材料学导论全册配套完整课件

材料学导论全册配套完整课件《材料学导论》材料是人类文明发展的物质基础内容：学习材料学的基本知识；主要涉及到各种材料的组成、结构、性能、应用以及它们之间的关系。目的：材料类专业的入门课及专业基础课之一。了解材料的基本知识，逐步扩大材料的专业知识面，培养分析和解决有关材料问题的初步能力。材料的定义与分类材料的地位和作用材料的性质材料学的形成和发展第一章绪论1.1、材料的定义

材料是人类用来制造有用的构件、器件或物品的物质。材料与物质的区别：①

对材料而言，可采用“好”或“不好”等字眼加以评价，对物质则不能这样；②

材料总是和一定的用途相联系的；③

材料可由一种物质或若干种物质构成；④

同一种物质，由于制备方法或加工方法的不同，可成为用途各异的不同类型的材料。1.2、材料的类别按化学组成和结构特点：金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料按材料性能：结构材料、功能材料按使用领域：建筑材料、电子材料、耐火材料、医用材料……请说出装可口可乐的瓶子材料类型请指出汽车上的材料类型材料是人类社会发展的基础和先导，是人类社会进步的里程碑和划时代的标志。材料、能源、信息被称为人类社会的“三大支柱”。2、材料的地位和作用

纵观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大变革，甚至引起一次世界性的技术革命，大大地加速社会发展的进程，从而把人类物质文明推向前进。人类文明的发展史就是材料的发展史材料的发展史就是人类文明的发展史石器时代、青铜器时代、铁器时代、•

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•、半导体时代300多万年历史?青铜器时代两次工业革命都是以新材料的发明和广泛应用为先导的第一次工业革命（18世纪）：制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。第二次工业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。是高技术发展的基础是工业革命和产业发展的先导新材料材料强度密度比在不同年代里的进展(材料比强度提高了约50倍)0246810<BC180019002000年份强度/密度（ln×10）铝木材石料青铜铸铁钢复合材料碳纤维芳香族酰胺纤维6现代涡轮喷气发动机３０年代气冷式航空发动机蒸汽机由于采用了现代材料，使发动机工作温度急剧上升，因而发动机的理论效率大大提高。航空发动机发动机的叶片材料是发动机性能的关键20201950196019701980199020002010900110015001300材料的表面温度(℃)1700单晶合金普通铸件定向凝固超级合金共晶合金弥散强化超级合金隔热涂层陶瓷复合材料碳-碳在发动机上叶片材料应用的年份纤维增强超级合金合金晶粒结构的变化（约1970年代）高压喷气室（HPT）的叶片组有隔热镀层的中空的叶片材料结构及其温度分布109316495381490C3150C6490C10930C19270C航空发动机温度一次大战水冷式30年代空冷式风扇喷气发动机涡轮喷气发动机超音速燃烧冲压式喷气发动机温度（0C）30年代教练机二次大战战斗机80年代截击机航天飞机东方快车号/冲压10931649538490C93.30C4270C10930C16490C不同类型的飞行器蒙皮温度温度（0C）神州飞船(6号）返回舱着陆后的状态1200~1800℃神州飞船(6号）碳素工具钢钨钴铬硬质合金烧结碳化钨金属陶瓷陶瓷多晶金刚石高速钢立方氮化硼材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料材料玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃我国水泥、玻璃、陶瓷产量连续多年稳居世界第一半导体材料与半导体产业的发展1947年第一个晶体管在Bell实验室发明1958年第一块集成电路于TI公司发明各种晶体管和电子器件生产硅单晶及硅晶片芯片chip晶片wafer不断追求廉价而高性能晶片芯片theENIACfilledanentireroom,weighedthirtytons,andconsumedtwohundredkilowattsofpower.笔记本电脑现在Intel多核处理器-CPU的集成度达到10亿个晶体管，采用了32nm技术。

晶体管小到用电子显微镜都难以观察。第三代半导体材料－宽禁带半导体SiC,GaN,ZnO等，半导体是一种宽禁带半导体材料，是继第一代半导体材料硅（Si）和第二代半导体材料砷化镓（GaAs）后，发展起来的第三代半导体材料。在高技术中，尤其是军用和光电子领域有优势，可以应用于：1）高温器件2）高功率器件3）高频高速4）发光与激光导热率使用温度电子漂移速度击穿电压SiSiC(使用温度>500ºC)SiC与Si使用范围比较SiC研究和应用现状高质量大尺寸的SiC晶体几乎被美国Cree公司垄断。我国生产器件用的SiC晶体全部依赖进口。2英寸晶片售价为：500－800美元/片SiC是一种战略性材料发光二极管（LED）

硅材料为什么不能用来做发光二极管？材料性质描述力学性质物理性质化学性质强度硬度刚度塑性韧性电学性质磁学性质光学性质热学性质催化性质防腐性质3、材料的性质材料性质：是材料的功能特性和效应的描述，是材料对电.磁.光.热.机械载荷的反应。3.1

力学性质材料在力的作用下所表现出的特性即为材料的力学性质。（1）弹性模量弹性模量是指材料在弹性极限范围内，应力与应变（即与应力相对应的单位变形量）的比值，用E表示，即：

（2）强度在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。(有多种强度类型）材料在外力作用下发生塑性变形的最小应力叫屈服强度，用σs表示。工程上规定，试样产生0.2%塑性变形时的应力值为该材料的条件屈服强度，记为σ0.2。抗拉强度是将试样在拉力机上施以静态拉伸负荷，使其破坏（断裂）时的载荷。弯曲强度是指采用简支粱法将试样放在两支点上，在两支点间的试样上施加集中载荷，使试样变形直至破裂时的载荷。压缩强度是指在试样上施加压缩载荷至破裂（对脆性材料而言）或产生屈服现象（对非脆性材料而言）时，原单位横截面积上所能承受的载荷。

（3）塑性材料在断裂前发生永久变形的能力叫塑性，以材料断裂后的永久变形为衡量。塑性指标有延伸率和断面收缩率：σ与ψ越大，材料的塑性越好。（4）硬度硬度是衡量材料软硬程度的指标，反映材料表面抵抗微区塑性变形的能力。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等，还常用莫氏硬度。（5）韧性韧性是指材料抵抗裂纹萌生与扩展的能力。度量韧性的指标有两类。一类是冲击韧性，用材料受冲击而破断的过程所吸收的冲击功的大小来表征材料的韧性。另一类是断裂韧性，用材料裂纹尖端应力强度因子的临界值K1C来表征材料的韧性。（6）疲劳强度疲劳强度指材料抵抗交变载荷的性能。交变载荷是指大小和（或）方向重复循环变化的载荷。在交变应力作用下，即使应力的最大值低于材料的屈服强度，材料经较长时间的工作也会发生断裂，这种现象称为材料的疲劳。当应力低于某数值时，在无限多的循环周次下，材料仍不断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳极限。3.2

电学性质（1）导电性材料导电性的量度为电阻率或电导率。电阻R与导体的长度l成正比，与导体的截面积S成反比，即：一般来说，金属材料及部分陶瓷材料和部分高分子材料是导体，普通陶瓷材料与大部分高分子材料是绝缘体。（2）介电常数当电压加到两块中间是真空的平行金属板上时，板上的电荷Q0与施加电压V成正比比例系数C0就是电容。如果两板间放入绝缘材料，在相同电压下，电荷增加了Q1，则Q＝

Q0＋

Q1＝CV电介质引起电容量增加的比例，称为相对介电常数ε物理性质的交互性-材料应用的关键点现代功能材料不仅仅表现出单一的物理性质，更重要的是具备了特殊的物理交互性。例如：电学----力学 电致伸缩力学----电学 压电特性磁学----力学 磁致伸缩电学----磁学 巨磁阻效应电学----光学 电致发光

------3.3

热学性能热容：1mol固体温度升高1K时所吸收的热量J/（mol·K）热导率：单位时间内在1K温差的1cm3正方体的一个面向其所对的另一个面流过的热量，单位J/（cm·s·K）。热膨胀系数：单位长度物体的长度随温度的变化率，单位K-1

。使用性能（效能）：是指材料在某种环境或条件作用下，最终使用状态（产品或元件）下表现出的行为。性质与使用性能（效能）的区别与关系成分结构环境性质规格使用性能所以，性质是材料本身特征的体现；使用性能则是包括材料在内的整个系统特征的体现。材料的应用要考虑以下几个因素：一、材料的使用性能二、使用寿命及可靠性三、环境适应性（包括生产过程与使用期间）四、价格4、材料学的形成和发展五十五万年前 人类学会用火原始社会末期 用火烧制陶器商、周时期釉陶、炉温提高到1200℃东汉 瓷器（中国十分领先）*九世纪

非洲东部和阿拉伯国家*十三世纪

日本*十五世纪

欧洲4.1古代中外材料发展史对比夏（公元前2140）以前青铜冶炼制备各种工具、食器、兵器。春秋战国出现铁器。西汉时期炼铁技术有了很大提高，采用煤作炼铁的燃料比欧洲早1700多年。从西汉到明朝的一千六百年间，我国铁生产技术远远超过世界各国。4.2材料科学的提出与建立材料科学是在金属学、陶瓷学、高分子科学的基础上，结合物理、化学发展起来的。不同材料尽管各有特点，但它们之间却有相通的原理、共性和相似的研究、生产方法。材料科学：是有关材料成分、结构与工艺对于材料性质与用途的影响规律的知识与运用。可以说，材料科学是一种近年来形成的交叉学科和应用科学，与工程技术的联系较为密切，所以人们往往把材料科学与工程联系在一起，称之为“材料科学与工程”。近年来，又称为“材料科学技术”。材料工程是指运用材料科学的理论知识和经验知识，为满足各种特定需要而发展、制备和改进各种材料的工艺技术。地质采矿矿冶化工冶金陶瓷高分子物理材料科学与工程化学矿1879188818881937193719661975

美国MIT矿冶及材料系名称的演变年系名称1865~1879地质与采矿工程1879~1884采矿工程1884~1888采矿工程（地质、采矿、冶金）1888~1890采矿与冶金1890~1927采矿工程与冶金1927~1937采矿与冶金1937~1966冶金1966~1975冶金与材料科学1975~现在材料科学与工程材料科学的内容可以用一个四面体来表示，也就是材料科学是研究一种材料的成分（结构）、合成（工艺）、性质与效能及它们之间的关系。4.3材料科学的内容效能(performance)性质（properties)成分与结构(composition/structure)合成与工艺(synthesis/processing)4.4材料科学的任务材料科学是一门交叉性学科和应用科学，它是物理、化学、冶金学、金属学、高分子科学、计算科学等学科相互融合与交叉的结果，是与实际应用结合非常密切的科学，也是一个正在发展的科学，随有关学科的发展而得到充实和完善。根本任务是揭示材料成分、结构与性质的内在关系，设计、合成并制备出具有优良使用性能的材料，以满足工农业生产、国防建设和现代科学技术发展对材料日益增长的需要。21世纪重点发展的高技术领域的材料

新材料技术群体性突破，将对21世纪基础科学和几乎所有工业领域产生革命性影响纳米材料是前沿技术中前瞻性和带动性领域之一。电子信息材料发展迅速（光电子材料、光子材料）。新型功能材料及其应用技术面临新的突破（超导材料、智能材料、生物医用材料）。新型结构材料发展前景乐观（高温合金、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）。纳米时代材料专业激动人心的领域、广阔的用途充满着各种挑战和机遇就业面广阔，满怀信心面向未来1.名词解释：材料、材料科学2.材料科学的内容及任务。3.举例说明材料在人类文明进程中的作用。作业2024/9/477化学成分分析2024/9/478物相成分分析2024/9/4792024/9/480第二章无机非金属材料2024/9/481无机非金属材料概论陶瓷材料（普通陶瓷、特种陶瓷）玻璃材料胶凝材料本章主要内容2024/9/4821、什么是无机非金属材料？无机非金属材料：主要是指由一种或多种金属元素同一种非金属元素(如O,S,C,N等,通常为O)所形成的化合物，多为金属氧化物和金属非氧化物。也可以认为

金属材料和有机高分子材料以外的固体材料通称无机非金属材料。2024/9/483无机非金属材料(又一种表述）指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物（包括硫化物、硒化物及碲化物）和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。无机非金属材料包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料以及新型无机材料等。其中陶瓷一词，随着与陶瓷工艺相近的无机材料的不断出现，其概念的外延也不断扩大。广义的陶瓷概念几乎与无机非金属材料的含意相同。2024/9/484无机非金属材料的名目繁多，用途各异，目前尚没有统一而完善的分类方法。通常把它们分为传统（普通）无机非金属材料和新型（特种）无机非金属材料两大类。如何分类？难！普通陶瓷－－特种陶瓷普通玻璃－－特种玻璃普通水泥－－特种水泥……

2024/9/485主要特性熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐氧化、弹性模量大、强度高。一般为脆性材料2024/9/4862、陶瓷材料2.1陶瓷的概念陶瓷(ceramics)是以非金属矿物或化工产品为原料，经原料处理、成型、烧成等工序制成的产品。2.2

陶瓷的分类早期，陶瓷是陶器与瓷器的总称。瓷器的坯体致密，基本上不吸水，有一定的半透明性，通常施釉，敲之声音清脆。陶器通常有一定吸水率，断面粗糙无光，不透明，敲之声音粗哑，有的无釉，有的施釉。2024/9/487古代各种陶制品2024/9/488各种瓷器2024/9/489传统的陶瓷如日用陶瓷、建筑陶瓷等是用粘土类及其它天然矿物原料经粉碎加工、成型、烧成等过程而得的器皿。这类陶瓷可称为传统（普通）陶瓷。随着生产和科学技术的发展，对陶瓷制品的性能与应用提出了新的要求，因而制成了许多新品种，它们的生产过程虽然还是原料处理、成型、烧成等这种传统的方式，但采用的原料已扩大到高度精选的天然原料或人工合成原料，使用高度可控的生产工艺，因而往往具有一些特殊的性能，相对于传统陶瓷，这类陶瓷制品称为新型（特种）陶瓷。

2024/9/4902024/9/4912024/9/4922.3

陶瓷材料的化学键及显微结构

陶瓷材料的化学键陶瓷材料是以离子键（如MgO、Al2O3）、共价键（如Si3N4、BN）以及离子共价混合键（SiO2）结合在一起。金属氧化物主要是离子键结合。由于离子键没有方向性，只要求正负离子相间排列并尽量紧密堆积，因而离子晶体的密度较高，键强度也较高。这类材料强度高、硬度高，但脆性大。离子晶体固态绝缘，熔融后可导电。2024/9/493共价键具有方向性与饱和性，这就决定了共价晶体中原子的堆积密度较小。共价晶体键强度较高，且具有稳定的结构，故这类材料熔点高、硬度高、脆性大，热膨胀系数小。虽然陶瓷材料的键性主要为离子键和共价键，但实际上许多陶瓷的结合键是混合键结合，既有离子性，又有共价性。2024/9/494陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的显微结构通常由三种不同的相组成，晶相、玻璃相和气相。晶相：陶瓷材料中最主要的组成相，晶相一般由原料带入或玻璃相析晶而成。晶相分为主晶相和次晶相。主晶相是构成材料的主体，其性质、数量及结合状态，直接决定材料的基本性质。2024/9/495玻璃相：是一种低熔点的非晶态固体，是材料在高温烧成过程中，由于化学反应或熔融冷却形成的。通常，其机械强度要比晶相低一些，抗冲击强度要高一些，在较低温度下开始软化。

玻璃相的作用，①充填晶粒间隙，粘结晶粒，提高陶瓷材料的致密程度；②降低烧成温度，改善工艺；③抑制晶粒长大。2024/9/496气相（气孔）：大部分气孔是在工艺过程中形成并保留下来的，有的气孔则通过特殊的工艺方法获得。气孔含量在0～90％之间变化，陶瓷的许多电性能和热性能都随气孔率、气孔尺寸及分布的不同在很大范围内变化。2024/9/4972024/9/4982024/9/4992.4陶瓷材料的性能2.4.1机械性能（1）弹性模量陶瓷材料具有牢固的离子键和共价键，其弹性模量比金属材料的弹性模量大得多，大约在103～104MPa之间甚至更高。陶瓷材料的弹性模量除了与结合键有关外，还与组成相的种类、分布、比例及气孔率的大小有关。2024/9/4100（2）强度①陶瓷材料在理论上具有很高的断裂强度，但实际断裂强度往往比金属材料低得多。②抗压强度比抗拉强度大得多，其差别程度大大超过金属。③气孔和材料密度对陶瓷断裂强度有很大影响。④陶瓷材料耐热冲击性较差，严重限制了陶瓷材料在急冷急热条件下的使用。⑤晶粒愈小，强度愈高。

2024/9/4101（3）塑性与韧性陶瓷材料最突出的弱点是很低的塑性与韧性。只有极少数具有简单晶体结构的陶瓷材料在室温下具有塑性。如MgO、KCl、KBr等。一般的陶瓷材料在室温下塑性为零。这是因为大多数陶瓷材料晶体结构复杂，滑移系统少，位错生成能高，而且位错的可动性差，通常呈现典型的脆性断裂。（4）硬度陶瓷、矿物材料常用莫氏硬度和维氏硬度来衡量材料抵抗破坏的能力。莫氏硬度是以陶瓷、矿物之间相互刻划能否产生划痕来确定，只能表示材料硬度的相对大小。一般陶瓷的硬度较大。2024/9/41022.4.2热性能（1）热容陶瓷材料的摩尔热容对结构变化不敏感，但单位体积的热容却与气孔率有关，由于多孔材料质量轻，所以单位体积热容小。因此，多孔轻质耐火砖的温度上升所需的热量远低于致密的耐火砖。（2）热膨胀陶瓷材料的线膨胀系数约为（10-5~10-7）/℃。陶瓷的线膨胀系数一般低于高聚物和金属。2024/9/4103（3）导热性陶瓷的热传导主要依靠于原子的热振动。由于没有自由电子的传热作用，陶瓷的导热性比金属小。陶瓷多为较好的绝热材料。（4）热稳定性热稳定性就是抗热震性，是指材料承受温度的急剧变化或在一定温度范围内冷热交替而不致破坏的能力。陶瓷的热稳定性很低，比金属低得多。这是陶瓷的一个主要缺点。2024/9/41042.4.3电性能（1）电导率陶瓷材料在一般情况下没有自由活动的电子，电阻率比较低，绝大部分陶瓷都是良好的绝缘体。随着科学技术的发展，某些陶瓷材料的半导性和导电性已被人们发现，随之制成各种半导体陶瓷及导电陶瓷。2024/9/4105（2）介电常数大部分离子晶体的介电常数为ε=5~12，但有少数晶体的介电常数很高。如金红石（TiO2）晶体的ε=110~114，钙钛矿（CaTiO3）晶体的ε=150。这类晶体的晶体结构比较独特，在外电场作用下，由于离子之间的相互作用，引起了极其强大的内电场。在此内电场作用下，离子的电子壳层发生强烈变形，离子本身也发生强烈的位移，使材料具有很高的介电常数。2024/9/4106（3）介电损耗当电介质在电场作用下，单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质的损耗功率或简称为介质损耗，用损耗角正切tan表示。介质损耗是所有应用于交流电场中电介质的重要指标之一。介质损耗不但消耗了电能，而且由于温度上升可能影响元器件的正常工作；介质损耗严重时，甚至会引起介质的过热而破坏绝缘性质。

2024/9/4107漏导损耗：因电导而引起的介质损耗为漏导损耗。极化损耗：一切介质在电场中均会呈现出极化现象。除电子、离子弹性位移极化基本上不消耗能量外，其它缓慢极化（如松驰极化）在极化的缓慢建立过程中都会因克服阻力而引起能量损耗，这种损耗一般称为极化损耗。陶瓷材料是由晶相、玻璃相、气相组成，其能量损耗主要来源于漏导损耗、松驰质点的极化损耗及结构损耗。

在结构紧密的离子晶体中，极化损耗很小，一般是由漏导引起。以这类晶体为主晶相的陶瓷往往用在高频的场合，如刚玉瓷、滑石瓷等。2024/9/4108（4）绝缘强度电介质能绝缘和储存电荷，是指在一定的电压范围内，即在相对弱电场范围内，介质保持介电状态。当电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态，这种现象称介质的击穿。陶瓷材料的击穿强度一般为4～60kV/mm。

2024/9/41092.4.4光学性能随着遥感、计算机、激光、光纤通讯、自动化等技术的发展和“透明陶瓷”的出现，陶瓷材料在光学领域有了较重要的应用。光学材料的性质一般指材料对各种光和射线的反射、透射、折射和吸收等性质。对陶瓷材料，主要是指其透光性。为了提高陶瓷的透光性，一般使用高纯原料，加入抑制晶粒长大的掺杂剂，采用适当的工艺排气孔制备细晶的透明陶瓷材料。2024/9/41102.4.5化学稳定性陶瓷的结构非常稳定。在以离子晶体为主的陶瓷中，金属原子为氧原子所包围，被屏蔽在其紧排列的间隙之中，很难再同介质中的氧发生作用，甚至在千度以上的高温下也是如此，所以具有很高的耐火性能或不可燃性，是很好的耐火材料。另外，陶瓷对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抗蚀能力，与许多金属的熔体也不发生作用，所以也是很好的坩埚材料。2024/9/41113、普通陶瓷3.1普通陶瓷的生产过程普通陶瓷又称传统陶瓷，是以天然存在的矿物为主要原料的陶瓷制品。其生产工艺流程如下：原料精选坯料制备成型干燥烧成制品2024/9/4112①石英石英具有耐热、抗蚀、高硬度等性质，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。可塑性：在陶瓷工业中，可塑性是指泥料在外力作用下能被塑造成各种形状，在外力除去后，仍能保持这种形状的性能。（1）原料精选普通陶瓷中必不可少的三组分是石英、粘土和长石。2024/9/4113②粘土

粘土是一种含水铝硅酸盐矿物,层状结构，主要化学成分为SiO2、Al2O3、H2O、Fe2O3、TiO2等。粘土具有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。③长石

长石是一族矿物的总称，为架状硅酸盐结构。长石在高温下为有粘性的熔融液体，并润湿粉体，作为助熔剂能溶解一部分粘土及部分石英，促进成瓷反应的进行，并降低烧成温度。上述三组份，石英骨架成分、粘土提供可塑性、长石为助熔剂2024/9/4114（2）坯料制备陶瓷原料经过配料和加工后成为坯料，根据陶瓷制品的性质以及制品所用的成型方法，制成可塑料、注浆料和压制粉料。2024/9/4115（3）成型①半干法成型（8％～15％的水）：利用外部机械压力，使具有一定可塑性的泥料压缩并形成具有一定尺寸、形状和强度的坯体的成型方法。②注浆成型（40％左右的水）：将制备好的泥浆注入多孔性模型内，泥浆在贴近模壁处的一层被模子吸去水分，形成一均匀的泥层，并随时间延长而逐渐加厚，达到一定厚度后，倒出多余泥浆，泥层继续脱水并与模型脱离，最后按模型形状形成坯体。2024/9/4116③可塑成型法(20%左右的水)：将预制好的坯料投入挤泥机中，挤成泥条，然后切割，按所需制成荒坯，再用手工或压机压制，使坯体具有规定的形状和尺寸。2024/9/4117（4）生坯的干燥使含水物料（如湿坯、原料、泥浆等）中的液体水汽化而排除水分的过程，称为干燥。成型后的各种坯体还呈可塑状态，在运输和再加工过程中很容易变形或破损。为提高成型后坯体的强度，还要进行干燥，以除去一部分水分，使坯体失去可塑性。经过干燥的坯体，也可以在烧成初期经受快速升温，从而缩短烧成周期，提高窑炉的周转率，节约能耗。

2024/9/4118（5）烧成

经过成型及干燥过程后，生坯中颗粒之间只有很小的附着力，因而强度相当低。要使颗粒相互结合使坯体形成较高的强度，只有在无液相或有液相的烧结温度下才能实现。

目的:是去除坯体内所含溶剂、粘结剂、增塑剂等，并减少坯体中的气孔，增强颗粒间的结合强度，并产生玻璃和莫来石等新的物相。

2024/9/41192024/9/41202024/9/41214、特种陶瓷特种陶瓷是指相对于普通陶瓷而言，新发展起来的陶瓷，主要包括以耐高温、高耐磨、耐腐蚀为特征的结构陶瓷，如轴承陶瓷；以及进行能量和信号转换的功能陶瓷，如压电陶瓷。特种陶瓷与普通陶瓷的区别:(1)在原材料方面

普通陶瓷以天然矿物如粘土、石英和长石等为主要原料;而特种陶瓷则使用经人工合成的高质量的粉体作为主要材料。2024/9/4122(2)在结构方面

普通陶瓷材料由于化学和相组成的复杂多样，杂质成份和杂质相众多而不易控制，显微结构粗劣而不够均匀，多气孔；特种陶瓷则一般化学和相组成较简单明晰,纯度高，即使是复相材料，也是人为调控设计添加的，所以特种陶瓷材料的显微结构一般均匀而细密。(3)制备工艺方面普通陶瓷用的矿物经混合可直接用于湿法成型，材料的烧结温度较低，烧成后一般不需加工；而特种陶瓷用高纯度粉体一般添加有机的添加剂才能适合于干法或湿法成型，材料的烧结温度较高，烧成后一般尚需加工。2024/9/4123（4）在性能和用途方面特种陶瓷不仅后者在性能上远优于传统陶瓷，而且特种陶瓷材料还发掘出普通陶瓷材料所没有的性能和用途。普通陶瓷材料一般限于日用和建筑使用；特种陶瓷具有不同的特殊性质和功能，从而使其在高温、机械、电子、宇航、医学工程等方面得到广泛的应用。2024/9/41242024/9/4125特种陶瓷的主要制备工艺是粉末制备，成型和烧结。其工艺流程图如下：4.1特种陶瓷的制备工艺粉体制备原料处理成型烧结加工成品热成型2024/9/41264.1.1粉体制备方法特种陶瓷的原料具有下述特点：纯度高；颗粒细小；只加入很少甚至完全不加入助熔剂与提高可塑性的添加剂；采用原料是人工合成的粉末原料。目前制取特种陶瓷用粉体原料的方法有粉碎法和合成法两类。合成法包括固相法、液相法和气相法。（1）粉碎法机械磨细是制取粉末原料最传统的方法。2024/9/4127（2）固相法制备陶瓷粉体①化学反应法

BaCO3+TiO2→BaTiO3+CO2↑

②热分解反应法

CaCO3→CaO+CO2↑③氧化物还原法

SiO2+2C→SiC+CO2

↑④直接固态反应法

Si+C=SiC

2024/9/4128（3）液相法制备陶瓷粉体①沉淀法沉淀法是在可溶性前驱物溶液中添加适当的沉淀剂，使得溶液中的阳离子生成不溶性沉淀，然后再经过滤、洗涤、干燥、加热分解等工艺来合成粉体，该法具有反应过程简单、成本低等优点。②溶胶-凝胶法（Sol-Gel法）将金属氧化物或氢氧化物的溶胶变为凝胶，经干燥、煅烧，制得高纯度超细氧化物粉末。③水热法是指在密封压力容器中，以水或其他溶剂作为溶媒（也可以是固相成分之一），在高温（＞100℃）、高压条件下制备、研究材料的一种方法。2024/9/4129（4）气相法制取陶瓷粉体①蒸发-凝聚法（PVD）

将原料用电弧或等离子体高温加热至气化，然后在加热源与环境之间很大的温度梯度条件下急冷，凝聚成粉状颗粒。②化学气相反应法（CVD）

化学气相反应法是采用挥发性金属化合物蒸气通过化学反应合成所需物质的方法。

2024/9/41304.1.2成型技术模压成型、注浆成型等技术可用于特种陶瓷的成型。此外，为了保证特种陶瓷制品的优异性质，可采用以下方法成型，以提高坯体的致密度、均匀性或尺寸精度等。（1）冷等静压法（2）注射成型法（3）轧模成型2024/9/41314.1.3烧结技术（1）普通烧结普通陶瓷多半在隧道窑中进行。但特种陶瓷主要在电炉中进行。采用的烧结气氛由产品性能需要和经济因素决定，可以用保护气氛（如氩、氮气等），也可在真空或空气中进行。（2）热压烧结将干粉末填入模具内，再从单轴方向施加压力，并同时进行烧结。这个一种成型与烧结同时进行的工艺方法。采用热压烧结，使烧结机理由以扩散为主变为塑性流动为主，从而可在较低温度下进行烧结，而且得到的烧结体气孔率低，组织致密。2024/9/4132（3）热等静压烧结热等静压烧结是使材料在加热过程中经受各向均衡的气体压力，在高温高压同时作用下使材料致密化的烧结工艺。此外还有反应烧结、液相烧结、自蔓延高温合成烧结等。2024/9/4133特种陶瓷从性能上可分为结构陶瓷和功能陶瓷

结构陶瓷是指具有力学和机械性能及部分热学和化学功能的先进陶瓷，特别适于高温下应用的则称为高温结构陶瓷。

功能陶瓷是指那些利用电、磁、声、光、热、力等直接效应及耦合效应的先进陶瓷。随着科学技术的发展，新材料不断出现，结构陶瓷与功能陶瓷的界限也逐渐淡化，有些材料同时具备优越的结构性能与优良的功能。

2024/9/4134

功能陶瓷：电、光、磁、弹性及部分化学功能特种陶瓷

结构陶瓷：机械、耐热性及部分化学功能2024/9/4135结构陶瓷应用耐热方面：发动机及高温耐热部件机械方面：耐磨部件、轴承、切削工具、内燃机部件等。化学生物方面：耐腐蚀部件、催化剂载体以及人造骨头等。4.2结构陶瓷2024/9/41362024/9/4137（1）氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷又称刚玉瓷，氧化铝陶瓷一般是指以α-Al2O3为主晶相的陶瓷材料，其Al2O3含量在75％～99.9％之间。是用途最广泛，原料最丰富，价格最低廉的一种高温结构陶瓷。根据Al2O3含量和添加剂的不同，有不同系列的氧化铝陶瓷，例如Al2O3含量在75%，85％，95％和99%的分别称为75瓷，85瓷，95瓷和99瓷；根据其主晶相的不同又可分为莫来石瓷、刚玉-莫来石瓷和刚玉瓷；根据添加剂的不同又分铬刚玉、钛刚玉等。2024/9/4138Al2O3陶瓷制品具有耐高温、耐腐蚀、高强度等性能，所以可以作为冶炼高纯金属和生长单晶用的坩埚以及各种高温炉的结构件，发动机用的火花塞、耐热涂层等。在化工领域可用作各种反应器皿、反应管道、化工泵等。氧化铝含量高于95%以上的Al2O3陶瓷具有优异的电绝缘性能和较低的介质损耗特点，在电子、电器方面十分应该广阔的应用领域。利用Al2O3高强度、硬度和耐磨性，可制作机械部件、拉丝模、固体物料喷嘴、刀具、磨料、磨具、装甲防护材料、人造骨等。2024/9/4139（2）

氧化锆陶瓷二氧化锆（ZrO2）有三种晶型。当由四方ZrO2冷却时转变到单斜ZrO2时，体积膨胀，且转变温度为1000℃左右。由于二氧化锆单斜型与四方型之间的可逆转变有体积效应，使陶瓷烧成时容易开裂。加入适量的CaO，MgO，Y2O3等氧化物，使得二氧化锆冷却时没有体积效应，经过处理的二氧化锆称为稳定二氧化锆。ZrO2陶瓷有很好的力学性能，同时热传导系数小，隔热效果好，而热膨胀系数又比较大，比较容易与金属部件匹配，在目前所研制的陶瓷发动机中用于汽缸内壁、活塞、缸盖板、气门座和气门导杆，其中某些部件是与金属复合而成的。

2024/9/41404.3功能陶瓷功能陶瓷和结构陶瓷的产值比约为3∶1，世界功能陶瓷的产值约70—80亿美元，按品种及产值百分率分以下几种：电容器21%磁性瓷18%压电瓷11.4%热敏电阻5.6%传感元件5.1%基片2.4%变阻器1.9%陶瓷封装15—16%主要用于以下行业：计算机、通信、电视、广播、家用电器、空间技术、自动化、汽车及医疗等。2024/9/4141

2024/9/4142近几年功能陶瓷有以下几方面发展趋向：①微电子技术推动下的微型化(薄片化)和高速度化；②在安全和环保的促进下，发展传感器和多孔瓷；③重视各种功能材料的复合技术；④开始进入智能化阶段2024/9/41434.3.1电介质陶瓷材料可按其对外电场的响应方式分为两类:一类以电荷长程迁移级即以传导的方式对外电场作出响应，这类材料称为导电材料。另一类以感应的方式对外电场作出响应，即沿电场方向产生电偶极矩或偶极矩的改变，这类材料称为电介质，这种现象称为电介质的极化。通常，绝缘体都是典型的电介质。2024/9/4144电介质陶瓷是指电阻率大于108Ω·m的陶瓷材料，能承受较强的电场而不被击穿。电介质压电体热释电体铁电体图2－1各种电介质陶瓷间的相互关系

2024/9/4145（1）电绝缘陶瓷绝缘材料在电气电路或电子电路中所起的作用主要是根据电路设计要求将导体物理隔离，以防电流在它们之间流动而破坏电路的正常运行。此外，绝缘材料还起着导体的机械支持、散热及电路环境保护等作用。体积电阻率（ρ）≥1012Ω·cm介电强度（DS）≥104kV·mm-1介电常数（ε）=2×10-4_9×10-3

损耗因子（tanδ）≤0.0012024/9/4146随着电子工业的发展，集成电路、大规模集成电路以及超大规模集成电路相继问世，这类电路需要绝缘性能、导热性能、热膨胀匹配性能、高频性能及快速响应性能等一系列性能优良的绝缘陶瓷作为电路的基片与封装材料.集成电路是一种把大量微型晶体管电路元件组装在一块基片上所构成的超小型、高密度的电路，这类电路通常要封装在集成电路的管壳之内。这种高质量的基片和管壳一般是由精密陶瓷制成的。目前应用较成熟的基片材料和管壳材料是氧化铝陶瓷。

2024/9/4147目前国内外主要采用Al2O3陶瓷作为集成电路基板材料。近年来，随着半导体元件向高性能、高密度、小型化、低成本方向发展，迫切希望导热系数大的陶瓷基板。通过研究，金刚石和立方氮化硼（BN）作为高导热材料用于半导体基片和封装等优于其他材料，但价格高，大量生产还有若干技术问题有待解决。此外SiC和BeO也是较理想的材料，SiC烧结困难，BeO在生产过程中产生毒害限制了它的发展。采用少量BeO作为助烧结剂，用热压烧结法可制成高导热系数SiC基板，其导热系数为金属铝的1.2倍。

2024/9/4148氮化铝（AlN）作为高导热材料具有巨大的潜力，可以取代BeO、SiC，甚至部分取代Al2O3.AlN陶瓷导热系数虽比SiC和BeO陶瓷略低，但比Al2O3陶瓷约高8-10倍，且体积电阻率，击穿强度、介电损耗等电气性能可与Al2O3陶瓷媲美，且介电常数较低，机械强度较高，热膨胀系数为4.4

10-6/℃，接近于Si，可进行多层布线，是很有发展前途的基板材料。2024/9/4149(2)电容器陶瓷

陶瓷电容器是现代电子线路中必不可少的元件，每个电视机或录像机中都含有100~200个陶瓷电容器。由于陶瓷的介电特性好，可以制成体积小、容量大的电容器。目前，电子技术向着高频方向发展。电视机超高频（UHF）的频率为300MHz，通讯卫星的频率在10000MHz以上，只有陶瓷电容器才能在10000MHz以上的频率有效地工作。

2024/9/4150电容器陶瓷材料在性能方面有下列要求：①陶瓷的介电常数应尽可能的高②稳定性好③介质损耗角正切要小④比体积电阻要求高于1010Ω·m⑤高的介电强度陶瓷电容器以其体积小、容量大、结构简单、高频特性优良、品种繁多、价格低廉、便于大批量生产而广泛应用于计算机、电器、通信设备、工业仪器仪表等领域。2024/9/4151（3）微波介质陶瓷微波介质陶瓷是指应用于微波频段（主要是300MHz~30GHz频段）电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，是现代通讯中广泛使用的谐振器、滤波器、介质基片、介质导波回路等微波元器件的关键材料。物相以钛酸盐为多，组成比较复杂，例如：mBaO.n[(1-y-z)La2O3.ySm2O3.zBi2O3].pTiO2介质滤波器在通信中也是必不可少的电子器件。微波介质陶瓷制成的谐振器与金属空腔谐振器相比，具有体积小、质量轻、温度稳定性好、价格便宜等优点。已在便携式移动电话、汽车电话、无绳电话、电视卫星接受器、军事雷达及全球卫星定位系统等方面有着十分重要的应用。2024/9/41522024/9/4153（4）压电陶瓷电介质在电场的作用下，可以使它的带电粒子相对位移而发生极化。某些电介质晶体也可以通过机械力作用而发生极化，并引起表面电荷的现象称为(正)压电效应。对晶体施加电压时，晶体发生变形的现象称为逆压电效应。陶瓷是大量晶粒的聚集体，尽管单个晶粒表现出压电性，但由于各个晶粒的效应相互抵消，总体上表现不出压电性。如果在铁电陶瓷片两侧放上电极，进行极化，使内部晶粒定向排列，陶瓷便具有压电性，成为压电陶瓷。

压电陶瓷种类压电陶瓷材料主要有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅（PZT）、改性PZT和其它三元体系。目前应用最多的是PZT和改性PZT。压电材料的晶体结构随温度而变化。如BaTiO3

和PbTiO3，当温度高于Tc时，晶格为立方晶系，低于Tc则转变为四方晶系，Tc称为相变温度，立方晶格为对称结构，无压电效应；转变为四方晶格时，存在压电效应，所以Tc又称为居里温度。

2024/9/4155PbTiO3立方晶相（a）和四方晶相（b）结构示意图

2024/9/4156压电陶瓷中,电畴在极化前后变化的示意图2024/9/4157压电陶瓷的应用成熟的压电产品有滤波器、蜂鸣器、点火器、压电陀螺、换能器等，主要用于电视、通信(包括无绳电话和移动电话)、水声、雷达、导航、医疗、自动化等领域2024/9/41582024/9/4159（5）热释电陶瓷热释电效应是一种自然现象，也是晶体的一种物理效应。晶体受热温度升高，由于温度的变化ΔT而导致自发极化的变化，在晶体的一定方向上产生表面电荷，这种现象称为热释电效应。

ΔPs

＝PΔT

ΔPs——自发极化的变化量；

P——

热释电系数；ΔT——

温度的变化量。2024/9/4160由上述可知，晶体中存在热释电效应的前提是：首先具有自发极化，即晶体结构的某些方向的正、负电荷重心不重合；二是有温度变化，即热释电效应是反映材料在温度变化状态下的性能。2024/9/4161

热释电探测器的工作过程为：①接收辐射（红外辐射）产生温升；②由于温升而引起热释电晶片表面电荷的变化（极化变化）；③由于晶体片表面电荷变化引起晶片上、下表面电势差的变化，通过放大器使其转换成电压或电流进行测量。2024/9/4162①自动开关和报警人体热辐射传感器。由于热释电探测器在室温下工作，有很宽的响应光谱及很快的响应速度，这种探测器的理想应用场合。如：门自动开关、入侵者报警器、来客报信机、自动售货机。②火焰探测火焰探测器常用可能出现明火的场合，如石油平台、储油罐等，并已开始用于自动灭火系统。③红外测厚计若塑料对红外某一波长有吸收峰，从红外线吸收量可以监控塑料板或薄膜的厚度，测量准确度在±1μm左右2024/9/41634.3.2敏感陶瓷敏感陶瓷也称为半导体陶瓷的共同特点是：它们的导电性随环境变化而变化。利用这一特性，可制成各种不同类型的陶瓷敏感器件，如热敏(BaTiO3)

、气敏(SnO2)、湿敏、压敏(ZnO)、光敏器件等。

传感器的功能是把非电信号转化为电信号。它应小巧、敏感、可靠、价格低。在陶瓷传感器中，气敏元件研究较多，因气体为家用能源，煤矿安全也需此类元件，其材料为SnO2。公共场所CO2量表示空气混浊度，可用CO2传感器控制换气开关。其他燃烧过程、植物生长、食物保鲜也涉及CO2量。汽车要控制完全燃烧，要求元件响应快(ｍｓ计)。在烹调及干衣机中，用到湿度传感器。2024/9/4164PTC热敏陶瓷的应用2024/9/41652024/9/41665、耐火材料耐火材料：耐火材料是指耐火度不低于1580℃的无机非金属材料，是砌筑高温窑炉等热工设备的结构材料，也是制造某些高温容器和部件或起特殊作用的功能性材料。5.1耐火材料的分类

酸性耐火材料：SiO2、ZrO2(1)按化学特性

中性耐火材料：Al2O3、Cr2O3

碱性耐火材料：MgO、CaO2024/9/4167(2)按制品化学—矿物组成分类（九大类）①硅质：硅砖、熔融石英砖(SiO2)②硅酸铝质：半硅砖、粘土钻、高铝砖、刚玉砖SiO2，Al2O3③镁质：镁砖(MgO)、镁铝砖(MgO，Al2O3)、④白云石质：白云石砖（CaO，MgO）⑤铬质：铬砖、铬镁砖（Cr2O3，MgO）⑥碳质：碳砖、石墨粘土砖⑦碳化硅质：SiC⑧锆质：锆英石(ZrO2，SiO2)锆刚玉砖⑨特种耐火材料：纯氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等2024/9/4168(3)按耐火度分类①普通耐火材料（1580~1770℃），②高级耐火材料（1770~2000℃），③特级耐火材料（≥2000℃）。

耐火度：耐火度是耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性能。2024/9/4169耐火材料生产工艺简图耐火骨料和粉料外加剂熔铸成型制品不定形耐火材料压制成型均匀混合物不烧砖

烧成烧成砖2024/9/4170耐火材料的性能指标耐火度材料在高温下不熔化的性质。定义？荷重软化温度指耐火材料在温度和荷重的作用下抵抗变形的能力。高温体积稳定性在高温下外形体积及线度保持稳定的能力。抗热震性抗渣性在高温下，温度急剧变化不破坏的能力。抵抗熔渣或熔融液侵蚀的能力。耐真空性在真空和高温下服役的能力。2024/9/4171作业名词解释：无机非金属材料，结构陶瓷，功能陶瓷。陶瓷材料的显微结构。陶瓷材料的性能。传统陶瓷与特种陶瓷的区别。压电陶瓷的机理及其应用。6、玻璃6.1玻璃的概念玻璃是指熔体经过冷却，因粘度增加所得到的具有固体性质和一定结构特征的非晶态固体物质。钠钙玻璃铅玻璃硼硅酸盐玻璃石英玻璃钢化玻璃微晶玻璃彩色玻璃变色玻璃玻璃的种类磨砂玻璃6.2玻璃的特性（1）各向同性（2）介稳性（3）物理化学性质变化的可逆性（4）性质随成分变化的连续性和渐变性

熔体晶体玻璃慢快温度（T）内能(Q)6.3玻璃的结构

三维连续网络形式网络中一个氧原子最多同两个形成网络的阳离子M（如Si、Al、B等）相连接。成网阳离子在多元体（如硅氧四面体、铝氧三面体）的中央。这些多面体通过顶角上的公共氧以“氧桥”相连而形成三维连续网架。但这种网架不象晶体那样有序，而是完全无序的。其它变网阳离子分布在网络之间。现在，从有关玻璃性质及其结构的研究来看，可以认为短程有序和长程无序是玻璃态结构的特点。在宏观上玻璃主要表现在无序、均匀和连续性方面，而在微观上它又是有序、微不均匀和不连续性的。无规则网络结构学说示意图（a）石英晶体结构模型

（b）石英玻璃结构模型

(c)钠钙玻璃结构示意图

6.4玻璃的性质力学性质理论强度高，实际强度低。抗压强度高，抗拉强度低。硬度高，脆性大。物理性质高度透明，具有很重要的光学性质。能透可见光和红外线。热膨胀性随成分变化较大。化学性质化学性质稳定。抗酸腐蚀，但不抗碱。6.5普通玻璃生产工艺6.5.1玻璃的原料玻璃的混合料是由多种原料混合而成，根据各种原料的用量和作用的不同，可分为主要原料和次要原料，其中为了引入玻璃主要成分的原料，称为主要原料，而为了满足某种需要或使玻璃具有某些必要性能而引入的原料，称为辅助原料，如澄清剂、助熔剂等。最广泛用的玻璃成分以SiO2、CaO和NaO为主，用来制造平板玻璃、瓶罐玻璃、灯泡玻璃等。迄今为止，超过95%的玻璃制品仍然属钠钙硅酸盐系统的范畴。钠钙硅酸盐玻璃（平板玻璃、瓶罐玻璃、器皿玻璃）SiO269%－75%Al2O30－2.5%CaO5%－10%MgO1%－4.5%Na2O13%－15%K2O0－2%（1）硅质原料：硅质原料是指引入SiO2成分的原料。主要包括石英砂、砂岩、石英岩、粉石英等。（2）引入Al2O3原料：在玻璃中引入Al2O3的原料有长石、粘土、Al(OH)3等。（3）引入CaO的原料：CaO是通过方解石、石灰石、沉淀CaCO3等原料来引入的。在一般玻璃中，CaO含量不超过12.5%。（4）引入MgO的原料：引入MgO的原料有白云石（MgCO3、CaCO3）、菱镁矿（MgCO3）。（5）引入Na2O的原料：主要有纯碱（Na2CO3）和芒硝（Na2SO4）。6.5.2玻璃的熔制将配合料经过高温加热形成均匀的、无气泡的、符合成型要求的玻璃液过程，称为玻璃的熔制。玻璃的熔制过程是一个包括一系列物理、化学反应的复杂过程，如配合料加热、吸附水分蒸发排除、组分熔融、多晶转变等物理过程，固相反应、各种盐类的分解、化学结合水排除、组分间相互反应及硅酸盐生成等化学反应。玻璃的熔制过程大致可分为五个阶段：硅酸盐形成、玻璃形成、澄清、均化和冷却。6.5.3玻璃的成型玻璃的成型通常指热塑成型。是指将玻璃液冷凝成具有一定几何形状的固体玻璃的过程。

（1）浮法拉制成形

（2）垂直引上法（3）平拉法吹制成形压制成形加工纤维6.6特种玻璃6.6.1特种玻璃的发展日用器皿玻璃和平板玻璃是以Na2O—CaO—SiO2系统为基础的传统玻璃。随着社会发展和科学技术的进步，对玻璃提出了某些特殊性能的要求，这些玻璃逐渐脱离原来玻璃成分范围，形成了专业应用的新型玻璃，即特种玻璃。如光学玻璃、微晶玻璃、光纤玻璃、激光玻璃、变色玻璃等。6.6.2光学玻璃光学玻璃是一种能改变光的传播方向，并能改变紫外、可见或红外光的相对光谱分布的玻璃。光学玻璃主要用来制成各种曲率的球面或非球面透镜和反射镜，以及各种复杂的棱镜，如眼镜、显微镜、照相机、电影机、电视机、光谱仪等。

6.6.3光导纤维

(1)定义及传光原理光导纤维（简称光纤）是利用光在玻璃中全反射原理而达成高质量光传导的玻璃纤维。

光纤由纤维芯和纤维包皮组成，一般呈圆柱状，直径从几微米到几百微米，光被约束在纤维内曲折向前传播。为了使光具有足够强度，把许多纤维（加上光学绝缘层）结合起来，制成光缆。光纤是利用全反射原理来传导光能的，如图所示。当进入光纤的光线射入纤芯和包层界面的入射角θ时，则在入射点的光线可能分为两束，一束为折射光，另一束为反射光，它们服从光线的折射和反射定律：入射角等于反射角即θ=θ″n1·sinθ=n2·sinθ′θθ′θ″n2n2n1全内反射：当折射角时θ′=90，临界角θc的正弦可以表示为

sinθc=n2/n1为了使之能在光纤中远距离传输，一定要具备光在光纤中反复发生反射的条件。实现全反射的条件：

n1>n2θ>θc（2）光损耗影响光纤导光的主要障碍是光损耗。光在玻璃中传播时的损耗分为散射损耗和吸收损耗。散射损耗的主要原因是玻璃或纤维内部存在着不均匀性。玻璃棒制备时会带来条纹、气泡、分相甚至极其微小的结晶体或夹杂物。光波愈长则散射损耗愈小。光吸收损耗是由过渡金属离子和水在玻璃中形成羟基（OH）基引起的。长飞光纤公司的PCVD光纤预制棒生产设备6.6.3微晶玻璃

微晶玻璃是由于玻璃的微晶化而制得的多晶固体。主要是玻璃工艺特点，而结构却类似于陶瓷，故又称为玻璃陶瓷。微晶玻璃的制备过程是把通过各种成型方法制得的玻璃，再经过热处理，使之产生晶核及结晶相生长而转变为微晶固体的过程。微晶玻璃的生产工艺流程为：配合料制备→玻璃熔融→成型→加工→微晶化热处理→再加工时间温度微晶玻璃生产的技术的关键是通过组成、晶核剂和热处理条件的调节来控制晶体组成、尺寸和含量以制取预定性质的微晶玻璃。微晶玻璃与陶瓷的不同是微晶化过程的晶相全由一个均匀玻璃中的晶体生长而产生的。微晶玻璃与玻璃的不同之处是其大部分是晶相（可含55－98%小于1μm的微晶），而玻璃则是非晶态。尽管微晶玻璃的结构、性能和生产方法与玻璃和陶瓷各异，但是微晶玻璃集中了后两者的特点，成为一类独特的材料。这类材料具有优异的性能，如它的热膨胀系数变化范围大，机械强度高，耐化学腐蚀，使用温度高及坚硬的耐磨性等。

作业1、玻璃的结构。2、光导纤维的导光原理及应用。3、如何制备微晶玻璃？7、水泥什么是水泥？水泥是一种加入适量水后，成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料。水泥的种类硅酸盐水泥铝酸盐水泥硫铝酸盐水泥氟铝酸盐水泥火山灰水泥硅酸盐水泥原料：石灰石、粘土、铁粉、煤粉、矿化剂等CaOAl2O3SiO2Fe2O3工艺：配料粉磨成球煅烧粉磨包装1300－1450℃水泥的熟料矿渣石膏水泥的熟料粉煤灰火山灰普通水泥矿渣水泥粉煤灰水泥火山灰水泥不掺其它料硅酸盐水泥的主要矿物成分硅酸三钙3CaO·SiO2，C3S硅酸二钙2CaO·SiO2，C2S铝酸三钙3CaO·Al2O3，C3A铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3，C4AF

四种矿物单独与水作用的特性

矿物水化速度凝结硬化速度水化热早期强度强度硅酸三钙（C3S）快快高高高硅酸二钙（C2S）慢慢最小低高铝酸三钙（C3A）最快快最高低铁铝酸四钙（C4AF）次于C3A小低主要矿物成分对水泥性能的影响提高C3S可以提高水泥的强度，得到高强水泥提高C3A，C3S，可以得到快硬水泥降低C3A和C3S，提高C2S，可以得到中低热水泥提高C4AF，降C3A，可以得到道路水泥水泥硬化后的显微结构水泥的强度与标号水泥强度是指水泥石能够承受外力的能力，它是评定水泥质量的重要指标，一般用水泥标号作为水泥强度的等级划分标准。标号的确定是水泥、标准砂及规定用水量，按灰砂比1∶2.5伴制成塑性水泥胶砂，按规定制成4×4×16（cm）的制件，测其3d、7d、28d的抗折、抗压值。根据28d的抗压强度值，确定水泥标号。例如：425水泥28d的抗压强度值42.5MPa水泥的抗压强度值≥42.5MPa，但不足52.5MPa，标号为425。

水泥的体积安定性体积安定性是指水泥制品在硬化后体积变化是否均匀的性质。如硬化后产生不均匀的体积变化，即为体积安定性不良。它能使构件产生膨胀性裂缝，降低建筑物质量，甚至引起建筑物破坏。如水泥熟料如含较多的CaO，过火的CaO熟化很慢，在水泥已经凝结硬化后，才产生熟化反应，产生体积膨胀，破坏已硬化的水泥石的结构，出现龟裂、弯曲、松脆、崩溃等现象。衡量水泥性质和质量的指标密度容重细度需水性凝结时间安定性强度标号水化热1、硅酸盐水泥的主要矿物组成2、水泥的强度与标号作业第二部分：金属材料材料科学与化学工程学院歼10(中国)太行发动机（中国）材料学科金属材料与热处理钢铁冶金有色金属冶金冶金物理化学金属压力加工无机非金属材料硅酸盐工程高分子材料与工程粉末冶金复合材料腐蚀与防护材料科学与工程复合材料铸造焊接金属材料课程内容2、金属材料的力学性能3、金属合金相图1、金属晶体结构、金属固溶体和晶体缺陷4、新型金属材料

金属材料

金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。可分为由一种金属元素构成的单质（纯金属）；由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。合金又可分为固溶体和金属间化合物。

在103种元素中，除He,Ne,Ar等6种惰性元素和C、Si、N等16种非金属元素外，其余81种为金属元素。除Hg之外，单质金属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。单质金属

合金是以一种金属元素为基体加上一种或一种以上的金属或非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的物质。合金的性质与组成合金的各个相的性质有关，同时也与这些相在合金中的数量、形状及分布有关。合金合金组元：组成材料的最基本的独立的物质称为“组元”，组元可以是金属元素或非金属元素（例如：普通碳钢的组元是Fe与C)，也可以是稳定的化合物。相：材料中成份、性能、结构相同并以界面互相分开的均匀的组成部分称为“相”。金属的结构1、体心立方结构（a）刚球模型（b）质点模型（c）晶胞原子数图1体心立方晶胞

(铬、钼、钨等）（a）刚球模型（b）质点模型（c）晶胞原子数金属的结构2、面心立方结构（a）刚球模型（b）质点模型（c）晶胞原子数图2面心立方晶胞（铝、铜、镍等）金属的结构3、密排六方结构图3密排六方晶胞（镁、锌等）（a）刚球模型（b）质点模型（c）晶胞原子数三种典型金属晶体结构中每个晶胞所占有的原子数n为：

面心立方结构n=8×1/8+6×1/2=4

体心立方结构n=8×1/8+1=2

密排六方结构n=12×1/6+2×1/2+3=6金属的结构金属的实际晶体结构实际上，金属是一个多晶体结构，这种原子排列方位基本一致，但外形不规则的小晶体，称为晶粒。由于金属是多晶体结构，单个晶粒的各向异性彼此相互抵消，金属就显示出各向同性，若对金属进行单方向的塑性变形（如冷扎、冷拉等），使各个晶粒的晶格趋向一致，则多晶体金属又会显示出各向异性。图4金属的多晶体结构示意图

金属化合物合金的分类固溶体合金的结构按其组元在结晶时彼此作用的不同，可以分为固溶体、金属化合物、机械混合物三种类型。合金－固溶体

当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种合金称为一次固溶体或端际固溶体，简称为固溶体。合金－金属化合物

金属元素与其它金属元素或非金属元素之间形成合金时，除固溶体外，还可能形成金属化合物。

合金－金属间化合物A、B两组元相互溶解后所形成的新的物质既不是A组元的结构，也不是B组元的结构，而是自身的一种独立的结构。

例如：Fe和C所形成的化合物Fe3C，就是一种典型的金属间化合物。

金属化合物是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相，又称为中间相，其晶格类型和性能均不同于任一组元，一般可以用分子式大致表示其组成。在该化合物中，除了离子键、共价键外，金属键也参与作用，因而它具有一定的金属性质，所以称之为金属化合物。碳钢中的Fe3C、黄铜中的CuZn、铝合金中的CuAl2等都是金属化合物。合金－金属化合物合金中的固溶体固溶体的分类根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置，固溶体可分为：置换固溶体（代位固溶体）间隙固溶体置换固溶体特点

置换固溶体：A组元的原子取代了B组元的原子。当A、B两个组元的原子直径相差不大时，两个组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则为有限固溶体。在置换固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格格点上。置换固溶体置换固溶体置换固溶体（a）随机置换固溶体（b）有序置换固溶体特点间隙固溶体

间隙固溶体：A组元溶入B组元的间隙中。只能形成有限固溶体。例如：C溶入α-Fe或γ-Fe所形成的铁素体、奥氏体。在间隙固溶