《無(wú)機(jī)非金屬材料》課件

無(wú)機(jī)非金屬材料概述無(wú)機(jī)非金屬材料是現(xiàn)代工業(yè)和科技發(fā)展的基石廣泛應(yīng)用于建筑、電子、醫(yī)療等領(lǐng)域課程目標(biāo)掌握基本理論了解無(wú)機(jī)非金屬材料的基本結(jié)構(gòu)和性質(zhì)學(xué)習(xí)制備方法掌握主要的合成與加工工藝?yán)斫獗碚骷夹g(shù)學(xué)習(xí)材料性能分析和評(píng)價(jià)方法了解應(yīng)用前景無(wú)機(jī)非金屬材料的定義成分特點(diǎn)主要由非金屬元素組成不含或極少含有機(jī)物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)通常具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)原子間以共價(jià)鍵或離子鍵連接性能特點(diǎn)耐高溫、耐腐蝕具有獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)等性能無(wú)機(jī)非金屬材料的分類傳統(tǒng)建筑材料水泥、玻璃、陶瓷等功能材料壓電、鐵電、半導(dǎo)體等結(jié)構(gòu)材料工程陶瓷、復(fù)合材料等新型材料納米材料、生物材料等無(wú)機(jī)非金屬材料在日常生活中的應(yīng)用從餐具到建筑，從電子設(shè)備到醫(yī)療器械，無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)處不在傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料簡(jiǎn)介發(fā)展歷史最悠久人類文明早期便開始使用產(chǎn)量規(guī)模巨大支撐建筑和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛建筑、家居、工業(yè)生產(chǎn)等硅酸鹽材料概述地殼主要成分約占地殼總質(zhì)量的60%以上基本組成單元以硅氧四面體為基本構(gòu)件結(jié)構(gòu)多樣性島狀、鏈狀、層狀和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)島狀結(jié)構(gòu)獨(dú)立的硅氧四面體鏈狀結(jié)構(gòu)四面體通過(guò)氧原子連接成鏈層狀結(jié)構(gòu)四面體連接成二維平面網(wǎng)絡(luò)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)四面體連接成空間網(wǎng)絡(luò)硅氧四面體結(jié)構(gòu)基本構(gòu)成中心為硅原子，四個(gè)頂點(diǎn)為氧原子鍵合方式硅與氧形成強(qiáng)共價(jià)鍵共享方式氧原子可被相鄰四面體共享結(jié)構(gòu)多樣性共享方式?jīng)Q定最終晶體結(jié)構(gòu)硅酸鹽材料的特性1700°C高熔點(diǎn)大多數(shù)硅酸鹽材料耐高溫7-8莫氏硬度硬度高，耐磨性強(qiáng)~2.6密度(g/cm3)相對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)10??熱膨脹系數(shù)熱穩(wěn)定性好陶瓷材料簡(jiǎn)介定義無(wú)機(jī)非金屬材料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的產(chǎn)品主要成分為金屬氧化物、氮化物、碳化物等分類傳統(tǒng)陶瓷：瓷器、磚瓦等先進(jìn)陶瓷：結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷特點(diǎn)高硬度、耐高溫、耐腐蝕脆性大、抗沖擊性差陶瓷材料的制備過(guò)程原料準(zhǔn)備粉碎、混合、調(diào)漿成型注漿、壓制、擠出等干燥去除成型體中的水分燒結(jié)高溫?zé)Y(jié)，形成致密結(jié)構(gòu)后處理研磨、拋光、切割等陶瓷材料的性能傳統(tǒng)陶瓷先進(jìn)陶瓷陶瓷材料的應(yīng)用日常生活餐具、潔具、裝飾品工業(yè)領(lǐng)域耐火材料、磨料、催化劑載體電子電氣絕緣體、電容器、壓電元件生物醫(yī)學(xué)人工骨、牙科材料、藥物載體玻璃材料概述定義非晶態(tài)固體材料由SiO?和其他氧化物形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)透明或半透明等向性，無(wú)明顯熔點(diǎn)脆性，熱膨脹系數(shù)小分類鈉鈣玻璃、鉛玻璃、硼硅酸鹽玻璃特種玻璃：光學(xué)、激光、光導(dǎo)纖維等玻璃的化學(xué)組成網(wǎng)絡(luò)形成體SiO?、B?O?、P?O?形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)修飾體Na?O、K?O、CaO降低熔點(diǎn)，增加流動(dòng)性中間體Al?O?、PbO根據(jù)條件可充當(dāng)形成體或修飾體著色劑過(guò)渡金屬氧化物賦予玻璃特定顏色玻璃的制備過(guò)程原料配制石英砂、純堿、石灰石等按比例混合熔融1400-1600°C高溫熔融成均勻液體成型吹制、壓制、拉制或浮法成型退火緩慢冷卻，消除內(nèi)應(yīng)力后處理切割、研磨、拋光、鍍膜等玻璃的性能和應(yīng)用光學(xué)性能透明、折射、反射應(yīng)用：窗戶、鏡子、光學(xué)儀器化學(xué)性能耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好應(yīng)用：器皿、容器、封裝材料力學(xué)和電學(xué)性能抗壓強(qiáng)度高、絕緣性好應(yīng)用：建筑、電子屏幕、絕緣體水泥材料簡(jiǎn)介發(fā)展歷史古羅馬時(shí)期使用水硬性材料1824年，約瑟夫·阿斯普丁發(fā)明波特蘭水泥定義以硅酸鈣為主要成分的水硬性膠凝材料能在水中硬化并保持強(qiáng)度的特性主要種類普通硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥礦渣水泥、火山灰水泥等水泥的化學(xué)組成C?SC?SC?AC?AF其他C?S：硅酸三鈣，決定早期強(qiáng)度；C?S：硅酸二鈣，決定后期強(qiáng)度C?A：鋁酸三鈣，水化熱高；C?AF：鐵鋁酸四鈣，水化熱低水泥的生產(chǎn)過(guò)程原料開采石灰石、粘土等原料配料按化學(xué)成分比例混合煅燒1450°C回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒研磨熟料與石膏共同研磨包裝散裝或袋裝儲(chǔ)運(yùn)水泥的性能和應(yīng)用主要性能凝結(jié)時(shí)間：初凝≥45分鐘終凝≤10小時(shí)抗壓強(qiáng)度：3天≥20MPa28天≥42.5MPa應(yīng)用領(lǐng)域建筑工程：房屋、橋梁水利工程：大壩、水渠交通工程：公路、鐵路預(yù)制構(gòu)件：管道、電桿新型無(wú)機(jī)非金屬材料概述高性能化力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等性能大幅提高功能化電、磁、光、熱等特殊功能復(fù)合化多種材料協(xié)同作用納米化納米尺度結(jié)構(gòu)控制單質(zhì)硅的性質(zhì)和應(yīng)用物理性質(zhì)灰黑色金屬光澤熔點(diǎn)1414°C密度2.33g/cm3電學(xué)性質(zhì)本征半導(dǎo)體材料可通過(guò)摻雜調(diào)控電導(dǎo)率主要應(yīng)用集成電路基底材料太陽(yáng)能電池光電子器件二氧化硅的性質(zhì)和應(yīng)用1600°C熔點(diǎn)耐高溫材料的重要成分7莫氏硬度用作研磨材料2.65密度(g/cm3)低密度輕質(zhì)材料10??導(dǎo)電率(S/m)優(yōu)良的電絕緣材料應(yīng)用：玻璃原料、半導(dǎo)體工藝、吸附材料、催化劑載體碳化硅材料耐高溫熔點(diǎn)約2700°C高硬度莫氏硬度9.5，僅次于金剛石高導(dǎo)熱性熱導(dǎo)率約120W/(m·K)寬禁帶半導(dǎo)體禁帶寬度約3.2eV應(yīng)用：研磨材料、高溫結(jié)構(gòu)件、功率電子器件氮化硅材料優(yōu)異的力學(xué)性能高強(qiáng)度、高韌性、抗沖擊良好的熱性能耐高溫，熱膨脹系數(shù)小卓越的耐腐蝕性抗酸堿，抗氧化應(yīng)用：發(fā)動(dòng)機(jī)部件、軸承、切削工具、電子基板新型陶瓷材料概述定義特點(diǎn)基于高純?cè)暇_控制化學(xué)組成微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)控主要分類氧化物陶瓷非氧化物陶瓷復(fù)合陶瓷顯著優(yōu)勢(shì)性能優(yōu)異穩(wěn)定可設(shè)計(jì)性強(qiáng)功能多樣化功能陶瓷材料電功能陶瓷壓電、鐵電、介電陶瓷磁功能陶瓷鐵氧體、磁電陶瓷光功能陶瓷激光、發(fā)光、非線性光學(xué)陶瓷化學(xué)功能陶瓷催化、傳感、離子導(dǎo)體結(jié)構(gòu)陶瓷材料結(jié)構(gòu)陶瓷主要應(yīng)用于高溫、高壓、高磨損和腐蝕環(huán)境下的機(jī)械部件生物陶瓷材料生物惰性陶瓷氧化鋁、氧化鋯與生物組織不發(fā)生反應(yīng)生物活性陶瓷羥基磷灰石、生物玻璃能與骨組織形成化學(xué)鍵合可降解生物陶瓷磷酸三鈣、硫酸鈣體內(nèi)逐漸被吸收替代應(yīng)用：人工骨、牙科材料、假體涂層、藥物載體壓電陶瓷基本原理機(jī)械應(yīng)力與電荷轉(zhuǎn)換可產(chǎn)生形變或電信號(hào)主要材料PZT(鉛鋯鈦酸鹽)無(wú)鉛壓電陶瓷(KNN、BT等)關(guān)鍵應(yīng)用傳感器、執(zhí)行器超聲換能器、濾波器能量收集裝置透明陶瓷機(jī)理消除散射源高致密度晶體結(jié)構(gòu)晶粒尺寸小于可見光波長(zhǎng)主要材料氧化鋁(Al?O?)氧化鎂(MgO)釔鋁石榴石(YAG)氧化釔(Y?O?)應(yīng)用激光器件紅外窗口高溫透明部件照明材料超導(dǎo)陶瓷發(fā)現(xiàn)歷程1986年，銅氧化物高溫超導(dǎo)體臨界溫度從30K提高到130K以上主要材料YBCO(釔鋇銅氧化物)BSCCO(鉍鍶鈣銅氧化物)關(guān)鍵應(yīng)用強(qiáng)磁場(chǎng)裝置磁懸浮列車能量傳輸無(wú)損耗新型玻璃材料新型玻璃材料種類豐富，包括光敏玻璃、金屬玻璃、光子晶體玻璃等應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋光電子、能源、醫(yī)療、建筑等多個(gè)領(lǐng)域光導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)特點(diǎn)纖芯：二氧化硅摻雜材料包層：純二氧化硅傳輸原理全反射現(xiàn)象低損耗光信號(hào)傳輸主要類型單模光纖：纖芯直徑約9μm多模光纖：纖芯直徑50-62.5μm應(yīng)用領(lǐng)域通信網(wǎng)絡(luò)傳感器、內(nèi)窺鏡激光傳輸系統(tǒng)特種玻璃強(qiáng)化玻璃化學(xué)或物理強(qiáng)化應(yīng)用：手機(jī)屏幕、汽車擋風(fēng)玻璃硼硅酸鹽玻璃低熱膨脹系數(shù)應(yīng)用：實(shí)驗(yàn)室器皿、烹飪用具鉛玻璃高折射率、閃爍效應(yīng)應(yīng)用：水晶制品、輻射防護(hù)納米材料概述尺寸特點(diǎn)至少一維在1-100nm范圍內(nèi)量子效應(yīng)表現(xiàn)出不同于常規(guī)材料的特性高比表面積表面原子比例顯著提高可設(shè)計(jì)性通過(guò)尺寸和形態(tài)調(diào)控性能碳納米管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)碳原子形成的管狀結(jié)構(gòu)，直徑1-100nm主要類型單壁、多壁、功能化碳納米管優(yōu)異性能高強(qiáng)度、高導(dǎo)電導(dǎo)熱、輕質(zhì)應(yīng)用領(lǐng)域復(fù)合材料、電子器件、能源存儲(chǔ)4納米二氧化硅1廣泛應(yīng)用涂料、橡膠、醫(yī)藥、催化特殊性質(zhì)高比表面積、增強(qiáng)性能、改善流動(dòng)性制備方法溶膠-凝膠法、沉淀法、火焰水解法納米材料的應(yīng)用表面涂層自清潔、抗菌、防腐蝕醫(yī)療應(yīng)用靶向藥物輸送、診斷技術(shù)電子和傳感高靈敏度傳感器、電子元件能源領(lǐng)域高效電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池?zé)o機(jī)非金屬?gòu)?fù)合材料定義特點(diǎn)由兩種以上無(wú)機(jī)非金屬材料組成發(fā)揮各組分的協(xié)同效應(yīng)主要分類陶瓷基復(fù)合材料玻璃基復(fù)合材料水泥基復(fù)合材料性能優(yōu)勢(shì)提高韌性和強(qiáng)度改善耐磨、耐熱性賦予特殊功能耐火材料1580°C耐火度至少能耐受1580°C高溫70%工業(yè)應(yīng)用鋼鐵工業(yè)中的使用比例4-5使用壽命高爐用耐火磚年限30%能源節(jié)約新型耐火材料可節(jié)能主要種類：硅質(zhì)、粘土質(zhì)、高鋁質(zhì)、鎂質(zhì)、碳質(zhì)、復(fù)合型無(wú)機(jī)涂層材料保護(hù)涂層耐腐蝕、耐磨損、耐高溫裝飾涂層建筑外墻、藝術(shù)品表面功能涂層導(dǎo)電、絕緣、光學(xué)、催化生物醫(yī)用涂層生物相容性、抗菌性無(wú)機(jī)纖維材料玻璃纖維密度低、絕緣性好應(yīng)用：復(fù)合材料增強(qiáng)、保溫材料碳纖維高強(qiáng)度、高模量、輕質(zhì)應(yīng)用：高性能復(fù)合材料、體育器材陶瓷纖維耐高溫、耐腐蝕應(yīng)用：高溫隔熱、過(guò)濾材料半導(dǎo)體材料禁帶寬度影響材料的導(dǎo)電性、光學(xué)性質(zhì)和溫度穩(wěn)定性生物醫(yī)用材料硬組織替代材料生物陶瓷、生物玻璃應(yīng)用：骨修復(fù)、牙科材料心血管材料碳材料、生物陶瓷涂層應(yīng)用：人工心臟瓣膜、支架藥物載體多孔硅、生物玻璃應(yīng)用：控釋給藥系統(tǒng)組織工程支架生物活性陶瓷、復(fù)合材料應(yīng)用：組織再生無(wú)機(jī)非金屬材料的制備方法固相法高溫固體反應(yīng)，傳統(tǒng)工藝液相法溶膠-凝膠、沉淀、水熱合成氣相法化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積熔融法熔融結(jié)晶、定向凝固固相反應(yīng)法原料混合精確稱量，均勻混合預(yù)處理干燥、預(yù)燒研磨提高反應(yīng)活性壓制成型增加接觸面積高溫?zé)Y(jié)固體間的擴(kuò)散反應(yīng)優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模生產(chǎn)；缺點(diǎn)：反應(yīng)溫度高，物相不均勻溶膠-凝膠法前驅(qū)體溶液金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽溶液溶膠形成水解反應(yīng)凝膠化縮聚反應(yīng)干燥溶劑去除熱處理凝膠轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物優(yōu)點(diǎn)：低溫合成，高純度，可控微結(jié)構(gòu)；應(yīng)用：納米粉體、薄膜、纖維水熱合成法基本原理高溫高壓水溶液中的化學(xué)反應(yīng)利用水的臨界特性實(shí)驗(yàn)條件溫度：100-400°C壓力：數(shù)MPa至數(shù)十MPa設(shè)備：高壓釜(反應(yīng)釜)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)晶體生長(zhǎng)良好粒度分布均勻適合難溶性氧化物合成化學(xué)氣相沉積法氣相前驅(qū)體氣體、蒸氣、液體氣化物氣體傳輸通過(guò)載氣輸送至反應(yīng)室氣相反應(yīng)熱分解、氧化、還原等沉積成膜在基底表面形成薄膜應(yīng)用：半導(dǎo)體薄膜、光學(xué)涂層、硬質(zhì)涂層、碳納米管無(wú)機(jī)非金屬材料的表征技術(shù)表征技術(shù)幫助了解材料的成分、結(jié)構(gòu)、性能和加工過(guò)程X射線衍射分析基本原理布拉格定律：nλ=2dsinθ通過(guò)衍射圖譜確定晶體結(jié)構(gòu)主要信息晶相鑒定晶格常數(shù)測(cè)定微觀應(yīng)力分析晶粒大小估算應(yīng)用范圍晶態(tài)材料定性定量分析相結(jié)構(gòu)變化監(jiān)測(cè)優(yōu)選取向和織構(gòu)研究掃描電子顯微鏡分析樣品制備切割、研磨、拋光導(dǎo)電處理（噴金或噴碳）形貌分析表面形貌觀察晶粒尺寸及分布斷口特征成分分析能譜分析(EDS)元素分布微區(qū)成分熱分析技術(shù)1熱重分析(TG)測(cè)量材料隨溫度變化的質(zhì)量變化分解溫度、熱穩(wěn)定性差示掃描量熱(DSC)測(cè)量材料吸收或釋放的熱量相變、熔融、結(jié)晶熱膨脹分析(DIL)測(cè)量材料隨溫度變化的尺寸變化熱膨脹系數(shù)、燒結(jié)行為熱導(dǎo)率分析測(cè)量材料傳遞熱量的能力隔熱材料、散熱材料評(píng)估無(wú)機(jī)非金屬材料的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)精細(xì)化原子級(jí)精確控制結(jié)構(gòu)和組成集成化多功能復(fù)合，智能響應(yīng)綠色化低能耗制備，可回收再利用4極端化超高溫、超高壓、超強(qiáng)度材料無(wú)機(jī)非金屬材料在新能源領(lǐng)