生物陶瓷专题教育课件市公开课金奖市赛课一等奖课件

1、5.2 化学与无机非金属材料5.2.1 无机非金属材料概论5.2.2 硅酸盐材料5.2.3 半导体材料5.2.4 新型无机非金属材料第1页5.2.1 无机非金属材料概论 无机非金属材料(inorganic non-metallic material)简称无机材料。可分为： 硅酸盐材料：陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷等以天然硅酸盐为原料制品。 新型无机材料：用人工合成方法制成不含硅或少含SiO2材料，如一些氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、卤化物、硫化物和碳素材料等。第2页 无机材料特点：耐高温、抗氧化、耐磨、耐腐蚀和硬度大。而脆性差：经不起碰撞摔打，即抗机械冲击性能差；经不起冷热冲击，即抗热震

2、动性能差。 其中无机工程结构材料主要是利用其强度，尤其是耐高温强度。而无机功效材料还有诸如热、声、光、电、磁学等方面特殊性能，已成为许多科学技术领域中关键性材料。第3页5.2.2 硅酸盐材料 1.天然硅酸盐(silicate)正长石 K2O.Al2O3.6SiO2或K2Al2Si6O16白云母 K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O或K2H4Al6(SiO4)6高岭土 Al2O3.2SiO2.2H2O或Al2H4Si2O9石 棉 CaO.3MgO.4SiO2或Mg3Ca(SiO3)4滑 石 3MgO.4SiO2.H2O或Mg3H2(SiO3)4泡沸石 Na2O.Al2O3.2SiO2. n

3、H2O 或Na2Al2(SiO4)2. nH2O 天然硅酸盐在自然界中分布很广,是组成地壳主要组分。其化学式很复杂，可看成是二氧化硅和金属氧化物复合氧化物。第4页石棉片黄玉正长石第5页水晶第6页白云母滑石粘土第7页 天然硅酸盐不论组成多么复杂，在其晶体内部，基本结构单元都是SiO4四面体。硅占据四面体中心，4个氧则占据4个顶角。 天然硅酸盐用途很广，是工业上主要材料，也是制造陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等原料。OSi第8页 2.水泥(cement) 按组成可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等。 硅酸盐水泥又称波特兰(Portland)水泥，是由粘土和石灰石按百分比在旋转窑中于1450以上

4、温度煅烧成熟料，再混入少许石膏，磨粉后制成。第9页硅酸盐水泥熟料矿物组成及含量 组 分 化 学 式 符号 质量分数硅酸三钙 3CaO.SiO2 C3S 0.370.60硅酸二钙 2CaO.SiO2 C2S 0.150.37铝酸三钙 3CaO.Al2O3 C3A 0.070.15铁铝酸四钙 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF 0.100.18符号C表示CaO，S表示SiO2 ，A表示Al2O3 ， F表示Fe2O3。第10页3. 玻璃(glass) (2) 有色玻璃 在玻璃原料中加入一些金属氧化物,可制成有色玻璃。如加入CoO，玻璃呈蓝色；加入Mn2O3，呈紫色；加入Cu2O，呈红色；加

5、入Cr2O3，呈绿色。(1)普通玻璃(钠玻璃) 是用石英砂、纯碱和石灰石共熔而制得一个无色透明熔体： Na2CO3+CaCO3+6SiO2=Na2O.CaO.6SiO2+2CO2第11页 (3) 微晶玻璃 在玻璃中加入晶核形成剂(如金、银、铜盐类)，经过热处理，可制成各种性能微晶玻璃(又称玻璃陶瓷)。第12页(4) 钢化玻璃 将玻璃进行淬火处理或用化学方法处理可制成钢化玻璃。它抗弯强度比普通玻璃大57倍，只有受到强烈冲击时才会破坏，而且碎片棱角圆滑，不易飞溅，不易伤人，是很好安全玻璃。第13页4. 耐火材料(refractory material) 耐火材料是指耐火温度不低于1580,并在高温

6、下能耐气体、熔融金属、熔融炉渣等物质侵蚀，而且有一定机械强度无机非金属材料。 第14页 惯用耐火材料主要组分是一些高熔点氧化物，按其化学性质可分为酸性、碱性和中性。酸性耐火材料主要组分是SiO2等，如硅砖；碱性耐火材料主要组分是MgO、CaO等，如镁砖；中性耐火材料主要组分是Al2O3、Cr2O3等，如高铝砖。第15页硅砖镁砖高铝砖第16页5. 分子筛(molecular sieves) 分子筛是一个人工合成泡沸石型水合铝硅酸盐晶体。它是由SiO4和AlO4四面体结构单元组成多孔性晶体，空隙排列整齐，空径均匀，有极大内表面。是一个新型高效能、高选择性吸附剂、干燥剂、分离剂和催化剂。其组成为：

7、M2/xO.Al2O3.mSiO2.nH2O 式中x是金属元素M(普通为Na、K或Ca)氧化值。第17页 分子筛中m=2称为A型，A型中又有3A、4A、5A等，其孔径分别为0.30、0.42、0.50nm;m=2.23.0称为X型,有10X、13X等,其孔径分别为0.50、0.80nm;m=3.15.0称为Y型,其孔径约为1.00nm。 分子筛含有筛分大小不一样分子能力。第18页5.2.3 半导体材料 半导体材料(semiconductive material)指电阻率介于金属导体(10-510-6cm)和绝缘体(10101015 cm)之间材料。主要用途是制成各种特殊功效元器件,如晶体管,集

8、成电路,太阳能电池,各种微波器件,整流器和可控整流器等。 当前应用最多半导体材料是掺杂硅、锗和砷化镓。第19页 发光二极管是特殊半导体二极管，将电流直接转换成光线。发光二极管只会放射出单色光线，而光线颜色可由采取基本原料及金属元素而定。它所采取经典半导体物料有：红色光线GaAs、绿色光线GaP、蓝色光线GaNi或含有氧化锌GaAs第20页1. 光 导 纤 维 光导纤维(optical waveguide fibre)，简称光纤，是用来传递光线和图象纤维。 制造光导纤维用光学材料，必须高度纯净、成份均匀。普通无水石英（SiO2）是惯用光导纤维材料。 光导纤维用途：近年来，光导纤维用于光通信技术快

9、速发展。另外，在农业、国防、医疗、电视、传真、电话、科研等方面都有广泛用途。 5.2.4 新型无机非金属材料第21页 光导纤维传递每个发光二极管所发出光线，分颜色及将每一点印在相纸上，从而聚合成一幅完整影像。此种玻璃导管诞生于20世纪70年代，其内部关键光纤由高折射率玻璃组成，而外层用低折射率玻璃导管包裹，两种物料之间所产生反射能预防光线流失，确保光线透过关键光纤传送时，光纤末端光线不会失真。第22页2. 新 型 陶 瓷 材 料 习惯上把陶瓷(ceramics)分为传统陶瓷和特种陶瓷. 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。 特种陶瓷是以人工合成氧化物、氮化物、碳化物、硅化物

10、、硼化物超细微粒为原料特制而成。又称精细陶瓷、精密陶瓷。第23页 氧化铝陶瓷又叫高铝陶瓷，主要成份是Al 2O3 和SiO2。 Al 2O3含量越高则性能越好，但工艺更复杂，成本更高。 用途：它硬度高，耐磨性好，很早就用于制造刀具、模具、轴承。耐腐蚀性很强，可制作化工零件，如化工用泵密封滑环，机轴套、叶轮等。(1) 氧化铝陶瓷第24页 氮化硅（Si3N4）是由共价键形成原子晶体。 用途：硬度高、耐磨系数低、有自润滑作用，所以是优良耐磨材料。热强度和化学稳定性高，热膨胀系数小，是优良高温结构材料。耐腐蚀，可作高温轴承、转子、叶片、燃烧室喷嘴等高温零件以及高温下使用模具和夹具。(2) 氮化硅陶瓷第

11、25页 碳化硅（金刚砂）和氮化硅一样，是稳定原子晶体。含有高热传导能力、硬度大、熔点高、比重小，有较高强度和很好热稳定性，与各种酸都不起作用，其抗氧化性能在高达1550OC时仍很优良。 用途：制造磨料、模具、特种耐火材料制品；用于制造电阻发烧元件。(3) 碳化硅陶瓷第26页 功效陶瓷(functional ceramics)材料是以特定性能或经过各种物理原因（如声、光、电、磁）作用而显示出独特功效材料。(4) 功效陶瓷第27页 TiO2、 ZrO2 、 LaCrO3 等高温电子陶瓷，用于制造电容器和电子工业中高温高频器件。如BaTiO3类陶瓷用于制造温度传感材料；CdS、PbTiO3系陶瓷用于

12、制造光敏传感材料；ZnO系陶瓷，SiC 、BaTiO3系陶瓷用于制造压力和振动传感材料等。功效陶瓷用途：第28页 生物陶瓷是用于人体器官替换、修补，及外科矫形陶瓷材料。主要包含羟基磷灰石、氧化铝、生物活性玻璃陶瓷等。(5) 生物陶瓷材料 羟基磷灰石（Ca10(PO4) 6(OH) 2）陶瓷用途： 它含有良好生物活性，能与人骨紧密结合。主要用于不承载小型种植体（如耳骨），用金属支撑加强牙科种植体。第29页 生物陶瓷人工听小骨假体由羟基磷灰石(HA)陶瓷制成，表面含有微孔，可使患者听力平均高2030dB，适合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1989年以来已临床应用800多例，经过省级判定。第30页3. 超 导 材 料 一些材料在临界温度以下，会产生零电阻和排斥磁场(迈斯纳效应)现象称超导性。含有超导性材料称为超导材料。 将电阻突然降为零温度称为临界温度，用符号Tc表示。第31页 零电阻效应和迈斯纳效应是超导体两个独立基本属性，一个材料只有同时具备这两种效应时才含有超导性。第32页临界磁场Hc 破坏超导态最小磁场强度。临界电流Hc 超导态时超导体内允许流动 最大电流。IIcHHcTTc 必须将条件控制在三个临界参数Tc、Hc、Ic之下，才能使物体处于超导态。三个临界参数关系第33页 已发觉有28种金属元素和数以千计合金及