无机非金属资料.doc

3.1无机材料概述 1.定义 无机非金属材料以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤化物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。 无机非金属材料学一门多学科相互交叉的新兴科学,主要研究无机非金属材料的成分、制备工艺、组织结构、材料性能和使用性能四个要素,以及它们之间相互关系的科学。 2.晶体的宏观特征自范性，F晶面数V顶点数 E晶棱数 2； 均匀性（源于周期性均匀排布）；物理性质的异向性；稳定性，固定熔点； 对称性 3.晶体的微观特征短程有序，长程也有序，具点阵结构 4.非晶的宏观特征只有玻璃转化温度，无固定熔点；无规则多面体几何外型，可制成玻璃体，丝，薄膜等特殊形态；物理性质各向同性；均匀性（源于原子无序分布的统计性规律，无晶界）。 5非晶体的微观特征长程无序，无平移对称性；短程有序，双体概率分布函数 6.传统无机材料 优点抗腐蚀，耐高温，高强度 缺点质脆，经不起热冲击，抗拉强度低，韧性差 7.现代科学对无机材料的要求高强度，耐高温，特殊性能（有利于无机材料的发展） 新型无机材料的 电学特性一些新型无机非金属材料可以作为半导体、导体、超导体等，一些绝缘性材料常被用于集成电路的基板。 光学特性有些新型无机非金属材料能发出各色的光，有的能透过可见光，有的能使红外线、雷达射线穿过。 生物特性有些新型无机非金属材料强度高、无毒、不溶于水，对人体组织有较 好的适应性，可直接植入人体内。 人造牙齿、人造骨骼，已应用于医疗。 课堂练习 晶体和非晶体的宏观性质差别体现在哪几个方面 简述晶体和非晶的微观结构差异。 列举五种你所知的无机非金属材料。 思考题阐述传统无机材料和新型无机材料的特性差别。 谈谈无机非金属材料与人类文明的关系 3.2 典型无机材料玻璃 1.玻璃简介 （1）玻璃由熔融体经冷却、固化而成的非晶态固体 玻璃态非晶态固体的一种。技术词典定义“从熔体冷却,在室温下还保持熔体结构的固体物质状态”。广义单质/有机/无机玻璃；狭义无机玻璃 （2）类型 普通玻璃 硅酸盐玻璃，用石英砂、纯碱和石灰石共熔而制得的一种无色透明的熔体 Na2CO3CaCO36SiO2Na2OCaO6SiO22CO2 特殊玻璃 改变普通玻璃的化学组成或对玻璃特殊处理，得到各种特殊性能的玻璃 （3）玻璃态的物理通性非晶特性各向同性；无固定熔点； 玻璃特性介稳性； 性质变化的连续性和可逆性 （4）玻璃的结构-含义 玻璃结构离子或原子在空间的几何配置及它们在玻璃中形成的结构形成体 近代玻璃结构的假说晶子学说，无规则网络学说，凝胶学说，五角形对称学说，高分子学说 （5）.玻璃的结构假说晶子学说（兰德尔，1930） 基本观点玻璃由无数“晶子”组成，分散于无定形介质中，且“晶子”部分到无定形部分过渡是逐步完成的，两者无明显界线，是高分散晶子的集合体。 评价玻璃微观不均匀性的首次揭示，描述玻璃结构近程有序的特点。 不足之处晶子尺寸太小，无法用x-射线检测晶子的含量、组成。 （6）玻璃的结构无规则网络学说查哈里阿明森,1932 基本观点近程有序与晶体相似，形成氧离子多面体三角形、四面体，多面体间顶角相连形成三度空间连续网络，为拓扑无序。 评价玻璃为宏观均匀、远程无序的结构，呈 各向同性 不足之处对分相研究不利，不能完满解释玻璃的微观不均匀性和分相现象 （7）玻璃的结构-假说 两种学说的异同点 相同点玻璃为近程有序、远程无序结构的无定形物质 不同点晶子假说着重于玻璃结构的微观不均匀和有序性（短程有序） 无规则网络学说着重于玻璃结构的无序、连续、均匀和统计性（长程无序） 2.玻璃的常见类型 （1）石英玻璃 硅氧四面体[SiO2]呈顶角相连的三维网络 主体氧化物 SiO2（决定性作用） 当R2O或RO加入玻璃中，由于增加O/Si比例，使O/Si比为主的三维结构破坏，导致性质变化。 （2）钠钙硅玻璃 结构熔融石英玻璃中加入碱金属氧化物如Na2O, Si-O网络发生断裂，碱金属离子处于非桥氧附近的网穴中，性能不好，无实用价值。 解决方法加入CaO使玻璃的结构和性质改善，得到性能优良的钠钙硅玻璃。 （3）硼酸盐玻璃 硼氧三角体[BO3]相接的硼氧三元环集团，低温下呈由桥氧连接硼氧三角体和硼氧三元环形成的向两度空间发展的网络，属层状结构。 引入RO或R2O，产生硼氧四面体[BO4]，形成碱硼酸盐玻璃，平面的层状结构 立体的架状结构，网络加强。 “硼氧反常性”与相同条件下的硅酸盐玻璃相比，引入RO或R2O后，玻璃的各种物理性质向相反的方向变化 3.玻璃的性质 （1）粘度面积S的二平行液层，以一定速度梯度移动所需克服的内磨擦力f 影响因素温度T低时粘度大 成分增粘SiO2,Al2O3,ZrO等；降粘R2O,PbO,CdO,Bi2O3,SnO减高温粘度，增低温粘度碱土金属氧化物 增低温粘度，降高温粘度 Li2O,ZnO,B2O3等 （2）表面张力和密度 表面张力玻璃与另一相接触的相分界面上，在恒温、恒容下增加一个单位的表面时所做的功。提高表面张力Al2O3, La2O3, CaO, MgO。降低表面张力K2O, PbO, B2O3, Sb2O3等 密度与化学组成、温度和热历史有关石英玻璃的密度最小2000 kg/m3，普通的钠钙硅玻璃为2500-2600 kg/m3 （3）力学性能 机械强度抗压/抗折/抗张/抗冲击强度等。影响因素组成、缺陷、温度、应力。 解决方法退火、钢化、表面处理与涂层、微晶化、复合 硬度物体抵抗其他物体侵入的能力。影响因素化学组成。解决方法加入氧化物SiO2B2O3MgO,ZnO,BaOAl2O3Fe2O3K2ONa2OPbO 脆性当负荷超过玻璃的极限强度时立即破裂的特性 （4） 热学性能；热膨胀系数。影响因素温度、化学组成、热历史 （5）化学稳定性抵抗气体、水、酸、碱、盐和各种化学试剂侵蚀的能力，分为耐水性、耐酸性、耐碱性等。 影响因素化学组成、热处理、 温度、压力 （6）光学性质 着色原理光能激发使电子从低能量轨道跃迁至高能量轨道。即从基态跃迁到激发态。基态和激发态间的能量差处于可见光的能量范围时，相应波长的光就能被吸收，呈现颜色 常见离子着色剂棕黄色钛；深棕色少量钛、铁或钛、锰共同作用；绿色钛、铜、Cr3； 黄绿色Cr6；深紫色锰；淡蓝色钠钙玻璃中加入铁； 深蓝色钴 4．玻璃的生产工艺 （1）原料的粉碎、过筛主要原料SiO2、Na2O 、CaO 、Al2O3、MgO 等五种成分，为引入上述成分而使用的原料。辅助原料为使玻璃获得某种必要的性质，或为加 速玻璃熔制过程而引入的原料 （2）按配方称料、混合 （3）在熔窑中将物料熔融、澄清过程在坩埚窑或池窑中进行。 温度普通玻璃1300-1600℃，低熔点玻璃600-1200℃ （4）匀质化； （5）成型加工 成型将熔融玻璃加工成有一定几何形状和尺寸的玻璃制品的工艺过程。 成型方法压制、吹制、拉制、加工成纤维、 压延、浇注和烧结法 （6） 热处理 热处理的目的消除内应力（玻璃制品生产中，表面及内部经受急剧和不均匀温度变化,表现强度降低、破裂）；消除特性不均结构不均一，表现性质变化 热处理的方法退火；回火；化学强化 5. 用玻日璃生产方法吹制法，压制法 6.特种玻璃与与传统玻璃Na2O-CaO-SiO2系统的组成差别成分变化；形状变化；玻璃态的变化；功能的变化； 制备工艺的变化 7．特种玻璃的功能性类别光学功能玻璃；电磁功能玻璃；热学功能玻璃；力学功能玻璃；化学功能玻璃；生物功能玻璃 8. 变色玻璃光致变色玻璃在适当波长光的辐照下改变其颜色，而移去光源时则恢复其原来颜色的玻璃 变色原理在玻璃原料中加入光色材料制成。两种不同的分子或电子结构状态，在可见光区有两种不同的吸收系数，在光的作用下，可从一种结构转变到另一种结构，导致颜色的可逆变化 9. 几种特殊玻璃的应用 种 类 特 性 用 途 普通玻璃 在较高温度下易软化 窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯等 石英玻璃 膨胀系数小，耐酸碱，强度大，滤光 化学仪器；高压水银灯、光导纤维、 光学玻璃 透光性能好，有折光和色散性 眼镜片；照相机、显微镜等光学仪器 玻璃纤维 耐腐蚀、不怕烧、不导电、不吸水、隔热、吸声、防虫蛀 太空飞行员的衣服、玻璃钢等 钢化玻璃 耐高温、耐腐蚀、强度大、质轻、抗震裂 运动器材；汽车、火车窗玻璃 F 课堂练习 F 什么是硼氧反常性 F 玻璃的着色原理是什么 F 玻璃属何种结构具有哪些特性 作业题 F 玻璃热处理的目的是什么方法有哪些 F 试解释玻璃结构的两种学说，其异同点 F 试列举几种特殊玻璃的应用。 3.3典型无机材料陶瓷 F 人类发展史的里程碑，最早不用大自然的现成材料而制成的器具 F 恩格斯陶器为新石器时代的开始标志 F 我国是世界上最早生产陶器的国家。有黑陶、白陶、彩陶等多个品种。 “世界奇观兵马佣”在烧成的陶胎上彩绘而成 F 瓷器由陶器脱胎而来, 要求比制陶器高，需要纯净的粘土作原料，烧制温度也相对高。 F 瓷器中华文明的象征。在许多拉丁语系国家中，“瓷器”和“中国”都以“CHINA”这同一种字母拼音表示。 1.陶瓷简介定义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。 发展阶段传统陶瓷；特种陶瓷；纳米陶瓷 2. 特种陶瓷与普通陶瓷的主要区别 区别 传统陶瓷 特种陶瓷 原料 天然矿物 人工精制合成（氧化物、非氧化物） 成型 注浆、可塑成型 压制、热压铸、注射、轧膜、流延、等静压成型 烧成 100。纺丝用纤维的长径比100∶1 2. 纤维的发展史一万年前，麻类、兽毛等纤维手工纺织（最早使用的纤维；19世纪中叶，人造丝的发明；1884年，法国人造丝的工业化生产；1938年，合成纤维；化学纤维 3. 从原料分天然纤维；化学纤维 从化学成分分无机纤维， 石棉唯一的无机非金属天然纤维；有机纤维 4. 从应用范围分纺织纤维；医用纤维 5.从纤维形态分连续纤维机械控制长度可无限拉伸的纤维；短纤维气流喷吹法、离心成纤法所得长度有限的纤维；晶须直径0-几十μm、长度为直径数百倍的针状单晶材料 6力学性能应力-应变性；拉伸性能；抗张强度；黏弹性 .7。纤维的力学性能 （1）应力-应变 应变 材料在外力作用下不能产生位移时，其几何形状和尺寸变化时的形变 应力 材料因外力而形变时，其内部产生的大小相等但方向相反的反作用力 （2）拉伸性能指标 纤维在拉伸力的作用下当伸长等于原长的1时所需的应力 初始模量刚、软屈服强度和屈服应变；断裂强度和断裂应变；断裂功脆、韧 8. 抗张强度断裂前试样承受的最大载荷P与试样宽度b和厚度d的乘积的比值 9. 黏弹性 （1）理想弹性固体虎克定律（应力-应变呈线性关系） 理想黏性液体牛顿流动定律（应力-应变速率呈线性关系） 实际材料处于两者之间，呈黏弹性 （2）定义热塑性塑料承受应力时会结合理想黏性流体和理想弹性固体之特性 （3）在特定的条件下，熔胶像液体一样受剪应力作用而连续变形；然而，一旦应力解除，熔胶会像弹性固体一样恢复原形 （4）黏弹性现象 静态力学行为蠕变；应力松弛 动态力学行为滞后；内耗 蠕变在一定温度和较小的恒定外力下，纤维形变随时间而逐渐增大的现象 应力松弛在固定的温度和形变下，纤维内部应力随时间增加而逐渐衰减的现象 10. 典型无机纤维硼纤维；碳纤维；石墨纤维；玻璃纤维；光学纤维见光学部分 11．硼纤维定义化学气相沉积法使硼沉积在钨丝或其它纤维状芯材上制得的连续单丝 规格100μm ；140 μm ；200μm 性能抗拉强度3500 Mpa拉伸模量400 Gpa；密度2.5g/cm3 钢材的1/4；抗压缩性能好；在惰性气体中高温性能良好；在空气中超过500℃时强度显著降低 用途复合材料增强剂。航空航天 硼纤维增强铝复合材料；军用飞机 硼纤维增强环氧树脂；高档体育用品 高尔夫球杆、网球拍、钓鱼竿。。 12碳纤维 1定义由不完全的石墨结晶沿纤维轴向排列的一种多晶无机纤维 2特点低密度、低电阻、低热膨胀; 高热导、高强度最高7000 Mpa、高模量弹性模量900 Gpa; 耐高温、耐化学辐射、耐化学腐蚀; 柔曲性、可编性; 质脆、抗冲击性和高温抗氧化性差 3从原料分类聚丙烯腈（PAN）基碳纤维;沥青基碳纤维;纤维素基碳纤维;酚醛树脂基碳纤维;其它有机纤维基碳纤维 4类型 普通型碳纤维900-1200℃碳化低强度99、二维有序晶态结构的一种无机纤维 制作工艺碳纤维放入热式高温石墨化炉，高纯Ar或N2保护，20003000℃热处理 乱层类石墨结构的碳纤维 高均匀高取向度结晶的石墨纤维 性能高抗拉模量、热导率、电导率；低热膨胀系数；比重2.0稍高于碳纤维；表面活性稍低于碳纤维 用途复合材料增强体 15.玻璃纤维 定义以硅酸盐为主要成分的玻璃原料经熔融和拉丝工艺制得的一种无机纤维 组成SiO2 ，Al2O3， CaO ，MgO ， Na2O ， B2O3 种类无碱型E玻璃纤维 碱金属氧化物＜2 中碱型C玻璃纤维碱金属氧化物1012 高碱型A玻璃纤维碱金属氧化物＞14 特点轻质、高强、低伸长；不燃；耐腐、耐高温、电绝缘；化学稳定性好 用途复合材料增强体 各种 沥青 中间相 沥青 沥青 纤维 不熔 纤维 高性能 碳纤维 高性能 石墨纤维 熔融纺丝 氧化不熔化 250-400 ℃ 炭化 1100-1800 ℃ 石墨化 2500-3000 ℃ 沥青基碳纤维和石墨纤维的生产流程 调制 16. 沥青基碳纤维的制备工艺 课堂练习 1名词解释纤维 2 唯一的无机非金属是什么 3 纺丝用纤维的长径比 作业 1设计以丙烯腈为原料制备石墨纤维的工艺流程。 2碳（石墨）纤维制备过程中，预氧化、碳化、石墨化的目的与方法是什么 3.5.2光学材料 1光的定义固体受到高能射线照射时发生的能量吸收和转换过程 2.光的传输方式折射，反射，透射 3. 从激发能量的种类分类 光致发光 紫外、可见光激发； 阴极射线发光 电子束激发 X射线发光 X射线、γ射线激发；电致发光 直流、交流电场激发 化学发光 化学反应发生的发光；放射发光 放射性元素等激发 生物发光 生物能激发； 摩擦发光 摩擦等机械应力产生的发光 4．从类型分类激光材料 光纤材料 红外光材料 发光材料 5. 四个不同的发光过程 （1）辐射过程材料由激发态到基态的跃迁过程 量子效率光量子数发射/光量子数吸收 2无辐射过程由材料的本性、缺陷和杂质等所产生的发光 3浓度淬灭激活剂浓度超过临界值时，导致发光效率降低 4双光子过程 上转换过程材料吸收2个低能量光子如红外光或近红外光，叠加发射出1个高能量的光子量子效率0.5 下转换过程材料吸收一个高能量光子如真空紫外光子，发射出2个低能量光子如可见光子量子效率 6. 制备技术高温固相反应反应复杂，受原料配比影响; 沉淀法优良形貌，大晶粒 纳米技术优良形貌，小晶粒，纳米效应 7．激光材料 1激光受激发射的辐射光放大 特点单一颜色，单一方向，高亮度，大能量 激光材料把各种泵浦电、光、射线能量转换成激光的材料 性能小热膨胀系数 大弹性模量 高热导率 高光照稳定性 高化学稳定性 2人造宝石;宝石的主要成分Al2O3（刚玉） 红宝石呈红色少量含铬化合物 蓝宝石呈蓝色少量含钛化合物 应特别关注宝石的主要成分及颜色变化原因。 主体成分刚玉 颜色变化不同离子引入 8.光线材料 定义一种利用光讯号传送电话通话或电脑数据等资料的传输媒介 组成玻璃纤维、高纯硅、塑料 用途高质量传导光的玻璃纤维；信息高速公路的“基石” 起源丁达尔实验1870年让一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由流出，以一束细光束沿水平方向从开口处的正对面射入水中。实验发现细光束不是穿出这股水流射向空气，而是顺从地沿水流弯弯曲曲地传播。 原理光的全反射 光导纤维的性能及用途 光导纤维（二氧化硅） 主要特性 ① 抗干扰性能好，不发生辐射；② 通讯质量好； ③ 质量轻、耐腐蚀 主要用途 可用于通讯、医疗、信息处理、传能传像、遥测遥控、照明等。 9. 光纤光缆与普通电缆比较 光 纤 光 缆 普 通 电 缆 信息量大,每根光纤理论上可同时通过10亿路电话 8管同轴电缆每条通话1800路 原料来源广石英玻璃,节约有色金属 资源较少 质量小,每公里27g,不怕腐蚀,铺设方便 每公里1.6t 成本低,每公里1万元左右 每公里20万元 性能好,抗电磁干扰保密性强,能防窃听,不发生电辐射 䦋㌌㏒㧀좈໱琰茞ᓀ㵂 10红外光材料 红外光太阳光中除了各彩色可见光外，还包含的一种不可见光，通过棱镜后的偏折程度比红光还小。 波长范围电磁波0.71000 微米 近红外（0.715 微米） 中红外（1550 微米） 远红外（ 501000 微米） 特点肉眼不可见；大气层中对红外波段存在一系列吸收很低的透明窗 碱土-卤族化合物高机械强度和硬度，不溶于水 窗口、滤光片、基板等 氧化物高熔点、大硬度、好化学稳定性 火箭、导弹、人造卫星、通讯、遥测等所用窗口 和整流器 无机盐用作红外透射光学材料 半导体良好的红外透过性 光伏列阵器件、焦平面器件 11.发光材料 （1）发光发光是指一种物质把吸收的能量，不经过热的阶段，直接转换为特征辐射的现象 用途显示、显像、探测辐射场等 决定因素颜色 强度 发光持续时间 （2）以电视的发展为例 1879，W. Crooks 确定发光特性决定于被电子束轰击的物质；1929，黑白电视机出现； 1953，彩色电视机问世；1964，稀土元素的化合物为基质和稀土离子掺杂的发光粉提高了红光材料的亮度，使彩色电视普及 （3）光致发光材料 ★荧光灯用发光材料 卤磷酸钙 白色荧光灯的原料 优点来源丰富、工程成熟、成本低廉 缺点显色性不够 ★三色基稀土发光材料 阴极射线发光材料 X射线激发发光材料 课堂练习 1宝石的主要成份是什么红宝石和蓝宝石为什么呈现不同的颜色 2光纤材料的制备是基于光的哪种过程 3电视机呈现彩色是基于哪类