無機非金屬材料概論緒論.ppt

1、無機非金屬材料概論,教學內(nèi)容 無機非金屬材料概論是材料工程技術專業(yè)的一門專業(yè)選修課，主要介紹無機非金屬材料的成分與制備工藝、組織結構、材料性能和使用性能四個要素，以及它們之間的相互關系； 內(nèi)容主要包括：玻璃、陶瓷、水泥和耐火材料等基礎知識及其應用。,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，是人類 進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、具有一定結構層次和確定性能，并能用于制造物品、器件、構件、機器或其他產(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。如燃料和化學原料、工業(yè)化學品、食物和藥物，一般都不算

2、是材料。,材料和人類社會的發(fā)展密切相關，當前國際公認，材料、能源和信息技術是現(xiàn)代文明的三大支柱。 現(xiàn)代科學技術發(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)展推動社會進步。正是如此，才有了今天人類豐富多彩、璀璨奪目的世界與文化。 沒有半導體單晶硅材料，便不可能有今天的微電子工業(yè)； 有低損耗的光導纖維，當今世界蓬勃發(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,（1）天然材料,包括竹、木、骨、牙、皮、毛、石等材料。 自然界當中大量存在，人類可以直

3、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行粗糙加工，除此之外別無他物。 從挖掘的人類當年所使用的各種用途的鋒利石片，可想象人類遠祖的艱苦和聰明。,石刀,石斧,石針,他們能區(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，人類文化也是相當簡單和粗俗的。,石器工具,據(jù)考古學家分析，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)

4、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”，由于高溫燒制產(chǎn)生物理化學變化，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（無機非金屬材料）,我國陶器大約出現(xiàn)在8000年前，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。,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

5、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)，人類可吃煮熟的谷物，喝煮開的水，可長時間儲存食物，促進人類進化。 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入自力創(chuàng)造材

6、料的時代。 恩格斯論述：人類從低級階段向文明階段的發(fā)展是從學會制陶開始的。 陶器的出現(xiàn)成為新石器時代開始的標志之一。,陶器的不足是不致密、易滲漏、強度也不高。 3000多年前的殷、周時期發(fā)明了釉瓷。 爐窯溫度達到1200，能將金屬氧化物燒制成釉瓷，用途更為廣泛，質(zhì)地比陶更為細膩、外觀美觀。,陶向瓷的過渡,商朝釉瓷,什么是瓷器？,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，燒結溫度提高到1200以上，反映人類改造自然能力的增強。 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

7、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世紀傳至阿拉伯國家，13世紀傳到日本，15世紀傳到歐洲，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30

8、.5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，文飾在商代基礎上進一步發(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、美索不達米亞等古國一樣，對鐵的認識都是從隕鐵開始的。,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

9、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，強度較高，用途更廣。 距今1800年前出現(xiàn)兩步煉鋼技術，即先煉成鐵，再煉成鋼，并一直沿用至今。但其工藝復雜，未能大面積推廣。一直到19世紀前半期，人類始終生活在“鐵器時代”。,艾菲爾鐵塔,鋼的應用,舊金山金門大橋,建筑,設備,（6）有色金屬,近代以來，人們除了發(fā)展鋼鐵材料以外，還進一步發(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充，更重

10、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。 在特定領域中，還必須采用有色金屬才能最大限度滿足現(xiàn)代科學技術對各種材科性能所提出的要求。,鋁合金：20世紀上半葉，材料學家用合金化和時效強化，把Al合金強度提高到700MPa，其比強度為(強度/密度)2.64106cm，是鋼(0.61106cm)的4倍多，這意味著達到同樣強度Al合金用量只有鋼的1/4，這為Al合金作為一種結構材料帶來極大優(yōu)勢，對于結構材料來說無疑是一個飛躍。沒有高比強度的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。

11、 天然高分子，如絲、皮、毛等從遠古開始就被人們發(fā)現(xiàn)并利用。人們不斷改進加工技術，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構采用碳纖維復合材料制造的大型客機,奔馳SLR跑車車身由碳纖維復合材料制成，車速可達334公里/小時,復合材料,20世紀人類進入新材料時代，衣、食、住、行以及科學技術的發(fā)展都離不開新材料，同時出現(xiàn)了各種材料的復合技術。 金屬與無機材料的復合 金屬與高分子材料的復合 無機材料與高分子材料的復合,金屬/高分子復合材料-粘結Nd

12、FeB磁體,金屬/無機復合材料-景泰藍,高分子/無機復合材料-絕緣板材,材料發(fā)展歷史小結,20世紀前材料進步主要依靠人們經(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上有深刻的認識和理解，缺乏科學對材料發(fā)展的指導。 20世紀科學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)部結構的認識，這既促使多種新材料的誕生，也開辟了一系列重大科學技術突破 。 科學引導和高技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展推動的雙重作用，誕生各種各樣的新材料，構成21世紀人類文明的基礎。,總之： 材料是具有一定性能，可以用來制作器件、構件、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

13、息息相關。,依據(jù)化學特征一般劃分為：,1、無機材料 （無機材料中除金屬以外統(tǒng)稱為無機非金屬材料，其主要化學組成均為硅酸鹽類。因此無機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，應用甚為廣泛，故國際上也將無機非金屬材料稱為陶瓷材料。）,2、有機材料 塑料、橡膠等,無機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（先進的）無機非金屬材料兩大類。,耐火材料,傳統(tǒng)無機非金屬材料,無機非金屬材料,傳統(tǒng)無機非金屬材料,無機非金屬材料,傳統(tǒng)無機非金屬材料,新型無機非金屬材料,無機非金屬材料,傳統(tǒng)無機非金屬材料,新型無機非金屬材料,無機非金屬材料,傳統(tǒng)無機

14、非金屬材料,新型無機非金屬材料,無機非金屬材料,傳統(tǒng)無機非金屬材料,新型無機非金屬材料,無機非金屬材料,傳統(tǒng)無機非金屬材料,新型無機非金屬材料,無機非金屬材料,傳統(tǒng)無機非金屬材料,耐火材料,新型無機非金屬材料,無機非金屬材料,傳統(tǒng)無機非金屬材料, 半導體材料、超硬 耐高溫材料 、 發(fā)光材料等,傳統(tǒng)無機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)的無機材料。,1、傳統(tǒng)無機非金屬材料,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

15、據(jù)陶瓷坯體結構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)的無機非金屬材料 之一：陶瓷,普通陶瓷：即傳統(tǒng)陶瓷，指以粘土為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，陶器的坯體結構較疏松，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)絡形成體分為SiO2、B2O3和P2O5。習慣上玻璃態(tài)材料可分為普通玻璃

16、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、光學玻璃和玻璃纖維等。,傳統(tǒng)的無機非金屬材料 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在一起的細粉狀水硬性材料。,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

17、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、自應力鋁酸鹽水泥等。,傳統(tǒng)的無機非金屬材料 之四：耐火材料,耐火材料：指專門為高溫技術服務的耐火度不低于1580的無機非金屬材料，是用作高溫窯爐等熱工設備的結構材料，以及用作工業(yè)高溫容器和部件的材料，并能承受相應的物理化學變化及機械作用。,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

18、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：標準磚、異型磚、特異型磚、耐火管、耐火器皿等； 按應用分為：高爐用、水泥窯用

19、、玻璃窯用、 陶瓷窯用耐火材料等。,先進（或新型）無機材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各種無機非金屬化合物經(jīng)特殊的先進工藝制成的具有優(yōu)異性能和特殊功能的材料。主要包括特種陶瓷、特種玻璃、人工晶體、半導體材料、無機涂層（薄膜材料） 、無機纖維、介孔材料等。,新型無機非金屬材料,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物或人工合成的無機化合物為原料，采用精密控制的制造加工工藝燒結，具有優(yōu)異特性，主要用于各種現(xiàn)代工業(yè)及尖端科學技術領域的高性能陶瓷，包括：結構陶瓷 和功能陶瓷,結構陶瓷是指以具有優(yōu)良的力學性能（高強度、高硬度、耐磨損） 、熱學性能（抗熱沖擊、抗蠕變）和化學性能（抗氧化、抗腐蝕）的陶瓷材料，主要應用于高強度、高硬度、高剛性的切削刀具和要求耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐熱沖擊等的結構部件，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)的高溫結構陶瓷等。,功能陶瓷指利用其電、磁、聲、光、熱等直接效應和耦合效應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）、導電陶瓷、超導陶瓷、半導體陶瓷（又稱為敏感陶瓷）、熱學功能陶瓷（熱釋電陶瓷、導熱陶瓷、低膨脹