材料化學(xué)-無機(jī)非金屬材料

無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料簡介無機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)無機(jī)非金屬材料的性能無機(jī)非金屬材料的制備方法6.1無機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)引例在英文中，中國和陶瓷都是同一個詞匯（China），其中一種說法是，“中國”這個詞來源于“陶瓷”。從這個角度來說中國的陶瓷對世界的影響。結(jié)構(gòu)分類：1.結(jié)構(gòu)存在形式：晶體結(jié)構(gòu)、非晶體結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)以及它們不同形式且錯綜復(fù)雜的組合或復(fù)合；2.從尺寸上講，可分為微觀結(jié)構(gòu)、亞微觀結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)四個層次。一、化學(xué)結(jié)構(gòu)基本構(gòu)成：離子鍵、共價鍵、混合鍵。原子組合共價鍵比例（%）離子鍵比例（%）K-O892Mg-O1882Zr-O3367B-O5545Si-O6040Al-O4060C-O7822幾種原子組成的化合鍵種類

二、典型無機(jī)材料晶體結(jié)構(gòu)1.AX型代表：NaCl晶體1.AX2型代表：螢石，金紅石螢石的原子排列NaCl的原子排列金紅石的原子排列3.A2X3型代表：剛玉（α-Al2O3

）晶體剛玉的原子排列4.ABO3型代表：鈣鈦礦（CaTiO3）晶體鈣鈦礦（CaTiO3）的原子排列5.AB2O3型代表：尖晶石（MgAl2O4）晶體尖晶石的原子排列6.石墨、金剛石型石墨、金剛石的原子排列7.硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)三、其他結(jié)構(gòu)1.非晶態(tài)結(jié)構(gòu)除了前述的晶體結(jié)構(gòu)外，自然界還存在非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，或稱為無定形結(jié)構(gòu)。其性能是各向同性。無機(jī)材料的非晶態(tài)主要由無機(jī)玻璃、凝膠、非晶態(tài)半導(dǎo)體、無定形碳、金屬玻璃等組成。

2.多相結(jié)構(gòu)3.孔狀結(jié)構(gòu)大多數(shù)人造無機(jī)非金屬晶體材料是多相固體，多晶和多相固體的顯微結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)成分沒有固定的尺寸，在材料制備時主要受一些工藝多數(shù)(如溫度和時間)的影響，這種影響在材料的使用過程中還會出現(xiàn)。如耐火材料在使用過程中玻璃相增加，尤其是密實度進(jìn)一步增大，還會出現(xiàn)明顯的顆粒生長(再結(jié)晶)現(xiàn)象。密實度的增大使密度增加，并大多伴隨著氣孔率的降低。但總孔隙率不一定下降，這是因為隨著玻璃化的提高，孔被封閉，或是顆粒在生長時也會使顆粒間的孔長大。除純玻璃和純玻璃陶瓷材料外，所有無機(jī)非金屬材料或多或少都有孔或孔隙存在。因此這些孔的形狀、分布、尺寸及含量均對材料性能帶來直接影響。

物體中孔的體積占總體百分?jǐn)?shù)稱為氣孔率或孔隙率，用來表示物體多孔性或致密程度。根據(jù)孔(或孔隙)在物體表面是否露頭，將孔分為開口孔和閉口孔(圖6-13)，兩者之和稱為真氣孔率或總孔隙率。貫穿孔對無機(jī)非金屬材料的透氣性和滲透影響很大，而非貫穿孔的開口孔對毛細(xì)現(xiàn)象和吸水有明顯作用。相同材料條件下，有孔的性質(zhì)與無孔相比較差別巨大。即使孔隙率很低，仍對材料性能有顯著影響。圖6-14顯示了孔隙率對耐火材料性能影響。6.2無機(jī)非金屬材料的性能無機(jī)非金屬材料一般由共價鍵和離子鍵結(jié)合而成，所以鍵的比例對性能具有決定性作用。由于二者具有相對高的能量，其混合鍵的鍵能也較大，一般為100-500KJ/mol(金屬為60-250KJ/mol)，從而給無機(jī)非金屬材料帶來熔點(diǎn)高、硬度高、脆性大、透明度高、導(dǎo)電性低的性質(zhì)特點(diǎn)。1.熱學(xué)性能材料的耐熱性一般用高溫強(qiáng)度、抗氧化性、耐燒蝕性等判斷。要成為耐熱材料必須首先熔點(diǎn)得高。熔點(diǎn)是原子間結(jié)合力的反應(yīng)。2.力學(xué)性能3.其他性能（1）電學(xué)（2）磁學(xué)（3）光學(xué)（4）化學(xué)與金屬材料相比，無機(jī)非金屬材料由于化學(xué)鍵多為離子鍵和共價鍵，鍵能高且鍵具有明顯的方向性，所以晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其彈性、硬度、塑性、強(qiáng)度、斷裂和沖擊性能等與金屬材料差異較大。雷達(dá)天線罩6.3無機(jī)非金屬材料簡介一.陶瓷概述（1）按照化學(xué)成分分：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物等。(2）按照性能、用途分：結(jié)構(gòu)陶瓷：作為結(jié)構(gòu)材料用來制造結(jié)構(gòu)零件，主要使用其力學(xué)性能，如強(qiáng)度、韌性、硬度、模量、耐磨性、耐高溫性能等。

功能陶瓷：作為功能材料用來制造功能器件，主要使用其物理性能，如電性能、熱性能、光性能、生物性能等。1.分類2.性能（1）彈性模量大，即是剛性好，是各種材料中最高的。陶瓷材料在斷裂前無塑性變形，屬于脆性材料，沖擊韌性很低。陶瓷材料內(nèi)如果內(nèi)部缺陷，如氣孔、裂紋等減少，陶瓷材料的韌性和強(qiáng)度將大大提高。（2）抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大。陶瓷的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比為1：10（鑄鐵為1：3）。此外，陶瓷硬度高，一般為1000-5000HV（金剛石為6000-10000HV，淬火鋼為500-800HV，塑料小20HV）。(3)熔點(diǎn)高，高溫強(qiáng)度高，線脹系數(shù)很小，是很有前途的高溫材料。用陶瓷材料制造的發(fā)動機(jī)體積小，熱效率大大提高。其在高溫下不氧化，抗熔融金屬的浸蝕性好，可用來制作坩堝，對酸、堿、鹽等都具有良好的耐蝕性。但與金屬比，其抗熱沖擊性差，不耐溫溫度急劇變化。（4）導(dǎo)電能力在很大范圍內(nèi)變化。大部分陶瓷材料可作為絕緣材料，有的可作為半導(dǎo)體材料，還可以作為壓電材料、熱電材料和磁性材料等，某些陶瓷具有光學(xué)特性，可作為激光、光色、光學(xué)纖維等。有的陶瓷材料在人體內(nèi)無特殊反應(yīng)，可作為生物醫(yī)學(xué)材料使用。二.普通陶瓷普通陶瓷是用粘土（Al2O3·2SiO2·H2O）、長石（K2O·Al2O3·6SiO2；Na2O·Al2O3·6SiO2）、石英（SiO2）為原料經(jīng)過燒制而成。這類陶瓷質(zhì)地堅硬，不會氧化生銹、不導(dǎo)電，能耐1200℃高溫，加工成型性好，成本低廉。其缺點(diǎn)是強(qiáng)度較低，高溫下玻璃相易軟化。種類原料性能用途日用陶瓷粘土、石英、長石、滑石等具有一定的熱穩(wěn)定性、致密性、機(jī)械強(qiáng)度和硬度生活器皿建筑陶瓷粘土、長石、石英等具有較好的吸水性、耐磨性、耐酸酸堿腐蝕性鋪設(shè)地面、輸水管道、衛(wèi)生間電瓷一般用粘土、長石、石英等配置介電強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度較高，耐溫度急變性能好，有防污染性隔電的機(jī)械承件、瓷質(zhì)絕緣器件化工陶瓷粘土、焦寶石（熟料）滑石、長石等耐酸、堿腐蝕性好，不污染介質(zhì)石油化工、冶煉、造紙、化纖、制藥工業(yè)多孔陶瓷原料品種多，如以石英砂、河砂為骨料等做過濾材料，流體從氣孔通過時達(dá)到凈化過濾及均勻化的效果耐強(qiáng)酸、耐高溫的多孔陶瓷器件普通陶瓷的種類、性能及用途

三.水泥1.組成與分類組成：水泥的主要化學(xué)組成為Ca、Al、Si、Fe的氧化物，其中大部分為CaO，約占60%以上；其次是SiO2，約占2%；剩余的為Al2O3和Fe2O3等，水泥中的CaO來自石灰石，SiO2和Al2O3來自粘土，F(xiàn)e2O3來自粘土和氧化鐵粉。分類：將水泥按用途和性能分為：通用水泥，專用水泥和特性水泥三類。通用水泥主要用于大量的土建工程中，主要有：硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥及礦渣、火山灰質(zhì)、粉煤灰質(zhì)、復(fù)合硅酸鹽水泥等六個品種。專用水泥則指有專門用途的水泥，主要有：油井、大壩、砌筑等。特性水泥是某種性能特別突出的水泥，有：快硬型、低熱型、抗硫酸鹽型、膨脹型、自應(yīng)力型等。按水硬性礦物組成分為硅酸鹽的、鋁酸鹽的、硫酸鹽的、少（無）熟料的等。在硅酸鹽水泥中有四種礦物：①硅酸三鈣（），簡寫為C3S）；②硅酸二鈣（），簡寫為C2S）；③鋁酸三鈣（），簡寫為C3A）；④鐵鋁酸四鈣(），簡寫為C4AF)等組成。這四個組分在水泥水化硬化中起到很大的作用。2.水泥的水化、硬化水泥的水化硬化是個非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程，簡單概括起來具有以下幾個反應(yīng)：水泥凝結(jié)硬化分為三個階段：溶解期、膠化期和硬化期（結(jié)晶期）。溶解期：水泥遇水后，在顆粒表面進(jìn)行上述的化學(xué)反應(yīng)，生成氫氧化鈣,含水硅酸鈣,含水鋁酸鈣。前兩個化合物在水中容易溶解，隨著它們的溶解，水泥顆粒新表面產(chǎn)生了，再與水發(fā)生反應(yīng)，使周圍水溶液很快成為它們的飽和溶液。膠化期：接著溶解期的過程，水分繼續(xù)深入顆粒內(nèi)部，使內(nèi)部產(chǎn)生新生物不能在被溶解，只能夠以分散狀態(tài)膠體析出，并包圍在顆粒表面形成一層凝膠薄膜，使水泥漿具有良好的塑性。隨著反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，新生物不斷增加，凝膠體逐漸變稠，使水泥漿失去塑性，而表現(xiàn)為水泥的凝結(jié)。硬化期：隨著膠化期的完成，凝膠體內(nèi)水泥顆粒未水化部分將繼續(xù)吸收水分進(jìn)行反應(yīng)，因此，膠體逐漸脫水而緊密，同時氫氧化鈣及含水鋁酸鈣也由膠體轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的結(jié)晶相，析出結(jié)晶體嵌入凝膠體，兩者互相交錯，使水泥產(chǎn)生強(qiáng)度。水泥硬化后，生成游離的氫氧化鈣微溶于水，但之后會與空氣中的CO2生成一層CaCO3硬殼，可防止氫氧化鈣溶解。

四.玻璃玻璃是一種無機(jī)非晶態(tài)材料，由熔體過冷而制得的非晶無機(jī)物。它透明、堅硬，有良好的耐蝕、耐熱和電學(xué)、光學(xué)特性，原料豐富、價格低廉，可制成各種形狀、大小的制品，應(yīng)用極廣。1.常見玻璃硅酸鹽玻璃硼酸鹽玻璃2.性能強(qiáng)度脆性彈性模量化學(xué)穩(wěn)定性五.耐火材料材料在高溫作用下不熔化的性質(zhì)稱為耐火度，耐火材料是指耐火度不低于1580℃的材料。1.性能基本要求（1）耐火材料的耐火度一定要高于爐子的工作溫度?，F(xiàn)代工業(yè)爐的工作溫度一般在1000～1800℃。（2）有較高的荷重軟化開始溫度。雖然耐火材料的熔點(diǎn)可達(dá)1650～1700℃，但在比此低得多的溫度下使用會因軟化而變形。荷重軟化開始溫度是指材料在0.2MPa應(yīng)力下加熱到高溫開始變形（約為0.6％）的溫度。（3）高溫時體積穩(wěn)定性要好。（4）有一定的抗熱震性。（5）抵抗酸性渣或堿性渣的侵蝕能力。2.常用耐火材料常用的耐火材料有耐火土磚、高鋁磚、輕質(zhì)磚等。耐火粘土磚是耐火材料中產(chǎn)量最大、使用最廣泛的一種材料。所用原料是耐火粘土和高嶺土。

六.新型陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷相比，新型陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷有以下不同：（1）具有其組成、純度、粒度得到了精選，組成已超出了傳統(tǒng)陶瓷硅酸鹽成分范圍，是一些純的氧化物、氮化物、硼化物等鹽類或單質(zhì)；（2）應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從結(jié)構(gòu)材料擴(kuò)展到電、光、熱、磁等功能材料方面；（3）成型工藝方面應(yīng)用了等壓成形、熱壓成形等；（4）制品的形態(tài)多樣，有晶須、薄膜、纖維等。絕緣子熱電偶套管密封環(huán)陶瓷噴咀耐火材料坩堝常用的工程結(jié)構(gòu)陶瓷的種類、性能及應(yīng)用6.4無機(jī)非金屬材料的制備方法無機(jī)非金屬材料的生產(chǎn)流程均由若干個單元工藝組成，它們有：配料B（粉體機(jī)械制備G、粉體的化學(xué)制備D、原料的稱重W和粉體的均勻化H），熔化M，燒成S，成型F，制品后處理P，另外，原料R和組成C等。下面是各種無機(jī)非金屬材料的間的生產(chǎn)流程：傳統(tǒng)陶瓷：C-R-B(G、W、H)-F-S-P先進(jìn)陶瓷：C-R-B(D、W、H)-F-S-P水泥：C-R-B(G、W、H)-S-G-H玻璃：C-R-B(G、W、H)-M-F-P一.傳統(tǒng)陶瓷制備1.原料石英化學(xué)組成SiO2,其不受氟酸以外的酸的侵蝕，在室溫下與堿不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，硬度較高，所以石英是一種具有耐熱性、抗蝕性、高硬度等特征的優(yōu)異物質(zhì)。在普通陶瓷中，石英構(gòu)成了陶瓷制品的骨架，賦予制品耐熱、耐蝕等特性。石英的粘性很低，屬非可塑性原料，無法做成制品的形狀。為了使其具有成型性，需摻入粘土。粘土是一種含水的鋁硅酸鹽礦物質(zhì)，主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、H2O、Fe2O3、TiO2等。粘土具有很獨(dú)特的可塑性與結(jié)合性，調(diào)水后成為軟泥，能塑造成型，燒后變得致密堅硬。長石是一組礦物的總稱，為架狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)。其分為四大類：鈉長石（Na2O·Al2O3·SiO2）、鉀長石（K2O·Al2O3·SiO2）、鈣長石（CaO·Al2O3·SiO2）和鋇長石（BaO·Al2O3·SiO2）。工藝流程2.生產(chǎn)工藝

（1）擠壓成型（2）注漿成型法使用增塑劑與水混合均勻后的粉末作為坯料，由真空擠壓機(jī)將坯料從擠型口擠出。該方法適合于粘土系陶瓷原料的成型，宜用于制造橫截面形狀相同的坯體，如棒狀、管狀等長尺寸坯件。注漿法成型是將制備好的坯料泥漿注入多孔性模型內(nèi)，由于多孔性模型的吸水性，泥漿貼近模壁的一層被模子吸水而形成均勻的泥層。該泥層隨時間的延長而逐漸加厚，當(dāng)達(dá)到所需的厚度時，可將多余的泥漿傾出。最后該層繼續(xù)脫水收縮而與模型脫離，從模型中取出后即為毛坯，

（3）模壓成型:利用壓力將干粉坯料在模型中壓成致密坯體的一種成形方法

施釉

燒成

燒成過程大致可分為四個階段：二.水泥制備1.原料生產(chǎn)硅酸鹽水泥的主要原料是：石灰質(zhì)原料，粘土質(zhì)原料和鐵質(zhì)校正原料。石灰質(zhì)原料

主要包括石灰?guī)r、泥灰?guī)r、白堊、貝殼等。它們主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等。含量最多為氧化鈣。粘土質(zhì)原料主要包括黃土、粘土、頁巖、粉砂巖及河泥等，其中前兩者應(yīng)用最多。它們主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO及部分的K2O、Na2O、SO3等。含量最多為二氧化硅。鐵質(zhì)校正原料當(dāng)石灰質(zhì)和粘土質(zhì)原料配合所得到的生料成分不能符合配料方案時，必須根據(jù)所缺少的組分添加此類原料。其中，摻加氧化鐵含量大于40%的鐵質(zhì)校正原料最為多見。常用的有低品位鐵礦石、煉鐵廠尾礦以及硫酸廠工業(yè)廢渣等。2.制備工藝硅酸鹽水泥的生產(chǎn)過程大致可以范圍三個階段：生料制備、熟料煅燒和水泥粉末。

生料制備熟料煅燒水泥粉磨(1)形成玻璃的物質(zhì)單一形成玻璃的氧化物如SiO2、B2O3等；有條件形成玻璃的氧化物如TeO2、SeO2、Al2O3、V2O5等，它們本身不能形成玻璃，但能與某些氧化物如SiO2一起形成玻璃。(2)形成玻璃的條件玻璃形成的規(guī)律主要決定于內(nèi)在結(jié)構(gòu)，即化學(xué)鍵的類型和強(qiáng)度、負(fù)離子團(tuán)的大小、結(jié)構(gòu)堆集排列的狀況等。三.玻璃制備1.玻璃的形成2.玻璃生產(chǎn)工藝(1)滾壓：這種方法廣泛應(yīng)用于平板玻璃生產(chǎn)。原料熔化后，流經(jīng)兩滾筒，并嚴(yán)格控制溫度在合適的粘度下滾壓成平板玻璃，然后使板材穿過一個長退火爐。為了得到表面光潔度高、平整的板材，可使玻璃熔體流經(jīng)液態(tài)錫的浮池上面，池內(nèi)保持可控制的加熱氣氛以防止氧化，成型板材穿過退火爐即得成品。目前國內(nèi)的茶色玻璃大多是用較先進(jìn)的浮法生產(chǎn)。(2)壓制和吹制：這種方法廣泛應(yīng)用于容器制造。先將粘性玻璃塊放入摸具中壓制，然后移去半個模具，以最終形狀的模具代替，吹制成所要求的外形.。(3)澆鑄：將玻璃熔體注入模具里完成澆鑄，例如澆鑄光學(xué)玻璃鏡片等。澆鑄電視機(jī)顯像管殼時，為了使熔融玻璃充滿模具，還需使模具旋轉(zhuǎn)，稱為離心澆鑄。(4)熔融抽絲：玻璃纖維的制備與聚合物纖維的制備方法類似，熔融玻璃料流過多孔加熱鉑板而成纖維狀，纖維在纏繞的同時進(jìn)行牽引，最后得到玻璃纖維。四.功能陶瓷制備

特種陶瓷也稱為精細(xì)陶瓷、先進(jìn)陶瓷、新型陶瓷等。特種陶瓷制品區(qū)別于普通陶瓷的主要特征是：原料系人工合成而非天然；制品基本是由骨架材料成分構(gòu)成。1.氧化物陶瓷制備(1)預(yù)燒：預(yù)燒使原料中的γ－A12O3全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣粒瑼12O3，減少燒成收縮。預(yù)燒還能排除原料中大部分Na2O雜質(zhì)。(2)原料的細(xì)磨：由于工業(yè)A12O3是由氧化鋁微晶組成的疏松多孔聚集體．很難燒結(jié)致密。為了要破壞這種聚集體的多孔性，必需將原料細(xì)磨。但過細(xì)磨，也可能使燒結(jié)時的重結(jié)晶作用很難控制，導(dǎo)致晶粒長大、降低材料性能。(3)酸洗：如果采用鋼球磨粉磨，料漿要經(jīng)過酸洗除鐵。鹽酸能與鐵生成FeCl2或FeCl3而溶解．然后再水洗以達(dá)到除鐵的目的。(4)成形：把經(jīng)酸洗除鐵并烘干備用的原料采用下壓、擠制、注漿、乳膜、搗打、熱壓及等靜壓等方法成形．以適應(yīng)各種不同形狀的要求。(5)燒成：燒成制度對剛玉制品的密度及顯微結(jié)構(gòu)起著決定性作用，從而對性能也起著決定性作用。適當(dāng)?shù)乜刂萍訜釡囟群捅貢r間，可獲得致密的具有細(xì)小晶粒的高質(zhì)量瓷坯。(6)表面處理：對于高溫、高強(qiáng)度構(gòu)件或表面要求平整而光滑的制品，燒成后往往要經(jīng)過研磨及拋光．（1）原料的獲得SiC是將石英、碳和鋸末裝在電弧爐中合成而得。合成反應(yīng)為：反應(yīng)溫度一般高達(dá)1900-2000℃右左．最終得到β－SiC及。α－SiC的混合物。其中α－SiC屬于六方結(jié)構(gòu)，在高溫下是穩(wěn)定相。而β－SiC屬于等軸結(jié)構(gòu)，在低溫下是穩(wěn)定相。β－SiC向α－SiC轉(zhuǎn)變溫度約為2100～2400℃。Si和C原子之間以共價鍵結(jié)合。（2）SiC陶瓷的生產(chǎn)工藝SiC難以燒結(jié)，因而必須加入燒結(jié)促進(jìn)劑，如B4C9以及A12O3等。然后將粒度為1μm左右的原料采用注漿、干壓或等靜壓成形。于2100℃燒結(jié)。其氣孔隙約10％。采用熱壓法得到的產(chǎn)品其密度得到進(jìn)一步改善，達(dá)到理論密度的99％以上。2.碳化物陶瓷制備3.氮化物陶瓷制備（1）Si3N4原料的獲得

工業(yè)合成Si3N4有兩種方法。一種是將硅粉在氮?dú)庵屑訜幔毫硪环N方法是用硅的鹵化物(SiCl4、SiBr等)與氨反應(yīng)所得到的Si3N4粉末一般都是α相與β相的混合物，其中α-Si3N4在1100-1250℃生成的低溫相，β-Si3N4是在1300-1500℃下生成的高溫相。α相加熱到1400～1600℃開始變?yōu)棣孪?。?800℃轉(zhuǎn)變結(jié)束。這一轉(zhuǎn)變是不可逆的。3.氮化物陶瓷制備（2）Si3N4陶瓷的生產(chǎn)工藝

Si3N4陶瓷的生產(chǎn)方法有反應(yīng)燒結(jié)法和熱壓燒結(jié)法。反應(yīng)燒結(jié)法的主要工藝過程如下：將Si粉或Si粉與Si3O4粉的混合料按一般陶瓷生產(chǎn)方法成形，然后在氮化爐內(nèi)于1150～1200℃預(yù)氮化，獲得一定的強(qiáng)度之后，可在機(jī)床上進(jìn)行車、刨、鉆、銑等切