無(wú)機(jī)非金屬材料概論緒論.ppt

1、無(wú)機(jī)非金屬材料概論,教學(xué)內(nèi)容 無(wú)機(jī)非金屬材料概論是材料工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)選修課，主要介紹無(wú)機(jī)非金屬材料的成分與制備工藝、組織結(jié)構(gòu)、材料性能和使用性能四個(gè)要素，以及它們之間的相互關(guān)系； 內(nèi)容主要包括：玻璃、陶瓷、水泥和耐火材料等基礎(chǔ)知識(shí)及其應(yīng)用。,材料發(fā)展歷史,什么是材料？,材料是人類(lèi)賴(lài)以生 存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類(lèi) 進(jìn)步的一個(gè)重要里程碑。,（人類(lèi)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(jié)構(gòu)層次和確定性能，并能用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)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(chēng)為材料。如燃料和化學(xué)原料、工業(yè)化學(xué)品、食物和藥物，一般都不算

2、是材料。,材料和人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展密切相關(guān)，當(dāng)前國(guó)際公認(rèn)，材料、能源和信息技術(shù)是現(xiàn)代文明的三大支柱。 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中，可以看到，每一項(xiàng)重大的發(fā)現(xiàn)，往往有賴(lài)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(dòng)社會(huì)進(jìn)步。正是如此，才有了今天人類(lèi)豐富多彩、璀璨奪目的世界與文化。 沒(méi)有半導(dǎo)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(dǎo)纖維，當(dāng)今世界蓬勃發(fā)展的光纖通訊才得以實(shí)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(jìn),（1）天然材料,包括竹、木、骨、牙、皮、毛、石等材料。 自然界當(dāng)中大量存在，人類(lèi)可以直

3、接從自然中獲取。 經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的加工就可以為人類(lèi)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(lèi)就學(xué)會(huì)使用材料。 人類(lèi)只能利用巖石、樹(shù)木、獸皮、骨骼等天然材料并進(jìn)行粗糙加工，除此之外別無(wú)他物。 從挖掘的人類(lèi)當(dāng)年所使用的各種用途的鋒利石片，可想象人類(lèi)遠(yuǎn)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(zhēng)。 石器時(shí)代的生產(chǎn)工具極其落后，人類(lèi)社會(huì)的生產(chǎn)力也極端低下，社會(huì)發(fā)展極其緩慢，人類(lèi)文化也是相當(dāng)簡(jiǎn)單和粗俗的。,石器工具,據(jù)考古學(xué)家分析，距今約一萬(wàn)年前就有陶器出現(xiàn)， 人們用粘土或以粘土、長(zhǎng)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(jiān)硬的陶器。 陶是人類(lèi)創(chuàng)造的第一種“人造材料”，由于高溫?zé)飘a(chǎn)生物理化學(xué)變化，得到和粘土不一樣的新物質(zhì)。,新石器時(shí)代晚期(公元前3000一前2800年) 黑陶豆 陶體的黑色是因?yàn)闈B入了碳,（2）陶器（無(wú)機(jī)非金屬材料）,我國(guó)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(niǎo)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(dāng)時(shí)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(shù)。,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(shí)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(shù)精湛，色澤淳樸，造型獨(dú)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(lèi)可吃煮熟的谷物，喝煮開(kāi)的水，可長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存食物，促進(jìn)人類(lèi)進(jìn)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(lèi)創(chuàng)造的第一種無(wú)機(jī)非金屬材料。 人類(lèi)第一次有意識(shí)地創(chuàng)造發(fā)明自然界沒(méi)有的，并且具有全新性能的“新”材料，從此人類(lèi)能離開(kāi)上天的賜予而進(jìn)入自力創(chuàng)造材

6、料的時(shí)代。 恩格斯論述：人類(lèi)從低級(jí)階段向文明階段的發(fā)展是從學(xué)會(huì)制陶開(kāi)始的。 陶器的出現(xiàn)成為新石器時(shí)代開(kāi)始的標(biāo)志之一。,陶器的不足是不致密、易滲漏、強(qiáng)度也不高。 3000多年前的殷、周時(shí)期發(fā)明了釉瓷。 爐窯溫度達(dá)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(xì)膩、外觀美觀。,陶向瓷的過(guò)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(jìn)，燒結(jié)溫度提高到1200以上，反映人類(lèi)改造自然能力的增強(qiáng)。 釉是用礦物(長(zhǎng)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(jiān)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(jì)傳至阿拉伯國(guó)家，13世紀(jì)傳到日本，15世紀(jì)傳到歐洲，以其精美絕倫征服西方。,輝煌的瓷器之國(guó),景德鎮(zhèn)四大名瓷 青花、玲瓏、顏色釉、粉彩,（3）青 銅 我國(guó)青銅的冶煉在公元前2140-1711年開(kāi)始，目前考察已可追溯到公元前3600年。 到殷、西周時(shí)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(lèi)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(shū)載：禹穴之時(shí)，以銅為兵，以鑿伊闕，通龍門(mén)，東注入海,牛首獸面紋鼎西周，器形端莊，文飾在商代基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，是今已知我國(guó)最大青銅器之一，,（4）鐵器 鐵是地球上儲(chǔ)量居于第三的元素（前兩位為硅、鋁），來(lái)源于大型恒星的聚變。 中國(guó)同埃及、美索不達(dá)米亞等古國(guó)一樣，對(duì)鐵的認(rèn)識(shí)都是從隕鐵開(kāi)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(dòng)鐵的冶煉； 青銅熔煉時(shí)，為造渣和降低熔點(diǎn)，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(yàn)； 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(chēng)為鋼，強(qiáng)度較高，用途更廣。 距今1800年前出現(xiàn)兩步煉鋼技術(shù)，即先煉成鐵，再煉成鋼，并一直沿用至今。但其工藝復(fù)雜，未能大面積推廣。一直到19世紀(jì)前半期，人類(lèi)始終生活在“鐵器時(shí)代”。,艾菲爾鐵塔,鋼的應(yīng)用,舊金山金門(mén)大橋,建筑,設(shè)備,（6）有色金屬,近代以來(lái)，人們除了發(fā)展鋼鐵材料以外，還進(jìn)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(dá)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(kāi)發(fā)和利用，不只是對(duì)鋼鐵材料的補(bǔ)充，更重

10、要的是可發(fā)揮和開(kāi)發(fā)鋼鐵材料不具備的各種特殊性能。 在特定領(lǐng)域中，還必須采用有色金屬才能最大限度滿(mǎn)足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)各種材科性能所提出的要求。,鋁合金：20世紀(jì)上半葉，材料學(xué)家用合金化和時(shí)效強(qiáng)化，把Al合金強(qiáng)度提高到700MPa，其比強(qiáng)度為(強(qiáng)度/密度)2.64106cm，是鋼(0.61106cm)的4倍多，這意味著達(dá)到同樣強(qiáng)度Al合金用量只有鋼的1/4，這為Al合金作為一種結(jié)構(gòu)材料帶來(lái)極大優(yōu)勢(shì)，對(duì)于結(jié)構(gòu)材料來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)飛躍。沒(méi)有高比強(qiáng)度的Al合金，就沒(méi)有現(xiàn)代的航天航空成就。,鋁合金車(chē)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(lèi)文明出現(xiàn)以來(lái)，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(yuǎn)古開(kāi)始就被人們發(fā)現(xiàn)并利用。人們不斷改進(jìn)加工技術(shù)，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(shù)脂”(樹(shù)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(jié)構(gòu)采用碳纖維復(fù)合材料制造的大型客機(jī),奔馳SLR跑車(chē)車(chē)身由碳纖維復(fù)合材料制成，車(chē)速可達(dá)334公里/小時(shí),復(fù)合材料,20世紀(jì)人類(lèi)進(jìn)入新材料時(shí)代，衣、食、住、行以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都離不開(kāi)新材料，同時(shí)出現(xiàn)了各種材料的復(fù)合技術(shù)。 金屬與無(wú)機(jī)材料的復(fù)合 金屬與高分子材料的復(fù)合 無(wú)機(jī)材料與高分子材料的復(fù)合,金屬/高分子復(fù)合材料-粘結(jié)Nd

12、FeB磁體,金屬/無(wú)機(jī)復(fù)合材料-景泰藍(lán),高分子/無(wú)機(jī)復(fù)合材料-絕緣板材,材料發(fā)展歷史小結(jié),20世紀(jì)前材料進(jìn)步主要依靠人們經(jīng)驗(yàn)積累和技巧，發(fā)展緩慢在于人們還沒(méi)能對(duì)材料在科學(xué)上有深刻的認(rèn)識(shí)和理解，缺乏科學(xué)對(duì)材料發(fā)展的指導(dǎo)。 20世紀(jì)科學(xué)突破成功揭示了微觀世界的基本規(guī)律，加速了人們對(duì)聲、光、電、磁、熱現(xiàn)象以及材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，這既促使多種新材料的誕生，也開(kāi)辟了一系列重大科學(xué)技術(shù)突破 。 科學(xué)引導(dǎo)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展推動(dòng)的雙重作用，誕生各種各樣的新材料，構(gòu)成21世紀(jì)人類(lèi)文明的基礎(chǔ)。,總之： 材料是具有一定性能，可以用來(lái)制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。 材料存在于我們周?chē)?，與我們的生活、我們的生命

13、息息相關(guān)。,依據(jù)化學(xué)特征一般劃分為：,1、無(wú)機(jī)材料 （無(wú)機(jī)材料中除金屬以外統(tǒng)稱(chēng)為無(wú)機(jī)非金屬材料，其主要化學(xué)組成均為硅酸鹽類(lèi)。因此無(wú)機(jī)非金屬材料亦稱(chēng)為硅酸鹽材料，又因其中陶瓷材料歷史悠久，應(yīng)用甚為廣泛，故國(guó)際上也將無(wú)機(jī)非金屬材料稱(chēng)為陶瓷材料。）,2、有機(jī)材料 塑料、橡膠等,無(wú)機(jī)非金屬材料種類(lèi)繁多，用途各異，目前無(wú)統(tǒng)一完善的分類(lèi)方法，一般分為傳統(tǒng)的（普通的）和新型的（先進(jìn)的）無(wú)機(jī)非金屬材料兩大類(lèi)。,耐火材料,傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料,無(wú)機(jī)非金屬材料,傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料,無(wú)機(jī)非金屬材料,傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料,新型無(wú)機(jī)非金屬材料,無(wú)機(jī)非金屬材料,傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料,新型無(wú)機(jī)非金屬材料,無(wú)機(jī)非金屬材料,傳統(tǒng)無(wú)機(jī)

14、非金屬材料,新型無(wú)機(jī)非金屬材料,無(wú)機(jī)非金屬材料,傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料,新型無(wú)機(jī)非金屬材料,無(wú)機(jī)非金屬材料,傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料,新型無(wú)機(jī)非金屬材料,無(wú)機(jī)非金屬材料,傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料,耐火材料,新型無(wú)機(jī)非金屬材料,無(wú)機(jī)非金屬材料,傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料, 半導(dǎo)體材料、超硬 耐高溫材料 、 發(fā)光材料等,傳統(tǒng)無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)材料。,1、傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料,陶瓷按其概念和用途不同，可分為兩大類(lèi)，即普通陶瓷和特種陶瓷。 根

15、據(jù)陶瓷坯體結(jié)構(gòu)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(wú)機(jī)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(guò)粉碎混練、成型、煅燒等過(guò)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(jié)構(gòu)較疏松，致密度較低，有一定吸水率，斷口粗糙無(wú)光，沒(méi)有半透明性，斷面成面狀或貝殼狀。,傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料 之二：玻璃,玻璃是由熔體過(guò)冷所制得的非晶態(tài)材料。根據(jù)其形成網(wǎng)絡(luò)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(luò)形成體分為SiO2、B2O3和P2O5。習(xí)慣上玻璃態(tài)材料可分為普通玻璃

16、和特種玻璃兩大類(lèi)。 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(xué)玻璃和玻璃纖維等。,傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)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(jié)在一起的細(xì)粉狀水硬性材料。,水泥的種類(lèi)很多，按其用途和性能可分為：通用水泥、專(zhuān)用水泥和特性水泥三大類(lèi)；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(dá)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(fù)合硅酸鹽水泥等。 專(zhuān)用水泥：指有專(zhuān)門(mén)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(lèi)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(yīng)力鋁酸鹽水泥等。,傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料 之四：耐火材料,耐火材料：指專(zhuān)門(mén)為高溫技術(shù)服務(wù)的耐火度不低于1580的無(wú)機(jī)非金屬材料，是用作高溫窯爐等熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)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(yīng)的物理化學(xué)變化及機(jī)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(lái)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(lèi)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(jí)（1770 2000）、特級(jí)（2000以上）耐火制品； 按化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)磚、異型磚、特異型磚、耐火管、耐火器皿等； 按應(yīng)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(jìn)（或新型）無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)非金屬化合物經(jīng)特殊的先進(jìn)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(dǎo)體材料、無(wú)機(jī)涂層（薄膜材料） 、無(wú)機(jī)纖維、介孔材料等。,新型無(wú)機(jī)非金屬材料,1、特種陶瓷,特種陶瓷（亦稱(chēng)為新型陶瓷）是指以精制的高純天然無(wú)機(jī)物或人工合成的無(wú)機(jī)化合物為原料，采用精密控制的制造加工工藝燒結(jié)，具有優(yōu)異特性，主要用于各種現(xiàn)代工業(yè)及尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的高性能陶瓷，包括：結(jié)構(gòu)陶瓷 和功能陶瓷,結(jié)構(gòu)陶瓷是指以具有優(yōu)良的力學(xué)性能（高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損） 、熱學(xué)性能（抗熱沖擊、抗蠕變）和化學(xué)性能（抗氧化、抗腐蝕）的陶瓷材料，主要應(yīng)用于高強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)陶瓷等。,功能陶瓷指利用其電、磁、聲、光、熱等直接效應(yīng)和耦合效應(yīng)所提供的一種或多種性質(zhì)來(lái)實(shí)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(chēng)為鐵氧體）、導(dǎo)電陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷（又稱(chēng)為敏感陶瓷）、熱學(xué)功能陶瓷（熱釋電陶瓷、導(dǎo)熱陶瓷、低膨脹