反應(yīng)燒結(jié)法 熱等靜壓法 化學(xué)氣相沉積法

氮化硅陶瓷33

反應(yīng)燒結(jié)法

將硅粉壓成需要的形狀，然后在1100-1400℃的高溫下通入純氮?dú)饣虻獨(dú)馀c氫氣的混合氣，這時(shí)就有下列反應(yīng)發(fā)生：

3Si(s)+2N2(g)Si3N4(s) 3Si(g)+2N2(g)Si3N4(s)

Si(s)+SiO22SiO(g)

反應(yīng)燒結(jié)法制備的氮化硅孔隙率較熱壓制品高（>10%），因此其中溫下的抗氧化能力也較低，通常其強(qiáng)度<400MPa,一般為250MPa左右。氮化硅陶瓷34化學(xué)氣相沉積

化學(xué)氣相沉積法用來制備氮化硅的絕緣（熱）或防擴(kuò)散膜。

將硅烷或氯化硅在800-1100℃的溫度下與氨氣反應(yīng)，就可制備得到氮化硅，具體的化學(xué)反應(yīng)如下：

3SiH4(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12H2(g)

3SiCl4(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12HCl(g) 3SiHCl3(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+9HCl(g)+3H2(g)

用化學(xué)氣相沉積方法制備的氮化硅致密，但不能制備復(fù)雜的形狀。氮化硅陶瓷35用不同工藝制備的氮化硅的性能氮化硅陶瓷性能特點(diǎn)及應(yīng)用氮化硅的強(qiáng)度、比強(qiáng)度、比模量高；硬度僅次于金剛石、碳化硼等；摩擦系數(shù)僅為0.1~0.2；熱膨脹系數(shù)??；抗熱震性大大高于其他陶瓷材料；化學(xué)穩(wěn)定性高。熱壓燒結(jié)氮化硅用于形狀簡(jiǎn)單、精度要求不高的零件，如切削刀具、高溫軸承等。Si3N4軸承氮化硅陶瓷反應(yīng)燒結(jié)氮化硅用于形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的零件，如機(jī)械密封環(huán)等。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片氣閥等零件氮化硅陶瓷碳化硅（SiC）陶瓷碳化硅是通過鍵能很高的共價(jià)鍵結(jié)合的晶體。碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加熱至高溫還原而成：SiO2+3C→SiC+2CO。碳化硅的燒結(jié)工藝也有熱壓和反應(yīng)燒結(jié)兩種。由于碳化硅表面有一層薄氧化膜，因此很難燒結(jié)，需添加燒結(jié)助劑促進(jìn)燒結(jié)，常加的助劑有硼、碳、鋁等。常壓燒結(jié)碳化硅新型結(jié)構(gòu)陶瓷39

碳化硅是一種非常硬而脆的材料。在還原氣氛中，碳化硅具有很好的耐燒蝕與化學(xué)腐蝕能力。在氧化氣氛中，碳化硅中的自由Si可能被氧化，在極高溫度下，碳化硅也可能被氧化。 碳化硅主要有兩種晶體結(jié)構(gòu)，一種為-SiC，屬于六方晶系，另一種為-SiC，屬立方晶系。多數(shù)碳化硅以-SiC為主晶相。

碳化硅并不是一種天然存在的礦物，雖然硅和碳都是地球上存在著的最豐富的元素之一。碳化硅陶瓷40主要的制備工藝有：熱壓燒結(jié)法反應(yīng)燒結(jié)法

化學(xué)氣相沉積法

熱壓燒結(jié)法需要添加劑：MgO,B,C,Al

需要的熱壓溫度非常高：1900-2200℃

壓力：35Mpa

熱壓后的碳化硅制品須用金剛石打磨、修整，很貴。碳化硅陶瓷41反應(yīng)燒結(jié)法 原材料為碳化硅粉、石墨和增塑劑混合料。粉狀材料被壓制、拉擠或注射到模具中，得到坯料。分解增塑劑。滲入硅的固體、液體或氣體到坯料中與其中的碳反應(yīng)原位形成碳化硅。

在這一工藝中，額外的2-12%硅被滲入進(jìn)去，以填充形成的空隙，因而可得到致密的制件。碳化硅陶瓷42用不同工藝制備的碳化硅的性能碳化硅陶瓷碳化硅的最大特點(diǎn)是高溫強(qiáng)度高，有很好的耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導(dǎo)能力很強(qiáng)，僅次于氧化鈹陶瓷。SiC密封件碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷用于制造火箭噴嘴、澆注金屬的喉管、熱電偶套管、爐管、燃?xì)廨啓C(jī)葉片及軸承，泵的密封圈、拉絲成型模具等。SiC陶瓷件SiC陶瓷件SiC軸承碳化硅陶瓷氧化鋯陶瓷氧化鋯的晶型轉(zhuǎn)變：立方相?四方相?單斜相。四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆伲鸷艽蟮捏w積變化，易使制品開裂。ZrO2氧化鋯單相陶瓷新型結(jié)構(gòu)陶瓷在氧化鋯中加入某些氧化物(如CaO、MgO、Y2O3等)能形成穩(wěn)定立方固溶體，不再發(fā)生相變，具有這種結(jié)構(gòu)的氧化鋯稱為完全