材料化学-无机非金属材料

无机非金属材料无机非金属材料简介无机非金属材料的结构无机非金属材料的性能无机非金属材料的制备方法6.1无机非金属材料的结构引例在英文中，中国和陶瓷都是同一个词汇（China），其中一种说法是，“中国”这个词来源于“陶瓷”。从这个角度来说中国的陶瓷对世界的影响。结构分类：1.结构存在形式：晶体结构、非晶体结构、孔结构以及它们不同形式且错综复杂的组合或复合；2.从尺寸上讲，可分为微观结构、亚微观结构、显微结构和宏观结构四个层次。一、化学结构基本构成：离子键、共价键、混合键。原子组合共价键比例（%）离子键比例（%）K-O892Mg-O1882Zr-O3367B-O5545Si-O6040Al-O4060C-O7822几种原子组成的化合键种类

二、典型无机材料晶体结构1.AX型代表：NaCl晶体1.AX2型代表：萤石，金红石萤石的原子排列NaCl的原子排列金红石的原子排列3.A2X3型代表：刚玉（α-Al2O3

）晶体刚玉的原子排列4.ABO3型代表：钙钛矿（CaTiO3）晶体钙钛矿（CaTiO3）的原子排列5.AB2O3型代表：尖晶石（MgAl2O4）晶体尖晶石的原子排列6.石墨、金刚石型石墨、金刚石的原子排列7.硅酸盐晶体结构三、其他结构1.非晶态结构除了前述的晶体结构外，自然界还存在非晶态结构，或称为无定形结构。其性能是各向同性。无机材料的非晶态主要由无机玻璃、凝胶、非晶态半导体、无定形碳、金属玻璃等组成。

2.多相结构3.孔状结构大多数人造无机非金属晶体材料是多相固体，多晶和多相固体的显微结构和结构成分没有固定的尺寸，在材料制备时主要受一些工艺多数(如温度和时间)的影响，这种影响在材料的使用过程中还会出现。如耐火材料在使用过程中玻璃相增加，尤其是密实度进一步增大，还会出现明显的颗粒生长(再结晶)现象。密实度的增大使密度增加，并大多伴随着气孔率的降低。但总孔隙率不一定下降，这是因为随着玻璃化的提高，孔被封闭，或是颗粒在生长时也会使颗粒间的孔长大。除纯玻璃和纯玻璃陶瓷材料外，所有无机非金属材料或多或少都有孔或孔隙存在。因此这些孔的形状、分布、尺寸及含量均对材料性能带来直接影响。

物体中孔的体积占总体百分数称为气孔率或孔隙率，用来表示物体多孔性或致密程度。根据孔(或孔隙)在物体表面是否露头，将孔分为开口孔和闭口孔(图6-13)，两者之和称为真气孔率或总孔隙率。贯穿孔对无机非金属材料的透气性和渗透影响很大，而非贯穿孔的开口孔对毛细现象和吸水有明显作用。相同材料条件下，有孔的性质与无孔相比较差别巨大。即使孔隙率很低，仍对材料性能有显著影响。图6-14显示了孔隙率对耐火材料性能影响。6.2无机非金属材料的性能无机非金属材料一般由共价键和离子键结合而成，所以键的比例对性能具有决定性作用。由于二者具有相对高的能量，其混合键的键能也较大，一般为100-500KJ/mol(金属为60-250KJ/mol)，从而给无机非金属材料带来熔点高、硬度高、脆性大、透明度高、导电性低的性质特点。1.热学性能材料的耐热性一般用高温强度、抗氧化性、耐烧蚀性等判断。要成为耐热材料必须首先熔点得高。熔点是原子间结合力的反应。2.力学性能3.其他性能（1）电学（2）磁学（3）光学（4）化学与金属材料相比，无机非金属材料由于化学键多为离子键和共价键，键能高且键具有明显的方向性，所以晶体结构复杂，其弹性、硬度、塑性、强度、断裂和冲击性能等与金属材料差异较大。雷达天线罩6.3无机非金属材料简介一.陶瓷概述（1）按照化学成分分：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物等。(2）按照性能、用途分：结构陶瓷：作为结构材料用来制造结构零件，主要使用其力学性能，如强度、韧性、硬度、模量、耐磨性、耐高温性能等。

功能陶瓷：作为功能材料用来制造功能器件，主要使用其物理性能，如电性能、热性能、光性能、生物性能等。1.分类2.性能（1）弹性模量大，即是刚性好，是各种材料中最高的。陶瓷材料在断裂前无塑性变形，属于脆性材料，冲击韧性很低。陶瓷材料内如果内部缺陷，如气孔、裂纹等减少，陶瓷材料的韧性和强度将大大提高。（2）抗压强度比抗拉强度大。陶瓷的抗拉强度与抗压强度之比为1：10（铸铁为1：3）。此外，陶瓷硬度高，一般为1000-5000HV（金刚石为6000-10000HV，淬火钢为500-800HV，塑料小20HV）。(3)熔点高，高温强度高，线胀系数很小，是很有前途的高温材料。用陶瓷材料制造的发动机体积小，热效率大大提高。其在高温下不氧化，抗熔融金属的浸蚀性好，可用来制作坩埚，对酸、碱、盐等都具有良好的耐蚀性。但与金属比，其抗热冲击性差，不耐温温度急剧变化。（4）导电能力在很大范围内变化。大部分陶瓷材料可作为绝缘材料，有的可作为半导体材料，还可以作为压电材料、热电材料和磁性材料等，某些陶瓷具有光学特性，可作为激光、光色、光学纤维等。有的陶瓷材料在人体内无特殊反应，可作为生物医学材料使用。二.普通陶瓷普通陶瓷是用粘土（Al2O3·2SiO2·H2O）、长石（K2O·Al2O3·6SiO2；Na2O·Al2O3·6SiO2）、石英（SiO2）为原料经过烧制而成。这类陶瓷质地坚硬，不会氧化生锈、不导电，能耐1200℃高温，加工成型性好，成本低廉。其缺点是强度较低，高温下玻璃相易软化。种类原料性能用途日用陶瓷粘土、石英、长石、滑石等具有一定的热稳定性、致密性、机械强度和硬度生活器皿建筑陶瓷粘土、长石、石英等具有较好的吸水性、耐磨性、耐酸酸碱腐蚀性铺设地面、输水管道、卫生间电瓷一般用粘土、长石、石英等配置介电强度高，抗拉强度和抗弯强度较高，耐温度急变性能好，有防污染性隔电的机械承件、瓷质绝缘器件化工陶瓷粘土、焦宝石（熟料）滑石、长石等耐酸、碱腐蚀性好，不污染介质石油化工、冶炼、造纸、化纤、制药工业多孔陶瓷原料品种多，如以石英砂、河砂为骨料等做过滤材料，流体从气孔通过时达到净化过滤及均匀化的效果耐强酸、耐高温的多孔陶瓷器件普通陶瓷的种类、性能及用途

三.水泥1.组成与分类组成：水泥的主要化学组成为Ca、Al、Si、Fe的氧化物，其中大部分为CaO，约占60%以上；其次是SiO2，约占2%；剩余的为Al2O3和Fe2O3等，水泥中的CaO来自石灰石，SiO2和Al2O3来自粘土，Fe2O3来自粘土和氧化铁粉。分类：将水泥按用途和性能分为：通用水泥，专用水泥和特性水泥三类。通用水泥主要用于大量的土建工程中，主要有：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥及矿渣、火山灰质、粉煤灰质、复合硅酸盐水泥等六个品种。专用水泥则指有专门用途的水泥，主要有：油井、大坝、砌筑等。特性水泥是某种性能特别突出的水泥，有：快硬型、低热型、抗硫酸盐型、膨胀型、自应力型等。按水硬性矿物组成分为硅酸盐的、铝酸盐的、硫酸盐的、少（无）熟料的等。在硅酸盐水泥中有四种矿物：①硅酸三钙（），简写为C3S）；②硅酸二钙（），简写为C2S）；③铝酸三钙（），简写为C3A）；④铁铝酸四钙(），简写为C4AF)等组成。这四个组分在水泥水化硬化中起到很大的作用。2.水泥的水化、硬化水泥的水化硬化是个非常复杂的物理化学过程，简单概括起来具有以下几个反应：水泥凝结硬化分为三个阶段：溶解期、胶化期和硬化期（结晶期）。溶解期：水泥遇水后，在颗粒表面进行上述的化学反应，生成氢氧化钙,含水硅酸钙,含水铝酸钙。前两个化合物在水中容易溶解，随着它们的溶解，水泥颗粒新表面产生了，再与水发生反应，使周围水溶液很快成为它们的饱和溶液。胶化期：接着溶解期的过程，水分继续深入颗粒内部，使内部产生新生物不能在被溶解，只能够以分散状态胶体析出，并包围在颗粒表面形成一层凝胶薄膜，使水泥浆具有良好的塑性。随着反应继续进行，新生物不断增加，凝胶体逐渐变稠，使水泥浆失去塑性，而表现为水泥的凝结。硬化期：随着胶化期的完成，凝胶体内水泥颗粒未水化部分将继续吸收水分进行反应，因此，胶体逐渐脱水而紧密，同时氢氧化钙及含水铝酸钙也由胶体转变为稳定的结晶相，析出结晶体嵌入凝胶体，两者互相交错，使水泥产生强度。水泥硬化后，生成游离的氢氧化钙微溶于水，但之后会与空气中的CO2生成一层CaCO3硬壳，可防止氢氧化钙溶解。

四.玻璃玻璃是一种无机非晶态材料，由熔体过冷而制得的非晶无机物。它透明、坚硬，有良好的耐蚀、耐热和电学、光学特性，原料丰富、价格低廉，可制成各种形状、大小的制品，应用极广。1.常见玻璃硅酸盐玻璃硼酸盐玻璃2.性能强度脆性弹性模量化学稳定性五.耐火材料材料在高温作用下不熔化的性质称为耐火度，耐火材料是指耐火度不低于1580℃的材料。1.性能基本要求（1）耐火材料的耐火度一定要高于炉子的工作温度。现代工业炉的工作温度一般在1000～1800℃。（2）有较高的荷重软化开始温度。虽然耐火材料的熔点可达1650～1700℃，但在比此低得多的温度下使用会因软化而变形。荷重软化开始温度是指材料在0.2MPa应力下加热到高温开始变形（约为0.6％）的温度。（3）高温时体积稳定性要好。（4）有一定的抗热震性。（5）抵抗酸性渣或碱性渣的侵蚀能力。2.常用耐火材料常用的耐火材料有耐火土砖、高铝砖、轻质砖等。耐火粘土砖是耐火材料中产量最大、使用最广泛的一种材料。所用原料是耐火粘土和高岭土。

六.新型陶瓷与传统陶瓷相比，新型陶瓷与传统陶瓷有以下不同：（1）具有其组成、纯度、粒度得到了精选，组成已超出了传统陶瓷硅酸盐成分范围，是一些纯的氧化物、氮化物、硼化物等盐类或单质；（2）应用领域已经从结构材料扩展到电、光、热、磁等功能材料方面；（3）成型工艺方面应用了等压成形、热压成形等；（4）制品的形态多样，有晶须、薄膜、纤维等。绝缘子热电偶套管密封环陶瓷喷咀耐火材料坩埚常用的工程结构陶瓷的种类、性能及应用6.4无机非金属材料的制备方法无机非金属材料的生产流程均由若干个单元工艺组成，它们有：配料B（粉体机械制备G、粉体的化学制备D、原料的称重W和粉体的均匀化H），熔化M，烧成S，成型F，制品后处理P，另外，原料R和组成C等。下面是各种无机非金属材料的间的生产流程：传统陶瓷：C-R-B(G、W、H)-F-S-P先进陶瓷：C-R-B(D、W、H)-F-S-P水泥：C-R-B(G、W、H)-S-G-H玻璃：C-R-B(G、W、H)-M-F-P一.传统陶瓷制备1.原料石英化学组成SiO2,其不受氟酸以外的酸的侵蚀，在室温下与碱不发生化学反应，硬度较高，所以石英是一种具有耐热性、抗蚀性、高硬度等特征的优异物质。在普通陶瓷中，石英构成了陶瓷制品的骨架，赋予制品耐热、耐蚀等特性。石英的粘性很低，属非可塑性原料，无法做成制品的形状。为了使其具有成型性，需掺入粘土。粘土是一种含水的铝硅酸盐矿物质，主要化学成分为SiO2、Al2O3、H2O、Fe2O3、TiO2等。粘土具有很独特的可塑性与结合性，调水后成为软泥，能塑造成型，烧后变得致密坚硬。长石是一组矿物的总称，为架状硅酸盐结构。其分为四大类：钠长石（Na2O·Al2O3·SiO2）、钾长石（K2O·Al2O3·SiO2）、钙长石（CaO·Al2O3·SiO2）和钡长石（BaO·Al2O3·SiO2）。工艺流程2.生产工艺

（1）挤压成型（2）注浆成型法使用增塑剂与水混合均匀后的粉末作为坯料，由真空挤压机将坯料从挤型口挤出。该方法适合于粘土系陶瓷原料的成型，宜用于制造横截面形状相同的坯体，如棒状、管状等长尺寸坯件。注浆法成型是将制备好的坯料泥浆注入多孔性模型内，由于多孔性模型的吸水性，泥浆贴近模壁的一层被模子吸水而形成均匀的泥层。该泥层随时间的延长而逐渐加厚，当达到所需的厚度时，可将多余的泥浆倾出。最后该层继续脱水收缩而与模型脱离，从模型中取出后即为毛坯，

（3）模压成型:利用压力将干粉坯料在模型中压成致密坯体的一种成形方法

施釉

烧成

烧成过程大致可分为四个阶段：二.水泥制备1.原料生产硅酸盐水泥的主要原料是：石灰质原料，粘土质原料和铁质校正原料。石灰质原料

主要包括石灰岩、泥灰岩、白垩、贝壳等。它们主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等。含量最多为氧化钙。粘土质原料主要包括黄土、粘土、页岩、粉砂岩及河泥等，其中前两者应用最多。它们主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO及部分的K2O、Na2O、SO3等。含量最多为二氧化硅。铁质校正原料当石灰质和粘土质原料配合所得到的生料成分不能符合配料方案时，必须根据所缺少的组分添加此类原料。其中，掺加氧化铁含量大于40%的铁质校正原料最为多见。常用的有低品位铁矿石、炼铁厂尾矿以及硫酸厂工业废渣等。2.制备工艺硅酸盐水泥的生产过程大致可以范围三个阶段：生料制备、熟料煅烧和水泥粉末。

生料制备熟料煅烧水泥粉磨(1)形成玻璃的物质单一形成玻璃的氧化物如SiO2、B2O3等；有条件形成玻璃的氧化物如TeO2、SeO2、Al2O3、V2O5等，它们本身不能形成玻璃，但能与某些氧化物如SiO2一起形成玻璃。(2)形成玻璃的条件玻璃形成的规律主要决定于内在结构，即化学键的类型和强度、负离子团的大小、结构堆集排列的状况等。三.玻璃制备1.玻璃的形成2.玻璃生产工艺(1)滚压：这种方法广泛应用于平板玻璃生产。原料熔化后，流经两滚筒，并严格控制温度在合适的粘度下滚压成平板玻璃，然后使板材穿过一个长退火炉。为了得到表面光洁度高、平整的板材，可使玻璃熔体流经液态锡的浮池上面，池内保持可控制的加热气氛以防止氧化，成型板材穿过退火炉即得成品。目前国内的茶色玻璃大多是用较先进的浮法生产。(2)压制和吹制：这种方法广泛应用于容器制造。先将粘性玻璃块放入摸具中压制，然后移去半个模具，以最终形状的模具代替，吹制成所要求的外形.。(3)浇铸：将玻璃熔体注入模具里完成浇铸，例如浇铸光学玻璃镜片等。浇铸电视机显像管壳时，为了使熔融玻璃充满模具，还需使模具旋转，称为离心浇铸。(4)熔融抽丝：玻璃纤维的制备与聚合物纤维的制备方法类似，熔融玻璃料流过多孔加热铂板而成纤维状，纤维在缠绕的同时进行牵引，最后得到玻璃纤维。四.功能陶瓷制备

特种陶瓷也称为精细陶瓷、先进陶瓷、新型陶瓷等。特种陶瓷制品区别于普通陶瓷的主要特征是：原料系人工合成而非天然；制品基本是由骨架材料成分构成。1.氧化物陶瓷制备(1)预烧：预烧使原料中的γ－A12O3全部转变为α－A12O3，减少烧成收缩。预烧还能排除原料中大部分Na2O杂质。(2)原料的细磨：由于工业A12O3是由氧化铝微晶组成的疏松多孔聚集体．很难烧结致密。为了要破坏这种聚集体的多孔性，必需将原料细磨。但过细磨，也可能使烧结时的重结晶作用很难控制，导致晶粒长大、降低材料性能。(3)酸洗：如果采用钢球磨粉磨，料浆要经过酸洗除铁。盐酸能与铁生成FeCl2或FeCl3而溶解．然后再水洗以达到除铁的目的。(4)成形：把经酸洗除铁并烘干备用的原料采用下压、挤制、注浆、乳膜、捣打、热压及等静压等方法成形．以适应各种不同形状的要求。(5)烧成：烧成制度对刚玉制品的密度及显微结构起着决定性作用，从而对性能也起着决定性作用。适当地控制加热温度和保温时间，可获得致密的具有细小晶粒的高质量瓷坯。(6)表面处理：对于高温、高强度构件或表面要求平整而光滑的制品，烧成后往往要经过研磨及抛光．（1）原料的获得SiC是将石英、碳和锯末装在电弧炉中合成而得。合成反应为：反应温度一般高达1900-2000℃右左．最终得到β－SiC及。α－SiC的混合物。其中α－SiC属于六方结构，在高温下是稳定相。而β－SiC属于等轴结构，在低温下是稳定相。β－SiC向α－SiC转变温度约为2100～2400℃。Si和C原子之间以共价键结合。（2）SiC陶瓷的生产工艺SiC难以烧结，因而必须加入烧结促进剂，如B4C9以及A12O3等。然后将粒度为1μm左右的原料采用注浆、干压或等静压成形。于2100℃烧结。其气孔隙约10％。采用热压法得到的产品其密度得到进一步改善，达到理论密度的99％以上。2.碳化物陶瓷制备3.氮化物陶瓷制备（1）Si3N4原料的获得

工业合成Si3N4有两种方法。一种是将硅粉在氮气中加热：另一种方法是用硅的卤化物(SiCl4、SiBr等)与氨反应所得到的Si3N4粉末一般都是α相与β相的混合物，其中α-Si3N4在1100-1250℃生成的低温相，β-Si3N4是在1300-1500℃下生成的高温相。α相加热到1400～1600℃开始变为β相。到1800℃转变结束。这一转变是不可逆的。3.氮化物陶瓷制备（2）Si3N4陶瓷的生产工艺

Si3N4陶瓷的生产方法有反应烧结法和热压烧结法。反应烧结法的主要工艺过程如下：将Si粉或Si粉与Si3O4粉的混合料按一般陶瓷生产方法成形，然后在氮化炉内于1150～1200℃预氮化，获得一定的强度之后，可在机床上进行车、刨、钻、铣等切