无机材料教学教程

第五讲

无机材料第一节材料科学发展概况

无机材料包括金属材料和无机非金属材料(陶瓷材料)。

人类社会划分为石器时代、青铜器时代和铁器时代等。(有人认为,其中还有玉石时代)旧石器时代可追溯到公元前10万年左右。公元前6000年，人类发明了火，掌握了钻木取火的技术。有了火，不仅可以熟食、取暖、照明和驱兽，还可以烧制陶器。陶瓷材料的发明和应用，创造了新石器时代的仰韶文化，后来在制陶技术的基础上又发明了瓷器。

人们在大量地烧制陶瓷的实践中，熟练地掌握了高温加工技术，利用这种技术来烧炼矿石，逐渐冶炼出铜及其合金青铜。可以说这是人类社会最早出现的金属材料，它使人类社会从新石器时代转入到青铜器时代。炼铜技术发展为炼铁。用铁作为材料来制造农具，使农业生产力得到空前的提高，并促使奴隶社会解体和封建社会兴起。

18世纪发明了蒸汽机，爆发了产业革命。社会经济的发展推动和促进了以钢铁为中心的金属材料大规模发展，有力地摧毁了封建社会的生产方式，萌发了资本主义社会。第二次世界大战后各国致力于恢复经济，发展工农业生产，对材料提出质量轻、强度高、价格低等一系列新的要求。具有优异性能的工程塑料部分地代替了金属材料，合成纤维、合成橡胶、涂料和胶粘剂等都得到相应的发展和应用。合成高分子材料的问世是材料发展中的重大突破，从此以金属材料、陶瓷材料和合成高分子材料为主体，建立了完整的材料体系，形成了材料科学。

发展高新技术的关键往往与材料有关，因此新型材料的开发本身就成为一种高新技术，其标志技术是材料设计或分子设计，即根据需要来设计具有特定功能的新材料。材料的重要性已被人们充分地认识，能源、信息和材料已被公认为当今社会发展的三大支柱。化学是材料发展的源泉化学是在原子分子水平上研究物质的组成、结构、性能、变化及应用的学科。人类的衣、食、住、行以及工业、农业、医药、卫生、环境等各行各业都需要化学物质的支持，因此人们称化学是一门中心科学，它与社会各方面的物质需要密切相关。

材料可按不同的方法分类。

若按用途分类，可将材料分为结构材料和功能材料两大类。结构材料主要是利用材料的力学和理、化性质，广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输和能源等各个工业部门。功能材料则利用材料的热、光、电、磁等性能，用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。功能材料的最新发展是智能材料，它具有环境判断功能、自我修复功能和时间轴功能，人们称智能材料是21世纪的材料。

若按材料的成分和特性分类，可分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料。金属材料又分为黑色金属材料和有色金属材料。金属材料发展的重点是研制新型金属材料。

陶瓷材料是人类应用最早的材料。传统的陶瓷材料是以硅和铝的氧化物为主的硅酸盐材料，特种陶瓷或称精细陶瓷，成分扩展到纯的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等，可称为无机非金属材料。

高分子材料是一类合成材料，主要有塑料、合成纤维和合成橡胶，此外还有涂料和胶粘剂等。

复合材料是由金属材料、陶瓷材料和高分子材料复合组成的。复合材料的强度、刚度和耐腐蚀等性能比单一材料更为优越，是一类具有广阔发展前景的新型材料。

新型材料的特点

(1)新型材料具有特殊的性能，能满足尖端技术和设备制造的需要。如超高温、超高压、极低压、耐腐蚀、耐摩擦等材料。

(2)新型材料的研制是多学科综合研究的成果。以先进的科学技术为基础，往往涉及到物理、化学、冶金等多个学科。

(3)新型材料从设计到生产，需要专门的、复杂的设备和技术，形成了一个独特的领域，称为新材料技术。为实现高技术的物质基础。

第二节金属材料

金属材料在一个国家的国民经济中仍占有举足轻重的位置，原因是金属材料的资源比较丰富；已积累有一整套相当成熟的生产技术，有组织大规模生产的经验，产品质量稳定，价格低廉、性能优异。例如金属材料的韧性比陶瓷材料高，还具有导电性和磁性等。此外，金属材料自身还在不断发展，传统的钢铁工业在冶炼、浇铸、加工和热处理等方面不断出现新工艺。

新型的金属材料如高温合金、形状记忆合金、贮氢合金、永磁合金、非晶态合金等相继问世。因此在发展中国家，金属材料仍然占有材料工业的主导地位，如中国年产钢铁已超过1亿万吨。

1金属键和纯金属的晶体结构

金属具有金属光泽、传热、导电性和延展性。金属具有优异的机械性能。

金属的一般性质与自由电子的存在密切相关。由于自由电子可以吸收各种波长的可见光，随即又发射出来，因而使金属具有光泽，不透明；自由电子可以在整块金属内自由运动，所以金属的导电性和传热性都非常好；金属键没有方向性和饱和性，金属原子以高配位的密堆积方式排列，密置层之间可以滑动，使金属有优异的延展性。

2钢铁

地壳中部分元素的含量(也称丰度)按质量分数铁排列第4，说明地壳中铁的资源是比较丰富的。欲将铁矿石中的铁提炼出来，可置铁矿石于高炉中冶炼，冶炼过程实为还原反应，以焦炭为还原剂，再加一些石灰石和二氧化硅等作助熔剂。冶炼时先将处于高炉下层的焦炭点燃，使其生成CO2，CO2与灼热的焦炭起反应生成CO，一氧化碳气体能将铁矿石中的铁还原出来

铁水中含碳量较高，约有3％-4％，这种铁称为生铁。生铁性脆，一般只能浇铸成型，又称铸铁。其中碳以Fe3C的形式存在，待铁水慢慢冷却，Fe3C则分解为铁和石墨，此时的铁其断口呈灰色，故称灰口铁。若将熔融的铁水快速冷却，Fe3C来不及分解而保留下来，此时铁的断口，呈白色，称白口铁。白口铁质硬且脆，不宜加工，一般用来炼钢。灰口铁柔软，有韧性，可以切削加工或浇铸零件。若在铁水中加入0.05％镁，使生铁中的碳变成球状，得到的是球墨铸铁。

钢铁约占金属材料产量的90％，是世界上产量最大的金属材料。钢铁中含碳量大于2.0％的叫生铁，小于0.02％的叫纯铁，在这两者之间的称为钢。钢中含碳量小于0.25％的称低碳钢，介于0.25％～0.60％的称中碳钢，大于0.60％的称高碳钢。合金钢

:合金钢品种繁多，性能各异。如不锈钢，钢中加人一定量的铬，可提高钢的抗腐蚀性，不生锈；加入锰特别硬，称为锰钢。

3铝合金和铝锂合金

有色金属又可分为轻金属如Li，Be，Mg，A1，Ti；重金属如Cu，Zn，Cd，Hg，Pb；作为结构材料的有色金属，主要有铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、镍合金和锌合金等。铝是自然界含量最多的金属元素，在地壳中以复硅酸盐形式存在。主要的矿石有铝土矿、粘土、长石、云母、冰晶石等。

制备金属铝常用电解法

氧化铝被还原为金属铝并在阴极上析出，其反应如下：铝是银白色金属，熔点为659．8

C，沸点为2270

C，密度为2.702g/cm3，仅为铁的三分之一。铝的导电、导热性好，可代替铜做导线。在大气中金属铝表面与氧作用形成一层致密的氧化膜保护层，所以有很好的抗蚀性。

铝合金

铝铜镁合金称为硬铝

,铝锌镁铜合金称为超硬铝。

铝锂合金

:用铝锂合金制造飞机，可使飞机质量减轻15％～20%，并能降低油耗和提高飞机性能。铝锂合金是很有发展前途的合金。

4新型金属材料

①形状记忆合金:形状记忆合金由于具有特殊的形状记忆功能，所以被广泛地用于卫星、航空、生物工程、医药、能源和自动化等方面。②高温合金

:镍基和钴基高温合金用作涡轮喷气发动机的涡轮叶片。③贮氢合金：贮氢合金主要有三大系列：镁系贮氢合金如MgH2，Mg2Ni等；稀土系贮氢合金如LaNi5，钛系贮氢合金如TiMn1.5，TiMn1.5

④非晶态合金

将熔融状态的合金以极高的速度骤冷，不给原子有序化排列的时间，把原子瞬间冻结在像液态一样的无序排列状态，得到的是非晶态合金。

具有优良的力学性能，如拉伸强度大，强度、硬度都比一般晶态合金高。由于非晶态合金中原子是无序排列，使合金具有高电阻率、高导磁率、高抗腐蚀性等优异性能。

第三节无机非金属材料

无机非金属材料又称陶瓷材料

,可分为传统陶瓷材料和精细陶瓷材料，后者的成分除了氧化物外，还有氮化物、碳化物、硅化物和硼化物等。精细陶瓷产品可以是烧结体，还可以做成单晶、纤维、薄膜和粉末，是新一代的特种陶瓷，

1传统陶瓷

传统陶瓷材料的主要成分是硅酸盐。硅酸盐制品一般都是以粘土(高岭土)、石英和长石为原料。这些原料中都含有SiO2，因此在硅酸盐晶体结构中，硅与氧的结合是最重要的。硅酸盐中除了SiO2外，还含有A12O3。

硅酸盐都需要高温烧结。粘土在高温下先脱水，然后转化为莫来石(3A12O3·2SiO2)。

2精细陶瓷

①高温结构陶瓷

:陶瓷发动机的材料选用氮化硅，它的机械强度高、硬度高、热膨胀系数低、导热性好、化学稳定性高，是很好的高温陶瓷材料。氮化硅可用多种方法合成，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1300

C反应后获得

还有碳化硅、二氧化锆、氧化铝等。

②透明陶瓷

一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者令光产生散射。因此如果选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。这些透明陶瓷不仅有优异的光学性能，而且耐高温，一般它们的熔点都在2000

C以上。如氧化钍-氧化钇透明陶瓷的熔点高达3100

C，透明陶瓷的重要用途是制造高压钠灯，它的使用寿命达2万小时。高压钠灯的工作温度高达1200

C，压力大、腐蚀性强，选用氧化铝透明陶瓷为材料、成功地制造出高压钠灯。可以制造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、

③光导纤维

光导纤维一般由两层组成，里面一层称为内芯，直径几十微米，但折射率较高；外面一层称包层，折射率较低。从光导纤维一端入射的光线，经内芯反复折射而传到末端，由于两层折射率的差别，使进入内芯的光始终保持在内芯中传输着。

用最新的氟玻璃制成的光导纤维，可以把光信号传输到太平洋彼岸而不需任何中继站。

在实际使用时，常制成光缆，这样既提高了光导纤维的强度，又增加了通讯容量。光缆有质量轻、体积小、结构紧凑、绝缘性能好、寿命长、输送距离长、保密性好、成本低等优点。光损耗大的光导纤维可在短距离使用，特别适合制作各种人体内窥镜，对诊断医治各种疾病极为有利。

④生物陶瓷

目前已发展起来的生物合金、生物高分子和生物陶瓷基本上能满足植入人体的要求。生物陶瓷是惰性材料，耐腐蚀，更适合植入体内。氧化铝陶瓷做成的假牙与天然齿十分接近，它还可以做人工关节用于很多部位。ZrO2陶瓷的强度、断裂韧性和耐磨性比氧化铝陶瓷好，也可用以制造牙根、骨和股关节等。陶瓷材料最大的弱点是性脆，韧性不足，这就严重影响了它作为人工人体器官的推广应用。陶瓷材料要在生物工程中占有地位，必须考虑解决其性脆问题。

⑤超导陶瓷

电阻突然消失时的温度称为转变温度或临界温度，常用Tc表示。

Y-Ba-CuO混合金属氧化物在90K具有超导电性，这类超导氧化物的转变温度已高于液氮温度(77K)，高温超导材料研究获得重大进展。

超导体的一些应用

(1)用超导材料输电

(2)超导发电机(3)磁力悬浮高速列车把超导磁体装在列车内，在地面轨道上敷设铝环，利用它们之间发生相对运动，使铝环中产生感应电流，从而产生磁排斥作用，把列车托起离地面约10cm，使列车能悬浮在地面上而高速前进。(4)可控热核聚变

3纳米陶瓷

精细陶瓷粉体的颗粒较大，属微米级(10-6m)，有人用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级(10-9m)，用这种所谓超细微粉体粒子来制造陶瓷材料，得到新一代纳米陶瓷，这是陶瓷材料的第三次飞跃。纳米陶瓷具有延性，有的甚至出现超塑性。如室温下合成的TiO2陶瓷，它可以弯曲，其塑性变形高达100％，韧性极好。

纳米陶瓷被称为是21世纪陶瓷。

纳米材料的粒子是超细微的，粒子数多，表面积大，而且处于粒子界面上的原子比例甚高，一般可达总原子数一半左右。这就使纳米材料具有不寻常的表面效应、界面效应和量子效应等，因此而呈现出一系列独特的性质。例如金的熔点是1063℃，而纳米金只有330℃，熔点降低近700℃；银的熔点由金属银的960.8℃降为纳米银的100℃。又如纳米铂黑催化剂，由于表面积大，表面活性高，可使乙烯氢化反应的温度从600℃降至室温；纳米铁的抗断裂应力比普通铁高12倍，等等。纳米材料的问世促使纳米技术的诞生。所谓纳米技术是指用单个原子或分子作材料建造物体的技术。

第四节宝玉石基础知识分为:宝石,玉石和石一宝石1宝石之王-----金刚石硬度极大,达摩氏10级,已有人工合成.化学成份是碳.2蓝宝石和红宝石硬度大,达摩氏9级,主要成份为氧化铝.3祖母绿:因含铬而呈现绿色.4水晶:硬度7,主要成份为二氧化硅.二玉石1.玉中之王----翡翠命名来自翡翠乌,红者为翡,绿者为翠.硬玉,硬度6.6—7其优劣主要取决于水头,色彩,底,种,瑕庇等1999年香港佳士得春季拍卖会一条翡翠项链以1454万港元成交.2中国两大美玉----和田玉和岫岩玉(1)和田玉也称软玉,硬度6—6.5和田玉产于新疆以白玉价最高各种玉石的化学组分样品种类MgOAl2O3SiO2K2OCaOMnOFeO/Fe2O3新疆和田23.012.0059.040.0513.40.0710.36玛纳斯碧玉15.484.5259.090.03413.840.0735.400岫玉40.322.7354.620.0470.210.010.823独山玉0.6733.8142.632.414.