材料學導論全冊配套完整課件

材料學導論全冊配套完整課件《材料學導論》材料是人類文明發(fā)展的物質基礎內容：學習材料學的基本知識；主要涉及到各種材料的組成、結構、性能、應用以及它們之間的關系。目的：材料類專業(yè)的入門課及專業(yè)基礎課之一。了解材料的基本知識，逐步擴大材料的專業(yè)知識面，培養(yǎng)分析和解決有關材料問題的初步能力。材料的定義與分類材料的地位和作用材料的性質材料學的形成和發(fā)展第一章緒論1.1、材料的定義

材料是人類用來制造有用的構件、器件或物品的物質。材料與物質的區(qū)別：①

對材料而言，可采用“好”或“不好”等字眼加以評價，對物質則不能這樣；②

材料總是和一定的用途相聯(lián)系的；③

材料可由一種物質或若干種物質構成；④

同一種物質，由于制備方法或加工方法的不同，可成為用途各異的不同類型的材料。1.2、材料的類別按化學組成和結構特點：金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、復合材料按材料性能：結構材料、功能材料按使用領域：建筑材料、電子材料、耐火材料、醫(yī)用材料……請說出裝可口可樂的瓶子材料類型請指出汽車上的材料類型材料是人類社會發(fā)展的基礎和先導，是人類社會進步的里程碑和劃時代的標志。材料、能源、信息被稱為人類社會的“三大支柱”。2、材料的地位和作用

縱觀人類利用材料的歷史，可以清楚地看到，每一種重要新材料的發(fā)現(xiàn)和應用，都把人類支配自然的能力提高到一個新的水平。材料科學技術的每一次重大突破都會引起生產技術的重大變革，甚至引起一次世界性的技術革命，大大地加速社會發(fā)展的進程，從而把人類物質文明推向前進。人類文明的發(fā)展史就是材料的發(fā)展史材料的發(fā)展史就是人類文明的發(fā)展史石器時代、青銅器時代、鐵器時代、?

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?、半導體時代300多萬年歷史?青銅器時代兩次工業(yè)革命都是以新材料的發(fā)明和廣泛應用為先導的第一次工業(yè)革命（18世紀）：制鋼工業(yè)的發(fā)展為蒸汽機的發(fā)明和應用奠定了物質基礎。第二次工業(yè)革命（20世紀中葉以來）：單晶硅材料對電子技術的發(fā)明和應用起了核心作用。是高技術發(fā)展的基礎是工業(yè)革命和產業(yè)發(fā)展的先導新材料材料強度密度比在不同年代里的進展(材料比強度提高了約50倍)0246810<BC180019002000年份強度/密度（ln×10）鋁木材石料青銅鑄鐵鋼復合材料碳纖維芳香族酰胺纖維6現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機３０年代氣冷式航空發(fā)動機蒸汽機由于采用了現(xiàn)代材料，使發(fā)動機工作溫度急劇上升，因而發(fā)動機的理論效率大大提高。航空發(fā)動機發(fā)動機的葉片材料是發(fā)動機性能的關鍵20201950196019701980199020002010900110015001300材料的表面溫度(℃)1700單晶合金普通鑄件定向凝固超級合金共晶合金彌散強化超級合金隔熱涂層陶瓷復合材料碳-碳在發(fā)動機上葉片材料應用的年份纖維增強超級合金合金晶粒結構的變化（約1970年代）高壓噴氣室（HPT）的葉片組有隔熱鍍層的中空的葉片材料結構及其溫度分布109316495381490C3150C6490C10930C19270C航空發(fā)動機溫度一次大戰(zhàn)水冷式30年代空冷式風扇噴氣發(fā)動機渦輪噴氣發(fā)動機超音速燃燒沖壓式噴氣發(fā)動機溫度（0C）30年代教練機二次大戰(zhàn)戰(zhàn)斗機80年代截擊機航天飛機東方快車號/沖壓10931649538490C93.30C4270C10930C16490C不同類型的飛行器蒙皮溫度溫度（0C）神州飛船(6號）返回艙著陸后的狀態(tài)1200~1800℃神州飛船(6號）碳素工具鋼鎢鈷鉻硬質合金燒結碳化鎢金屬陶瓷陶瓷多晶金剛石高速鋼立方氮化硼材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃我國水泥、玻璃、陶瓷產量連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一半導體材料與半導體產業(yè)的發(fā)展1947年第一個晶體管在Bell實驗室發(fā)明1958年第一塊集成電路于TI公司發(fā)明各種晶體管和電子器件生產硅單晶及硅晶片芯片chip晶片wafer不斷追求廉價而高性能晶片芯片theENIACfilledanentireroom,weighedthirtytons,andconsumedtwohundredkilowattsofpower.筆記本電腦現(xiàn)在Intel多核處理器-CPU的集成度達到10億個晶體管，采用了32nm技術。

晶體管小到用電子顯微鏡都難以觀察。第三代半導體材料－寬禁帶半導體SiC,GaN,ZnO等，半導體是一種寬禁帶半導體材料，是繼第一代半導體材料硅（Si）和第二代半導體材料砷化鎵（GaAs）后，發(fā)展起來的第三代半導體材料。在高技術中，尤其是軍用和光電子領域有優(yōu)勢，可以應用于：1）高溫器件2）高功率器件3）高頻高速4）發(fā)光與激光導熱率使用溫度電子漂移速度擊穿電壓SiSiC(使用溫度>500oC)SiC與Si使用范圍比較SiC研究和應用現(xiàn)狀高質量大尺寸的SiC晶體幾乎被美國Cree公司壟斷。我國生產器件用的SiC晶體全部依賴進口。2英寸晶片售價為：500－800美元/片SiC是一種戰(zhàn)略性材料發(fā)光二極管（LED）

硅材料為什么不能用來做發(fā)光二極管？材料性質描述力學性質物理性質化學性質強度硬度剛度塑性韌性電學性質磁學性質光學性質熱學性質催化性質防腐性質3、材料的性質材料性質：是材料的功能特性和效應的描述，是材料對電.磁.光.熱.機械載荷的反應。3.1

力學性質材料在力的作用下所表現(xiàn)出的特性即為材料的力學性質。（1）彈性模量彈性模量是指材料在彈性極限范圍內，應力與應變（即與應力相對應的單位變形量）的比值，用E表示，即：

（2）強度在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力稱為強度。(有多種強度類型）材料在外力作用下發(fā)生塑性變形的最小應力叫屈服強度，用σs表示。工程上規(guī)定，試樣產生0.2%塑性變形時的應力值為該材料的條件屈服強度，記為σ0.2。抗拉強度是將試樣在拉力機上施以靜態(tài)拉伸負荷，使其破壞（斷裂）時的載荷。彎曲強度是指采用簡支粱法將試樣放在兩支點上，在兩支點間的試樣上施加集中載荷，使試樣變形直至破裂時的載荷。壓縮強度是指在試樣上施加壓縮載荷至破裂（對脆性材料而言）或產生屈服現(xiàn)象（對非脆性材料而言）時，原單位橫截面積上所能承受的載荷。

（3）塑性材料在斷裂前發(fā)生永久變形的能力叫塑性，以材料斷裂后的永久變形為衡量。塑性指標有延伸率和斷面收縮率：σ與ψ越大，材料的塑性越好。（4）硬度硬度是衡量材料軟硬程度的指標，反映材料表面抵抗微區(qū)塑性變形的能力。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等，還常用莫氏硬度。（5）韌性韌性是指材料抵抗裂紋萌生與擴展的能力。度量韌性的指標有兩類。一類是沖擊韌性，用材料受沖擊而破斷的過程所吸收的沖擊功的大小來表征材料的韌性。另一類是斷裂韌性，用材料裂紋尖端應力強度因子的臨界值K1C來表征材料的韌性。（6）疲勞強度疲勞強度指材料抵抗交變載荷的性能。交變載荷是指大小和（或）方向重復循環(huán)變化的載荷。在交變應力作用下，即使應力的最大值低于材料的屈服強度，材料經較長時間的工作也會發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為材料的疲勞。當應力低于某數(shù)值時，在無限多的循環(huán)周次下，材料仍不斷裂，此應力值稱為疲勞強度或疲勞極限。3.2

電學性質（1）導電性材料導電性的量度為電阻率或電導率。電阻R與導體的長度l成正比，與導體的截面積S成反比，即：一般來說，金屬材料及部分陶瓷材料和部分高分子材料是導體，普通陶瓷材料與大部分高分子材料是絕緣體。（2）介電常數(shù)當電壓加到兩塊中間是真空的平行金屬板上時，板上的電荷Q0與施加電壓V成正比比例系數(shù)C0就是電容。如果兩板間放入絕緣材料，在相同電壓下，電荷增加了Q1，則Q＝

Q0＋

Q1＝CV電介質引起電容量增加的比例，稱為相對介電常數(shù)ε物理性質的交互性-材料應用的關鍵點現(xiàn)代功能材料不僅僅表現(xiàn)出單一的物理性質，更重要的是具備了特殊的物理交互性。例如：電學----力學 電致伸縮力學----電學 壓電特性磁學----力學 磁致伸縮電學----磁學 巨磁阻效應電學----光學 電致發(fā)光

------3.3

熱學性能熱容：1mol固體溫度升高1K時所吸收的熱量J/（mol·K）熱導率：單位時間內在1K溫差的1cm3正方體的一個面向其所對的另一個面流過的熱量，單位J/（cm·s·K）。熱膨脹系數(shù)：單位長度物體的長度隨溫度的變化率，單位K-1

。使用性能（效能）：是指材料在某種環(huán)境或條件作用下，最終使用狀態(tài)（產品或元件）下表現(xiàn)出的行為。性質與使用性能（效能）的區(qū)別與關系成分結構環(huán)境性質規(guī)格使用性能所以，性質是材料本身特征的體現(xiàn)；使用性能則是包括材料在內的整個系統(tǒng)特征的體現(xiàn)。材料的應用要考慮以下幾個因素：一、材料的使用性能二、使用壽命及可靠性三、環(huán)境適應性（包括生產過程與使用期間）四、價格4、材料學的形成和發(fā)展五十五萬年前 人類學會用火原始社會末期 用火燒制陶器商、周時期釉陶、爐溫提高到1200℃東漢 瓷器（中國十分領先）*九世紀

非洲東部和阿拉伯國家*十三世紀

日本*十五世紀

歐洲4.1古代中外材料發(fā)展史對比夏（公元前2140）以前青銅冶煉制備各種工具、食器、兵器。春秋戰(zhàn)國出現(xiàn)鐵器。西漢時期煉鐵技術有了很大提高，采用煤作煉鐵的燃料比歐洲早1700多年。從西漢到明朝的一千六百年間，我國鐵生產技術遠遠超過世界各國。4.2材料科學的提出與建立材料科學是在金屬學、陶瓷學、高分子科學的基礎上，結合物理、化學發(fā)展起來的。不同材料盡管各有特點，但它們之間卻有相通的原理、共性和相似的研究、生產方法。材料科學：是有關材料成分、結構與工藝對于材料性質與用途的影響規(guī)律的知識與運用?？梢哉f，材料科學是一種近年來形成的交叉學科和應用科學，與工程技術的聯(lián)系較為密切，所以人們往往把材料科學與工程聯(lián)系在一起，稱之為“材料科學與工程”。近年來，又稱為“材料科學技術”。材料工程是指運用材料科學的理論知識和經驗知識，為滿足各種特定需要而發(fā)展、制備和改進各種材料的工藝技術。地質采礦礦冶化工冶金陶瓷高分子物理材料科學與工程化學礦1879188818881937193719661975

美國MIT礦冶及材料系名稱的演變年系名稱1865~1879地質與采礦工程1879~1884采礦工程1884~1888采礦工程（地質、采礦、冶金）1888~1890采礦與冶金1890~1927采礦工程與冶金1927~1937采礦與冶金1937~1966冶金1966~1975冶金與材料科學1975~現(xiàn)在材料科學與工程材料科學的內容可以用一個四面體來表示，也就是材料科學是研究一種材料的成分（結構）、合成（工藝）、性質與效能及它們之間的關系。4.3材料科學的內容效能(performance)性質（properties)成分與結構(composition/structure)合成與工藝(synthesis/processing)4.4材料科學的任務材料科學是一門交叉性學科和應用科學，它是物理、化學、冶金學、金屬學、高分子科學、計算科學等學科相互融合與交叉的結果，是與實際應用結合非常密切的科學，也是一個正在發(fā)展的科學，隨有關學科的發(fā)展而得到充實和完善。根本任務是揭示材料成分、結構與性質的內在關系，設計、合成并制備出具有優(yōu)良使用性能的材料，以滿足工農業(yè)生產、國防建設和現(xiàn)代科學技術發(fā)展對材料日益增長的需要。21世紀重點發(fā)展的高技術領域的材料

新材料技術群體性突破，將對21世紀基礎科學和幾乎所有工業(yè)領域產生革命性影響納米材料是前沿技術中前瞻性和帶動性領域之一。電子信息材料發(fā)展迅速（光電子材料、光子材料）。新型功能材料及其應用技術面臨新的突破（超導材料、智能材料、生物醫(yī)用材料）。新型結構材料發(fā)展前景樂觀（高溫合金、金屬基復合材料、高分子材料、鈦合金、鎂合金）。納米時代材料專業(yè)激動人心的領域、廣闊的用途充滿著各種挑戰(zhàn)和機遇就業(yè)面廣闊，滿懷信心面向未來1.名詞解釋：材料、材料科學2.材料科學的內容及任務。3.舉例說明材料在人類文明進程中的作用。作業(yè)2024/9/477化學成分分析2024/9/478物相成分分析2024/9/4792024/9/480第二章無機非金屬材料2024/9/481無機非金屬材料概論陶瓷材料（普通陶瓷、特種陶瓷）玻璃材料膠凝材料本章主要內容2024/9/4821、什么是無機非金屬材料？無機非金屬材料：主要是指由一種或多種金屬元素同一種非金屬元素(如O,S,C,N等,通常為O)所形成的化合物，多為金屬氧化物和金屬非氧化物。也可以認為

金屬材料和有機高分子材料以外的固體材料通稱無機非金屬材料。2024/9/483無機非金屬材料(又一種表述）指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物（包括硫化物、硒化物及碲化物）和硅酸鹽、鈦酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽等含氧酸鹽為主要組成的無機材料。無機非金屬材料包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料以及新型無機材料等。其中陶瓷一詞，隨著與陶瓷工藝相近的無機材料的不斷出現(xiàn)，其概念的外延也不斷擴大。廣義的陶瓷概念幾乎與無機非金屬材料的含意相同。2024/9/484無機非金屬材料的名目繁多，用途各異，目前尚沒有統(tǒng)一而完善的分類方法。通常把它們分為傳統(tǒng)（普通）無機非金屬材料和新型（特種）無機非金屬材料兩大類。如何分類？難！普通陶瓷－－特種陶瓷普通玻璃－－特種玻璃普通水泥－－特種水泥……

2024/9/485主要特性熔點高、硬度高、化學穩(wěn)定性好、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐氧化、彈性模量大、強度高。一般為脆性材料2024/9/4862、陶瓷材料2.1陶瓷的概念陶瓷(ceramics)是以非金屬礦物或化工產品為原料，經原料處理、成型、燒成等工序制成的產品。2.2

陶瓷的分類早期，陶瓷是陶器與瓷器的總稱。瓷器的坯體致密，基本上不吸水，有一定的半透明性，通常施釉，敲之聲音清脆。陶器通常有一定吸水率，斷面粗糙無光，不透明，敲之聲音粗啞，有的無釉，有的施釉。2024/9/487古代各種陶制品2024/9/488各種瓷器2024/9/489傳統(tǒng)的陶瓷如日用陶瓷、建筑陶瓷等是用粘土類及其它天然礦物原料經粉碎加工、成型、燒成等過程而得的器皿。這類陶瓷可稱為傳統(tǒng)（普通）陶瓷。隨著生產和科學技術的發(fā)展，對陶瓷制品的性能與應用提出了新的要求，因而制成了許多新品種，它們的生產過程雖然還是原料處理、成型、燒成等這種傳統(tǒng)的方式，但采用的原料已擴大到高度精選的天然原料或人工合成原料，使用高度可控的生產工藝，因而往往具有一些特殊的性能，相對于傳統(tǒng)陶瓷，這類陶瓷制品稱為新型（特種）陶瓷。

2024/9/4902024/9/4912024/9/4922.3

陶瓷材料的化學鍵及顯微結構

陶瓷材料的化學鍵陶瓷材料是以離子鍵（如MgO、Al2O3）、共價鍵（如Si3N4、BN）以及離子共價混合鍵（SiO2）結合在一起。金屬氧化物主要是離子鍵結合。由于離子鍵沒有方向性，只要求正負離子相間排列并盡量緊密堆積，因而離子晶體的密度較高，鍵強度也較高。這類材料強度高、硬度高，但脆性大。離子晶體固態(tài)絕緣，熔融后可導電。2024/9/493共價鍵具有方向性與飽和性，這就決定了共價晶體中原子的堆積密度較小。共價晶體鍵強度較高，且具有穩(wěn)定的結構，故這類材料熔點高、硬度高、脆性大，熱膨脹系數(shù)小。雖然陶瓷材料的鍵性主要為離子鍵和共價鍵，但實際上許多陶瓷的結合鍵是混合鍵結合，既有離子性，又有共價性。2024/9/494陶瓷材料的顯微結構陶瓷材料的顯微結構通常由三種不同的相組成，晶相、玻璃相和氣相。晶相：陶瓷材料中最主要的組成相，晶相一般由原料帶入或玻璃相析晶而成。晶相分為主晶相和次晶相。主晶相是構成材料的主體，其性質、數(shù)量及結合狀態(tài)，直接決定材料的基本性質。2024/9/495玻璃相：是一種低熔點的非晶態(tài)固體，是材料在高溫燒成過程中，由于化學反應或熔融冷卻形成的。通常，其機械強度要比晶相低一些，抗沖擊強度要高一些，在較低溫度下開始軟化。

玻璃相的作用，①充填晶粒間隙，粘結晶粒，提高陶瓷材料的致密程度；②降低燒成溫度，改善工藝；③抑制晶粒長大。2024/9/496氣相（氣孔）：大部分氣孔是在工藝過程中形成并保留下來的，有的氣孔則通過特殊的工藝方法獲得。氣孔含量在0～90％之間變化，陶瓷的許多電性能和熱性能都隨氣孔率、氣孔尺寸及分布的不同在很大范圍內變化。2024/9/4972024/9/4982024/9/4992.4陶瓷材料的性能2.4.1機械性能（1）彈性模量陶瓷材料具有牢固的離子鍵和共價鍵，其彈性模量比金屬材料的彈性模量大得多，大約在103～104MPa之間甚至更高。陶瓷材料的彈性模量除了與結合鍵有關外，還與組成相的種類、分布、比例及氣孔率的大小有關。2024/9/4100（2）強度①陶瓷材料在理論上具有很高的斷裂強度，但實際斷裂強度往往比金屬材料低得多。②抗壓強度比抗拉強度大得多，其差別程度大大超過金屬。③氣孔和材料密度對陶瓷斷裂強度有很大影響。④陶瓷材料耐熱沖擊性較差，嚴重限制了陶瓷材料在急冷急熱條件下的使用。⑤晶粒愈小，強度愈高。

2024/9/4101（3）塑性與韌性陶瓷材料最突出的弱點是很低的塑性與韌性。只有極少數(shù)具有簡單晶體結構的陶瓷材料在室溫下具有塑性。如MgO、KCl、KBr等。一般的陶瓷材料在室溫下塑性為零。這是因為大多數(shù)陶瓷材料晶體結構復雜，滑移系統(tǒng)少，位錯生成能高，而且位錯的可動性差，通常呈現(xiàn)典型的脆性斷裂。（4）硬度陶瓷、礦物材料常用莫氏硬度和維氏硬度來衡量材料抵抗破壞的能力。莫氏硬度是以陶瓷、礦物之間相互刻劃能否產生劃痕來確定，只能表示材料硬度的相對大小。一般陶瓷的硬度較大。2024/9/41022.4.2熱性能（1）熱容陶瓷材料的摩爾熱容對結構變化不敏感，但單位體積的熱容卻與氣孔率有關，由于多孔材料質量輕，所以單位體積熱容小。因此，多孔輕質耐火磚的溫度上升所需的熱量遠低于致密的耐火磚。（2）熱膨脹陶瓷材料的線膨脹系數(shù)約為（10-5~10-7）/℃。陶瓷的線膨脹系數(shù)一般低于高聚物和金屬。2024/9/4103（3）導熱性陶瓷的熱傳導主要依靠于原子的熱振動。由于沒有自由電子的傳熱作用，陶瓷的導熱性比金屬小。陶瓷多為較好的絕熱材料。（4）熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性就是抗熱震性，是指材料承受溫度的急劇變化或在一定溫度范圍內冷熱交替而不致破壞的能力。陶瓷的熱穩(wěn)定性很低，比金屬低得多。這是陶瓷的一個主要缺點。2024/9/41042.4.3電性能（1）電導率陶瓷材料在一般情況下沒有自由活動的電子，電阻率比較低，絕大部分陶瓷都是良好的絕緣體。隨著科學技術的發(fā)展，某些陶瓷材料的半導性和導電性已被人們發(fā)現(xiàn)，隨之制成各種半導體陶瓷及導電陶瓷。2024/9/4105（2）介電常數(shù)大部分離子晶體的介電常數(shù)為ε=5~12，但有少數(shù)晶體的介電常數(shù)很高。如金紅石（TiO2）晶體的ε=110~114，鈣鈦礦（CaTiO3）晶體的ε=150。這類晶體的晶體結構比較獨特，在外電場作用下，由于離子之間的相互作用，引起了極其強大的內電場。在此內電場作用下，離子的電子殼層發(fā)生強烈變形，離子本身也發(fā)生強烈的位移，使材料具有很高的介電常數(shù)。2024/9/4106（3）介電損耗當電介質在電場作用下，單位時間內因發(fā)熱而消耗的能量稱為電介質的損耗功率或簡稱為介質損耗，用損耗角正切tan表示。介質損耗是所有應用于交流電場中電介質的重要指標之一。介質損耗不但消耗了電能，而且由于溫度上升可能影響元器件的正常工作；介質損耗嚴重時，甚至會引起介質的過熱而破壞絕緣性質。

2024/9/4107漏導損耗：因電導而引起的介質損耗為漏導損耗。極化損耗：一切介質在電場中均會呈現(xiàn)出極化現(xiàn)象。除電子、離子彈性位移極化基本上不消耗能量外，其它緩慢極化（如松馳極化）在極化的緩慢建立過程中都會因克服阻力而引起能量損耗，這種損耗一般稱為極化損耗。陶瓷材料是由晶相、玻璃相、氣相組成，其能量損耗主要來源于漏導損耗、松馳質點的極化損耗及結構損耗。

在結構緊密的離子晶體中，極化損耗很小，一般是由漏導引起。以這類晶體為主晶相的陶瓷往往用在高頻的場合，如剛玉瓷、滑石瓷等。2024/9/4108（4）絕緣強度電介質能絕緣和儲存電荷，是指在一定的電壓范圍內，即在相對弱電場范圍內，介質保持介電狀態(tài)。當電場強度超過某一臨界值時，介質由介電狀態(tài)變?yōu)閷щ姞顟B(tài)，這種現(xiàn)象稱介質的擊穿。陶瓷材料的擊穿強度一般為4～60kV/mm。

2024/9/41092.4.4光學性能隨著遙感、計算機、激光、光纖通訊、自動化等技術的發(fā)展和“透明陶瓷”的出現(xiàn)，陶瓷材料在光學領域有了較重要的應用。光學材料的性質一般指材料對各種光和射線的反射、透射、折射和吸收等性質。對陶瓷材料，主要是指其透光性。為了提高陶瓷的透光性，一般使用高純原料，加入抑制晶粒長大的摻雜劑，采用適當?shù)墓に嚺艢饪字苽浼毦У耐该魈沾刹牧稀?024/9/41102.4.5化學穩(wěn)定性陶瓷的結構非常穩(wěn)定。在以離子晶體為主的陶瓷中，金屬原子為氧原子所包圍，被屏蔽在其緊排列的間隙之中，很難再同介質中的氧發(fā)生作用，甚至在千度以上的高溫下也是如此，所以具有很高的耐火性能或不可燃性，是很好的耐火材料。另外，陶瓷對酸、堿、鹽等腐蝕性很強的介質均有較強的抗蝕能力，與許多金屬的熔體也不發(fā)生作用，所以也是很好的坩堝材料。2024/9/41113、普通陶瓷3.1普通陶瓷的生產過程普通陶瓷又稱傳統(tǒng)陶瓷，是以天然存在的礦物為主要原料的陶瓷制品。其生產工藝流程如下：原料精選坯料制備成型干燥燒成制品2024/9/4112①石英石英具有耐熱、抗蝕、高硬度等性質，在普通陶瓷中，石英構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?？伤苄裕涸谔沾晒I(yè)中，可塑性是指泥料在外力作用下能被塑造成各種形狀，在外力除去后，仍能保持這種形狀的性能。（1）原料精選普通陶瓷中必不可少的三組分是石英、粘土和長石。2024/9/4113②粘土

粘土是一種含水鋁硅酸鹽礦物,層狀結構，主要化學成分為SiO2、Al2O3、H2O、Fe2O3、TiO2等。粘土具有獨特的可塑性與結合性，調水后成為軟泥，能塑造成型，燒后變得致密堅硬。③長石

長石是一族礦物的總稱，為架狀硅酸鹽結構。長石在高溫下為有粘性的熔融液體，并潤濕粉體，作為助熔劑能溶解一部分粘土及部分石英，促進成瓷反應的進行，并降低燒成溫度。上述三組份，石英骨架成分、粘土提供可塑性、長石為助熔劑2024/9/4114（2）坯料制備陶瓷原料經過配料和加工后成為坯料，根據陶瓷制品的性質以及制品所用的成型方法，制成可塑料、注漿料和壓制粉料。2024/9/4115（3）成型①半干法成型（8％～15％的水）：利用外部機械壓力，使具有一定可塑性的泥料壓縮并形成具有一定尺寸、形狀和強度的坯體的成型方法。②注漿成型（40％左右的水）：將制備好的泥漿注入多孔性模型內，泥漿在貼近模壁處的一層被模子吸去水分，形成一均勻的泥層，并隨時間延長而逐漸加厚，達到一定厚度后，倒出多余泥漿，泥層繼續(xù)脫水并與模型脫離，最后按模型形狀形成坯體。2024/9/4116③可塑成型法(20%左右的水)：將預制好的坯料投入擠泥機中，擠成泥條，然后切割，按所需制成荒坯，再用手工或壓機壓制，使坯體具有規(guī)定的形狀和尺寸。2024/9/4117（4）生坯的干燥使含水物料（如濕坯、原料、泥漿等）中的液體水汽化而排除水分的過程，稱為干燥。成型后的各種坯體還呈可塑狀態(tài)，在運輸和再加工過程中很容易變形或破損。為提高成型后坯體的強度，還要進行干燥，以除去一部分水分，使坯體失去可塑性。經過干燥的坯體，也可以在燒成初期經受快速升溫，從而縮短燒成周期，提高窯爐的周轉率，節(jié)約能耗。

2024/9/4118（5）燒成

經過成型及干燥過程后，生坯中顆粒之間只有很小的附著力，因而強度相當?shù)?。要使顆粒相互結合使坯體形成較高的強度，只有在無液相或有液相的燒結溫度下才能實現(xiàn)。

目的:是去除坯體內所含溶劑、粘結劑、增塑劑等，并減少坯體中的氣孔，增強顆粒間的結合強度，并產生玻璃和莫來石等新的物相。

2024/9/41192024/9/41202024/9/41214、特種陶瓷特種陶瓷是指相對于普通陶瓷而言，新發(fā)展起來的陶瓷，主要包括以耐高溫、高耐磨、耐腐蝕為特征的結構陶瓷，如軸承陶瓷；以及進行能量和信號轉換的功能陶瓷，如壓電陶瓷。特種陶瓷與普通陶瓷的區(qū)別:(1)在原材料方面

普通陶瓷以天然礦物如粘土、石英和長石等為主要原料;而特種陶瓷則使用經人工合成的高質量的粉體作為主要材料。2024/9/4122(2)在結構方面

普通陶瓷材料由于化學和相組成的復雜多樣，雜質成份和雜質相眾多而不易控制，顯微結構粗劣而不夠均勻，多氣孔；特種陶瓷則一般化學和相組成較簡單明晰,純度高，即使是復相材料，也是人為調控設計添加的，所以特種陶瓷材料的顯微結構一般均勻而細密。(3)制備工藝方面普通陶瓷用的礦物經混合可直接用于濕法成型，材料的燒結溫度較低，燒成后一般不需加工；而特種陶瓷用高純度粉體一般添加有機的添加劑才能適合于干法或濕法成型，材料的燒結溫度較高，燒成后一般尚需加工。2024/9/4123（4）在性能和用途方面特種陶瓷不僅后者在性能上遠優(yōu)于傳統(tǒng)陶瓷，而且特種陶瓷材料還發(fā)掘出普通陶瓷材料所沒有的性能和用途。普通陶瓷材料一般限于日用和建筑使用；特種陶瓷具有不同的特殊性質和功能，從而使其在高溫、機械、電子、宇航、醫(yī)學工程等方面得到廣泛的應用。2024/9/41242024/9/4125特種陶瓷的主要制備工藝是粉末制備，成型和燒結。其工藝流程圖如下：4.1特種陶瓷的制備工藝粉體制備原料處理成型燒結加工成品熱成型2024/9/41264.1.1粉體制備方法特種陶瓷的原料具有下述特點：純度高；顆粒細小；只加入很少甚至完全不加入助熔劑與提高可塑性的添加劑；采用原料是人工合成的粉末原料。目前制取特種陶瓷用粉體原料的方法有粉碎法和合成法兩類。合成法包括固相法、液相法和氣相法。（1）粉碎法機械磨細是制取粉末原料最傳統(tǒng)的方法。2024/9/4127（2）固相法制備陶瓷粉體①化學反應法

BaCO3+TiO2→BaTiO3+CO2↑

②熱分解反應法

CaCO3→CaO+CO2↑③氧化物還原法

SiO2+2C→SiC+CO2

↑④直接固態(tài)反應法

Si+C=SiC

2024/9/4128（3）液相法制備陶瓷粉體①沉淀法沉淀法是在可溶性前驅物溶液中添加適當?shù)某恋韯?，使得溶液中的陽離子生成不溶性沉淀，然后再經過濾、洗滌、干燥、加熱分解等工藝來合成粉體，該法具有反應過程簡單、成本低等優(yōu)點。②溶膠-凝膠法（Sol-Gel法）將金屬氧化物或氫氧化物的溶膠變?yōu)槟z，經干燥、煅燒，制得高純度超細氧化物粉末。③水熱法是指在密封壓力容器中，以水或其他溶劑作為溶媒（也可以是固相成分之一），在高溫（＞100℃）、高壓條件下制備、研究材料的一種方法。2024/9/4129（4）氣相法制取陶瓷粉體①蒸發(fā)-凝聚法（PVD）

將原料用電弧或等離子體高溫加熱至氣化，然后在加熱源與環(huán)境之間很大的溫度梯度條件下急冷，凝聚成粉狀顆粒。②化學氣相反應法（CVD）

化學氣相反應法是采用揮發(fā)性金屬化合物蒸氣通過化學反應合成所需物質的方法。

2024/9/41304.1.2成型技術模壓成型、注漿成型等技術可用于特種陶瓷的成型。此外，為了保證特種陶瓷制品的優(yōu)異性質，可采用以下方法成型，以提高坯體的致密度、均勻性或尺寸精度等。（1）冷等靜壓法（2）注射成型法（3）軋模成型2024/9/41314.1.3燒結技術（1）普通燒結普通陶瓷多半在隧道窯中進行。但特種陶瓷主要在電爐中進行。采用的燒結氣氛由產品性能需要和經濟因素決定，可以用保護氣氛（如氬、氮氣等），也可在真空或空氣中進行。（2）熱壓燒結將干粉末填入模具內，再從單軸方向施加壓力，并同時進行燒結。這個一種成型與燒結同時進行的工藝方法。采用熱壓燒結，使燒結機理由以擴散為主變?yōu)樗苄粤鲃訛橹?，從而可在較低溫度下進行燒結，而且得到的燒結體氣孔率低，組織致密。2024/9/4132（3）熱等靜壓燒結熱等靜壓燒結是使材料在加熱過程中經受各向均衡的氣體壓力，在高溫高壓同時作用下使材料致密化的燒結工藝。此外還有反應燒結、液相燒結、自蔓延高溫合成燒結等。2024/9/4133特種陶瓷從性能上可分為結構陶瓷和功能陶瓷

結構陶瓷是指具有力學和機械性能及部分熱學和化學功能的先進陶瓷，特別適于高溫下應用的則稱為高溫結構陶瓷。

功能陶瓷是指那些利用電、磁、聲、光、熱、力等直接效應及耦合效應的先進陶瓷。隨著科學技術的發(fā)展，新材料不斷出現(xiàn)，結構陶瓷與功能陶瓷的界限也逐漸淡化，有些材料同時具備優(yōu)越的結構性能與優(yōu)良的功能。

2024/9/4134

功能陶瓷：電、光、磁、彈性及部分化學功能特種陶瓷

結構陶瓷：機械、耐熱性及部分化學功能2024/9/4135結構陶瓷應用耐熱方面：發(fā)動機及高溫耐熱部件機械方面：耐磨部件、軸承、切削工具、內燃機部件等?；瘜W生物方面：耐腐蝕部件、催化劑載體以及人造骨頭等。4.2結構陶瓷2024/9/41362024/9/4137（1）氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷又稱剛玉瓷，氧化鋁陶瓷一般是指以α-Al2O3為主晶相的陶瓷材料，其Al2O3含量在75％～99.9％之間。是用途最廣泛，原料最豐富，價格最低廉的一種高溫結構陶瓷。根據Al2O3含量和添加劑的不同，有不同系列的氧化鋁陶瓷，例如Al2O3含量在75%，85％，95％和99%的分別稱為75瓷，85瓷，95瓷和99瓷；根據其主晶相的不同又可分為莫來石瓷、剛玉-莫來石瓷和剛玉瓷；根據添加劑的不同又分鉻剛玉、鈦剛玉等。2024/9/4138Al2O3陶瓷制品具有耐高溫、耐腐蝕、高強度等性能，所以可以作為冶煉高純金屬和生長單晶用的坩堝以及各種高溫爐的結構件，發(fā)動機用的火花塞、耐熱涂層等。在化工領域可用作各種反應器皿、反應管道、化工泵等。氧化鋁含量高于95%以上的Al2O3陶瓷具有優(yōu)異的電絕緣性能和較低的介質損耗特點，在電子、電器方面十分應該廣闊的應用領域。利用Al2O3高強度、硬度和耐磨性，可制作機械部件、拉絲模、固體物料噴嘴、刀具、磨料、磨具、裝甲防護材料、人造骨等。2024/9/4139（2）

氧化鋯陶瓷二氧化鋯（ZrO2）有三種晶型。當由四方ZrO2冷卻時轉變到單斜ZrO2時，體積膨脹，且轉變溫度為1000℃左右。由于二氧化鋯單斜型與四方型之間的可逆轉變有體積效應，使陶瓷燒成時容易開裂。加入適量的CaO，MgO，Y2O3等氧化物，使得二氧化鋯冷卻時沒有體積效應，經過處理的二氧化鋯稱為穩(wěn)定二氧化鋯。ZrO2陶瓷有很好的力學性能，同時熱傳導系數(shù)小，隔熱效果好，而熱膨脹系數(shù)又比較大，比較容易與金屬部件匹配，在目前所研制的陶瓷發(fā)動機中用于汽缸內壁、活塞、缸蓋板、氣門座和氣門導桿，其中某些部件是與金屬復合而成的。

2024/9/41404.3功能陶瓷功能陶瓷和結構陶瓷的產值比約為3∶1，世界功能陶瓷的產值約70—80億美元，按品種及產值百分率分以下幾種：電容器21%磁性瓷18%壓電瓷11.4%熱敏電阻5.6%傳感元件5.1%基片2.4%變阻器1.9%陶瓷封裝15—16%主要用于以下行業(yè)：計算機、通信、電視、廣播、家用電器、空間技術、自動化、汽車及醫(yī)療等。2024/9/4141

2024/9/4142近幾年功能陶瓷有以下幾方面發(fā)展趨向：①微電子技術推動下的微型化(薄片化)和高速度化；②在安全和環(huán)保的促進下，發(fā)展傳感器和多孔瓷；③重視各種功能材料的復合技術；④開始進入智能化階段2024/9/41434.3.1電介質陶瓷材料可按其對外電場的響應方式分為兩類:一類以電荷長程遷移級即以傳導的方式對外電場作出響應，這類材料稱為導電材料。另一類以感應的方式對外電場作出響應，即沿電場方向產生電偶極矩或偶極矩的改變，這類材料稱為電介質，這種現(xiàn)象稱為電介質的極化。通常，絕緣體都是典型的電介質。2024/9/4144電介質陶瓷是指電阻率大于108Ω·m的陶瓷材料，能承受較強的電場而不被擊穿。電介質壓電體熱釋電體鐵電體圖2－1各種電介質陶瓷間的相互關系

2024/9/4145（1）電絕緣陶瓷絕緣材料在電氣電路或電子電路中所起的作用主要是根據電路設計要求將導體物理隔離，以防電流在它們之間流動而破壞電路的正常運行。此外，絕緣材料還起著導體的機械支持、散熱及電路環(huán)境保護等作用。體積電阻率（ρ）≥1012Ω·cm介電強度（DS）≥104kV·mm-1介電常數(shù)（ε）=2×10-4_9×10-3

損耗因子（tanδ）≤0.0012024/9/4146隨著電子工業(yè)的發(fā)展，集成電路、大規(guī)模集成電路以及超大規(guī)模集成電路相繼問世，這類電路需要絕緣性能、導熱性能、熱膨脹匹配性能、高頻性能及快速響應性能等一系列性能優(yōu)良的絕緣陶瓷作為電路的基片與封裝材料.集成電路是一種把大量微型晶體管電路元件組裝在一塊基片上所構成的超小型、高密度的電路，這類電路通常要封裝在集成電路的管殼之內。這種高質量的基片和管殼一般是由精密陶瓷制成的。目前應用較成熟的基片材料和管殼材料是氧化鋁陶瓷。

2024/9/4147目前國內外主要采用Al2O3陶瓷作為集成電路基板材料。近年來，隨著半導體元件向高性能、高密度、小型化、低成本方向發(fā)展，迫切希望導熱系數(shù)大的陶瓷基板。通過研究，金剛石和立方氮化硼（BN）作為高導熱材料用于半導體基片和封裝等優(yōu)于其他材料，但價格高，大量生產還有若干技術問題有待解決。此外SiC和BeO也是較理想的材料，SiC燒結困難，BeO在生產過程中產生毒害限制了它的發(fā)展。采用少量BeO作為助燒結劑，用熱壓燒結法可制成高導熱系數(shù)SiC基板，其導熱系數(shù)為金屬鋁的1.2倍。

2024/9/4148氮化鋁（AlN）作為高導熱材料具有巨大的潛力，可以取代BeO、SiC，甚至部分取代Al2O3.AlN陶瓷導熱系數(shù)雖比SiC和BeO陶瓷略低，但比Al2O3陶瓷約高8-10倍，且體積電阻率，擊穿強度、介電損耗等電氣性能可與Al2O3陶瓷媲美，且介電常數(shù)較低，機械強度較高，熱膨脹系數(shù)為4.4

10-6/℃，接近于Si，可進行多層布線，是很有發(fā)展前途的基板材料。2024/9/4149(2)電容器陶瓷

陶瓷電容器是現(xiàn)代電子線路中必不可少的元件，每個電視機或錄像機中都含有100~200個陶瓷電容器。由于陶瓷的介電特性好，可以制成體積小、容量大的電容器。目前，電子技術向著高頻方向發(fā)展。電視機超高頻（UHF）的頻率為300MHz，通訊衛(wèi)星的頻率在10000MHz以上，只有陶瓷電容器才能在10000MHz以上的頻率有效地工作。

2024/9/4150電容器陶瓷材料在性能方面有下列要求：①陶瓷的介電常數(shù)應盡可能的高②穩(wěn)定性好③介質損耗角正切要?、鼙润w積電阻要求高于1010Ω·m⑤高的介電強度陶瓷電容器以其體積小、容量大、結構簡單、高頻特性優(yōu)良、品種繁多、價格低廉、便于大批量生產而廣泛應用于計算機、電器、通信設備、工業(yè)儀器儀表等領域。2024/9/4151（3）微波介質陶瓷微波介質陶瓷是指應用于微波頻段（主要是300MHz~30GHz頻段）電路中作為介質材料并完成一種或多種功能的陶瓷，是現(xiàn)代通訊中廣泛使用的諧振器、濾波器、介質基片、介質導波回路等微波元器件的關鍵材料。物相以鈦酸鹽為多，組成比較復雜，例如：mBaO.n[(1-y-z)La2O3.ySm2O3.zBi2O3].pTiO2介質濾波器在通信中也是必不可少的電子器件。微波介質陶瓷制成的諧振器與金屬空腔諧振器相比，具有體積小、質量輕、溫度穩(wěn)定性好、價格便宜等優(yōu)點。已在便攜式移動電話、汽車電話、無繩電話、電視衛(wèi)星接受器、軍事雷達及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等方面有著十分重要的應用。2024/9/41522024/9/4153（4）壓電陶瓷電介質在電場的作用下，可以使它的帶電粒子相對位移而發(fā)生極化。某些電介質晶體也可以通過機械力作用而發(fā)生極化，并引起表面電荷的現(xiàn)象稱為(正)壓電效應。對晶體施加電壓時，晶體發(fā)生變形的現(xiàn)象稱為逆壓電效應。陶瓷是大量晶粒的聚集體，盡管單個晶粒表現(xiàn)出壓電性，但由于各個晶粒的效應相互抵消，總體上表現(xiàn)不出壓電性。如果在鐵電陶瓷片兩側放上電極，進行極化，使內部晶粒定向排列，陶瓷便具有壓電性，成為壓電陶瓷。

壓電陶瓷種類壓電陶瓷材料主要有鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛（PZT）、改性PZT和其它三元體系。目前應用最多的是PZT和改性PZT。壓電材料的晶體結構隨溫度而變化。如BaTiO3

和PbTiO3，當溫度高于Tc時，晶格為立方晶系，低于Tc則轉變?yōu)樗姆骄担琓c稱為相變溫度，立方晶格為對稱結構，無壓電效應；轉變?yōu)樗姆骄Ц駮r，存在壓電效應，所以Tc又稱為居里溫度。

2024/9/4155PbTiO3立方晶相（a）和四方晶相（b）結構示意圖

2024/9/4156壓電陶瓷中,電疇在極化前后變化的示意圖2024/9/4157壓電陶瓷的應用成熟的壓電產品有濾波器、蜂鳴器、點火器、壓電陀螺、換能器等，主要用于電視、通信(包括無繩電話和移動電話)、水聲、雷達、導航、醫(yī)療、自動化等領域2024/9/41582024/9/4159（5）熱釋電陶瓷熱釋電效應是一種自然現(xiàn)象，也是晶體的一種物理效應。晶體受熱溫度升高，由于溫度的變化ΔT而導致自發(fā)極化的變化，在晶體的一定方向上產生表面電荷，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應。

ΔPs

＝PΔT

ΔPs——自發(fā)極化的變化量；

P——

熱釋電系數(shù)；ΔT——

溫度的變化量。2024/9/4160由上述可知，晶體中存在熱釋電效應的前提是：首先具有自發(fā)極化，即晶體結構的某些方向的正、負電荷重心不重合；二是有溫度變化，即熱釋電效應是反映材料在溫度變化狀態(tài)下的性能。2024/9/4161

熱釋電探測器的工作過程為：①接收輻射（紅外輻射）產生溫升；②由于溫升而引起熱釋電晶片表面電荷的變化（極化變化）；③由于晶體片表面電荷變化引起晶片上、下表面電勢差的變化，通過放大器使其轉換成電壓或電流進行測量。2024/9/4162①自動開關和報警人體熱輻射傳感器。由于熱釋電探測器在室溫下工作，有很寬的響應光譜及很快的響應速度，這種探測器的理想應用場合。如：門自動開關、入侵者報警器、來客報信機、自動售貨機。②火焰探測火焰探測器常用可能出現(xiàn)明火的場合，如石油平臺、儲油罐等，并已開始用于自動滅火系統(tǒng)。③紅外測厚計若塑料對紅外某一波長有吸收峰，從紅外線吸收量可以監(jiān)控塑料板或薄膜的厚度，測量準確度在±1μm左右2024/9/41634.3.2敏感陶瓷敏感陶瓷也稱為半導體陶瓷的共同特點是：它們的導電性隨環(huán)境變化而變化。利用這一特性，可制成各種不同類型的陶瓷敏感器件，如熱敏(BaTiO3)

、氣敏(SnO2)、濕敏、壓敏(ZnO)、光敏器件等。

傳感器的功能是把非電信號轉化為電信號。它應小巧、敏感、可靠、價格低。在陶瓷傳感器中，氣敏元件研究較多，因氣體為家用能源，煤礦安全也需此類元件，其材料為SnO2。公共場所CO2量表示空氣混濁度，可用CO2傳感器控制換氣開關。其他燃燒過程、植物生長、食物保鮮也涉及CO2量。汽車要控制完全燃燒，要求元件響應快(ｍｓ計)。在烹調及干衣機中，用到濕度傳感器。2024/9/4164PTC熱敏陶瓷的應用2024/9/41652024/9/41665、耐火材料耐火材料：耐火材料是指耐火度不低于1580℃的無機非金屬材料，是砌筑高溫窯爐等熱工設備的結構材料，也是制造某些高溫容器和部件或起特殊作用的功能性材料。5.1耐火材料的分類

酸性耐火材料：SiO2、ZrO2(1)按化學特性

中性耐火材料：Al2O3、Cr2O3

堿性耐火材料：MgO、CaO2024/9/4167(2)按制品化學—礦物組成分類（九大類）①硅質：硅磚、熔融石英磚(SiO2)②硅酸鋁質：半硅磚、粘土鉆、高鋁磚、剛玉磚SiO2，Al2O3③鎂質：鎂磚(MgO)、鎂鋁磚(MgO，Al2O3)、④白云石質：白云石磚（CaO，MgO）⑤鉻質：鉻磚、鉻鎂磚（Cr2O3，MgO）⑥碳質：碳磚、石墨粘土磚⑦碳化硅質：SiC⑧鋯質：鋯英石(ZrO2，SiO2)鋯剛玉磚⑨特種耐火材料：純氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等2024/9/4168(3)按耐火度分類①普通耐火材料（1580~1770℃），②高級耐火材料（1770~2000℃），③特級耐火材料（≥2000℃）。

耐火度：耐火度是耐火材料在無荷重時抵抗高溫作用而不熔化的性能。2024/9/4169耐火材料生產工藝簡圖耐火骨料和粉料外加劑熔鑄成型制品不定形耐火材料壓制成型均勻混合物不燒磚

燒成燒成磚2024/9/4170耐火材料的性能指標耐火度材料在高溫下不熔化的性質。定義？荷重軟化溫度指耐火材料在溫度和荷重的作用下抵抗變形的能力。高溫體積穩(wěn)定性在高溫下外形體積及線度保持穩(wěn)定的能力?？篃嵴鹦钥乖栽诟邷叵?，溫度急劇變化不破壞的能力。抵抗熔渣或熔融液侵蝕的能力。耐真空性在真空和高溫下服役的能力。2024/9/4171作業(yè)名詞解釋：無機非金屬材料，結構陶瓷，功能陶瓷。陶瓷材料的顯微結構。陶瓷材料的性能。傳統(tǒng)陶瓷與特種陶瓷的區(qū)別。壓電陶瓷的機理及其應用。6、玻璃6.1玻璃的概念玻璃是指熔體經過冷卻，因粘度增加所得到的具有固體性質和一定結構特征的非晶態(tài)固體物質。鈉鈣玻璃鉛玻璃硼硅酸鹽玻璃石英玻璃鋼化玻璃微晶玻璃彩色玻璃變色玻璃玻璃的種類磨砂玻璃6.2玻璃的特性（1）各向同性（2）介穩(wěn)性（3）物理化學性質變化的可逆性（4）性質隨成分變化的連續(xù)性和漸變性

熔體晶體玻璃慢快溫度（T）內能(Q)6.3玻璃的結構

三維連續(xù)網絡形式網絡中一個氧原子最多同兩個形成網絡的陽離子M（如Si、Al、B等）相連接。成網陽離子在多元體（如硅氧四面體、鋁氧三面體）的中央。這些多面體通過頂角上的公共氧以“氧橋”相連而形成三維連續(xù)網架。但這種網架不象晶體那樣有序，而是完全無序的。其它變網陽離子分布在網絡之間。現(xiàn)在，從有關玻璃性質及其結構的研究來看，可以認為短程有序和長程無序是玻璃態(tài)結構的特點。在宏觀上玻璃主要表現(xiàn)在無序、均勻和連續(xù)性方面，而在微觀上它又是有序、微不均勻和不連續(xù)性的。無規(guī)則網絡結構學說示意圖（a）石英晶體結構模型

（b）石英玻璃結構模型

(c)鈉鈣玻璃結構示意圖

6.4玻璃的性質力學性質理論強度高，實際強度低。抗壓強度高，抗拉強度低。硬度高，脆性大。物理性質高度透明，具有很重要的光學性質。能透可見光和紅外線。熱膨脹性隨成分變化較大。化學性質化學性質穩(wěn)定?？顾岣g，但不抗堿。6.5普通玻璃生產工藝6.5.1玻璃的原料玻璃的混合料是由多種原料混合而成，根據各種原料的用量和作用的不同，可分為主要原料和次要原料，其中為了引入玻璃主要成分的原料，稱為主要原料，而為了滿足某種需要或使玻璃具有某些必要性能而引入的原料，稱為輔助原料，如澄清劑、助熔劑等。最廣泛用的玻璃成分以SiO2、CaO和NaO為主，用來制造平板玻璃、瓶罐玻璃、燈泡玻璃等。迄今為止，超過95%的玻璃制品仍然屬鈉鈣硅酸鹽系統(tǒng)的范疇。鈉鈣硅酸鹽玻璃（平板玻璃、瓶罐玻璃、器皿玻璃）SiO269%－75%Al2O30－2.5%CaO5%－10%MgO1%－4.5%Na2O13%－15%K2O0－2%（1）硅質原料：硅質原料是指引入SiO2成分的原料。主要包括石英砂、砂巖、石英巖、粉石英等。（2）引入Al2O3原料：在玻璃中引入Al2O3的原料有長石、粘土、Al(OH)3等。（3）引入CaO的原料：CaO是通過方解石、石灰石、沉淀CaCO3等原料來引入的。在一般玻璃中，CaO含量不超過12.5%。（4）引入MgO的原料：引入MgO的原料有白云石（MgCO3、CaCO3）、菱鎂礦（MgCO3）。（5）引入Na2O的原料：主要有純堿（Na2CO3）和芒硝（Na2SO4）。6.5.2玻璃的熔制將配合料經過高溫加熱形成均勻的、無氣泡的、符合成型要求的玻璃液過程，稱為玻璃的熔制。玻璃的熔制過程是一個包括一系列物理、化學反應的復雜過程，如配合料加熱、吸附水分蒸發(fā)排除、組分熔融、多晶轉變等物理過程，固相反應、各種鹽類的分解、化學結合水排除、組分間相互反應及硅酸鹽生成等化學反應。玻璃的熔制過程大致可分為五個階段：硅酸鹽形成、玻璃形成、澄清、均化和冷卻。6.5.3玻璃的成型玻璃的成型通常指熱塑成型。是指將玻璃液冷凝成具有一定幾何形狀的固體玻璃的過程。

（1）浮法拉制成形

（2）垂直引上法（3）平拉法吹制成形壓制成形加工纖維6.6特種玻璃6.6.1特種玻璃的發(fā)展日用器皿玻璃和平板玻璃是以Na2O—CaO—SiO2系統(tǒng)為基礎的傳統(tǒng)玻璃。隨著社會發(fā)展和科學技術的進步，對玻璃提出了某些特殊性能的要求，這些玻璃逐漸脫離原來玻璃成分范圍，形成了專業(yè)應用的新型玻璃，即特種玻璃。如光學玻璃、微晶玻璃、光纖玻璃、激光玻璃、變色玻璃等。6.6.2光學玻璃光學玻璃是一種能改變光的傳播方向，并能改變紫外、可見或紅外光的相對光譜分布的玻璃。光學玻璃主要用來制成各種曲率的球面或非球面透鏡和反射鏡，以及各種復雜的棱鏡，如眼鏡、顯微鏡、照相機、電影機、電視機、光譜儀等。

6.6.3光導纖維

(1)定義及傳光原理光導纖維（簡稱光纖）是利用光在玻璃中全反射原理而達成高質量光傳導的玻璃纖維。

光纖由纖維芯和纖維包皮組成，一般呈圓柱狀，直徑從幾微米到幾百微米，光被約束在纖維內曲折向前傳播。為了使光具有足夠強度，把許多纖維（加上光學絕緣層）結合起來，制成光纜。光纖是利用全反射原理來傳導光能的，如圖所示。當進入光纖的光線射入纖芯和包層界面的入射角θ時，則在入射點的光線可能分為兩束，一束為折射光，另一束為反射光，它們服從光線的折射和反射定律：入射角等于反射角即θ=θ″n1·sinθ=n2·sinθ′θθ′θ″n2n2n1全內反射：當折射角時θ′=90，臨界角θc的正弦可以表示為

sinθc=n2/n1為了使之能在光纖中遠距離傳輸，一定要具備光在光纖中反復發(fā)生反射的條件。實現(xiàn)全反射的條件：

n1>n2θ>θc（2）光損耗影響光纖導光的主要障礙是光損耗。光在玻璃中傳播時的損耗分為散射損耗和吸收損耗。散射損耗的主要原因是玻璃或纖維內部存在著不均勻性。玻璃棒制備時會帶來條紋、氣泡、分相甚至極其微小的結晶體或夾雜物。光波愈長則散射損耗愈小。光吸收損耗是由過渡金屬離子和水在玻璃中形成羥基（OH）基引起的。長飛光纖公司的PCVD光纖預制棒生產設備6.6.3微晶玻璃

微晶玻璃是由于玻璃的微晶化而制得的多晶固體。主要是玻璃工藝特點，而結構卻類似于陶瓷，故又稱為玻璃陶瓷。微晶玻璃的制備過程是把通過各種成型方法制得的玻璃，再經過熱處理，使之產生晶核及結晶相生長而轉變?yōu)槲⒕Ч腆w的過程。微晶玻璃的生產工藝流程為：配合料制備→玻璃熔融→成型→加工→微晶化熱處理→再加工時間溫度微晶玻璃生產的技術的關鍵是通過組成、晶核劑和熱處理條件的調節(jié)來控制晶體組成、尺寸和含量以制取預定性質的微晶玻璃。微晶玻璃與陶瓷的不同是微晶化過程的晶相全由一個均勻玻璃中的晶體生長而產生的。微晶玻璃與玻璃的不同之處是其大部分是晶相（可含55－98%小于1μm的微晶），而玻璃則是非晶態(tài)。盡管微晶玻璃的結構、性能和生產方法與玻璃和陶瓷各異，但是微晶玻璃集中了后兩者的特點，成為一類獨特的材料。這類材料具有優(yōu)異的性能，如它的熱膨脹系數(shù)變化范圍大，機械強度高，耐化學腐蝕，使用溫度高及堅硬的耐磨性等。

作業(yè)1、玻璃的結構。2、光導纖維的導光原理及應用。3、如何制備微晶玻璃？7、水泥什么是水泥？水泥是一種加入適量水后，成為塑性漿體，既能在空氣中硬化，又能在水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地膠結在一起的水硬性膠凝材料。水泥的種類硅酸鹽水泥鋁酸鹽水泥硫鋁酸鹽水泥氟鋁酸鹽水泥火山灰水泥硅酸鹽水泥原料：石灰石、粘土、鐵粉、煤粉、礦化劑等CaOAl2O3SiO2Fe2O3工藝：配料粉磨成球煅燒粉磨包裝1300－1450℃水泥的熟料礦渣石膏水泥的熟料粉煤灰火山灰普通水泥礦渣水泥粉煤灰水泥火山灰水泥不摻其它料硅酸鹽水泥的主要礦物成分硅酸三鈣3CaO·SiO2，C3S硅酸二鈣2CaO·SiO2，C2S鋁酸三鈣3CaO·Al2O3，C3A鐵鋁酸四鈣4CaO·Al2O3·Fe2O3，C4AF

四種礦物單獨與水作用的特性

礦物水化速度凝結硬化速度水化熱早期強度強度硅酸三鈣（C3S）快快高高高硅酸二鈣（C2S）慢慢最小低高鋁酸三鈣（C3A）最快快最高低鐵鋁酸四鈣（C4AF）次于C3A小低主要礦物成分對水泥性能的影響提高C3S可以提高水泥的強度，得到高強水泥提高C3A，C3S，可以得到快硬水泥降低C3A和C3S，提高C2S，可以得到中低熱水泥提高C4AF，降C3A，可以得到道路水泥水泥硬化后的顯微結構水泥的強度與標號水泥強度是指水泥石能夠承受外力的能力，它是評定水泥質量的重要指標，一般用水泥標號作為水泥強度的等級劃分標準。標號的確定是水泥、標準砂及規(guī)定用水量，按灰砂比1∶2.5伴制成塑性水泥膠砂，按規(guī)定制成4×4×16（cm）的制件，測其3d、7d、28d的抗折、抗壓值。根據28d的抗壓強度值，確定水泥標號。例如：425水泥28d的抗壓強度值42.5MPa水泥的抗壓強度值≥42.5MPa，但不足52.5MPa，標號為425。

水泥的體積安定性體積安定性是指水泥制品在硬化后體積變化是否均勻的性質。如硬化后產生不均勻的體積變化，即為體積安定性不良。它能使構件產生膨脹性裂縫，降低建筑物質量，甚至引起建筑物破壞。如水泥熟料如含較多的CaO，過火的CaO熟化很慢，在水泥已經凝結硬化后，才產生熟化反應，產生體積膨脹，破壞已硬化的水泥石的結構，出現(xiàn)龜裂、彎曲、松脆、崩潰等現(xiàn)象。衡量水泥性質和質量的指標密度容重細度需水性凝結時間安定性強度標號水化熱1、硅酸鹽水泥的主要礦物組成2、水泥的強度與標號作業(yè)第二部分：金屬材料材料科學與化學工程學院殲10(中國)太行發(fā)動機（中國）材料學科金屬材料與熱處理鋼鐵冶金有色金屬冶金冶金物理化學金屬壓力加工無機非金屬材料硅酸鹽工程高分子材料與工程粉末冶金復合材料腐蝕與防護材料科學與工程復合材料鑄造焊接金屬材料課程內容2、金屬材料的力學性能3、金屬合金相圖1、金屬晶體結構、金屬固溶體和晶體缺陷4、新型金屬材料

金屬材料

金屬材料是由化學元素周期表中的金屬元素組成的材料?？煞譃橛梢环N金屬元素構成的單質（純金屬）；由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素構成的合金。合金又可分為固溶體和金屬間化合物。

在103種元素中，除He,Ne,Ar等6種惰性元素和C、Si、N等16種非金屬元素外，其余81種為金屬元素。除Hg之外，單質金屬在常溫下呈現(xiàn)固體形態(tài)，外觀不透明，具有特殊的金屬光澤及良好的導電性和導熱性。在力學性質方面，具有較高的強度、剛度、延展性及耐沖擊性。單質金屬

合金是以一種金屬元素為基體加上一種或一種以上的金屬或非金屬元素熔合在一起形成的具有金屬特性的物質。合金的性質與組成合金的各個相的性質有關，同時也與這些相在合金中的數(shù)量、形狀及分布有關。合金合金組元：組成材料的最基本的獨立的物質稱為“組元”，組元可以是金屬元素或非金屬元素（例如：普通碳鋼的組元是Fe與C)，也可以是穩(wěn)定的化合物。相：材料中成份、性能、結構相同并以界面互相分開的均勻的組成部分稱為“相”。金屬的結構1、體心立方結構（a）剛球模型（b）質點模型（c）晶胞原子數(shù)圖1體心立方晶胞

(鉻、鉬、鎢等）（a）剛球模型（b）質點模型（c）晶胞原子數(shù)金屬的結構2、面心立方結構（a）剛球模型（b）質點模型（c）晶胞原子數(shù)圖2面心立方晶胞（鋁、銅、鎳等）金屬的結構3、密排六方結構圖3密排六方晶胞（鎂、鋅等）（a）剛球模型（b）質點模型（c）晶胞原子數(shù)三種典型金屬晶體結構中每個晶胞所占有的原子數(shù)n為：

面心立方結構n=8×1/8+6×1/2=4

體心立方結構n=8×1/8+1=2

密排六方結構n=12×1/6+2×1/2+3=6金屬的結構金屬的實際晶體結構實際上，金屬是一個多晶體結構，這種原子排列方位基本一致，但外形不規(guī)則的小晶體，稱為晶粒。由于金屬是多晶體結構，單個晶粒的各向異性彼此相互抵消，金屬就顯示出各向同性，若對金屬進行單方向的塑性變形（如冷扎、冷拉等），使各個晶粒的晶格趨向一致，則多晶體金屬又會顯示出各向異性。圖4金屬的多晶體結構示意圖

金屬化合物合金的分類固溶體合金的結構按其組元在結晶時彼此作用的不同，可以分為固溶體、金屬化合物、機械混合物三種類型。合金－固溶體

當金屬的晶體結構保持溶劑組元的晶體結構時，這種合金稱為一次固溶體或端際固溶體，簡稱為固溶體。合金－金屬化合物

金屬元素與其它金屬元素或非金屬元素之間形成合金時，除固溶體外，還可能形成金屬化合物。

合金－金屬間化合物A、B兩組元相互溶解后所形成的新的物質既不是A組元的結構，也不是B組元的結構，而是自身的一種獨立的結構。

例如：Fe和C所形成的化合物Fe3C，就是一種典型的金屬間化合物。

金屬化合物是合金組元間發(fā)生相互作用而形成的一種新相，又稱為中間相，其晶格類型和性能均不同于任一組元，一般可以用分子式大致表示其組成。在該化合物中，除了離子鍵、共價鍵外，金屬鍵也參與作用，因而它具有一定的金屬性質，所以稱之為金屬化合物。碳鋼中的Fe3C、黃銅中的CuZn、鋁合金中的CuAl2等都是金屬化合物。合金－金屬化合物合金中的固溶體固溶體的分類根據溶質原子在溶劑晶體結構中的位置，固溶體可分為：置換固溶體（代位固溶體）間隙固溶體置換固溶體特點

置換固溶體：A組元的原子取代了B組元的原子。當A、B兩個組元的原子直徑相差不大時，兩個組元可以以任何比例溶解，形成無限固溶體，反之則為有限固溶體。在置換固溶體中，溶質原子位于溶劑晶體結構的晶格格點上。置換固溶體置換固溶體置換固溶體（a）隨機置換固溶體（b）有序置換固溶體特點間隙固溶體

間隙固溶體：A組元溶入B組元的間隙中。只能形成有限固溶體。例如：C溶入α-Fe或γ-Fe所形成的鐵素體、奧氏體。在間隙固溶