工程材料过控12无机非金属材料

工程材料海洋科学与技术学院贾非DalianUniversityofTechnology第12章

无机非金属材料*

主要内容无机非金属材料基本特性

无机非金属材料的定义与分类

无机非金属材料的组成与结构

无机非金属材料的基本性能

过程装备用无机非金属材料的性能特点及应用

化工陶瓷

特种陶瓷

玻璃

化工搪瓷

隔热耐火材料

石墨材料*陶瓷材料

工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等。随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的新型陶瓷。陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。工程材料4

陶瓷材料也称为无机非金属材料，以无机非金属天然矿物或化工产品为原料，经原料处理、成型、干燥、烧成等工序制成的产品。陶瓷材料与金属材料的区分：

根据两种材料的电阻--温度系数来区别。陶瓷材料与有机高分子材料的区分：

高分子材料含有不连续的大分子，在分子内的碳原子是由共价键相联，分子与分子间则通过较弱的分子键或氢键结合。

陶瓷材料没有不连续的分子，是一种或多种原子的空间排列，有序为晶体，否则为非晶材料。陶瓷材料陶瓷材料的特点

陶瓷材料的相组成特点陶瓷材料通常由三种不同的相组成，即晶相(1)、玻璃相(2)和气相(3)[气孔]。

陶瓷材料

料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。气相是在工艺过程中形成并保留下来的。晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材

陶瓷材料的相组成特点7陶瓷材料的化学键

原子结合键：三种强结合力的化学键:共价键、离子键、金属键；二种弱结合键：范德华键、氢键；

陶瓷材料：离子键或共价键。陶瓷材料陶瓷材料的结合键陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。共价键离子键

陶瓷材料的特点陶瓷材料的性能特点陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高等特点。功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。韧性陶瓷硬度压痕脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹

陶瓷材料的特点陶瓷材料的工艺特点陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在的问题是其存在一定的气孔率。Al2O3粉末的烧结组织ZrO2陶瓷中的气孔

陶瓷材料的特点陶瓷材料的分类按化学成分分类

可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。导电玻璃玻璃幕墙

陶瓷材料按使用的原材料分类可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。普通陶瓷以天然的岩石、矿石、黏土等材料作原料。特种陶瓷采用人工合成的材料作原料。按性能和用途分类可将陶瓷材料分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。陶瓷零件

陶瓷材料的分类13陶瓷材料的晶体结构

通常金属阳离子尺寸较非金属的阴离子小，在陶瓷晶体中占据由非金属阴离子构成的晶格中的间隙位置。 简单立方：CsCl,CsBr,CsI 面心立方：NaCl,CaO,MgO,MnO,NiO,FeO,BaO 密排六方：ZnS,Al2O3陶瓷材料14几种陶瓷晶体结构介绍

MX型结构（M为金属阳离子，X为阴离子）闪锌矿结构陶瓷材料的晶体结构15几种陶瓷晶体结构介绍

MX型结构NaCl型结构MgO,NiO,TiC,VC,VN等都是这种结构，具有这种结构的化合物多数有熔点高、稳定性好的特点。陶瓷材料16几种陶瓷晶体结构介绍

MX2型结构

这种结构的典型代表是金红石结构。单位晶胞中的8个顶角和中心为阳离子，阴离子的位置则正好处于由阳离子构成的稍有变形的八面体中心。陶瓷材料17几种典型陶瓷晶体结构介绍

M2X型结构

这种结构以赤铜矿为代表。阴离子构成体心立方结构，阳离子处于间隙中。陶瓷材料18陶瓷材料的制备方法陶瓷普通制备工艺

在普通工艺中都包括以下几个步骤：

原材料制成粉状； 粉末压制成一定的形状的坯料； 坯料在高温下的烧结，也可能在高温和压力下进行； 加工至最终形状和尺寸。

陶瓷材料19陶瓷普通制备工艺热等静压工艺（HotIsostaticPressing,HIP)

压力为100-300MPa，温度可达1400℃，时间在1-8h。陶瓷材料20陶瓷普通制备工艺化学气相沉积工艺加热炉石英舟基底石英管进气口端出气口端电源线热电偶控温仪陶瓷的制备方法21陶瓷普通制备工艺溶胶-凝胶工艺陶瓷的制备方法22陶瓷普通制备工艺溶胶-凝胶工艺陶瓷的制备方法23新型陶瓷制备工艺自延高温合成工艺

该类工艺的又一名称为铝热燃烧反应。铝与氧化铁的放热反应释放出的热量很多，可使温度达到2500℃。

SHS的突出特点：

极高的燃烧温度简单、低成本的设备能精确控制其化学成分能制备不同的形状的零件

陶瓷的制备方法过程装备用无机非金属材料的性能特点及应用

化工陶瓷

普通陶瓷是用粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、长石(K2O·Al2O3·6SiO2，Na2O·Al2O3·6SiO2)和石英(SiO2)为原料，经成型、烧结而成的陶瓷。其组织中主晶相为莫来石(3Al2O3·2SiO2)，占25~30%，玻璃相占35~60%，气相占1~3%。分为耐酸陶、耐酸耐温陶及工业瓷三种。制造接触强腐蚀介质的塔、储槽、容器、管道等。

陶瓷材料普通陶瓷加工成型性好，成本低，产量大。除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。景德镇瓷器绝缘子

普通陶瓷新型结构陶瓷氧化铝陶瓷

氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分,含有少量SiO2的陶瓷，又称高铝陶瓷。Al2O3化工、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、气动陶瓷配件单相Al2O3陶瓷组织常用工业陶瓷27氧化铝陶瓷的结构

氧化铝陶瓷主要成分为Al2O3和SiO2。Al2O3含量越高，性能越好。

Al2O3只有一种稳定的晶体结构，即-Al2O3，呈密排六方结构。

氧化铝的制备原料是工业氧化铝，加入少量的添加剂后，经压制坯料烧结而成。

氧化铝的硬度很高，有很好的耐磨性，很好的耐高温性能。氧化铝陶瓷根据Al2O3含量不同分为75瓷(含75%Al2O3，又称刚玉-莫来石瓷)、95瓷和99瓷，后两者又称刚玉瓷。氧化铝陶瓷耐高温性能好，可使用到1950℃。具有良好的电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉的硬度极高(仅次于金刚石).95瓷纺织件99瓷纺织件氧化铝耐高温喷嘴氧化铝陶瓷29

氧化铝陶瓷的主要性能氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷转心球阀氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷坩埚氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚、热偶套管，淬火钢的切削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。氧化铝陶瓷氮化硅（Si3N4）陶瓷氮化硅是由Si3N4四面体组成的共价键固体。氮化硅的制备与烧结工艺工业硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO烧结工艺优点缺点反应烧结烧结时几乎没有收缩，能得到复杂的形状密度低，强度低，耐蚀性差热压烧结用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低新型结构陶瓷32

氮化硅（Si3N4)是键合能很高的共价化合物。有两种晶体结构，型与型，两者均为密排六方结构，但-Si3N4的C-轴长度是-Si3N4的两倍。

主要的制备工艺有： 冷压烧结法

热压烧结法 反应烧结法 热等静压法 化学气相沉积法

氮化硅陶瓷33

反应烧结法

将硅粉压成需要的形状，然后在1100-1400℃的高温下通入纯氮气或氮气与氢气的混合气，这时就有下列反应发生：

3Si(s)+2N2(g)Si3N4(s) 3Si(g)+2N2(g)Si3N4(s)

Si(s)+SiO22SiO(g)

反应烧结法制备的氮化硅孔隙率较热压制品高（>10%），因此其中温下的抗氧化能力也较低，通常其强度<400MPa,一般为250MPa左右。氮化硅陶瓷34化学气相沉积

化学气相沉积法用来制备氮化硅的绝缘（热）或防扩散膜。

将硅烷或氯化硅在800-1100℃的温度下与氨气反应，就可制备得到氮化硅，具体的化学反应如下：

3SiH4(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12H2(g)

3SiCl4(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12HCl(g) 3SiHCl3(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+9HCl(g)+3H2(g)

用化学气相沉积方法制备的氮化硅致密，但不能制备复杂的形状。氮化硅陶瓷35用不同工艺制备的氮化硅的性能氮化硅陶瓷性能特点及应用氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为0.1~0.2；热膨胀系数小；抗热震性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定性高。热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。Si3N4轴承氮化硅陶瓷反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如机械密封环等。汽轮机转子叶片气阀等零件氮化硅陶瓷碳化硅（SiC）陶瓷碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成：SiO2+3C→SiC+2CO。碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。常压烧结碳化硅新型结构陶瓷39

碳化硅是一种非常硬而脆的材料。在还原气氛中，碳化硅具有很好的耐烧蚀与化学腐蚀能力。在氧化气氛中，碳化硅中的自由Si可能被氧化，在极高温度下，碳化硅也可能被氧化。 碳化硅主要有两种晶体结构，一种为-SiC，属于六方晶系，另一种为-SiC，属立方晶系。多数碳化硅以-SiC为主晶相。

碳化硅并不是一种天然存在的矿物，虽然硅和碳都是地球上存在着的最丰富的元素之一。碳化硅陶瓷40主要的制备工艺有：热压烧结法反应烧结法

化学气相沉积法

热压烧结法需要添加剂：MgO,B,C,Al

需要的热压温度非常高：1900-2200℃

压力：35Mpa

热压后的碳化硅制品须用金刚石打磨、修整，很贵。碳化硅陶瓷41反应烧结法 原材料为碳化硅粉、石墨和增塑剂混合料。粉状材料被压制、拉挤或注射到模具中，得到坯料。分解增塑剂。渗入硅的固体、液体或气体到坯料中与其中的碳反应原位形成碳化硅。

在这一工艺中，额外的2-12%硅被渗入进去，以填充形成的空隙，因而可得到致密的制件。碳化硅陶瓷42用不同工艺制备的碳化硅的性能碳化硅陶瓷碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。SiC密封件碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。SiC陶瓷件SiC陶瓷件SiC轴承碳化硅陶瓷氧化锆陶瓷氧化锆的晶型转变：立方相⇌四方相⇌单斜相。四方相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易使制品开裂。ZrO2氧化锆单相陶瓷新型结构陶瓷在氧化锆中加入某些氧化物(如CaO、MgO、Y2O3等)能形成稳定立方固溶体，不再发生相变，具有这种结构的氧化锆称为完全