无机非金属材料 PPT课件

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一、陶瓷的结构与性能
陶瓷材料的结构
一、 结合键
➢ 离子键
离子晶体强度高、硬度高、熔点高，但脆性大，无延展性， 受热膨胀小，固态时绝缘，熔融后可导电，例如MgO、Al2O3、 ZrO2等金属氧化物。
➢ 共价键
共价晶体强度高、硬度高、熔点高，但脆性大，无延展性， 受热膨胀小，固态和熔融后均不导电，例如金刚砂SiC、高温陶 瓷Si3N4、BN等。
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陶瓷材料的结构
1. 晶体相
➢ 非氧化物陶瓷主要以共价键结合，也有一定 的金属键和离子键。
例如：大多数过渡金属碳化物晶体中，金属与碳之 间的键是处于共价键和金属键之间的过渡状态。 大多数碳化物具有良好的导电、导热性，硬度高， 耐高温。
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陶瓷材料的结构
2. 玻璃相
➢ 是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分，结构如同玻璃。 普通陶瓷中玻璃相含量较高，特种陶瓷中含量较低。
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陶瓷材料的结构
3. 气相
➢ 各成分在加热过程中发生物理、化学作用所生成的孔隙， 孔隙大部分被玻璃相填充，少部分残留下来变成气孔。
➢ 气孔的存在对陶瓷性能不利，降低强度，造成裂纹。 ➢ 普通陶瓷气孔率5%-10%，特种陶瓷气孔率小于5%。
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陶瓷材料的结构
三、晶体缺陷
1.点缺陷
• 存在置换原子、间隙原子、空位等缺陷；
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无机非金属材料
主要包括陶瓷、玻璃、水泥等
陶瓷按性能和用途分类：传统陶瓷和广义陶瓷
➢ 传统陶瓷（普通陶瓷），以天然的黏土（含水的硅酸盐矿 物，主要含SiO2, Al2O3, H2O、Fe2O3等）为主要原料，经粉 碎、成形、烧结制成，产量大，应用广。
➢ 广义陶瓷（特种陶瓷、精细陶瓷、高技术陶瓷、先进陶 瓷），是以非硅酸盐矿物高纯化工原料和合成矿物为原料， 沿用传统陶瓷的工艺制得的新材料，具有各种特殊的力学、 物理或化学性能；可分为金属氧化物陶瓷（如Al2O3、MgO、 CaO等）和非氧化物陶瓷，如C、N、B、Si等的化合物。
➢ 一般具有优于金属材料的高温强度，所以可 以作为高温材料使用。
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陶瓷材料的结构
2..面缺陷
• 陶瓷一般是多晶体。 • 固体从蒸汽、溶液或熔体中结晶出来时，只有在一定条 件下，例如有籽晶存在时，才能形成单晶，而大多数固体 属于多晶体。多晶是由许多小晶粒组成。这些小晶粒本身 可以近似看作单晶，且在多晶体内做杂乱排列。多晶体中 晶粒与晶粒的交界区域称为晶界。 • 晶界的影响巨大，晶界两侧晶粒取向的不同可以阻止裂 纹的扩展，因此细化晶粒是提高陶瓷材料强韧性的有效手 段。
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陶瓷材料的性能
性能与化学键、晶体结构、显微组织（包 括组成相分布，晶粒形状和大小，气孔的分布 、大小和数量，杂质和缺陷等）等多种因素有 关，波动范围大，但仍有一定共性。
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陶瓷材料的性能
四、力学性能
1. 硬度：材料抵抗局部塑性变形或断裂的能力。
➢ 取决于组成相的结构。共价晶体中电子云的重叠程 度越大，离子晶体中离子堆积密度越高，硬度越大。
➢ 陶瓷材料一般有多个晶体相组成，称为：主晶相、次晶相、 第三晶相。
➢ 普通陶瓷的主晶相是硅酸盐晶体 • 硅酸盐的结合键为离子键和共价键的混合键； • 硅酸盐晶体的基本单元是：[SiO4]四面体（4个O原子分 布在正四面体的顶点上，Si原子位于四面体的中心）； • 经常有一些其它的离子如Al3+、Mg2+等存在于硅酸盐晶 体内。
当晶体的温度高于绝对零度时，晶格内原子吸收能量， 在其平衡位置附近热振动。温度越高，热振动幅度加大， 原子的平均动能随之增加。热振动的原子在某一瞬间可以 获得较大的能量，挣脱周围质点的作用，离开平衡位置， 进入到晶格内的其它位置，而在原来的平衡格点位置上留 下空位。
• 点缺陷意味着局部电子浓度的缺乏或过剩，其运动可以 提高晶体的导电性。
材料科学与工程导论
主讲人：黄艳琴
南京邮电大学材料科学与工程学院 2011年12月1日
第四章 无机非金属材料
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水
陶瓷，水泥和
泥 时

玻璃均是以含硅物 质为原料，在高温 下经过一系列复杂
代
的物理和化学变化
而得到的硅酸盐产
品。
瓷器由陶器脱胎而来，制瓷器的要求比制陶器高，它需要纯净的粘土作 原料，烧制温度也相对较高。因此，瓷器比陶器瓷体白净，质地致密，完 全改变了陶器多孔与透水的缺点。这是陶器发展过程的重大飞跃，由此在 公元元年左右形成了水泥时代。
硬度高：维氏硬度（用金刚石压入材料表面时，单位面积的 承载能力，单位兆帕）。
陶瓷的硬度 淬火钢 聚合物
1000~5000HV 500~800HV ≤20HV
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陶瓷材料的性能
2. 强度：材料在外力作用下，抵抗塑性变形或断裂
的能力。
➢ 理论强度很高，但由于大量缺陷、气孔的存 在，实际强度与理论值相差可达100倍以上。
➢ 离子键与共价健的混合键
比较不同元素间的电负性，可以大体看出它们形成化合物时 不同键成分的比例。
陶瓷材料多数以混合键结合。通常认为以离子键结合的MgO， 离子键比例为84%，而通常认为以共价键结合的SiC，有18%的 离子键结合。
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陶瓷材料的结构
二、基本相
晶体相、玻璃相、气相
1. 晶体相
➢ 晶体相是陶瓷材料中的最主要的组成相，可以是固溶体， 也可以是化合物。
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陶瓷材料的结构
1. 晶体相
➢ 氧化物陶瓷的主晶相一般是氧化物本身的晶体或 氧化物与其它物质反应生成的复杂相，主要以离 子键结合。
例如：氧化铝陶瓷的主晶相就是氧化铝晶体。Al2O3的氧原 子组成八面体排列，铝原子位于八面体的间隙中，由于间 隙没被金属离子完全填满，铝离子只占全部空隙的三分之 二，可以向Al2O3陶瓷中掺入不同的微量杂质，来改善其性 能。例如掺入铬离子就成为红宝石，可做仪表等微型精密 仪器的轴承，以及优良的固体激光材料。
➢ 玻璃相的形成：在陶瓷配方中一般要加入少量添加剂，这 些添加剂能互相反应生成低熔点的复杂化合物，在陶瓷烧 结时熔化成液态，凝固后就成为位于晶体晶界上的玻璃相。
➢ 玻璃相的作用 ： • 粘结分散的晶体相，提高陶瓷的致密度； • 降低陶瓷的烧成温度，加快烧结过程； • 填充气孔间隙； • 对陶瓷的强度、介电性能、耐热耐火性能不利，必须控 制其体积分数，一般为20%-40%。