《材料科学与工程概论》课件第5章

第5章无机非金属材料5.1陶瓷材料5.2水泥和玻璃5.3矿物材料简介

5.1陶瓷材料

5.1.1概述

1．陶瓷的概念

陶瓷(Ceramics)是一类历史悠久的无机非金属材料。陶瓷在国际上并没有统一的定义。

2．陶瓷的原料

大多数传统陶瓷的主要原料有黏土、石英和长石。黏土是细颗粒的含水硅酸盐，如高岭土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、蒙脱土(Al2O3·4SiO2·nH2O)等，它们具有层状的晶体结构，属于可塑性原料。

3．陶瓷的分类

陶瓷制品是多种多样的。从微细的单晶晶须、细小的磁芯和衬底基板到几吨重的耐火炉炉衬材料，从严格控制组成的单相制品到多相多组分制品，以及从无气孔而透明的各类晶体到轻质绝缘的泡沫制品(多孔陶瓷)等，由于其品种如此之多、范围如此之广，目前对陶瓷尚无统一的分类方法。5.1.2陶瓷的结构与性能

1．陶瓷的结构

陶瓷是由金属元素和非金属元素的化合物组成，主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、Na2O、PbO等。

1)晶体相

晶体相是陶瓷材料最主要的组成相，而且是多相多晶体，又分为主晶相、次生相和第三相等。图5-1硅酸盐的基本结构单元图5-2链状连接[SiO4]四面体结构

2)玻璃相

玻璃相是一种非晶态固体，是陶瓷材料中SiO2在烧结处于熔化状态后冷却时原子不能规则排列形成的非晶态玻璃相。

3)气相

气相是陶瓷中坯体各成分在加热过程中单独或互相发生物理、化学作用所生成的空隙或气孔，常以孤立状态分布在玻璃相中，或以细小气孔分布在晶界和晶内，是陶瓷生产工艺中不可避免地形成而保留下来的。

2．陶瓷的性能

1)高弹性模量、高硬度

陶瓷主要以离子键和共价键结合，其弹性模量和硬度在各类材料中是最高的。

2)低抗拉强度和较高抗压强

由于陶瓷材料结合键的结合力很高，因此具有很高的理论强度，但其微观结构又具有复杂性和不均匀性(原料粉碎、混合和烧结成型过程中产生的杂质、气孔及各种缺陷的影响)，则容易产生裂纹，致使陶瓷材料的实际抗拉强度值(约为E/1000～E/100或更低)远低于理论值(约为E/10～E/5)，比金属的要低得多。

3)塑性、韧性低，脆性大

由于陶瓷材料的滑移系非常少，同时共价键又有明显的方向性和饱和性、而离子键的同性离子接近时排斥力很大，所以在陶瓷材料受到外载荷时不发生塑性变形而直接断裂，即在低应力下脆断。

4)优良的高温性能和低抗热振性

陶瓷的熔点远高于金属，因而具有优于金属的高温

强度。

5)热性能

热性能包括熔点、比热容、热膨胀系数、热导率等与温度有关的物理性能。

6)电性能与绝缘性好

大多数陶瓷具有很高的电阻率、很低的介电常数和介电损耗，因此可以作为绝缘材料。

7)化学稳定性

从陶瓷的晶体结构看，金属正离子被周围氧负离子所包围，屏蔽于其紧密排列的间隙之中，很难再与周围的氧发生反应，甚至在1000℃以上的高温下也是如此，所以陶瓷具有很好的耐火性或不燃烧性。5.1.3陶瓷的制备工艺

1．陶瓷坯料的制备

1)传统陶瓷坯料的制备

陶瓷坯料是指陶瓷原料经过配料和加工后得到的多成分混合物，一般指成型前按照要求配制好的供成型的物料。

2)特种陶瓷坯料的制备

特种陶瓷在性能方面有着相对较高的要求，因而其原料采用高纯的化学试剂合成陶瓷粉末，以满足特种陶瓷原料高纯度的要求。

2．陶瓷坯体的成型

陶瓷成型是将配制成的浆料、可塑泥团、半干粉料，经适当的方法和设备制成一定形状、体积和强度的块体的过程。陶瓷的成型方法很多，按坯料含水量的多少可分为三种：粉料成型法、塑性料团成型法、注浆成型法。

3．陶瓷坯体的干燥与排塑

成型后的坯件含有较多的水分，强度不是很高，而且成型体中含有一定量的有机添加剂和溶剂。

4．施釉

施釉是指通过高温方式，在陶瓷生坯上或烧好的瓷件上烧附一层近似玻璃态的物质，使其表面具有光亮、美观、致密、绝缘、不吸水、不透水及化学稳定性好等优异性能的一种工艺方法。

5．烧成或烧结

烧成通常是指在高温下粉粒集合体(坯体)表面积减少、气孔率降低、致密度提高、颗粒间接触面积增大以及机械强度提高的过程。干燥后的陶瓷坯体必须经过高温烧成，才能获得坚固的外形并达到所要求性能。目前，应用较多的方法主要有以下几种。

1)热压烧结

2)气氛烧结

3)反应烧结

4)热等静压烧结

5)等离子体烧结

6)微波烧结

6．陶瓷的加工与表面改性

1)陶瓷的加工

传统陶瓷在烧成后一般不需要加工，但烧结后的特种陶瓷制件，在形状、尺寸、表面状态等方面一般难以满足使用要求。

2)陶瓷的表面改性

作为结构陶瓷，陶瓷是脆性材料，尤其是陶瓷表面，存在大量缺陷，易成为裂纹源，其抗拉强度明显低于抗压强度。5.1.4典型的陶瓷材料

1．普通陶瓷

普通陶瓷是以黏土、长石、石英为原料，经配料—成型—烧结而制成的。

2．典型结构陶瓷

结构陶瓷一般具有良好的力学性能化学性质稳定性，它耐高温、耐磨损、耐腐蚀等。随着现代科学技术的发展，工业、能源、交通、航空航天等部门对材料的要求越来越苛刻，如不仅要求材料具有良好的耐高温性、耐磨性、耐腐蚀性和足够的机械强度等，还要求能在苛刻的条件下使用。在金属材料无法满足使用要求的情况下，陶瓷材料则较能胜任，例如氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硅化物陶瓷。

3．典型功能陶瓷

功能陶瓷是一类具有机、电、光、声、热、磁及其之间的耦合以及部分生物功能的多晶无机固体材料，其功能的实现主要来自于它所具有的特定的电绝缘性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性、生物适应性等。功能陶瓷是现代信息、自动化等工业的基础材料，在耐热性、化学稳定性方面优于金属和有机聚合物材料。功能陶瓷包括压电陶瓷、光电陶瓷、超导陶瓷、磁性陶瓷、光学陶瓷、生物陶瓷、敏感陶瓷等。

5.2水 泥 和 玻 璃

5.2.1水泥

1．水泥的概况

水泥为粉状水硬性无机胶凝材料，加水搅拌后成浆体，能在空气中硬化或者在水中更好地硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起。

2．水泥的分类

(1)按用途及性能分类，可分为：①通用水泥，指一般土木建筑工程采用的水泥，包括六大类：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥；②专用水泥，专门用途的水泥，如G级油井水泥、道路硅酸盐水泥；③特性水泥，某种性能比较突出的水泥，如快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥。

(2)按其主要水硬性物质名称分类，可分为：①硅酸盐水泥，即国外通称的波特兰水泥；②铝酸盐水泥；③硫铝酸盐水泥；④铁铝酸盐水泥；⑤氟铝酸盐水泥；⑥以火山灰或潜在水硬性材料及其他活性材料为主要组分的水泥。

(3)按其主要技术特性分类，可分为：①按凝结时间分为快硬水泥和特快硬水泥两类；②按水化热值分为中热水泥和低热水泥两类；③抗硫酸盐性分中抗硫酸盐腐蚀水泥和高抗硫酸盐腐蚀水泥两类；④按膨胀性分为膨胀水泥和自应力水泥两类。

3．水泥的生产工艺和性质

水泥以石灰石和黏土为主要原料，经破碎、配料、磨细制成生料，喂入水泥窑中煅烧成熟料，加入适量石膏(有时还掺加混合材料或外加剂)磨细而成。水泥的性质与组成水泥的矿物成分，颗粒细度，硬化时的温度、湿度，以及水泥中加水的比例等因素有关。5.2.2玻璃

1．玻璃的概念和通性

玻璃是一种较为透明的固体物质，在熔融时形成连续网络结构，冷却过程中黏度逐渐增大并硬化却不结晶的硅酸盐类非金属材料。

2．玻璃的类别及应用

1)按主要成分分类

按主要成分分类，玻璃可分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃。2)按性能特点分类

按性能特点，玻璃又分为以下几类：

(1)钢化玻璃

(2)多孔玻璃

(3)导电玻璃

(4)微晶玻璃

(5)中空玻璃

(6)乳浊玻璃

(7)压花玻璃

(8)夹层玻璃

(9)防弹玻璃

(10)磨砂玻璃

(11)防护玻璃

3．玻璃的结构和形成

玻璃的结构非常复杂，没有一致的结论，目前被普遍接受的玻璃结构理论有微晶学说和无规则网络学说。

4．玻璃的制备与成型

玻璃制备过程主要包括：原料预加工。

5.3矿物材料简介

5.3.1概论

1．矿物和矿物材料的定义

矿物是指在自然状态下通常由无机作用所形成的单质或化合物，具有特定的(但一般并非固定的)化学成分内部晶体结构的均匀固态，在一定的物理化学条件范围内稳定，是组成岩石或矿石的基本单元。

2．矿物材料的分类

矿物材料种类很多，不同地区、不同位置的矿物成因、结构、组成都有很大不同，其应用几乎遍及所有工业领域。5.3.2典型矿物材料

1．膨润土

膨润土又名膨土岩、斑脱石，俗名观音土，由凝灰岩或其他火山岩在碱性介质下蚀变而成。膨润土的主要矿物成分是蒙脱石，含量在85%～90%，另含少量石英、方解石及火山玻璃。

2．高岭土

高岭土又称瓷土，主要由小于2mm的微小片状、管状、叠片状等高岭石簇矿物组成，理想的化学式为Al2O3·2SiO2·

2H2O，其主要矿物成分除高岭石和多水高岭石外，还有蒙脱石、石英和长石等其他矿物(含Fe2O3、TiO2、微量的K2O、Na2O、CaO和