第二單元功效各異無機(jī)非金屬材料1/29

無機(jī)非金屬材料種類繁多，功效各異，應(yīng)用十分廣泛，其歷史可追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代。從我們祖先用黏土制作陶器，到當(dāng)代人經(jīng)過光導(dǎo)纖維通訊聯(lián)絡(luò)，人類利用自然界提供各種資源，研制了許許多多無機(jī)非金屬材料。我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂锰沾?、玻璃器皿，煤氣爐具點(diǎn)火裝置使用壓電陶瓷，電器設(shè)備中半導(dǎo)體材料，電視顯像管中熒光粉，磁帶和磁性陶瓷使用磁性材料，醫(yī)療中使用人造牙齒等，都屬于無機(jī)非金屬材料。2/293/29一、生活中的硅酸鹽材料石器——燧石取火硅酸鹽——水泥、玻璃、陶瓷二氧化硅——光導(dǎo)纖維單晶硅——集成電路傳統(tǒng)材料人類文明發(fā)展史新型材料信息材料4/291．從黏土到陶瓷

科學(xué)家用五個(gè)里程碑和三大技術(shù)突破來總結(jié)中國(guó)陶瓷整個(gè)發(fā)展過程：1。新石器時(shí)代早期陶器出現(xiàn)；2。新石器時(shí)代晚期印紋硬陶和商、周時(shí)期原始瓷燒制成功；3。漢晉時(shí)期南方青釉瓷誕生；4。隋唐時(shí)期北方白釉瓷突破；5。宋代到清代顏色釉瓷、彩繪瓷和雕塑陶瓷輝煌成就。5/29傳統(tǒng)陶瓷工藝

陶器和瓷器坯體都是用黏土制成，制作瓷器黏土較純凈。普通陶器較為粗糙，有不一樣程度滲透性。假如在坯體上涂上彩釉，燒制后可得到表面光滑、不滲水、色彩絢麗陶瓷器具。6/292．形形色色玻璃

采光、隔熱及裝飾都需要使用玻璃。色彩斑斕玻璃器皿和玻璃工藝品美化了人們生活。普通玻璃暗綠色、淺棕色是因?yàn)榉謩e含有氧化亞鐵和氧化鐵等雜質(zhì)。主要原料主要設(shè)備主要成份發(fā)生主要反應(yīng)純堿石灰石石英

玻璃熔爐

Na2SiO3CaSiO3SiO2

7/29資料卡玻璃結(jié)構(gòu)特點(diǎn)——玻璃態(tài)物質(zhì)玻璃是無定形硅酸鹽混合物，屬于玻璃態(tài)物質(zhì)。玻璃態(tài)物質(zhì)粒子不像晶體那樣有嚴(yán)格空間排列，但也不完全是無規(guī)則排列。人們把這種結(jié)構(gòu)特征稱為“短程有序、遠(yuǎn)程無序”，就是說從小范圍看它有一定晶型排列，從整體上看卻無晶型排列規(guī)律。玻璃態(tài)物質(zhì)沒有固定熔點(diǎn)，能夠在某一溫度范圍內(nèi)逐步軟化變成液態(tài)。在軟化狀態(tài)時(shí)，玻璃可吹制或軋成一定形狀制品。8/29

對(duì)普通玻璃進(jìn)行處理能夠改進(jìn)玻璃性能。鋼化玻璃機(jī)械強(qiáng)度大，抗震，不易破碎，即使破碎也不會(huì)形成有棱角碎片；刻花玻璃上雕刻有各種精美花紋圖案；鍍膜玻璃能夠做鏡子、玻璃幕墻等。你知道它們是經(jīng)過怎樣工序加工制得嗎?9/2910/29變色玻璃

在玻璃中加入適量溴化銀(AgBr)和氧化銅微小晶粒，經(jīng)過適當(dāng)熱處理，能夠制成變色玻璃。當(dāng)強(qiáng)光照射到玻璃上，溴化銀分解為銀和溴單質(zhì)，分解出銀原子聚集成銀微小晶粒，使玻璃展現(xiàn)暗棕色，能擋住大部分光線。光線變暗，銀和溴在氧化銅催化作用下，重新生成溴化銀。于是玻璃顏色自動(dòng)變淺，透光性增強(qiáng)。11/29玻璃加工1。玻璃加熱到一定溫度后急劇冷卻，就能夠得到鋼化玻璃。2。氫氟酸(HF)對(duì)玻璃含有腐蝕作用，可用于在玻璃上雕刻各種精美圖案，也可用于在玻璃儀器(量筒、滴定管等)上標(biāo)注刻度及文字。氫氟酸與玻璃發(fā)生反應(yīng)能夠表示為：

SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O3。在玻璃表面鍍金屬膜能夠制得鍍膜玻璃。鍍膜玻璃外形美觀，還能夠阻擋紅外線及紫外線穿透。在玻璃上鍍銀、真空鍍鋁是制造鍍膜玻璃慣用方法。12/29

在一個(gè)潔凈小試管中加入2mL2％AgNO3溶液，慢慢滴加2％氨水，邊滴加邊振蕩試管，直到產(chǎn)生沉淀恰好溶解為止。再向試管中滴加1～2滴10％氫氧化鈉溶液，隨即加入3mL10％葡萄糖溶液，用溫水浴加熱幾分鐘，觀察發(fā)生現(xiàn)象。試驗(yàn)錄像13/29玻璃加工4。玻璃加熱到一定溫度后急劇冷卻，就能夠得到鋼化玻璃。5。夾層玻璃

夾層玻璃受到撞擊時(shí)只會(huì)裂開，而不會(huì)粉碎。夾層玻璃共有三層，兩層玻璃夾著厚度約為0.76mm中間層。夾層玻璃中間層材料通常為性能很好聚乙烯醇丁醛（PVB）。當(dāng)玻璃受到撞擊而損壞時(shí)，中間膠片便可粘著外面玻璃，預(yù)防碎片四處飛散。玻璃聚乙烯醇丁醛玻璃14/29幾個(gè)玻璃特征和用途種類特征用途普通玻璃高溫下易軟化窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯彩色玻璃氧化鈷（Co2O3)藍(lán)色氧化亞銅（Cu2O)紅色二氧化錳（MnO2)紫紅色氟化鈣（CaF2)乳白色鋼化玻璃耐高溫、耐腐蝕、強(qiáng)度大、質(zhì)輕、抗震裂運(yùn)動(dòng)器材，微波通訊器材，汽車、火車窗玻璃等玻璃纖維耐腐蝕、不怕燒、不導(dǎo)電、不吸水、隔熱、吸聲、防蟲蛀太空飛行員衣服、玻璃鋼等光學(xué)玻璃透光性能好，有折光性和色散性眼鏡片，攝影機(jī)、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等中凹凸透鏡石英玻璃膨脹系數(shù)小、耐酸堿、強(qiáng)度大、濾光化學(xué)儀器，高壓水銀燈、紫外燈等燈殼，光導(dǎo)纖維，壓電晶體等有機(jī)玻璃高度透明性，機(jī)械強(qiáng)度高，重量輕，易于加工15/29主要原料主要設(shè)備主要成份性質(zhì)應(yīng)用粘土石灰石石膏水硬性水泥回轉(zhuǎn)窯3CaO·SiO22CaO·SiO2

3CaO·Al2O3水泥沙漿混凝土鋼筋混凝土

3．硅酸鹽水泥

水泥是最慣用建筑材料右圖是1949——1998年我國(guó)水泥產(chǎn)量示意圖16/29檢索咨詢

水泥(cement)硬化過程能夠分為兩個(gè)階段。第一階段是水泥加水后逐步發(fā)生水化反應(yīng)，從含有可塑性與流動(dòng)性水泥漿，變成非流動(dòng)性水泥顆粒并喪失可塑性。第二階段是水泥顆粒逐步吸收水，深入發(fā)生水化反應(yīng)，硬化成機(jī)械強(qiáng)度高固體。水泥硬化17/29

煉鋼廠排出爐渣主要含有哪些成份?為何在煉鋼廠附近常建有水泥廠?請(qǐng)從資源充分利用角度談?wù)勥@么布局好處。

硅酸鹽水泥品種日益擴(kuò)大，白水泥、快干水泥、彩色水泥等已越來越為人們所熟悉。其中，彩色水泥主要用來配制彩色水泥漿，可用于建筑飾面刷漿以及室外墻面裝飾等，含有特殊裝飾效果。在建筑工程中，水泥和沙、碎石、水按一定百分比混合，以鋼筋作結(jié)構(gòu)，硬化后形成結(jié)構(gòu)堅(jiān)固鋼筋混凝土。18/2919/29水泥不宜久存生活向?qū)?/p>

保留不妥或存放時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)造成水泥受潮結(jié)塊，影響水泥強(qiáng)度。受潮后水泥表面結(jié)塊，從而喪失凝聚力，造成強(qiáng)度下降。輕微結(jié)塊水泥，強(qiáng)度降低10％～20％。即使在良好儲(chǔ)存條件下，水泥也不宜儲(chǔ)存過久．因?yàn)樗鄷?huì)吸收空氣中水分和二氧化碳，發(fā)生質(zhì)變。據(jù)統(tǒng)計(jì)，儲(chǔ)存三個(gè)月后，水泥強(qiáng)度降低10％～20％，六個(gè)月后降低15％～30％，一年后降低25％～40％。購(gòu)置水泥時(shí)要了解水泥生產(chǎn)日期。20/29二、光導(dǎo)纖維和新型陶瓷材料

光導(dǎo)纖維和各種新型陶瓷開發(fā)和應(yīng)用不但為高科技發(fā)展提供了優(yōu)質(zhì)材料，也提升了人們生活質(zhì)量。光導(dǎo)纖維在信息工程中應(yīng)用，使人們能夠坐在家中經(jīng)過信息網(wǎng)絡(luò)獲取信息，聯(lián)絡(luò)親友。新型高強(qiáng)度陶瓷材料出現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)陶瓷脆性。由光導(dǎo)纖維組成光纜能夠代替通訊電纜，用于光纖通信，傳送高強(qiáng)度激光。光纖通信容量比微波通信大103～104倍，而且傳輸速度快。用光纜代替通訊電纜能夠節(jié)約大量有色金屬。據(jù)統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)lkm長(zhǎng)光纜只需幾克超純石英玻璃，約可節(jié)約銅1.1t。21/291．光導(dǎo)纖維制造與應(yīng)用

把氧氣和四氯化硅蒸氣混合氣體經(jīng)過在高溫爐中旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)石英管，能反應(yīng)生成二氧化硅。把得到沉積在管內(nèi)二氧化硅熔化，形成“玻璃棒”，在1900～℃高溫下再將其熔化、拉制成粗細(xì)均勻光纖細(xì)絲。SiCl4(g)＋O2(g)1300℃SiO2＋2Cl2(g)

用于鋪設(shè)光纖通訊線路光導(dǎo)纖維是由若干條柔韌、沒有脆性、有高折射率光纖細(xì)絲(直徑在10μm以下)用聚丙烯或尼龍?zhí)装瞥伞?2/29

光纖通信較之普通電纜通信有許多突出優(yōu)點(diǎn)。首先，光纖通信有巨大信息容量，一根頭發(fā)絲那么細(xì)光導(dǎo)纖維能夠通幾萬路電話或2000路電視。假如用許多根光導(dǎo)纖維組合成光纜，它通信容量更大得驚人。其次，光纖通信不受外界電磁場(chǎng)干擾，工作穩(wěn)定可靠，保密程度高。第三，光纖通信損耗低，當(dāng)前無中繼傳送距離普通為30～70km(而同軸電纜每隔1．5km就需設(shè)置一個(gè)中繼站，來賠償電信號(hào)在傳輸中損耗)，很適合遠(yuǎn)距離信息傳輸。當(dāng)前，人們已建成大西洋海底光纜(全長(zhǎng)約7000km)。計(jì)劃中南太平洋光纜(全長(zhǎng)約16000km)也正在緊鑼密鼓準(zhǔn)備之中。深入降低光纖損耗，降低中繼站數(shù)目，甚至不用中繼站，是人們下一步目標(biāo)。23/29

醫(yī)生好助手 當(dāng)前，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上，普遍使用一個(gè)連接著許多光纖胃鏡。這些光纖并成一束，束中各條光纖相對(duì)位置保持不變。把胃鏡插入病人胃里，胃鏡接收到光線沿著這些光纖傳到體外。每條光纖中光僅反應(yīng)胃中一小點(diǎn)情況，整束光纖中光就拼合成胃里某一部分圖像。光纖胃鏡光源是在體外由光纖傳進(jìn)去，它不產(chǎn)生熱輻射，能減輕病人痛苦。在光導(dǎo)纖維一頭裝上精巧小巧微型鏡頭，將胃內(nèi)情況傳到體外拍攝下來或顯示在屏幕上。還能夠在胃鏡光纖中留出空通道，以插入切取生理切片鑷子。 因?yàn)楣饫w又細(xì)又軟，故可將醫(yī)生用來觀察人體內(nèi)部病變情況內(nèi)窺鏡做得小巧玲瓏。胃鏡是內(nèi)窺鏡中比較粗一個(gè)，但也只有15mm左右，其它如食道鏡、膀胱鏡還要細(xì)小得多。可見：光導(dǎo)纖維應(yīng)用，使醫(yī)用內(nèi)窺鏡從結(jié)構(gòu)到功效都發(fā)生了主要改變。 近年來，一個(gè)激光光纖藥頭內(nèi)窺鏡碎石系統(tǒng)已研制成功。這種系統(tǒng)利用胃鏡把帶有藥頭光纖導(dǎo)管送入胃中，然后沿光纖通入激光。激光能夠像引爆雷管一樣，使藥頭炸裂并產(chǎn)生沖擊波，擊碎胃石，再用胃鏡把碎石取出。利用該系統(tǒng)已成功地?fù)羲榇笮?cm×10cm×6cm胃石并取出碎石。這種系統(tǒng)還能夠用來治療膀胱結(jié)石、輸尿管結(jié)石和膽結(jié)石等疾病。 光導(dǎo)纖維在醫(yī)學(xué)上另一個(gè)主要應(yīng)用是經(jīng)過微細(xì)光纖將高強(qiáng)度激光輸入人體病變部位，用激光來切除病變部位。這種手術(shù)不用切開皮膚和切割肌肉組織，降低了病人痛苦，而且切割部位準(zhǔn)確，手術(shù)效果好。24/29

陶瓷應(yīng)用新天地當(dāng)宇宙飛行器完成航天任務(wù)返回地球時(shí)，它面臨著與隕星一樣處境。研究結(jié)果表明：當(dāng)宇宙飛行器飛行速度等于聲速3倍時(shí)，其前端溫度可達(dá)330℃；當(dāng)飛行速度等于6倍聲速時(shí)，可達(dá)1480℃。宇宙飛行器邀游太空歸來，抵達(dá)離地面60～70km高度時(shí)，其速度仍保持在聲速20多倍，溫度在10000℃以上，這么高溫足以把宇宙飛行器化作一團(tuán)熊熊烈火。高速帶來了高溫，這似乎是一道不可逾越障礙。人們把這種障礙稱為“熱障”。怎樣使宇宙飛行器克服“熱障”，安全地返回地面呢?科學(xué)家在分析了“宇宙不速之客”——隕石后發(fā)覺，隕石表面雖已熔融，但里面化學(xué)成份沒有改變。這說明隕石在下落過程中，盡管表面因摩擦生熱產(chǎn)生幾千度高溫而熔融，但因?yàn)榇┻^大氣層時(shí)間很短，熱量還來不及傳到隕石內(nèi)部。這給科學(xué)家以啟發(fā)：讓宇宙飛行器頭部戴一頂用燒蝕材料做成頭盔”，把重返大氣層時(shí)摩擦產(chǎn)生熱量消耗在燒蝕材料熔融、氣化等一系列物理和化學(xué)改變中，“丟卒保車”，抵達(dá)保護(hù)宇宙飛行器目標(biāo)。25/292．新型陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷（工程陶瓷）功效陶瓷含有機(jī)械功效、熱功效和部分化學(xué)功效陶瓷，如納米陶瓷。含有電、光、磁、化學(xué)和生物特征，且有相互轉(zhuǎn)換功效陶瓷屬于功效陶瓷，如生物陶瓷等。結(jié)構(gòu)陶瓷制品生物陶瓷制品26/29透明陶瓷和納米陶瓷普通陶瓷因?yàn)閮?nèi)部有雜質(zhì)和氣孔而不透明。用高純度原料可取得透明陶瓷。這些透明陶瓷不但光學(xué)性能優(yōu)異，而且耐高溫，熔點(diǎn)普通都在2000℃以上。透明陶瓷透明度、強(qiáng)度、硬度都高于普通玻璃。用透明陶瓷制造高壓鈉燈，發(fā)光效率比高壓汞燈高一倍，使用壽命可達(dá)2萬小時(shí)。

人們把陶瓷粉體顆粒加工到納米級(jí)，便得到了納米陶瓷。納米陶瓷成功地處理了陶瓷易碎問題。納米陶瓷還含有延展性，如室溫下合成Ti02陶瓷能夠彎曲，塑性、韌性好。納米氧化鋯陶瓷顆粒27/291．了解生活中無機(jī)非金屬材料應(yīng)用與