第四章：无机非金属材料

1、 材料导论 第四章第四章：无机非金属材料本章主要内容 无机非金属材料概论 结构陶瓷材料 功能陶瓷材料 传统日用、建筑材料什么是无机非金属材料金属材料和有机高分子材料以外的固体材料通称为无机非金属材料。主要特性：熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐氧化、弹性模量大、强度高。一般为脆性材料陶瓷材料的物质结构陶瓷材料的结合键陶瓷材料的组成相的结合键为离子键（MgO、Al2O3）、共价键（金刚石、Si3N4）以及离子键与共价键的混合键以离子键结合的晶体称为离子晶体。离子晶体在陶瓷材料中占有很重要的地位。它具有强度高、硬度高、熔点高、等特点。但这样的晶体脆性大，无延展性，热膨胀系数小

2、，固态时绝缘，但熔融态可导电等特点。金属氧化物晶体主要以离子键结合，一般为透明体。以共价键结合的晶体称为共价晶体。共价晶体具有方向性和饱和性，因而共价键晶体的原子堆积密度较低。共价键晶体具有强度高、硬度高、熔点高、结构稳定等特点。但它脆性大，无延展性，热膨胀系数小，固态、熔融态时都绝缘。最硬的金刚石、SiC、Si3N4、BN等材料都属于共价晶体。陶瓷材料的相组成晶体相晶体相是陶瓷材料最主要的组成相，主要是某些固溶体或化合物，其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料的特性和应用。晶体相又分为主晶相、次晶相和第三相。陶瓷中晶体相主要有含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐等）、氧化物（MgO、Al2O3）、非氧化

3、物（SiC，Si3N4）等。 硅氧四面体是硅酸盐陶瓷中最基本的结构单元。玻璃相玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分，其结构类似于玻璃。玻璃相的作用是：将分散的晶体相粘结起来，填充晶体之间的空隙，提高材料的致密度；降低烧成温度，加快烧结过程；阻止晶体转变、抑止晶粒长大。玻璃相对陶瓷强度、介电常数、耐热性能是不利的。气相（气孔）陶瓷中气孔主要是坯体各成分在加热过程中单独或互相发生物理、化学作用所生成的空隙。这些空隙可由玻璃相来填充，还有少部分残留下来形成气孔。气孔对陶瓷的性能是不利的。它降低材料的强度，是造成裂纹的根源。陶瓷材料的晶体缺陷点缺陷陶瓷材料晶体中存在的置换原子、间隙原子和空位等缺

4、陷称之为点缺陷。陶瓷材料的很多性质如导电性与点缺陷有直接关系。此外，陶瓷材料的烧结、扩散等物理化学过程也与点缺陷有关。线缺陷位错是陶瓷材料晶体中存在线缺陷。陶瓷材料中位错形成所需要的能量较大，因此，不易形成位错。陶瓷材料中位错密度很低。陶瓷材料主要是离子键和共价键。这两种结合键造成位错的可动性降低。当位错滑移事，离子键中同号离子相斥，导致离子键断裂；而共价键的方向性和饱和性，具有确定的键长和键角，位错的滑移也会导致共价键的破断。面缺陷陶瓷材料一般是多晶材料。多晶材料中存在的晶界和亚晶界就是陶瓷材料中的面缺陷。我们知道晶粒细化可以提高材料的强度。晶界对金属材料和陶瓷材料强度的提高作用机理是不同的

5、。对金属材料来说，晶界阻碍位错的运动，从而强化了材料；而对陶瓷材料来说，利用晶界两侧晶粒取向的不同来阻止裂纹的扩展，提高强度陶瓷材料的性能特点力学性能硬度陶瓷的硬度很高，多为1000Hv1500Hv（普通淬火钢的硬度500800Hv）。陶瓷硬度高的原因是离子晶体中离子堆积密度大、以及共价晶体中电子云的重叠程度高引起的。刚度陶瓷的刚度很高。刚度是由弹性模量衡量的，而弹性模量又反映其化学键的键能。离子键和共价键的键能都要高于金属键，因此陶瓷材料的弹性模量要高于金属材料。强度陶瓷材料的强度取决于键的结合力，理论强度很高。但陶瓷中由于组织的不均匀性，内部杂质和各种缺陷的存在，使得陶瓷材料的实际强度要比

6、理论强度低100多倍。陶瓷材料的强度也受晶粒大小的影响。晶粒越细，强度越高。此外，陶瓷材料一般具有优于金属材料的高温强度，高温抗蠕变能力强，且有很高的抗氧化性。常用于高温材料。塑性与韧性陶瓷材料的塑性和韧性较低，这是陶瓷最大的弱点。陶瓷材料受到载荷时在不发生塑性变形的情况下，就发生断裂。断裂是裂纹形成和扩展的过程。陶瓷内部和表面所产生的微裂纹，由于裂纹尖端的应力集中，内部裂纹在受到外应力时扩展很快，这是导致陶瓷材料断裂的根本原因。热学性能 熔点陶瓷材料由离子键和共价键结合，因此具有较高的熔点。热容 陶瓷材料在低温下热容小，在高温下热容增大。热膨胀陶瓷材料的热膨胀系数小，这是由晶体结构和化学键决

7、定的。一般为105106/K。陶瓷材料加工方法配料成形煅烧结构陶瓷材料结构陶瓷的种类 氧化物结构陶瓷 炭化物结构陶瓷 氮化物结构陶瓷氧化物结构陶瓷 特点：化学稳定性好、抗氧化性强、熔融温度高、高温强度高。Al2O3陶瓷Al2O3陶瓷又称高铝陶瓷，主要成分是Al2O3和SiO2。主晶相为刚玉（Al2O3），随着SiO2质量百分数的增加，还出现莫来石和玻璃相。根据陶瓷坯中主晶相的不同，分为刚玉瓷、刚玉莫来石瓷和莫来石瓷。Al2O3有三中结晶形态，即、型。型是高温型，而型是低温型。其中刚玉瓷的性能最佳Al2O3陶瓷的性能及应用 1。强度高 2。硬度高：机械加工磨料、磨具、切削工具等 3。熔点高、抗腐

8、蚀：耐火材料、炉管、热电偶保护套等 4。化学稳定性好：坩埚、人体关节、人工骨骼 5。电绝缘性好：基板、火化塞、电路外壳 6。光学性能好：制成透光材料、微波整流罩窗口、激光振荡元件等ZrO2陶瓷ZrO2陶瓷有三种晶型。常温下是单斜晶系，1000度以上转变为四方晶系，到2300度以上又转变成立方晶系。由单斜向四方的转变是可逆的，并伴随7的体积变化。导致陶瓷在烧结时容易开裂，为此，要加入适量的稳定剂，如Y2O3。ZrO2陶瓷的特点是热导率小，是理想的高温绝热材料。化学稳定性好，能抵抗酸性或中性熔渣的侵蚀，可用作特种耐火材料；硬度高，可制作冷成型工具、整形模、切削工具、剪刀等；强度高、韧性好，可制作发

9、动机构件等。BeO陶瓷 BeO晶体无色，属六方晶系，在固态下无晶型转变，结构稳定BeO陶瓷的导热系数大，线膨胀系数不大，抗热震性高，高温电绝缘性好，电导率低，介电常数高；硬度与Al2O3差不多，化学稳定性好，是抵抗炭还原作用最强的一种氧化物.Mgo陶瓷耐高温，抗金属及碱性熔渣腐蚀，可以用作坩埚冶炼高纯度Fe、Mo、Cu、Mg等。也可用于高温热电偶保护套等炭化物结构陶瓷 特点：高耐火度、高硬度、高耐磨性。SiC陶瓷有两种晶体结构：SiC和SiC。前者属六方晶系，是高温稳定相；后者属等轴晶系，是低温稳定相。SiC陶瓷的莫氏硬度13，在1400度的高温下仍能保持相当高的弯曲强度；SiC陶瓷有很高的热

10、传导能力，抗蠕变性能好，对酸性熔体有很强的抵抗力，但不抗强碱。SiC陶瓷主要用作高温结构材料。如火箭尾喷管的喷嘴，热电偶套管等高温零件。还可用于高温下热交换器。氮化物结构陶瓷特点：高耐火度、高硬度、高耐磨性Si3N4陶瓷是强共价键材料，原子结合力强，属六方晶系。Si3N4陶瓷具有良好的化学稳定性，能抵抗除氢氟酸以外的各种酸、碱和熔融金属的侵蚀；具有优异的绝缘性；硬度高，摩擦系数小，是一种优良的耐磨材料；线膨胀系数小，热导率高，抗热震性好；室温强度虽然不高，但高温强度较高。功能陶瓷材料功能陶瓷是指具有电、光、磁以及部分化学功能的多晶无机固体材料，其功能的实现主要来自于它所具有的特定的电绝缘性、半

11、导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性、生物适应性等功能陶瓷的种类 电子陶瓷 生物陶瓷 光学陶瓷 磁性陶瓷 超导陶瓷 敏感陶瓷电子陶瓷压电陶瓷当外力作用于晶体时，发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这种由于形变而产生的电效应，称为压电效应。反之，当在晶体上施加电场引起极化时，将产生与电场成比例的变形或压力，称之为逆压电效应。材料的压电效应取决于晶体结构的不对称性，晶体必须有极轴，才有压电效应。 压电陶瓷是具有压电效应的陶瓷材料压电陶瓷的种类 压电陶瓷主要有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸钡（PZT）、改性PZT等。压电陶瓷的晶体结构随温度的变化而变化。对钛酸钡和钛酸铅，当温度高于居里

12、温度Tc时，为立方晶体，具有对称性，无压电效应；低于Tc时，为四方晶体，具有非对称性，有压电效应。压电陶瓷的应用压电陶瓷的优点是价格便宜，可以批量生产，能控制极化方向，添加不同成分，可改变压电特性。压电陶瓷可用作超声波发生源的振子或水下测声聘仪器上的振子；也可用作声转换器。但压电陶瓷收到机械应力的作用时，由压电效应发生的电能可用于煤气灶的点火器和打火机等；压电陶瓷还可用于滤波器等。电子陶瓷光电陶瓷 光电陶瓷是具有光电导效应的陶瓷材料当光电陶瓷受到光照射时，由于能带间的迁移和能带与能级间的迁移而引起光的吸收现象时，能带内产生自由载流子，而使电导率增加，这种现象称为光电导现象。利用光电导效应检测光

13、强度的元件称为光敏元件。检测从波长很短的X射线到波上很长的紫外线的光敏元件主要是烧结GdS多晶；如果在GdS中添加Cu杂质，可以用作检测可见光的光敏元件超导陶瓷1986年超导陶瓷的出现，使超导体的临界温度Tc有了很大提高。出现了高温超导体。超导陶瓷主要有： 1。镧系高温超导陶瓷：以La2CuO3为代表； 2。钇系高温超导陶瓷：以YBa2Cu2Oy为代表； 3。铋系高温超导陶瓷：以Bi-Sr-Cu-O为代表； 4。铊系高温超导陶瓷：以Ta-Ba-Ca-Cu-O为代表；超导陶瓷的应用 在信息领域：用作高速转换元件、通信元件和连接电路。在生物医学领域：用于核磁共振断层摄像仪、量子干涉仪、粒子线治疗装

14、置等。在交通运输领域：完全抗磁体制造的磁悬浮列车、电磁推进器、飞机航天飞机发射台等。 在电子能源领域：用于超导磁体发电、超导输电、超导储能等在宇宙开发、军事领域：潜艇的无螺旋浆无噪声电磁推进器、超导磁炮等。磁性陶瓷什么是铁氧体？铁氧体是铁和其他金属的复合氧化物，MO-Fe2O3，M代表一价、二价金属。铁氧体属半导体，电阻率在1-1010m。由于电阻率高，涡流损失小，介质耗损低，故广泛用于高频和微波领域。 磁性陶瓷主要指铁氧体 铁氧体; 软磁铁氧体 硬磁铁氧体软磁铁氧体主要有：尖晶石型的Mn-Zn铁氧体、 Ni-Zn铁氧体、Mg-Zn铁氧体、 Li-Zn铁氧体和磁铅石型的甚高频铁氧体（Ba3Co

15、2Fe24O41）。软磁铁氧体要求起始磁化率高，磁导率温度系数小，矫顽力小，比损耗因数小。软磁铁氧体主要用于无线电电子学和电讯工程等弱点技术中，如各种电感线圈的磁芯、天线磁芯、变压器磁芯、滤波器磁芯以及录音与录像磁头等。硬磁铁氧体 主要有两类：一类是CoFe2O4-Fe2O3； 另一类是BaO-xFe2O3。软磁铁氧体要求具有较大的矫顽力Hc、较高的剩余磁Br和高的最大磁积能（BH）max。硬磁铁氧体可用作永磁体，用于高频磁场领域。由于Hc值大，可制成片状或粉末状，应用在与橡胶和树脂混合制成的复合磁铁上。光学陶瓷什么是光学陶瓷？能够透光的陶瓷材料.要求：具有优良的耐热性、耐风化性、耐膨胀性；除

16、了能透过可见光外，还能够波长更长或波长更短的光；光损耗低，能在远距离进行光传播；经光的照射，其性质发生可逆或不可逆变化.陶瓷材料怎样才能透明在各向同性晶体构成的多晶体中，晶界不产生散射，但不存在气孔等缺陷时，是透明的；在各向异性的晶体中，光从一个晶粒向邻近的晶粒入射时，由于双折射现象而产生散射，是不透明的。若要得到透明多晶体，双折射必须很小。 制造透明陶瓷的关键：消除气孔和控制晶粒异常长大！消除气孔和控制晶粒异常长大的常用方法; 1。添加微量或少量的添加剂 2。改变烧结气氛 3。改变原料 4。采用先进的烧结技术氧化物透明陶瓷 Al2O3、 Gd2O3、 CaO、 LiAl5O8、MgO、HfO

17、、BeO等非氧化物透明陶瓷红外光学陶瓷随着红外技术的发展，出现了很多新型的材料和器件。这些材料包括滤光材料、红外接受材料和红外探测材料。以往这类材料主要采用单晶或玻璃，最近已开始使用多晶陶瓷。这样的陶瓷材料就称为红外光学陶瓷。氧化钇是一种优良的高温红外材料，主要用于红外导弹的窗口和整体罩、天线罩、微波基板、绝缘支架、红外发生器管壳、红外透镜和其他高温窗口。激光陶瓷激光陶瓷的实质是具有适当的能级结构，通过激励，使粒子从低能级向高能级跃迁。激光晶体通常包括两部分：组成晶格的称为基质晶体，其主要作用是为激活离子提供适当的晶格场；另一部分是发光中心，即少量的掺杂离子。 几种典型的激光陶瓷材料： 1。红

18、宝石激光晶体：-Al2O3单晶为基质，掺入Cr3 2。掺钕的钇铝石榴石晶体。生物陶瓷什么是生物陶瓷？用于人体器官替换、修补以及外科矫形的陶瓷材料。要求：具有良好的力学性能，在体内难于溶解，不易氧化，不易腐蚀变质，热稳定性好，耐磨且有一定的润滑性，和人体组织的亲和性好，组成范围宽，易于成形等。生物陶瓷的种类1。生物惰性陶瓷 该陶瓷的物理、化学性能稳定，在生物体内完全呈惰性状态2。生物活性陶瓷具有优异的生物相容性，能与骨形成结合面，结合强度高，稳定性好，参与代谢。生物惰性陶瓷1） 氧化铝陶瓷：传统的生物陶瓷，稳定性好，纯度高。可制成单晶、多晶或多孔材料。 2）氧化锆陶瓷：生物相容性好，稳定性高，具

19、有更高 的断裂韧性和更耐磨。 3）碳素类陶瓷：与血液相容性、抗血栓性好，与人体 组织亲和性好，耐蚀、耐疲劳、量轻。生物活性陶瓷 1。磷酸钙陶瓷：具有生物降解性，能被人体吸收。 2。生物活性玻璃陶瓷 3。Na2O-K2O-MgO-CaO-SiO2-P2O5陶瓷 4。BCG人工骨头敏感陶瓷指某些性能随外界条件（温度、湿度、气氛）的变化而发生改变的陶瓷材料 1。热敏电阻陶瓷 2。压敏电阻陶瓷 3。磁敏电阻陶瓷 4。气敏电阻陶瓷 5。湿敏电阻陶瓷热敏电阻陶瓷 电阻随温度发生明显变化的陶瓷材料。 正温度系数陶瓷（PCT） 负温度系数陶瓷（PCT） 临界温度系数陶瓷（PCT）正温度系数陶瓷（PCT 电阻随

20、温度升高而增加的陶瓷材料。 钛酸钡陶瓷或以钛酸钡为主晶相的陶瓷 应用：1. 马达的过热保护、液面深度测量、温度控制和报警、非破坏 性保险丝、晶体管过热保护、温度电流控制器等。 2。彩色电视机自动消磁、马达启动器、自动开关等； 3。等温发热件、空调加热器等负温度系数陶瓷（NCT） 电阻随温度升高而减小的陶瓷材料。多为尖晶石型氧化物，有二元和三元等。如：MnO-CuO2-O2; Mn-Co-Ni 等。压敏电阻陶瓷 电阻值对外加电压敏感的陶瓷材料。电压提高，电阻率下降。压敏陶瓷有SiC、Si、Ge、ZnO等。以ZnO的性能最优。具有高非线形、大电流和高能量承受能力。 稀土氧化镨为主要添加剂的ZnO压

21、敏陶瓷。应用：微型马达电噪声、彩色显像管放电吸收、继电器节点保护、汽车发动机异常输出功率吸收、电火花、稳压元件等。磁敏电阻陶瓷 将磁性物理量转化成电信号的陶瓷材料。 应用：可用来检测磁场、电流、角度、转速、相位等。 在汽车工业中：用于无触点汽车点火开关； 在计算机工业中：用于霍尔键盘； 在家用电器和工业上：用于无刷电机和无触点开关等气敏电阻陶瓷将气体参量转化成电信号的陶瓷材料。它能以物理或化学吸附的方式吸附气体分子。气敏陶瓷有氧化铁系气敏陶瓷、氧化锌系气敏陶瓷、氧化锡系气敏陶瓷等。 应用：可燃气体和毒气的检测、检漏、报警、监控等。它的 灵敏度高，对被测气体以外的气体不敏感。湿敏电阻陶瓷 将湿度

22、信号转化成电信号的陶瓷材料。 MgCr2O4TiO2陶瓷 ZnCr2O3Fe2O3陶瓷 应用：用于湿度指示、记录、预报、控制和自动化等。传统日用、建筑材料 普通陶瓷 水泥 玻璃 耐火材料普通陶瓷 1。日用陶瓷 2。普通工业陶瓷 1）建筑陶瓷 2）卫生陶瓷 3）电器绝缘陶瓷 4）化工陶瓷1。日用陶瓷 一般应具有良好的白度、光泽度、透光性、热稳定性和强度。 日用陶瓷主要应用于茶具、餐具和工艺品1）建筑陶瓷 以黏土为主要原料而制得的用于建筑物的陶瓷 粗陶瓷：以难熔黏土为主要原料，包括砖、瓦、盆罐等 精陶瓷：以瓷土和高岭土为主要原料，包括釉面砖、建筑卫生陶瓷等 炻瓷：以陶土和黏土为主要原料，包括地砖、外墙砖、耐酸陶瓷等2）卫生陶瓷以高岭土为主要原料而制得的用于卫生设施的带釉陶瓷制品，有陶质、炻瓷质和瓷质等。3）电器绝缘陶瓷又称电瓷，是作为隔电、机械支撑及连接用的瓷质绝缘器件。分为低压电瓷、高压电瓷和超高压电瓷等。4）电器绝缘陶瓷要求耐酸、耐高温、具有一定强度。主要用于化学、化工、制药、食品等工业。水泥什么是水泥？水泥是一种加入适量水后，成为塑性浆体的，既能在空气中硬化，又能在水中硬化的，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料。水泥的种类 硅酸盐水泥 铝酸盐水泥 硫铝酸盐水泥 氟铝酸盐水泥 火山灰水泥硅酸盐水泥的主要矿物成分 硅酸三钙 3CaO