2012结构与性能作业 材料结构与性能无机非课件
材料的结构与性能特点
材料的结构与性能特点第一章材料的结构与性能固体材料的性能主要取决于其化学成分、组织结构及加工工艺过程。
所谓结构就是指物质内部原子在空间的分布及排列规律。
材料的相互作用组成物质的质点（原子、分子或离子）间的相互作用力称为结合键。
主要有共价键、离子键、金属键、分子键。
离子键形成：正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的结合键称为离子键。
特性：离子键没有方向性，无饱和性。
NaCl晶体结构如图所示。
性能特点：离子晶体的硬度高、热膨胀系数小，但脆性大，具有很好的绝缘性。
典型的离子晶体是无色透明的。
共价键形成：元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA族大多数元素或电负性不大的原子相互结合时，原子间不产生电子的转移，以共价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。
这种由共用电子对产生的结合键称为共价键。
氧化硅中硅氧原子间共价键，其结构如图所示。
性能特点：共价键结合力很大，所以共价晶体的强度、硬度高、脆性大，熔点、沸点高，挥发度低。
金属键形成：由金属正离子与电子气之间相互作用而结合的方式称为金属键。
如图所示。
性能特点：1)良好的导电性及导热性；2)正的电阻温度系数；3)良好的强度及塑性；4)特有的金属光泽。
分子键形成：一个分子的正电荷部位与另一分子的负电荷部位间以微弱静电引力相引而结合在一起称为范德华键（或分子键）。
特性：分子晶体因其结合键能很低，所以其熔点很低，硬度也低。
但其绝缘性良好。
材料的结合键类型不同，则其性能不同。
常见结合键的特性见表1-1。
晶体材料的原子排列所谓晶体是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质。
晶体的主要特点是：①结构有序；②物理性质表现为各向异性；③有固定的熔点；④在一定条件下有规则的几何外形。
理想的晶体结构1.晶体的基本概念(1) 晶格与晶胞晶格是指描述晶体排列规律的空间格架。
从晶格中取出一个最能代表原子排列特征的最基本的几何单元，称为晶胞。
晶胞各棱边的尺寸称为晶格常数。
(2) 晶系按原子排列形式及晶格常数不同可将晶体分为七种晶系(3) 原子半径原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。
《无机非金属》课件
生物法
生物法是一种利用生物资源来制备无 机非金属材料的方法。
生物法可以制备出具有环保、可持续 性的无机非金属材料，但制备过程较 为复杂，且材料的性能和纯度不易控 制。
生物法通常需要使用微生物或植物提 取物等生物资源作为原料。
详细描述
热容表示材料在温度升高或降低时吸收或释放热量的能力，热导率表示热量在材料中的传导能力。热 膨胀系数表示材料在温度变化时尺寸变化的程度，抗热震性则表示材料在承受温度急剧变化时的稳定 性。
电学性能
总结词
无机非金属材料的电学性能主要包括电导率、介电常数和绝缘性等。
详细描述
电导率表示材料传导电流的能力，介电常数与材料的介电性能有关，绝缘性则表示材料 阻止电流通过的能力。
05
无机非金属材料的挑战 与未来发展
当前无机非金属材料面临的挑战
资源短缺
随着社会的发展，对无机非金属材料的需求量越来越大，而一些关键 资源的短缺问题逐渐凸显出来，如稀土元素、高岭土等。
环境负荷
无机非金属材料的生产过程中往往伴随着较高的能耗和排放，对环境 造成一定的压力，如水泥、玻璃等行业。
技术瓶颈
04
无机非金属材料的应用 实例
建筑领域的应用
总结词
广泛、重要
详细描述
无机非金属材料在建筑领域的应用非常广泛 ，如混凝土、石材、玻璃等，它们是建筑物 的主要构成材料，具有耐久、防火、隔音等 特点，为建筑物的安全和舒适提供了保障。
电子信息领域的应用
要点一
总结词
高科技、前沿
要点二
详细描述
在电子信息领域，无机非金属材料扮演着重要的角色，如 硅半导体材料、陶瓷电子元件等，它们是现代电子工业的 基础，为电子产品的微型化、高性能化提供了技术支持。
无机非金属材料ppt课件
05
CATALOGUE
无机非金属材料的未来发展趋 势与挑战
发展趋势
01
高性能陶瓷材料
由于其优异的性能，陶瓷材料在许多领域都有广泛的应用，如航空航天
、汽车、医疗等。未来，陶瓷材料的研究将更加深入，应用领域更加广
泛。
02
纳米无机非金属材料
纳米无机非金属材料由于其尺寸效应和量子效应，具有许多优异的性能
THANKS
感谢观看
。随着纳米科技的不断发展，纳米无机非金属材料的研究和应用也将得
到更广泛的推广。
03
绿色无机非金属材料
随着环保意识的不断提高，绿色无机非金属材料将成为未来研究的热点
。这类材料具有低能耗、低污染、高循环利用的特点，符合可持续发展
的要求。
挑战与问题
材料性能的提升
尽管陶瓷等无机非金属材料的性能已经有所提升，但是与金属材料相比，仍然存在一定的 差距。因此，提高无机非金属材料的性能是当前面临的一个重要挑战。
02
CATALOGUE
无机非金属材料的性质与用途
性质
01
02
03
04
一般性质
无机非金属材料具有较高的熔 点、硬度，良好的化学稳定性
，但脆性较大。
力学性质
无机非金属材料具有较高的抗 压强度、抗拉强度，耐磨性较
好，但韧性较差。
电学性质
无机非金属材料具有较好的绝 缘性能和导热性能。
光学性质
无机非金属材料具有较好的光 学性能，如透光性、反射性等
根据性质和用途，无机非金属材料可 分为陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料等 几大类。
无机非金属材料的重要性
无机非金属材料在国民经济发展中扮演着重要角色，特别是 在高技术领域，如航空航天、电子、新能源等领域具有不可 替代的作用。
材料概论材料的组成、结构与性能各...
材料概论材料的组成、结构与性能各种材料金属、高分子和无机非金属不论其形状大小如何,其宏观性能都是由其化学组成和组织结构决定的。
材料的性能与化学组成、工艺、结构的关系如下：第二章材料的组成、结构与性能2.1 材料的组成2.2 材料的结构2.3 材料的性能只有从不同的微观层次上正确地了解材料的组成和组织结构特征与性能间的关系，才能有目的、有选择地制备和使用选用材料。
化学组成工艺过程本征性能显微结构材料性能2.1 材料的组成材料通常都是由原子or分子结合而成的，也可以说是由各种物质组成的，而物质是由≥1种元素组成的。
按原子or分子的结合与结构分布状态的不同，可分成3类：第二章材料的组成、结构与性能组元、相和组织固溶体聚集体复合体2.1.2 材料的化学组成2.1.1 材料组元的结合形式固溶体、聚集体和复合体第二章材料的组成、结构与性能材料的组元:金属材料多为纯元素，如普通碳钢? Fe&C；陶瓷材料多为化合物，如Y2O3?ZrO2 ?Y2O3&ZrO2组成材料最基本、独立的物质，或称组分。
可以是纯元素or稳定化合物。
相: 具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分。
1?m图2-150%ZrO2/Al2O3复合材料的SEM照片* 相与相之间有明显的分界面，可用机械的方法将其分离开。
第二章材料的组成、结构与性能ZrO2Al2O3*各晶粒间有界面隔开，但它们是由成分、结构均相同的同种晶粒构成的材料，仍属于同一相。
*在相界面上，性质的改变是突变的。
*1个相必须在物理和化学性质上都是完全均匀的，但不一定只含有1种物质。
例如：纯金属是单相材料，钢非纯金属在室温下由铁素体含碳的??Fe和渗碳体Fe3C为化合物组成；普通陶瓷：由晶相1种/几种与非晶相玻璃相组成。
*由成分、结构都不同的几种晶粒构成的材料，则它们属于几种不同的相。
材料的组织第二章材料的组成、结构与性能材料内部的微观形貌。
实际上是指由各个晶粒or各种相所形成的图案。
第三章 无机非金属材料的性能.ppt
• （b）材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表 面裂纹。
• （c）由热应力形成裂纹。
图2 由于热应力形成的裂纹
（2） 裂纹的扩散
• 前提：材料中存在裂纹，由于位错的迁移和 受阻而产生新裂纹并扩散裂纹。
可延展性材料：位错迁移不受阻碍，许多能量消耗于塑性 流动，不能形成裂纹。
310 烧结稳定化ZrO2 150 P=5 %
83
石英玻璃
72
290 莫来石瓷
69
9
滑石瓷
69
210 镁质耐火砖
170
407
2. 影响弹性模量的因素
• （1）晶体结构
• （2）孔结构 E随着孔体积的提高而降低 长形孔比球形孔对E的值影响大
• （3）温度 大部分固体，受热后渐渐开始变软，弹性常 数随温度升高而降低。
• ——出现完全分离断裂。
三、塑性
• 1.定义
塑性变形 ——指在材料受力时，当应力超过屈 服点后，能产生显著的残余变形而不即行断裂 的性质，残余变形即称为塑性变形。 延展性——材料经塑性变形后而不被破坏的能力。
• 2.影响因素
（1）温度 （2）载荷和位错速度
图3 MgO和KBr弯曲试验的应力-应变曲线
在适当条件下，无机材料中也可能会存在塑性变形。
四、韧性
• 1. 定义
• ——指材料抵抗裂纹产生和扩展的能力。 • ——是材料断裂过程中单位体积材料吸收能量
的量度。 • ——可由拉伸应力-应变曲线下的面积大小衡
量。
• 2. 衡量指标
• 冲击韧性 • 断裂韧性
Titanic沉没原因
Titanic ——含硫高的钢板， 韧性很差，特别是在低温 呈脆性。所以，冲击试样 是典型的脆性断口。近代 船用钢板的冲击试样则具 有相当好的韧性。
《无机非金属材料》PPT课件
（ ）C
2、下列物质不属于硅酸盐的是：
A、粘土、
B、石英、
C、Al2(Si2O5)OH)4
D、Mg2SiO4
（ B）
3、石灰石是许多工业原料之一，但制取下列物质不
需要石灰石的是：
（A ）
A、制硅酸、
B、制水泥、
C、制玻璃、
D、制生石灰
4、与普通玻璃的成分相同的是
（ A）
A、钢化玻璃
B、有色玻璃
C、光学玻璃
D、石英玻璃
5、下列物质具有固定熔沸点的是： （ C ）
A、钢化玻璃
B、漂白粉
C、消石灰
D、水玻璃
6、下列不属于硅酸盐产品的是： （ D ） A、水泥 B、砖瓦 C、 陶瓷 D、硫酸
7、过量的泥沙、纯碱和生石灰熔化后生成
①水泥 玻璃 ③瓷器 ④混凝土 ⑤一种硅酸
盐产品
（ B）
A. ① ④ B. ② ⑤ C. ③ D. ②
玻璃的性质
物性：表面光滑、致密、硬而脆， 没有固定熔点
化性：性质稳定，但易被氢氟酸和 强碱腐蚀
思考：
玻璃为什么会被人工吹制成各种形状？
普通玻璃是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2熔合在 一起形成的物质，主要成分是SiO2。玻璃不是晶 体，而是玻璃态物质，这类物质没有固定的熔 点，而是在某个温度范围内逐渐软化，在软化 状态时，可被吹制成任何形状的制品。
8、在水泥中加入石膏的作用是
调节水泥的硬化速度
—————————————————————
将比—例—水—混—泥合——硬-、化——后——砂称—子为——混——凝—土。—。———碎—石——按一定
水泥
玻璃
陶 瓷 欣 赏
陶瓷的生产过程
无机非金属材料-ppt课件
C60
石墨片层
纳米
碳原子
特别提示
碳纳米材料(富勒烯、石墨烯等)、金刚石、石墨都是碳的同素异形体，它们具有不同的结构(碳原子排列方式不同)和性质。
(1)硅晶片是生产芯片的基础材料( )(2)生产光导纤维的原料是二氧化硅( )(3)二氧化硅是酸性氧化物，只能与碱反应，不能与酸反应( )(4)磨口玻璃塞试剂瓶不能盛放烧碱溶液，但能盛放氢氟酸( )(5)金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体( )(6)富勒烯和石墨烯完全燃烧的产物都是二氧化碳( )
解析 水玻璃为硅酸钠溶液，其化学性质稳定，但可与空气中的二氧化碳反应生成硅酸沉淀。
1
2
3
√
3.某博物馆陈列着大量明清砖瓦和精美瓷器(婺州窑)，婺州窑瓷器胎体的原料为高岭土[AlnSi2O5(OH)4]。下列说法不正确的是A.古代的陶瓷、砖瓦都是硅酸盐产品B.高岭土为含水的铝硅酸盐C.n＝3D.我国在新石器时代已能烧制陶器
第三节 无机非金属材料
第五章 化工生产中的重要非金属元素
1.了解硅酸盐及其结构特点，了解传统硅酸盐产品(陶瓷、玻璃、水泥)的工业生产(原料、设备等)。2.了解硅和二氧化硅的性质，认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料。3.知道硅及其化合物在材料家族中的应用，增强关注社会的意识和责任感。
核心素养发展目标
解析 普通玻璃主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。
1.下列关于硅酸盐材料的说法错误的是A.生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷B.普通玻璃的主要成分是二氧化硅C.陶瓷的主要原料是黏土D.硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料
1
2
3
√
2.下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是A.这是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀B.在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料C.木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧D.水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质
固体的结合力结合能与材料性能的关系 材料结构与性能无机非课件
th
E S a0
• 理想晶体 (解理)断裂的理论断裂强度 • 如果用E、a0 和γs的典型值代入上式，则可
获得该材料的理论断裂强度值。如铁的 E=1×105MPa，
a。=1.5×10-10m， γs =1J/m2，
则σth =4.0×104MPa。 • 若用E的百分数表示，则σth =E/5.5。
/（β×106）
/nm
992
108
3.2
0.231
801
120
2.5
0.282
747
129
0.298
662
145
0.323
857
110
0.266
776
115
2.4
0.314
742
120
0.329
682
135
2.2
0.353
2800
40
6.5
0.210
2570
63
4.5
0.240
2430
3.5
0.257
• 成键态（对应二种能量状态） c(AB)
• 反键态（对应一种能量状态） c(AB)
• 通过量子力学的计算，成键态的能量相 对于原子能级ε0是降低了。形象地描述 为：成键态中的电子云密集在两个原子 核之间。反键态时，电子云排斥。
• 共价晶体结合能的计算结果与实验比较
•
晶格常数A结合能（ev/原子）体变模量1010Pa
• 在晶体内部，一方面是共有化的电子形式的负 电子云，另一方面是浸在这个负电子云众多带 正电的电子实，它们之间存在库仑相互作用。 这种相互作用把原子聚合起来。
• 金属结合的排斥作用来源于两个方面，当体积 缩小时，共有化电子密度增加，它们的动能将 增加，因为根据托马斯-费来统计，动能正比 于（电子云密度）2/3，另一方面原子实靠近 时，电子云发生显著重叠，也会产生强烈的排 斥。
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5、试简述淬火玻璃与退火玻璃在结构与性能 上有何差异？
6、请举例说明玻璃中分相与析晶的关系。
5、试阐明固溶体，热缺陷和非化学计量化合物 三者间的异同点，影响热缺陷、杂质缺陷、 非化学计量化合物缺陷的浓度的主要因素。列 出简明表格比较。
第五章
❖ 1、解释下列术语：玻璃分相和玻璃析晶； ❖ 桥氧和非桥氧；网络形成体和网络修饰体；脆
性温度（Tg）和软化温度（Tf） ❖ 2、影响熔体粘度的因素有哪些？试分析一价
2、请举例说明形成固溶体后对材料物理性质 的影响。
3、在MgO－Al2O3和PbTiO3-PbZrO3中，哪一 对形成有限固溶体？哪一对形成无限固溶体？ 为什么？
4、非化学计量缺陷的浓度与周围气氛的性质， 压力大小相关，如果增大周围氧气的分压，非 化学计量化合物Fe1-xO及Zn1+xO的密度将发生 怎样的变化？增大？减小？为什么？
无机材料结构与性能 作业
第一章
1.简述无机材料的特点及其在国民经济和科 学技术发展中的地位和作用。
2.举例说明无机非金属材料中不同键合类型 对材料性能的影响。
第二章
1、马德隆常数是如何引进的？其物理意 义是什么？举例说明其与材料晶体结构 的关系。 2、写出玻恩公式，举例说明玻恩公式的 用途。 3、晶体的结合力、结合能对材料的哪些 性能产生影响？如何影响？