無機(jī)非金屬材料科學(xué)基礎(chǔ)第1頁/共117頁金屬學(xué)原理與硅酸鹽物理化學(xué)的異同晶體結(jié)構(gòu)：多元素的方向性和飽和性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜（原子級結(jié)構(gòu)對金屬性能影響不大，不太關(guān)心原子級的結(jié)構(gòu)）；缺陷：脆性斷裂，晶界為主要影響因素，不太關(guān)心線、面缺陷，關(guān)注點(diǎn)缺陷；相變：關(guān)心液-固成核、長大等，固-固相變有，但水玻陶高溫冷卻后不再變化，沒金屬熱處理要求高；相圖：以生成化合物的三元相圖為主，多為化合物，固溶體不是主要研究對象！擴(kuò)散：雙方要求差異不大，理論相同；無機(jī)非和金屬同屬無機(jī)材料，與高分子不同，在知識(shí)方向有許多共用！下面看一下雙方基礎(chǔ)的異同！第2頁/共117頁第3頁/共117頁第4頁/共117頁第5頁/共117頁塑性變形、凝固、回復(fù)、再結(jié)晶：不太關(guān)心；非晶態(tài)固體：玻璃工業(yè)較為發(fā)達(dá)，非晶金屬研究階段；固相反應(yīng)：元素種類多，固相反應(yīng)多，高溫過程就是固相反應(yīng)的過程，金屬冶煉后化學(xué)反應(yīng)不多，要求不高；燒結(jié)：陶瓷的主要理論，初始研究者，金屬有粉末冶金后期研究者，但成果頗多。晶體、缺陷化學(xué)、非晶體、固相反應(yīng)、燒結(jié)為主！第6頁/共117頁課程大綱緒論1晶體學(xué)基礎(chǔ)2缺陷化學(xué)基礎(chǔ)3非晶態(tài)基礎(chǔ)4固相反應(yīng)5燒結(jié)6第7頁/共117頁第一章緒論

無機(jī)非金屬材料概述1無機(jī)非金屬材料地位及應(yīng)用2關(guān)于本門課程4

典型無機(jī)非金屬材料3第8頁/共117頁1.1無機(jī)非金屬材料概述1.1.3無機(jī)非材料制備的共性1.1.2無機(jī)非金屬材料的特性1.1.1無機(jī)非金屬材料定義與分類第9頁/共117頁1.1.1無機(jī)非金屬材料定義及分類第10頁/共117頁什么是無機(jī)非金屬材料？除金屬材料、高分子材料以外的材料。以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽和非氧化物等物質(zhì)組成的材料。外延內(nèi)涵如何下定義呢？外延？內(nèi)涵？第11頁/共117頁傳統(tǒng)分法那么哪些材料是我們常說的無機(jī)非金屬材料呢？第12頁/共117頁最新分類方法？國家自然科學(xué)基金委員會(huì)--工程與材料科學(xué)部--學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告（2006-2010）--無機(jī)非金屬材料學(xué)。從科學(xué)研究的角度講，傳統(tǒng)無機(jī)非已是非熱點(diǎn)領(lǐng)域？第13頁/共117頁1.1.2無機(jī)非金屬材料特性金屬材料高分子材料無機(jī)非金屬金屬鍵共價(jià)鍵離子-共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜沒有自由電子高熔點(diǎn)高硬度耐化學(xué)腐蝕絕緣體導(dǎo)熱性差變形差（韌性）無機(jī)非的特性是指在三大類材料對比中表現(xiàn)的？第14頁/共117頁大材料視野制備1.1.3無機(jī)非制備的共性金屬金屬的冶煉→金屬的加工高分子無機(jī)非高分子合成→高分子加工粉體的制備→高溫下制備還是先來看一下材料的制備吧？第15頁/共117頁材料應(yīng)用狀態(tài)顆粒固體無機(jī)非原料初始狀態(tài)多為粉體塊狀固體高溫處理要理解無機(jī)非的工藝共性，先看一下材料的使用狀態(tài)？第16頁/共117頁常見無機(jī)非制備工藝原料破碎粉體成型干燥高溫傳統(tǒng)無機(jī)非傳統(tǒng)無機(jī)非物理和化學(xué)法塊狀固體應(yīng)用外形并不全需要第17頁/共117頁1.2無機(jī)非金屬材料地位及應(yīng)用1.傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料

水泥及混凝土：基礎(chǔ)材料，噸位之最；房屋、公路、橋梁、港口等混凝土約20億m3；不是一體，變?yōu)橐惑w！陶瓷：堅(jiān)硬的軀體，亮麗的表面，豐富的原料！建筑陶瓷：每年30億m3，世界產(chǎn)量的50%；衛(wèi)生陶瓷：6000萬件，世界產(chǎn)量20%；日用陶瓷：120億件，世界產(chǎn)量60%；

5-10年中國將成為世界建筑衛(wèi)生陶瓷中心。我們從傳統(tǒng)無機(jī)非和新型無機(jī)非兩個(gè)角度來講？傳統(tǒng)無機(jī)非：水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料？第18頁/共117頁

玻璃：堅(jiān)硬的透明材料！沒有玻璃之前的窗子？建筑工業(yè)：平板玻璃---浮法玻璃---世界第一生產(chǎn)大國，世界產(chǎn)量的30%左右，與英國、美國同為浮法原創(chuàng)國家。汽車工業(yè)：平板玻璃的深加工產(chǎn)品光電子產(chǎn)業(yè)：光纖、基板玻璃、激光玻璃等；

耐火材料：優(yōu)良的高溫強(qiáng)度！

高溫技術(shù)基礎(chǔ)材料，與科學(xué)研究和尖端技術(shù)緊密相關(guān)，70%用于冶金行業(yè)，我國占世界比重越來越大？第19頁/共117頁2.新型無機(jī)非金屬材料

結(jié)構(gòu)陶瓷：近20年來，最活躍的研究領(lǐng)域之一，對許多領(lǐng)域有巨大的推動(dòng)作用。

高性能陶瓷：氮化物、碳化物等，切削、摩擦等。

信息產(chǎn)業(yè)陶瓷：基板，氮化硅、碳化硅、氧化鋁。

航空航天陶瓷：航空航天的高溫部件。

生物陶瓷：人工關(guān)節(jié)、人工骨及其它組織工程領(lǐng)域；新型無機(jī)非：結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷、信息材料、納米材料、人工晶體、能源材料、生物材料等未來最活躍的材料領(lǐng)域？結(jié)構(gòu)-未知第20頁/共117頁第21頁/共117頁

功能陶瓷：

絕緣陶瓷：陶瓷基片、陶瓷封裝；

電容器陶瓷：高頻、大容量，片式陶瓷電容器；

半導(dǎo)體陶瓷：溫敏、熱敏、壓敏、氣敏等；

超導(dǎo)陶瓷：高溫超導(dǎo)陶瓷；

透明陶瓷：透明氧化鋁？

第22頁/共117頁

陶瓷基板

陶瓷電容器第23頁/共117頁第24頁/共117頁

信息材料：

硅半導(dǎo)體：微電子技術(shù)基礎(chǔ)：集成電路，硅單晶、硅片；多晶硅：太陽能電池；

發(fā)光材料：硅基發(fā)光材料硅基激光器

寬帶隙半導(dǎo)體：氮化鎵、金剛石薄膜為什么要搞寬帶隙半導(dǎo)體？第25頁/共117頁第26頁/共117頁

納米材料：納米顆粒、納米線、納米桿、納米管、納米孔材料；

雖然有納米金屬和納米高分子，但只占很少一部分！信息材料以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)，目前的半導(dǎo)體大部分從無機(jī)非金屬發(fā)展而來！

能源材料：能量產(chǎn)生：太陽能—硅、化合物、聚合物；能量存儲(chǔ)：鋰離子電池；能量傳輸：超導(dǎo)材料！

第27頁/共117頁第28頁/共117頁1.3典型無機(jī)非金屬材料陶瓷1玻璃2水泥3晶體4碳材料5耐火材料6礦物材料5第29頁/共117頁1.陶瓷–日用陶瓷從各種無機(jī)非金屬的應(yīng)用看這些典型無機(jī)非金屬材料？與金屬、高分子日用器相比優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)？第30頁/共117頁衛(wèi)生陶瓷有金屬、高分子浴缸和馬桶嗎？第31頁/共117頁電工陶瓷與金屬、高分子比優(yōu)點(diǎn)是什么？第32頁/共117頁化工陶瓷1噸酸如何存儲(chǔ)和使用？第33頁/共117頁高溫：坩堝、內(nèi)襯絕緣：基板、封裝外殼；硬度：刀具加工飛機(jī)零件；透明氧化鋁陶瓷下面看一下幾種特種陶瓷？先來看一下氧化鋁陶瓷！為什么氧化鋁陶瓷具有這些性能，傳統(tǒng)陶瓷不具備呢？第34頁/共117頁氧化鎂陶瓷不被堿性物質(zhì)腐蝕，抗金屬腐蝕，坩堝、模具、爐襯加工使用過程中注意防水！鉑、銅、鎂、鋅、鋁等金屬都可用！氧化鎂也可以做陶瓷嗎？有什么用??？第35頁/共117頁氧化鈹陶瓷導(dǎo)熱與絕緣的完美結(jié)合！良好的中子減速能力！超強(qiáng)的抗金屬腐蝕能力！我們先來看一個(gè)導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)據(jù)？第36頁/共117頁氧化鋯陶瓷硬度高：切削工具、整形工具；抗腐蝕：澆鑄口，與鋼水不浸潤可做鋼水內(nèi)襯！強(qiáng)度高、韌性好：迄今為止研究最好的增韌陶瓷；發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，如內(nèi)襯、活塞等。高溫-氧化氛圍。。。。敏感性：氧化物半導(dǎo)體，氣敏材料之一！第37頁/共117頁第38頁/共117頁碳化硅陶瓷碳化物中抗氧化性最好的，1000-1500℃發(fā)熱元件！氧化物抗氧化不更好嗎？高強(qiáng)：拉絲、成型模具；噴砂嘴、泵零件！微電子工業(yè)：封裝和基板；不是導(dǎo)電嗎？核工業(yè)：耐輻射，作為密封套；航空航天：火箭噴嘴！第39頁/共117頁第40頁/共117頁碳化鈦陶瓷碳化鈦陶瓷硬度大，是生產(chǎn)硬質(zhì)合金的重要材料耐磨：切削刀具第41頁/共117頁第42頁/共117頁氮化硅和氮化硼陶瓷氮化硅高溫耐磨：陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頂蓋氮化硅抗熱震性：熱電偶套管，抗熱振的性能要求？氮化硼僅次于金剛石的耐高溫、超硬材料，磨料！第43頁/共117頁納米陶瓷納米陶瓷：平均晶粒小于100nm的陶瓷；低熔點(diǎn)：顆粒小，在較低的溫度下可以被燒結(jié)；高強(qiáng)高韌：納米二氧化鈦陶瓷可以被彎曲；磁化率高：納米磁性金屬是普通金屬磁化率的20多倍吸收電磁波第44頁/共117頁紅外輻射陶瓷紅外輻射陶瓷：在一定紅外波段范圍內(nèi)，有較強(qiáng)輻射率和輻射強(qiáng)度的陶瓷！主要是熱輻射型！常見陶瓷：碳化硅、氧化鋯加熱干燥：均勻、速度快航天：太陽直射，散熱！第45頁/共117頁發(fā)光陶瓷發(fā)光陶瓷：把從外界獲得的其它能量變成光的陶瓷；路標(biāo)標(biāo)志牌、裝飾等第46頁/共117頁透明陶瓷透明陶瓷：可以透過可見光的陶瓷；玻璃不透明嗎？透明氧化鋁：工業(yè)最可行強(qiáng)度、溫度和透明：高壓鈉燈、高溫窗口材料；第47頁/共117頁激光陶瓷激光陶瓷：能夠激發(fā)產(chǎn)生單色光的陶瓷；紅寶石、摻釹的釔鋁石榴石、鋁酸釔、釹玻璃。單色光、激光器第48頁/共117頁抗菌陶瓷抗菌陶瓷：能夠抑制和殺滅微生物的陶瓷；有含有金屬粒子如銀的抗菌陶瓷，二氧化鈦光催化型產(chǎn)生殺死微生物的基團(tuán)！第49頁/共117頁多孔陶瓷多孔陶瓷：含有大量開口、貫通氣孔的陶瓷；多孔陶瓷用途：腐蝕、溶解、高溫過濾氣體或液體！如汽車尾氣！高溫金屬液體過濾、酸堿液體過濾、熱交換器等！第50頁/共117頁導(dǎo)電陶瓷導(dǎo)電陶瓷：具有電子、空穴或離子導(dǎo)電能力的陶瓷；高溫發(fā)熱元件：碳化硅、二硅化鉬、氧化鋯等。超導(dǎo)陶瓷：電線、發(fā)電機(jī)線圈等！第51頁/共117頁生物陶瓷生物陶瓷：用作特定生物或生理功能的陶瓷；骨、牙、心臟瓣膜、整形外科、藥物傳遞等！生物惰性：氧化鋁、碳；生物活性：HA、TCP第52頁/共117頁敏感陶瓷敏感陶瓷：對某一信號(hào)敏感的陶瓷；信息技術(shù)中傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)！電阻變化、電動(dòng)勢變化、磁變化溫度、壓力、氣氛、濕度、光強(qiáng)、電場、射線等！第53頁/共117頁2.玻璃夾絲玻璃壓花玻璃大規(guī)模、高強(qiáng)度透明材料？原料豐富、成本低！萬能成型！想想所有透明材料都用樹脂時(shí)樹脂的價(jià)格！第54頁/共117頁建筑玻璃平板玻璃中空玻璃第55頁/共117頁日用玻璃瓶瓶罐罐保溫瓶玻璃第56頁/共117頁儀器玻璃瓶瓶罐罐實(shí)驗(yàn)室中的瓶瓶罐罐第57頁/共117頁光學(xué)玻璃顯微鏡、眼鏡、照相機(jī)等光學(xué)玻璃第58頁/共117頁電真空玻璃電子工業(yè)中的玻殼、芯柱和封裝第59頁/共117頁防彈玻璃單向透光玻璃第60頁/共117頁第61頁/共117頁太陽能電池玻璃導(dǎo)電玻璃第62頁/共117頁彩色玻璃第63頁/共117頁反射玻璃：反射涼爽第64頁/共117頁光致變色玻璃燈具玻璃第65頁/共117頁玻璃纖維第66頁/共117頁玻璃纖維主要用途第67頁/共117頁光纖激光玻璃棒第68頁/共117頁基板玻璃第69頁/共117頁生物玻璃第70頁/共117頁3.水泥橋梁水泥道路水泥力學(xué)性能不是最適合的，但原料、成本卻是最劃算的？想象如果力學(xué)材料全用鋼鐵時(shí)，鋼鐵的價(jià)格？理解傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料的基礎(chǔ)地位？（都是天然礦物原料，是大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用的基礎(chǔ)）第71頁/共117頁建筑水泥油井水泥框架為高層產(chǎn)生、為墻體材料的要求降低奠定基礎(chǔ)？第72頁/共117頁大壩水泥：并不是任何水泥都可在任何場合應(yīng)用第73頁/共117頁彩色水泥第74頁/共117頁快硬水泥低熱水泥耐高溫水泥？第75頁/共117頁4.晶體材料非線性光學(xué)晶體壓電石英晶體晶體生產(chǎn)成本相對較高，能用陶瓷、玻璃的地方一般不用晶體，但晶體的高度均一性所體現(xiàn)出來的性能其它做不到的？第76頁/共117頁電光晶體：折射率紅外光學(xué)晶體第77頁/共117頁熱釋電晶體超硬晶體第78頁/共117頁半導(dǎo)體晶體單晶硅碳化硅單晶第79頁/共117頁早期晶體管：事物發(fā)展初期都很弱小第80頁/共117頁硅單晶上的信息技術(shù)第81頁/共117頁第82頁/共117頁第83頁/共117頁氧化鋁單晶：高溫窗口材料第84頁/共117頁光學(xué)晶體材料第85頁/共117頁激光晶體閃爍晶體第86頁/共117頁5.碳材料碳纖維碳纖維與碳有關(guān)的材料多是軟的，但要破壞CC鍵卻非常難！第87頁/共117頁第88頁/共117頁石墨坩堝石墨電極第89頁/共117頁潤滑石墨耐腐蝕石墨第90頁/共117頁石墨密封第91頁/共117頁粘土磚6.耐火材料第92頁/共117頁硅質(zhì)磚第93頁/共117頁碳磚第94頁/共117頁莫來石第95頁/共117頁第96頁/共117頁第97頁/共117頁氧化鋁磚第98頁/共117頁7.礦物材料礦物與巖石的區(qū)別？第99頁/共117頁高嶺土：陶瓷、造紙、涂料吸附、白、可塑第100頁/共117頁膨潤土：泥漿懸浮、農(nóng)藥載體、脫色澄清吸附、不白、可塑第101頁/共117頁方解石：塑料制品、橡膠制品、造紙、牙膏、涂料、油墨、膠粘劑、食品和醫(yī)藥

白、硬第102頁/共117頁石灰石：輕質(zhì)碳酸鈣、水泥、玻璃、飼料、鈣肥第103頁/共117頁石英：玻璃、鑄造砂、單晶硅、光纖、石英玻璃、硅微粉、碳化硅第104頁/共117頁滑石：造紙?jiān)鰪?qiáng)吸附，橡膠、電纜、油漆涂料、陶瓷第105頁/共117頁海泡石：孔道，過濾、增稠劑、香煙濾嘴、殺蟲劑載體從應(yīng)用角度有時(shí)很難區(qū)分？第106頁/共117頁1.3關(guān)于本門課程1.課程定位材料科學(xué)與工程金屬材料無機(jī)非金屬材料在材料科學(xué)的基礎(chǔ)上，拓寬無機(jī)非金屬材料科學(xué)基礎(chǔ)的相關(guān)內(nèi)容！有一定難度！根據(jù)我院材料科學(xué)與工程專業(yè)現(xiàn)狀？主要包括課程定位、參考書籍、成績評定、答疑時(shí)間、課堂紀(jì)律等？第107頁/共117頁2.參考書籍教材：

《無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)教程》胡志強(qiáng)

化學(xué)工業(yè)出版社

參考書：《無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)》張其土華東理工大學(xué)出版社《無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)》宋曉嵐化學(xué)工業(yè)出版社

《無機(jī)非金屬材料科學(xué)基礎(chǔ)》樊先平浙江大學(xué)出版《無機(jī)材料物理化學(xué)》賀蘊(yùn)秋建材工業(yè)出版社；

武漢理工：硅酸鹽物理化學(xué)、無機(jī)材料物理化學(xué)、無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)等第108頁/共117頁3.成績評定4.答疑時(shí)間5.課堂紀(jì)律總成績=作業(yè)成績+考勤成績+考試成績課程期間周一下午嚴(yán)肅活波：課堂活躍而不失嚴(yán)肅！第109頁/共117頁1.方向背景

熱處理專業(yè)的拓展，與成型（鑄鍛焊）專業(yè)的成立一樣，拓寬我院材料的內(nèi)涵！金屬與無機(jī)非在基礎(chǔ)知識(shí)需求上有許多交叉部分！不需要另起爐灶！金屬及傳統(tǒng)無機(jī)非為量大面廣方向，有萎縮趨勢，需求多但非壟斷條件不算太好！且我校非金屬及無機(jī)非強(qiáng)校，很難進(jìn)大型、好條件金屬材料企業(yè)！信息材料的就業(yè)環(huán)境、工資水平、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人才需求上有較好的前景！但我國電子材料還沒起來從科學(xué)研究的角度講，無機(jī)非方向由于其內(nèi)涵的豐富性有較好的前途！

關(guān)于無機(jī)非方向第110頁/共117頁電子材料領(lǐng)域信息電子材料；電子元器件、集成電路陶瓷、玻璃、水泥、礦物、晶體、炭材料無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域無機(jī)非金屬材料方向材料科學(xué)與工程專業(yè)（不缺金屬基礎(chǔ)）第111頁/共117頁2.課程設(shè)置金屬成型及模具設(shè)計(jì)、現(xiàn)代鑄造技術(shù)、現(xiàn)代焊接技術(shù)！陶瓷材料、礦物材料加工及應(yīng)用、水泥及混