无机非金属材料

1、会计学1无机非金属材料无机非金属材料第七章 硅和硅酸盐工业 第三节第三节 无机非金属材料无机非金属材料石器石器燧石取火燧石取火硅酸盐硅酸盐水泥、玻璃、陶瓷水泥、玻璃、陶瓷二氧化硅二氧化硅光导纤维光导纤维单晶硅单晶硅集成电路集成电路传传统统材材料料人人类类文文明明发发展展史史新新型型材材料料信信息息材材料料无机非金属材料的发展无机非金属材料的发展传统无机传统无机 非金属材料非金属材料水泥水泥玻玻璃璃陶陶瓷瓷无机非无机非金属材金属材料料新型无机新型无机 非金属材料非金属材料新型陶瓷新型陶瓷光导纤维光导纤维1. 概念概念: 以含硅物质为原料，经加工制得硅酸盐产品的以含硅物质为原料，经加工制得硅酸盐产

2、品的工业称为硅酸盐工业。工业称为硅酸盐工业。 常见如常见如水泥水泥、玻璃玻璃、陶瓷陶瓷等工业都属硅酸盐工业。等工业都属硅酸盐工业。2. 硅酸盐工业的特点：硅酸盐工业的特点：(1)(1)原料：原料：（2 2）反应条件：）反应条件：(3)(3)反应原理：反应原理：(4)(4)生成物：生成物：含硅的物质、碳酸盐等含硅的物质、碳酸盐等。复杂的物理、化学变化复杂的物理、化学变化硅酸盐产品硅酸盐产品3. 硅酸盐产品分类：硅酸盐产品分类：陶瓷。陶瓷。按组成可分为按组成可分为硅硅酸盐水泥、铝酸盐水酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥泥、铁铝酸盐水泥等等硅酸盐水泥是由硅酸盐水泥是由粘土粘土和和石灰石石灰石按比例按

3、比例在旋转窑中于在旋转窑中于14501450以上温度以上温度煅烧煅烧成熟成熟料，再混入少量料，再混入少量石石膏膏，磨粉后制成。，磨粉后制成。1、水泥（、水泥（cement）主要主要原料原料主要主要设备设备主要主要成分成分性性质质应应用用黏黏土土石灰石石灰石石膏石膏水水硬硬性性水水泥泥回回转转窑窑3CaO3CaOSiOSiO2 22CaO2CaOSiOSiO2 2 3CaO3CaOAlAl2 2O O3 3水泥水泥砂砂浆浆混凝土混凝土钢筋混凝土钢筋混凝土 石膏石膏作用是调节水泥硬化速度作用是调节水泥硬化速度1.建筑用粘合剂建筑用粘合剂水泥水泥砂砂浆的浆的 成分是成分是什么？什么？2.混凝土又是什

4、么做成的？混凝土又是什么做成的？水泥水泥 沙子沙子 和水和水 的的 混合物混合物水泥水泥 沙子沙子 和和 碎石混合而成碎石混合而成水水 泥泥 水泥是最常用的建筑材料下图是水泥是最常用的建筑材料下图是19491998年我国水泥产量示意图年我国水泥产量示意图硅酸盐水泥熟料硅酸盐水泥熟料 、矿物组成及含量、矿物组成及含量 组组 分分 化化 学学 式式 符号符号 质量分数质量分数硅酸三钙硅酸三钙 3CaO.SiO2 C3S 0.370.60硅酸二钙硅酸二钙 2CaO.SiO2 C2S 0.150.37铝酸三钙铝酸三钙 3CaO.Al2O3 C3A 0.070.15铁铝酸四钙铁铝酸四钙 4CaO.Al2

5、O3.Fe2O3 C4AF 0.100.18符号符号C表示表示CaO，S表示表示SiO2 ，A表示表示Al2O3 ， F表示表示Fe2O3。二、玻璃二、玻璃 （glass）(1)普通玻璃普通玻璃(钠玻璃钠玻璃) 是用是用石英砂石英砂、纯碱纯碱和和 石灰石石灰石共熔而制得的共熔而制得的 一种无色透明的熔体：一种无色透明的熔体： Na2CO3+CaCO3+6SiO2=Na2O.CaO.6SiO2+2CO2(2) 有色玻璃有色玻璃在玻璃原料中加入某在玻璃原料中加入某些金属氧化物些金属氧化物,可制成可制成有色玻璃。如玻璃中有色玻璃。如玻璃中加入加入CoO 呈蓝色呈蓝色加入加入Mn2O3 呈紫色呈紫色加

6、入加入Cr2O3 呈绿色呈绿色加入加入Cu2O 呈红色呈红色（3）钢化玻璃钢化玻璃玻璃玻璃聚乙烯醇丁醛聚乙烯醇丁醛玻璃玻璃 (4)防弹玻璃又称为夹层玻璃。当受到外部撞击的时候，夹层可将受到的力发散开来，减少了子弹等武器的冲击力，进而保护了受保护者的安全！1、普通、普通玻璃加热到一定温度后急剧冷却，玻璃加热到一定温度后急剧冷却， 就可以得到钢化玻璃。就可以得到钢化玻璃。2、氢氟酸氢氟酸(HF)对玻璃具有腐蚀作用，可用于在对玻璃具有腐蚀作用，可用于在玻璃上雕刻各种精美图案，也可用于在玻璃仪玻璃上雕刻各种精美图案，也可用于在玻璃仪 器器(量筒、滴定管等量筒、滴定管等)上标注刻度及文字。上标注刻度及文

7、字。 SiO2+4HF=SiF4+2H2O 在玻璃中加入适量的溴化银在玻璃中加入适量的溴化银(AgBr)(AgBr)和氧化铜和氧化铜的微小晶粒，经过适当的热处理，可以制成变色的微小晶粒，经过适当的热处理，可以制成变色玻璃。当强光照射到玻璃上，溴化银分解为银和玻璃。当强光照射到玻璃上，溴化银分解为银和溴单质，分解出的银原子聚集成银的微小晶粒，溴单质，分解出的银原子聚集成银的微小晶粒，使玻璃呈现暗棕色，能挡住大部分光线。使玻璃呈现暗棕色，能挡住大部分光线。 光线变暗，银和溴在氧化铜的催化作用下，重光线变暗，银和溴在氧化铜的催化作用下，重新生成溴化银。于是玻璃的颜色自动变浅，透光新生成溴化银。于是玻

8、璃的颜色自动变浅，透光性增强。性增强。种类特性用途普通玻璃 高温下易软化窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯钢化玻璃耐高温、耐腐蚀、强度大、质轻、抗震裂运动器材，微波通讯器材，汽车、火车的窗玻璃等玻璃纤维耐腐蚀、不怕烧、不导电、不吸水、隔热、吸声、防虫蛀太空飞行员的衣服、玻璃钢等光学玻璃透光性能好，有折光性和色散性眼镜片，照相机、显微镜、望远镜等中的凹凸透镜石英玻璃膨胀系数小、耐酸碱、强度大、滤光化学仪器，高压水银灯、紫外灯等的灯壳，光导纤维，压电晶体等几种玻璃的特性及比较几种玻璃的特性及比较2 2玻玻 璃璃主要主要原料原料主要主要设备设备主要主要成分成分玻璃窑中发生玻璃窑中发生的主要反应的主要反应纯纯 碱

9、碱石灰石石灰石石石 英英 玻玻璃璃窑窑 Na2SiO3CaSiO3 SiO2 Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2高温高温 CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2高温高温 水泥：水泥：Na2O.CaO.6SiO2陶瓷在我国历史悠久陶瓷在我国历史悠久唐朝时的唐朝时的”唐三彩唐三彩“宋朝时的宋朝时的”钧瓷钧瓷“中国的英文名中国的英文名China就是源于陶瓷。就是源于陶瓷。中国的中国的”瓷都瓷都“是是 江西景德镇江西景德镇中国的中国的”陶都陶都“是是 江苏宜兴江苏宜兴主原料要主原料要生产过程生产过程反应条件反应条件种类种类性能性能黏土黏土混合混合成型成型干燥干燥烧结烧结冷却冷却高温高温土器

10、土器陶器陶器炻器炻器瓷器瓷器抗氧化、抗氧化、抗酸碱腐抗酸碱腐蚀、耐高蚀、耐高温、绝缘温、绝缘、易成型、易成型主要种类：主要种类：土器：砖瓦土器：砖瓦( (自然冷却，自然冷却，FeFe2 2O O3 3含量较多含量较多) )( (淋水冷却，淋水冷却，FeFe3 3O O4 4、FeOFeO较多较多) )陶器：陶器：彩陶彩陶江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑瓷器：瓷器：碗盘碗盘茶具茶具收藏珍品收藏珍品炻器：炻器： 水缸、砂锅水缸、砂锅景德镇陶瓷景德镇陶瓷青瓦青瓦水泥水泥玻璃玻璃陶瓷陶瓷主要原料主要原料石灰石石灰石.粘土粘土石英石英. 纯碱纯碱石灰石石灰石粘土粘土主要设备主要设

11、备回转炉回转炉玻璃熔炉玻璃熔炉陶瓷窑陶瓷窑反应条件反应条件高温高温高温高温高温高温反应原理反应原理复杂的物理、复杂的物理、化学变化化学变化Na2CO3+SiO2= Na2SiO3+CO2 CaCO3+SiO2= CaSiO3+CO2复杂的物理复杂的物理化学变化化学变化主要成分主要成分3CaOSiO22CaOSiO23CaOAl2O3Na2SiO3CaSiO3SiO2成分复杂成分复杂特性特性水硬性水硬性玻璃态物质玻璃态物质抗氧化抗氧化.酸碱酸碱.腐蚀腐蚀耐高温耐高温.绝缘绝缘水泥、玻璃、陶瓷生产比较水泥、玻璃、陶瓷生产比较传统的硅酸盐材料优、缺点传统的硅酸盐材料优、缺点优点：抗腐蚀、耐高温；优点

12、：抗腐蚀、耐高温；缺点：质脆、经不起热冲击。缺点：质脆、经不起热冲击。 新型无机非金属材料特性新型无机非金属材料特性承受高温，强度高。承受高温，强度高。 具有光学特性。具有光学特性。具有电学特性。具有电学特性。 具有生物功能。具有生物功能。 光光 导导 纤纤 维维 optical waveguide fibre简称光纤，是用来传递光线和图象的纤维。简称光纤，是用来传递光线和图象的纤维。 制造光导纤维用的光学材料，必须高度纯制造光导纤维用的光学材料，必须高度纯净、成分均匀。一般无水石英（净、成分均匀。一般无水石英（SiO2）是常用）是常用的光导纤维材料。的光导纤维材料。 光导纤维的用途：近年来，

13、光导纤维用于光导纤维的用途：近年来，光导纤维用于光通信的技术迅速发展。此外，在农业、国防、光通信的技术迅速发展。此外，在农业、国防、医疗、电视、传真、电话、科研等方面都有广医疗、电视、传真、电话、科研等方面都有广泛的用途。泛的用途。 、光、光 导导 纤纤 维维 光纤通信较之普通电缆通信有许多突出的优点光纤通信较之普通电缆通信有许多突出的优点。首先，光纤通信有巨大的信息容量，。首先，光纤通信有巨大的信息容量，一根头发丝一根头发丝那么细的光导纤维可以通几万路电话或那么细的光导纤维可以通几万路电话或2 0002 000路电路电视。视。如果用许多根光导纤维组合成光缆，它的通信如果用许多根光导纤维组合成

14、光缆，它的通信容量更大得惊人。而且，光纤通信不受外界电磁场容量更大得惊人。而且，光纤通信不受外界电磁场的干扰，工作稳定可靠，保密程度高。光纤通信损的干扰，工作稳定可靠，保密程度高。光纤通信损耗低，目前无中继传送距离一般为耗低，目前无中继传送距离一般为303070 km(70 km(而同而同轴电缆每隔轴电缆每隔1 15 km5 km就需设立一个中继站，来补偿就需设立一个中继站，来补偿电信号在传输中的损耗电信号在传输中的损耗) )，很适合远距离信息传输，很适合远距离信息传输。目前，人们已建成大西洋海底光缆。目前，人们已建成大西洋海底光缆( (全长约全长约7 000 7 000 km)km)。计划中

15、的南太平洋光缆。计划中的南太平洋光缆( (全长约全长约16 000 km)16 000 km)也也正在紧锣密鼓的准备之中。进一步降低光纤损耗，正在紧锣密鼓的准备之中。进一步降低光纤损耗，减少中继站数目，甚至不用中继站，是人们的下一减少中继站数目，甚至不用中继站，是人们的下一步目标。步目标。光光学学纤纤维维胃胃镜镜光纤光缆光纤光缆 普通电缆普通电缆 信息量大，每根光缆上理论信息量大，每根光缆上理论上可同时通过上可同时通过10亿路电话亿路电话 8管同轴电缆每条通话管同轴电缆每条通话1800路路 原料来源广（石英玻璃），原料来源广（石英玻璃），节约有色金属节约有色金属 资源较少资源较少 质量小，每质

16、量小，每km27g，不怕腐，不怕腐蚀，铺设方便蚀，铺设方便 每每km1.6t 成本低，每成本低，每km 10 000元左元左右右 普通光缆每普通光缆每km 200 000元元左右左右 性能好，抗电磁干扰保密性性能好，抗电磁干扰保密性强强 ，能防窃听，不发生电辐，能防窃听，不发生电辐射射 、新、新 型型 陶陶 瓷瓷 材材 料料习惯上把习惯上把陶瓷陶瓷(ceramics)分为传统陶瓷和特分为传统陶瓷和特种陶瓷。种陶瓷。传统陶瓷是以粘土、长石、石英等天然矿传统陶瓷是以粘土、长石、石英等天然矿物为原料经烧结而成的。物为原料经烧结而成的。特种陶瓷是以人工合成的氧化物、氮化物、特种陶瓷是以人工合成的氧化物

17、、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物超细微粒为原料特制碳化物、硅化物、硼化物超细微粒为原料特制而成。又称精细陶瓷、精密陶瓷。而成。又称精细陶瓷、精密陶瓷。氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷二氧化锆二氧化锆结结构构陶陶瓷瓷几种典型的新型无机非金属材料高温结构陶瓷高温结构陶瓷特点：耐高温、耐腐蚀、硬度大、特点：耐高温、耐腐蚀、硬度大、 耐磨损、不怕氧化、密度小等耐磨损、不怕氧化、密度小等 (1)氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷性性 能能 用用 途途 熔点高熔点高 坩埚、高温炉管坩埚、高温炉管 硬度大硬度大 刚玉球磨机刚玉球磨机 透明、耐高温透明、耐高温 高压钠灯灯管高压钠灯灯管 高纯氧化铝透明陶瓷管高纯氧化铝透明陶瓷管高压钠灯

18、高压钠灯 氮化硅（氮化硅（Si3N4）是由共价键形成的原子）是由共价键形成的原子晶体。晶体。 用途：硬度高、耐磨系数低、有自润滑作用途：硬度高、耐磨系数低、有自润滑作用，所以是优良的耐磨材料。热强度和化学稳用，所以是优良的耐磨材料。热强度和化学稳定性高，热膨胀系数小，是优良的高温结构材定性高，热膨胀系数小，是优良的高温结构材料。耐腐蚀，可作高温轴承、料。耐腐蚀，可作高温轴承、转子、叶片、燃烧室喷嘴等转子、叶片、燃烧室喷嘴等高温零件以及高温下使用的高温零件以及高温下使用的模具和夹具。模具和夹具。（2）氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 碳化硅（碳化硅（SiC-金刚砂）和氮化硅一样，是金刚砂）和氮化硅一样，是稳

19、定的原子晶体。具有高的热传导能力、硬度稳定的原子晶体。具有高的热传导能力、硬度大、熔点高、比重小，有较高的强度和较好的大、熔点高、比重小，有较高的强度和较好的热稳定性，与各种酸都不起作用，其抗氧化性热稳定性，与各种酸都不起作用，其抗氧化性能在高达能在高达1550OC时仍很优良。时仍很优良。 用途：制造磨料、模用途：制造磨料、模具、特种耐火材料制品；具、特种耐火材料制品；用于制造电阻发热元件。用于制造电阻发热元件。（3）碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷 功能陶瓷功能陶瓷(functional ceramics)材料是以特材料是以特定的性能或通过各种物理因素（如声、光、电、定的性能或通过各种物理因素（如声、光

20、、电、磁）作用而显示出独特功能的材料。磁）作用而显示出独特功能的材料。功能陶瓷功能陶瓷 TiO2、 ZrO2 、 LaCrO3 等高温电子陶等高温电子陶瓷，用于制造电容器和电子工业中的高温高瓷，用于制造电容器和电子工业中的高温高频器件。如频器件。如BaTiO3类陶瓷用于制造温度传感类陶瓷用于制造温度传感材料；材料；CdS、PbTiO3系陶瓷用于制造光敏传系陶瓷用于制造光敏传感材料；感材料；ZnO系陶瓷，系陶瓷，SiC 、BaTiO3系陶瓷系陶瓷用于制造压力和振动传感材料等。用于制造压力和振动传感材料等。功能陶瓷的用途：功能陶瓷的用途： 生物陶瓷是用于人体器官替换、修补，及生物陶瓷是用于人体器官

21、替换、修补，及外科矫形的陶瓷材料。主要包括羟基磷灰石、外科矫形的陶瓷材料。主要包括羟基磷灰石、氧化铝、生物活性玻璃陶瓷等。氧化铝、生物活性玻璃陶瓷等。生物陶瓷材料生物陶瓷材料 羟基磷灰石（羟基磷灰石（Ca10(PO4) 6(OH) 2）陶瓷的）陶瓷的用途：用途： 它具有良好的生物活性，能与人骨紧密结它具有良好的生物活性，能与人骨紧密结合。主要用于不承载的小型种植体（如耳骨）合。主要用于不承载的小型种植体（如耳骨），用金属支撑加强的牙科种植体。，用金属支撑加强的牙科种植体。 生物陶瓷人工听生物陶瓷人工听小骨假体小骨假体由羟基由羟基磷灰石磷灰石(HA)陶瓷陶瓷制成，表面具有制成，表面具有微孔，可使

22、患者微孔，可使患者听力平均高听力平均高2030dB，适用于慢性化脓性中耳，适用于慢性化脓性中耳炎患者作听小骨置换和鼓腊修复手术。自炎患者作听小骨置换和鼓腊修复手术。自1989年以来已临床应用年以来已临床应用800多例，通过省级鉴定。多例，通过省级鉴定。透明陶瓷和纳米陶瓷透明陶瓷和纳米陶瓷 一般陶瓷因为内部有杂质和气孔一般陶瓷因为内部有杂质和气孔而不透明。用高纯度的原料可获得透而不透明。用高纯度的原料可获得透明陶瓷。这些透明陶瓷不仅光学性能明陶瓷。这些透明陶瓷不仅光学性能优异，而且耐高温，熔点一般都在优异，而且耐高温，熔点一般都在2 0002 000以上。透明陶瓷的透明度、强以上。透明陶瓷的透明

23、度、强度、硬度都高于普通玻璃。用透明陶度、硬度都高于普通玻璃。用透明陶瓷制造高压钠灯，发光效率比高压汞瓷制造高压钠灯，发光效率比高压汞灯高一倍，使用寿命可达灯高一倍，使用寿命可达2 2万小时。万小时。 人们把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级，便得到人们把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级，便得到了纳米陶瓷。纳米陶瓷成功地解决了陶瓷易碎的问了纳米陶瓷。纳米陶瓷成功地解决了陶瓷易碎的问题。纳米陶瓷还具有延展性，如室温下合成的题。纳米陶瓷还具有延展性，如室温下合成的Ti0Ti02 2陶瓷可以弯曲，塑性、韧性好。陶瓷可以弯曲，塑性、韧性好。纳纳米米氧氧化化锆锆陶陶瓷瓷颗颗粒粒金刚石 石墨粉 足球烯(C60)唐三彩唐三彩唐三彩女侍俑唐三彩女侍俑唐三彩女坐俑唐三彩女坐俑唐三彩少女俑唐三彩少女俑唐三彩文吏俑唐三彩文吏俑钧钧 瓷瓷景景 泰泰 蓝蓝光纤光缆光纤光缆 普通电缆普通电缆 信息量大，每根光缆上理论信息量大，每根光缆上理论上可同时通过上可同时通过10亿路电话亿路电话 8管同轴电缆每条通话管同轴电缆每