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1、材料概论2022/9/201第1页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四第三章非金属矿物及人工晶体一、金刚石与石墨1 、 金刚石 金刚石的化学成分是C，经常含氮及其他微量杂质； 天然金刚石是在高温高压条件下由岩浆中的碳结晶而形成的。第2页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四金刚石的需求：金刚石不仅是重 要的工业原料，也是国防、电子、航天 工业发展不可缺少的战略物资。 一个国家对金刚石的需用量，通常标志着该国的工业化水平。根据工业发达国 家使用金刚石情况推测，至本世纪末，我国需要天然金刚石约200万克拉(1克拉0.2克)。 工业上使用的磨料级金刚石主要由人造金刚

2、石代替， 几乎所有的宝石级金刚石都是天然产的。 第3页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四1) 金刚石的结构与形态在金刚石的内部结构中，碳原子经轨道杂化后形成四个等价的共价键，组成原子晶体。每个碳原子与相邻的四个碳原予以共价键结合。 金刚石常呈八面体、菱形十二面体、立方体及其聚形。有时由于溶蚀作用，晶面上出现蚀象。单晶大小不一，直径由小于1毫米到数数毫米，也有少数大颗粒产出。晶体的形态和完整性及颗粒大小决定其价值。第4页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四第5页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四2) 金刚石的性质 金刚石是自然界最硬的物质

3、，它的研磨硬度是石英的1170倍、刚玉的140倍。 金刚石具有极强的抗磨性，摩擦系数小，其抗磨能力为刚玉的90倍。 I型和a型金刚石是绝缘体，其电阻率在室温下为1014一1015cm。 金刚石具有很高的导热率。含氮量低的I b和型金刚石的导热率为铜的45倍，适于做散热元件。 金刚石热膨胀系数小，表面具亲油和疏水性；对任何酸都是稳定的。第6页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四3) 金刚石的应用 金刚石是现代工业和科学尖端技术不可缺少的材料和战略物资，广泛用于冶金、机械、石油、煤炭、仪器仪表、电子工业及空间技术方面，为国民经济振兴和科技发展起了重要作用。 因此，许多国家把金刚石

4、列为重要的矿物原料和硬通货。根据1988年矿物原料的产值，金刚石在金属和非金属矿产中名列第五位，仅次于铁、金、铜和锌。随着现代工业和科技发展以及人民生活水平的提高。金刚石应用范围还将不断扩大。现将主要应用归纳如下。第7页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四 (1)拉丝模用金刚石拉丝模拉制的各种金属细纤维表面光滑、细度均匀。 (2)地质钻头 金刚石可以钻探最硬的岩石，减少更换磨损钻头的次数，提高钻进速度和钻孔质量。第8页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四 (3)砂轮刀 金刚石砂轮刀是加工精密磨床的重要刀具，所加工的工件镜面光洁。 (4)首饰钻 用于制作首饰钻

5、的金刚石的规格为0.6克拉粒。要求有结晶完整的各种单形及聚形之单晶；完全透明或半透明，颜色为白、蓝、红、深咖啡、绿、棕、乳白等色；无裂纹、包裹体和气泡等任何缺陷，或少量裂纹(包裹体)。第9页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四(5)硬度计压头钻 用于制作硬度计压头的金刚石的规格为0.20.3克拉粒。主要用于测定材料的硬度。 (6)金刚石砂轮 金刚石砂轮磨削能力比碳化硅磨料强10000倍，是加工硬质合金的特效工具。可加工钟表、元件平面、打孔、钻眼。 (7)金刚石锯片 金刚石碎屑可做锯片材料。金刚石锯片是切割石材、混凝土、玻璃的特效材料。第10页，共32页，2022年，5月20日

6、，4点18分，星期四(8)a型金刚石具有固体中最高的热传导性能。 主要用于固体微波器件及固定激光器件的散热片。金刚石散热片还用于高功率晶体管、集成电路、可变电抗二极管及其它半导体器件。 同时，a型金刚石也是一种优良的红外线穿透材料，已在空间技术中用于人造卫星、宇宙飞船和远程导弹上的红外激光器的窗口材料。 (9)b型金刚石具有良好的半导体性能。 第11页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四2 、 石墨 石墨的化学成分也是单质碳，与金刚石相同，二者属同质异构体。自然界纯石墨少见，常含有多种杂质，如SiO2、FeO、MgO、CaO，沥青及粘土等。 我国的石墨矿产资源十分丰富。第12

7、页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四1)石墨的物化性能(1)耐高温性 石墨的熔点高达3850，于4500才气化。7000的超高温电弧下加热10秒钟，石墨的重量损失仅为0.8，刚玉为6913.7，而极耐高温的金属为129。在2500时石墨的强度反而比室温时提高一倍。 第13页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四(2)导电和导热性能 石墨的导电性约为一般非金属的100倍，碳素钢的2倍，铝的335倍。 若将石墨定向排列，加温、加压而制成定向石墨，其顺导电性约为反向导电性的1000倍，据此可制成各种半导体材料和高温电性材料。 石墨的导热性能超过了钢、铁、铝. 具异

8、常导热性，即导热率随温度的升高而降低，在极高的温度下则趋于绝热。第14页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四(3)稳定性 石墨在常温下表现良好的化学稳定性，它不受任何强酸、强碱和有机溶剂的腐蚀。但在500时开始氧化，700时水蒸气可对其产生侵蚀，900时C02也能对其产生侵蚀作用。 石墨的热稳定性也好，膨胀系数小，故在高温下能经受温度的剧烈变化而不破坏，其体积变化也不大，不会产生裂纹。 (4)润滑性 石墨具有良好的润滑性能， 第15页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四(5)可塑性 石墨可展成薄至0.2um的透光透气薄片，而高强度石墨甚至连金刚石刀具都难以加

9、工。 (6)吸热性和散热性 石墨有良好的吸热性能；石墨的散热性能则几乎与金属一样好。 (7)涂敷性 石墨可涂抹固体，形成薄膜，当其颗粒小到510m时粘附力更强。 此外，石墨在原子反应堆中还有良好的中子减速性能。第16页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四2)石墨的应用 (1)冶金工业是石墨的最大消费领域。主要用于石墨坩埚、铸造模面和耐火砖，也用来做炼钢的增碳剂。 (2)在机械工业中，一般润滑油不能适应高速、高温和高压的要求，而石墨作润滑剂可在一2002000C的温度和极高速度的条件下使用。 第17页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四(3)电气工业中石墨主要

10、用于制作电极、电刷、电池及电影机、探照灯发光用的电碳棒与焊接发热用的碳精棒、电炉用的碳管等。 (4)化学工业中用石墨作热交换器、反应槽、燃烧塔部件及各种类型的石墨耐腐蚀的管材、 阀门、砌块等 第18页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四(5)建筑材料工业中，石墨大量用于制造耐火制品，如碳素砖、镁碳砖等。 (6)核工业中，石墨用作原子反应堆的减速剂，可以吸收中子以控制核裂变。 (7)航天航空工业用高强度石墨制作火箭导弹、航空飞机、发动机的喷嘴及导电材料等。 第19页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四(8)轻工业中，石墨用来制造铅笔、颜料、抛光剂及防垢防锈材料

11、等。 当前，石墨已在高速、高温、耐磨、防腐、节能、超小型等高科技领域中得到应用。 石墨正逐步取代某些金属材料和有机材料。第20页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四二、 保温、隔热、轻质矿物岩石材料1、保温、隔热矿物岩石材料的基本性能热传导性质、热稳定性、热膨胀性质 1） 对保温材料一般要求是常温下的导热系数小于0.1163 wm.K： 2）热稳定性是材料在温度急剧变化下不发生剧烈膨胀、收缩、碎裂和化学变化的性能。第21页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四3） 热膨胀性是某些保温材料矿物原料的重要性能。例如蛭石、珍珠岩等，在热处理后体体积会急剧膨胀，从而可

12、制成保温、隔音、轻质材料。 4）比热和热容量亦是保温材料性能的重要参数。 5）保温材料应具备一定的机械强度。 6）化学稳定性对于保温材料也是重要的第22页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四2、保温材料的分类 按使用温度范围，可分为保温材料和保冷材料两类：1） 低温保温材料(使用温度700C） 4）耐火保温材料（使用温度1000C) 5）保冷材料(使用温度0C) 第23页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四 按其组成物质类别分： 无机保温材料 有机保温材料。 一般来说，无机保温材料都具有较好的化学稳定性，常用作高温保温材料； 有机保温材料常易于燃烧、分解或老

13、化，通常只能用作低温(摄氏零度以上)保冷。第24页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四3、 膨胀蛭石 蛭石为成分复杂的含水铝硅酸盐矿物。 硬度11.5； 密度2.42.7gcm3 熔点13201400C。 蛭石在较低温度下即可开始膨胀，在200300时急剧膨胀，在8001100C时达膨胀最大值。 最大膨胀倍数一般为1025倍。蛭石膨胀后的产物称膨胀蛭石。第25页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四 膨胀蛭石的导热系数和容重明显减小，并且有隔热、保温、防火、隔音、轻质等功能。 当音频为512 Hz时，其吸音系数为053073。 膨胀蛭石的重量吸水率可达到350

14、370。 第26页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四膨胀蛭石的生产工艺分三个工序： 预热 煅烧 冷却第27页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四2)膨胀蛭石的性能 (1)容重： 膨胀蛭石的容重一般为80200kgm3之间。容重越小，其质量越好； (2)隔热性能和耐火性： 导热系数：0.0460.070 w(m.K)。 膨胀蛭石不燃烧，无烟雾，熔点一般为13701400C。若与其它材料配制成耐火混凝土，使用温度可提高到14501500左右。 第28页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四(3)隔音性： 膨胀蛭石层片间有空气间隔层。当声波传入时

15、，层间空气发生振动，使部分音能转变为热能，从而产生良好的吸音、隔音效果。当声波频率为512Hz时，膨胀蛭石的吸音系数为0.530.73。(4)耐冻性： 蛭石能经受多次冻融交替作用而不破坏，同时，在30的低温下保持体积密度和强度不变，也不发生任何变形。第29页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四 (5)吸湿性： 蛭石在相对湿度为95100的环境下，经过20小时，其吸水率约为1.1。 (6)吸水性： 吸水率与其容重成反比(在达到饱和吸水率以前)，与在水中浸泡时间成正比。在浸泡1小时时，其重量吸水率为265，体积吸水率为40.6。第30页，共32页，2022年，5月20日，4点18分，星期四3)膨胀蛭石的应用 (1) 建筑工业： 膨胀蛭石可用作轻质、保温、隔热、吸音、隔音、防火等材料。 (2)在节能材料方面： 膨