化学与人类生活 教学课件 作者 柳一鸣 主编 第四章 化学与材料 第三节 非金属材料.pptVIP

尚辅网 尚辅网 第三节  非金属材料 非金属材料通常指以无机物为主体的玻璃、陶瓷、石墨、岩石以及以有机物为主体的木材、塑料、橡胶等一类材料。它是热和电的不良导体(碳除外)。一般非金属材料的机械性能较差(玻璃钢除外)，但某些非金属材料可代替金属材料，是化学工业不可缺少的材料。 玻璃是由熔体过冷而成的固体状态的无定形物体，制造普通玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英。生产时把原料粉碎，按适当比例混合，放入玻璃熔炉中加强热，经过复杂的物理化学变化制成熔融混合物，再经快速冷却凝结即制成玻璃，玻璃一般硬而透明。 1、传统陶瓷 陶瓷是中华民族文明的象征。西安地区出土的秦始皇陵中大批陶兵马俑，气势宏伟，形象逼真、被认为是世界文化奇迹，人类的文明宝库。我国考古发现，位于山西省曲沃县的晋候墓车马桶比秦始皇兵马桶还早600年，我国唐代的唐三彩，明清景德镇的瓷器均久负盛名。 陶瓷的主要成分 传统陶瓷材料的主要成分是硅酸盐，自然界存在大量天然的硅酸盐，如岩石、砂子等， 还有许多矿物加云母、滑石、石棉、高岭石、铁英石、绿柱石、石英等，它们都是天然硅酸盐。 硅酸盐制品 一般都是以黏土(高岭土)、石英和长石为原 料，黏土的化学组成是A12O3 ? 2SiO2 ? 2H20， 石英SiO2，长石为 K2O ? Al203 ? SiO2 (钾长石) 或Na20 ? Al203 ? 6SiO2(钠长石)。这些原料都 含有SiO2，因此在硅酸盐的结构中，充分认识硅 与氧的结合是非常重要的。 硅氧四面体 硅酸盐材料的结构比较复杂，含有晶态部分 和非晶态部分，但以晶态为主。硅酸盐晶体中结构的 基本单元是硅氧四面体，其中硅原子以SP3杂化轨道 与氧原子成键，Si—O 键长为1.62A°，比起硅离子和 氧离子的离子半径之和有所缩短，所以Si—O 键的结 合是比较强的。四面体的每个顶点上的氧只能为两个 四面体公用，按照公用顶点的不同可将硅酸盐分为4 种类型:分立体型、链型、层型和骨架型。 硅氧四面体、分立型、链型、层型和骨架型 精细陶瓷(Fine Ceramics)又称先进陶瓷(Advanced Ceramics)、高性能陶(High-performance Ceramics)、高技术陶瓷(High Technology Ceramics)。 精细陶瓷主要包括结构陶瓷和功能陶瓷两大类。 结构陶瓷是指具有力学和机械性能及部分热学和化学功能的高技术陶瓷。结构陶瓷按原料可分为氧化物、氮化物、碳化物和硼化物陶瓷。特别适合在高温下应用的结构陶瓷称为高温结构陶瓷。 氮化硅是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损，具有一定的韧性和可切削性，在加工中不易脆裂。除氢氟酸外，它与其它无机酸不反应，抗腐蚀和抗氧化能力强，而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到10000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会破碎。 工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1300℃反应后获得氮化硅。 碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅也称碳硅石。在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种，又称金钢砂或耐火砂。 由氧化铝制成的特种陶瓷，已用于制造内燃机上火花塞的绝缘材料、涡轮机的叶轮、耐高温(16000℃)的实验用坩埚等。高纯氧化铝陶瓷制成的致密而透明的陶瓷管，能耐10000℃以上高温，不怕温度骤变，可以用于高压钠灯，能耐管内作为电离发光的钠蒸气腐蚀，能透过90%可见光，比普通白炽灯光效高5～6倍。氧化铝陶瓷是一种用途广泛的陶瓷。 三.非金属功能材料 功能陶瓷是精细陶瓷的最主要组成部分，由于各种功能的不断发现，在微电子工业，通讯产业、自动化控制和未来智能化技术等方面材料的地位将日益明显，特别是随着材料向微型业、集成化、多功能化方向发展。材料组成的无铅化、低温烧结、多层复合等新工艺均是功能陶瓷的重要发展趋势。 a.红外陶瓷 金属陶瓷是把陶瓷粉末与金属粉末研磨均匀混合成型后在不活泼气体中经高温烧结而制成。金属陶瓷兼有金属和陶瓷的优点，韧而不脆，坚而耐热，不会因骤冷或骤热而脆裂，易切割。 在电子工业中能够利用电、磁性质的陶瓷，称为电子陶瓷。电子陶瓷是通过对表面、晶界和尺寸结构的精密控制而最终获得具有新功能的陶瓷。电子陶瓷在化学成分、微观结构和机电性能上，与一般的电力用陶瓷有着本质的区别。它具有高的机械强度，耐高温、高湿，抗辐射，抗电强度和绝缘电