1、5.2 化學(xué)與無機(jī)非金屬材料5.2.1 無機(jī)非金屬材料概論5.2.2 硅酸鹽材料5.2.3 半導(dǎo)體材料5.2.4 新型無機(jī)非金屬材料第1頁5.2.1 無機(jī)非金屬材料概論 無機(jī)非金屬材料(inorganic non-metallic material)簡(jiǎn)稱無機(jī)材料。可分為： 硅酸鹽材料：陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷等以天然硅酸鹽為原料制品。 新型無機(jī)材料：用人工合成方法制成不含硅或少含SiO2材料，如一些氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、鹵化物、硫化物和碳素材料等。第2頁 無機(jī)材料特點(diǎn)：耐高溫、抗氧化、耐磨、耐腐蝕和硬度大。而脆性差：經(jīng)不起碰撞摔打，即抗機(jī)械沖擊性能差；經(jīng)不起冷熱沖擊，即抗熱震

2、動(dòng)性能差。 其中無機(jī)工程結(jié)構(gòu)材料主要是利用其強(qiáng)度，尤其是耐高溫強(qiáng)度。而無機(jī)功效材料還有諸如熱、聲、光、電、磁學(xué)等方面特殊性能，已成為許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)鍵性材料。第3頁5.2.2 硅酸鹽材料 1.天然硅酸鹽(silicate)正長(zhǎng)石 K2O.Al2O3.6SiO2或K2Al2Si6O16白云母 K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O或K2H4Al6(SiO4)6高嶺土 Al2O3.2SiO2.2H2O或Al2H4Si2O9石 棉 CaO.3MgO.4SiO2或Mg3Ca(SiO3)4滑 石 3MgO.4SiO2.H2O或Mg3H2(SiO3)4泡沸石 Na2O.Al2O3.2SiO2. n

3、H2O 或Na2Al2(SiO4)2. nH2O 天然硅酸鹽在自然界中分布很廣,是組成地殼主要組分。其化學(xué)式很復(fù)雜，可看成是二氧化硅和金屬氧化物復(fù)合氧化物。第4頁石棉片黃玉正長(zhǎng)石第5頁水晶第6頁白云母滑石粘土第7頁 天然硅酸鹽不論組成多么復(fù)雜，在其晶體內(nèi)部，基本結(jié)構(gòu)單元都是SiO4四面體。硅占據(jù)四面體中心，4個(gè)氧則占據(jù)4個(gè)頂角。 天然硅酸鹽用途很廣，是工業(yè)上主要材料，也是制造陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等原料。OSi第8頁 2.水泥(cement) 按組成可分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥等。 硅酸鹽水泥又稱波特蘭(Portland)水泥，是由粘土和石灰石按百分比在旋轉(zhuǎn)窯中于1450以上

4、溫度煅燒成熟料，再混入少許石膏，磨粉后制成。第9頁硅酸鹽水泥熟料礦物組成及含量 組 分 化 學(xué) 式 符號(hào) 質(zhì)量分?jǐn)?shù)硅酸三鈣 3CaO.SiO2 C3S 0.370.60硅酸二鈣 2CaO.SiO2 C2S 0.150.37鋁酸三鈣 3CaO.Al2O3 C3A 0.070.15鐵鋁酸四鈣 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF 0.100.18符號(hào)C表示CaO，S表示SiO2 ，A表示Al2O3 ， F表示Fe2O3。第10頁3. 玻璃(glass) (2) 有色玻璃 在玻璃原料中加入一些金屬氧化物,可制成有色玻璃。如加入CoO，玻璃呈藍(lán)色；加入Mn2O3，呈紫色；加入Cu2O，呈紅色；加

5、入Cr2O3，呈綠色。(1)普通玻璃(鈉玻璃) 是用石英砂、純堿和石灰石共熔而制得一個(gè)無色透明熔體： Na2CO3+CaCO3+6SiO2=Na2O.CaO.6SiO2+2CO2第11頁 (3) 微晶玻璃 在玻璃中加入晶核形成劑(如金、銀、銅鹽類)，經(jīng)過熱處理，可制成各種性能微晶玻璃(又稱玻璃陶瓷)。第12頁(4) 鋼化玻璃 將玻璃進(jìn)行淬火處理或用化學(xué)方法處理可制成鋼化玻璃。它抗彎強(qiáng)度比普通玻璃大57倍，只有受到強(qiáng)烈沖擊時(shí)才會(huì)破壞，而且碎片棱角圓滑，不易飛濺，不易傷人，是很好安全玻璃。第13頁4. 耐火材料(refractory material) 耐火材料是指耐火溫度不低于1580,并在高溫

6、下能耐氣體、熔融金屬、熔融爐渣等物質(zhì)侵蝕，而且有一定機(jī)械強(qiáng)度無機(jī)非金屬材料。 第14頁 慣用耐火材料主要組分是一些高熔點(diǎn)氧化物，按其化學(xué)性質(zhì)可分為酸性、堿性和中性。酸性耐火材料主要組分是SiO2等，如硅磚；堿性耐火材料主要組分是MgO、CaO等，如鎂磚；中性耐火材料主要組分是Al2O3、Cr2O3等，如高鋁磚。第15頁硅磚鎂磚高鋁磚第16頁5. 分子篩(molecular sieves) 分子篩是一個(gè)人工合成泡沸石型水合鋁硅酸鹽晶體。它是由SiO4和AlO4四面體結(jié)構(gòu)單元組成多孔性晶體，空隙排列整齊，空徑均勻，有極大內(nèi)表面。是一個(gè)新型高效能、高選擇性吸附劑、干燥劑、分離劑和催化劑。其組成為：

7、M2/xO.Al2O3.mSiO2.nH2O 式中x是金屬元素M(普通為Na、K或Ca)氧化值。第17頁 分子篩中m=2稱為A型，A型中又有3A、4A、5A等，其孔徑分別為0.30、0.42、0.50nm;m=2.23.0稱為X型,有10X、13X等,其孔徑分別為0.50、0.80nm;m=3.15.0稱為Y型,其孔徑約為1.00nm。 分子篩含有篩分大小不一樣分子能力。第18頁5.2.3 半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體材料(semiconductive material)指電阻率介于金屬導(dǎo)體(10-510-6cm)和絕緣體(10101015 cm)之間材料。主要用途是制成各種特殊功效元器件,如晶體管,集

8、成電路,太陽能電池,各種微波器件,整流器和可控整流器等。 當(dāng)前應(yīng)用最多半導(dǎo)體材料是摻雜硅、鍺和砷化鎵。第19頁 發(fā)光二極管是特殊半導(dǎo)體二極管，將電流直接轉(zhuǎn)換成光線。發(fā)光二極管只會(huì)放射出單色光線，而光線顏色可由采取基本原料及金屬元素而定。它所采取經(jīng)典半導(dǎo)體物料有：紅色光線GaAs、綠色光線GaP、藍(lán)色光線GaNi或含有氧化鋅GaAs第20頁1. 光 導(dǎo) 纖 維 光導(dǎo)纖維(optical waveguide fibre)，簡(jiǎn)稱光纖，是用來傳遞光線和圖象纖維。 制造光導(dǎo)纖維用光學(xué)材料，必須高度純凈、成份均勻。普通無水石英（SiO2）是慣用光導(dǎo)纖維材料。 光導(dǎo)纖維用途：近年來，光導(dǎo)纖維用于光通信技術(shù)快

9、速發(fā)展。另外，在農(nóng)業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療、電視、傳真、電話、科研等方面都有廣泛用途。 5.2.4 新型無機(jī)非金屬材料第21頁 光導(dǎo)纖維傳遞每個(gè)發(fā)光二極管所發(fā)出光線，分顏色及將每一點(diǎn)印在相紙上，從而聚合成一幅完整影像。此種玻璃導(dǎo)管誕生于20世紀(jì)70年代，其內(nèi)部關(guān)鍵光纖由高折射率玻璃組成，而外層用低折射率玻璃導(dǎo)管包裹，兩種物料之間所產(chǎn)生反射能預(yù)防光線流失，確保光線透過關(guān)鍵光纖傳送時(shí)，光纖末端光線不會(huì)失真。第22頁2. 新 型 陶 瓷 材 料 習(xí)慣上把陶瓷(ceramics)分為傳統(tǒng)陶瓷和特種陶瓷. 傳統(tǒng)陶瓷是以粘土、長(zhǎng)石、石英等天然礦物為原料經(jīng)燒結(jié)而成。 特種陶瓷是以人工合成氧化物、氮化物、碳化物、硅化物

10、、硼化物超細(xì)微粒為原料特制而成。又稱精細(xì)陶瓷、精密陶瓷。第23頁 氧化鋁陶瓷又叫高鋁陶瓷，主要成份是Al 2O3 和SiO2。 Al 2O3含量越高則性能越好，但工藝更復(fù)雜，成本更高。 用途：它硬度高，耐磨性好，很早就用于制造刀具、模具、軸承。耐腐蝕性很強(qiáng)，可制作化工零件，如化工用泵密封滑環(huán)，機(jī)軸套、葉輪等。(1) 氧化鋁陶瓷第24頁 氮化硅（Si3N4）是由共價(jià)鍵形成原子晶體。 用途：硬度高、耐磨系數(shù)低、有自潤(rùn)滑作用，所以是優(yōu)良耐磨材料。熱強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性高，熱膨脹系數(shù)小，是優(yōu)良高溫結(jié)構(gòu)材料。耐腐蝕，可作高溫軸承、轉(zhuǎn)子、葉片、燃燒室噴嘴等高溫零件以及高溫下使用模具和夾具。(2) 氮化硅陶瓷第

11、25頁 碳化硅（金剛砂）和氮化硅一樣，是穩(wěn)定原子晶體。含有高熱傳導(dǎo)能力、硬度大、熔點(diǎn)高、比重小，有較高強(qiáng)度和很好熱穩(wěn)定性，與各種酸都不起作用，其抗氧化性能在高達(dá)1550OC時(shí)仍很優(yōu)良。 用途：制造磨料、模具、特種耐火材料制品；用于制造電阻發(fā)燒元件。(3) 碳化硅陶瓷第26頁 功效陶瓷(functional ceramics)材料是以特定性能或經(jīng)過各種物理原因（如聲、光、電、磁）作用而顯示出獨(dú)特功效材料。(4) 功效陶瓷第27頁 TiO2、 ZrO2 、 LaCrO3 等高溫電子陶瓷，用于制造電容器和電子工業(yè)中高溫高頻器件。如BaTiO3類陶瓷用于制造溫度傳感材料；CdS、PbTiO3系陶瓷用于

12、制造光敏傳感材料；ZnO系陶瓷，SiC 、BaTiO3系陶瓷用于制造壓力和振動(dòng)傳感材料等。功效陶瓷用途：第28頁 生物陶瓷是用于人體器官替換、修補(bǔ)，及外科矯形陶瓷材料。主要包含羥基磷灰石、氧化鋁、生物活性玻璃陶瓷等。(5) 生物陶瓷材料 羥基磷灰石（Ca10(PO4) 6(OH) 2）陶瓷用途： 它含有良好生物活性，能與人骨緊密結(jié)合。主要用于不承載小型種植體（如耳骨），用金屬支撐加強(qiáng)牙科種植體。第29頁 生物陶瓷人工聽小骨假體由羥基磷灰石(HA)陶瓷制成，表面含有微孔，可使患者聽力平均高2030dB，適合用于慢性化膿性中耳炎患者作聽小骨置換和鼓臘修復(fù)手術(shù)。自1989年以來已臨床應(yīng)用800多例，經(jīng)過省級(jí)判定。第30頁3. 超 導(dǎo) 材 料 一些材料在臨界溫度以下，會(huì)產(chǎn)生零電阻和排斥磁場(chǎng)(邁斯納效應(yīng))現(xiàn)象稱超導(dǎo)性。含有超導(dǎo)性材料稱為超導(dǎo)材料。 將電阻突然降為零溫度稱為臨界溫度，用符號(hào)Tc表示。第31頁 零電阻效應(yīng)和邁斯納效應(yīng)是超導(dǎo)體兩個(gè)獨(dú)立基本屬性，一個(gè)材料只有同時(shí)具備這兩種效應(yīng)時(shí)才含有超導(dǎo)性。第32頁臨界磁場(chǎng)Hc 破壞超導(dǎo)態(tài)最小磁場(chǎng)強(qiáng)度。臨界電流Hc 超導(dǎo)態(tài)時(shí)超導(dǎo)體內(nèi)允許流動(dòng) 最大電流。IIcHHcTTc 必須將條件控制在三個(gè)臨界參數(shù)Tc、Hc、Ic之下，才能使物體處于超導(dǎo)態(tài)。三個(gè)臨界參數(shù)關(guān)系第33頁 已發(fā)覺有28種金屬元素和數(shù)以千計(jì)合金及