無(wú)機(jī)非金屬材料的制備

第二部分非金屬材料的制備1精選課件非金屬材料的分類按照制備方法分天然材料人造材料按照化學(xué)組成分無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料

22精選課件第一章無(wú)機(jī)非金屬材料的制備3精選課件包括：傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料陶瓷、水泥、玻璃耐火材料搪瓷、磚瓦、琉璃鑄石碳素材料非金屬礦等先進(jìn)無(wú)機(jī)非金屬材料先進(jìn)陶瓷材料先進(jìn)炭材料4精選課件現(xiàn)代工程材料三大支柱a.金屬材料b.陶瓷材料c.高聚物第一節(jié)、陶瓷的概念:

傳統(tǒng)陶瓷：陶器和瓷器（狹義：用火燒成的制品）。泛指整個(gè)硅酸鹽礦物（含SiO2的化合物），其代表性結(jié)構(gòu)：高嶺石結(jié)構(gòu)Al2(Si2O5)(OH)4，原料配制、坯料成型、窯爐燒成。（含粉末冶金制品）近代陶瓷：經(jīng)高溫處理工藝所合成的無(wú)機(jī)非金屬材料。55精選課件第二節(jié)、陶瓷的分類陶瓷材料分兩大類：(除玻璃、水泥、磚瓦及耐火材料外)

1、傳統(tǒng)陶瓷（普通陶瓷）主要指粘土制品。天然的硅酸鹽礦物為原料，經(jīng)

制坯、成型、燒結(jié)制成的產(chǎn)品。6日用陶瓷

建筑陶瓷

電器絕緣陶瓷

化工陶瓷

多孔陶瓷等包括2、特種陶瓷以高純度的化工原料和合成礦物為原料，沿用傳統(tǒng)的工藝

流程制備的陶瓷。6精選課件第三節(jié)、傳統(tǒng)陶瓷的制備生產(chǎn)工藝流程：原料配制、坯料成型、制品燒成1、原料配制（主要原料：粘土、石英、長(zhǎng)石）（1）粘土：高嶺土結(jié)構(gòu)（Al2O3.2SiO2.2H2O)為基礎(chǔ)的礦物（多種含水的鋁硅酸鹽的混合體）。加水混合有好的可塑性，在坯料中起塑化和粘接作用，并

保證干坯強(qiáng)度和燒結(jié)后使用性能。是燒成時(shí)莫來(lái)

石的主要成分來(lái)源。（2）石英：是無(wú)水的SiO2或硅酸鹽。在燒成中與長(zhǎng)石等易熔物形成玻璃相，增液相粘度，減少制品變形還與粘土中的Al2O3形成莫來(lái)石；殘余石英構(gòu)成

坯體的骨架。77精選課件（3）長(zhǎng)石：助熔劑原料，如鉀長(zhǎng)石（K2O.Al2O3.6SiO2）燒結(jié)時(shí)促進(jìn)玻璃相的形成。高溫下具有一定粘度，起到高溫?zé)崴苄宰饔煤湍z結(jié)作用。冷卻后的長(zhǎng)石熔體構(gòu)成了陶瓷的玻璃基質(zhì)，增加了透明度，提高釉面光澤和使用性能。（4）外加劑：如腐植酸鈉、水玻璃、石膏等。2、坯料的成型：將坯料加工成一定形狀和尺寸的半成品，使坯料具有必要的機(jī)械強(qiáng)度和一定的致密度。（1）可塑成型：在坯料中加入水或塑化劑，捏制成可塑泥料，經(jīng)手工、擠壓或機(jī)械加工成型。普通陶瓷常用。88精選課件（2）注漿成型：將漿料澆鑄到石膏模中成型，常用于制造形狀復(fù)雜、精度要求不高的建筑陶瓷等。（3）壓制成型：在粉料中加入少量水分或塑化劑，在金屬模具中加較高壓力成型。主要用于特種陶瓷或金屬陶瓷。由于成型的坯體含水較多，強(qiáng)度不高，為適應(yīng)后面工序如修坯、施釉等的需要，須進(jìn)行干燥。3、制品的燒成或燒結(jié)4、普通陶瓷的分類和應(yīng)用（1）日用陶瓷（見(jiàn)下頁(yè)表）9日用陶瓷普通工業(yè)陶瓷分類9精選課件類型長(zhǎng)石質(zhì)瓷絹云母質(zhì)瓷骨灰質(zhì)瓷日用滑石質(zhì)瓷主要成分長(zhǎng)石絹云母K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O磷石灰，含大量Ca(PO4)2日用滑石3MgO.4SiO2.H2O原料配比%長(zhǎng)石20-30石英25-35粘土40-50絹云母30-50高嶺土30-50石英9-20其它礦物5-10骨灰20-60長(zhǎng)石8-22高嶺土25-45石英9-20滑石約73長(zhǎng)石約12高嶺土約11粘土約4性能特點(diǎn)瓷質(zhì)潔白半透明，斷面呈貝殼狀，不透氣，吸水率低，堅(jiān)硬強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性高同長(zhǎng)石質(zhì)瓷，但透明度、外觀色調(diào)好白度高、透光性好，光澤柔和、吸水率小但熱穩(wěn)定性較差，瓷質(zhì)較脆白度、色調(diào)、吸水率、機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性等均已達(dá)到或超過(guò)一般日用陶瓷的水平主要應(yīng)用餐具、茶具陳設(shè)陶瓷，裝飾美術(shù)瓷一般工業(yè)制品餐具、茶具，工藝美術(shù)制品高級(jí)餐具、茶具，高級(jí)工藝美術(shù)瓷器高級(jí)日用瓷，

一般電工陶瓷1010精選課件（2）普通工業(yè)陶瓷按用途分：建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、電器絕緣陶瓷和化工陶瓷。a.建筑陶瓷粗陶器：以難熔粘土為主要原料。瓦、盆罐等精陶器：以瓷土或高嶺土等為主要原料。釉面磚、化學(xué)工業(yè)用品等。b.衛(wèi)生陶瓷：用于衛(wèi)生設(shè)施的帶釉陶瓷制品。以高嶺土為主要原料。c.電器絕緣陶瓷：作為隔電、機(jī)械支持及連接用瓷質(zhì)絕緣器件。所用釉料主要是高溫長(zhǎng)石釉。d.化工陶瓷：生化制藥食品工業(yè)用的重要材料。要求坯料中鉀、鈉含量盡量少。1111精選課件第四節(jié)、特種陶瓷1、名稱

先進(jìn)陶瓷（AdvancedCeramics)

精細(xì)陶瓷(FineCeramics)

工程陶瓷(EngineeringCeramics)

新型陶瓷(NewCeramics)

近代陶瓷(ModernCeramics)

高技術(shù)陶瓷(HighTechnologyCeramics)

高性能陶瓷(HighPerformanceCeramics)1212精選課件2、特種陶瓷分類功能陶瓷：以電、磁、光、聲、熱力、化學(xué)和生物學(xué)信息的檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、耦合、傳輸及存儲(chǔ)功能為主要特征，這類介質(zhì)材料通常具有一種或多種功能。結(jié)構(gòu)陶瓷：指在應(yīng)用時(shí)主要利用其力學(xué)性能的材料。

1313精選課件3、功能陶瓷的分類a.機(jī)械材料：耐磨損、高比強(qiáng)度、高硬度、抗沖擊、高精度尺寸自潤(rùn)滑性等。b.熱學(xué)材料：耐熱、導(dǎo)熱、隔熱、蓄熱與散熱、熱膨脹等。c.化學(xué)材料：耐腐蝕性、耐氣候性、催化性、離子交換性、反應(yīng)性、化學(xué)敏感性等。d.光學(xué)材料：發(fā)光性、光變換性、感光性、分光性、光敏感性等。e.電氣材料：磁性、接介電性、壓電性、絕緣性、導(dǎo)電性、存儲(chǔ)性、半導(dǎo)性、熱電性等。1414精選課件4、功能陶瓷制備過(guò)程中應(yīng)具備的技術(shù)要素：（1）原材料：高純、超細(xì)、粒度分布均勻。（2）化學(xué)組成：可以精確調(diào)整和控制。（3）精密加工：精密可靠，而且尺寸和形狀可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。（4）燒結(jié)：可根據(jù)需要進(jìn)行溫度、濕度、氣氛和壓力控制。1515精選課件5、功能陶瓷超微細(xì)粉料的制備固相法：把金屬氧化物或其鹽按照配方充分混合、后研磨進(jìn)行煅燒。粉碎方法：（1）化學(xué)法

a.氧化還原法b.固體熱解法c.固相反應(yīng)法（2）機(jī)械法液相法（1）沉淀法：利用生成沉淀的液相反應(yīng)來(lái)進(jìn)行

a.直接沉淀法b.共沉淀法c.均勻沉淀法（2）水解法：

a.醇鹽水解法b.金屬鹽水解法

1616精選課件（3）溶膠-凝膠法（Sol-gel法）將金屬氧化物或氫氧化物濃的溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，再將凝膠干燥后進(jìn)行煅燒，然后制備氧化物的方法。如：ZrO2超微粉，采用此法制備后，其成型體可在1500℃燒成（溫度降低200℃）

（4）溶劑蒸發(fā)法：把金屬鹽混合溶液化成很小的液滴，使鹽迅速呈微細(xì)顆粒，并且均勻析出。如：噴霧干燥法，冷凍干燥法等。1717精選課件氣相法（1）蒸發(fā)凝聚法：將原料汽化并急冷，即獲得超微細(xì)粉（粒徑為5-100nm)。適于制備單一或復(fù)合氧化物、碳化物或金屬的超微細(xì)粉。使金屬在惰性氣體中蒸發(fā)-凝聚通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓以控制生成的顆粒尺寸。（2）氣相反應(yīng)法

a.氣相合成法b.氣相氧化法c.氣相熱分解法優(yōu)點(diǎn)：a.容易精制提純、生成物純度高，不需粉碎，粒徑分布均勻；

b.生成顆粒彌散性好；

c.容易控制氣氛

1818精選課件6、較常見(jiàn)的功能陶瓷包括（1）高溫超導(dǎo)陶瓷，如Ba-La-Cu-O超導(dǎo)體。（2）敏感陶瓷，如熱敏陶瓷，濕敏陶瓷。（3）壓電陶瓷，如BaTiO3陶瓷。（4）半導(dǎo)體陶瓷，如TiO2、SiO2等金屬氧化物壓坯燒結(jié)的陶瓷。（5）磁性陶瓷，如鐵氧體陶瓷。1919精選課件7、結(jié)構(gòu)陶瓷指具有力學(xué)性能及部分熱學(xué)和化學(xué)功能的高技術(shù)陶瓷。特別適合于在高溫下應(yīng)用的則稱高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。高溫結(jié)構(gòu)陶瓷：氧化物系統(tǒng)非氧化物系統(tǒng)氧化物和非氧化物復(fù)合系統(tǒng)它們主要體系：Si-O-N-C-B-Me系元素構(gòu)成（Me：堿金屬、堿土金屬和稀土）目前研究最多的是：Si3N4、SiC和ZrO22020精選課件8、結(jié)構(gòu)陶瓷超微粉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)粉粒大小篩目，附著力大，>100m——粉粒；10-0.1m——微粒；1-100nm——納米微粒尺寸介于原子、分子和膠態(tài)之間的納米微粒特點(diǎn)：（1）非常大的比表面積。

表面的原子數(shù)在構(gòu)成微粒的原子總數(shù)中所占的比率越大。（2）很高的比表面自由能。（3）小體積效應(yīng)。

熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)和大塊物質(zhì)有很大不同。

2121精選課件9、結(jié)構(gòu)陶瓷超微粉料的制備方法（1）化學(xué)共沉積法：在含有多種可溶性陽(yáng)離子的鹽溶液中加入沉淀劑（OH-

、CO32-

、C2O42-SO42-等）形成不溶性的氫氧化物、碳酸鹽或草酸鹽的沉淀，將溶劑和溶液中原有的陽(yáng)離子濾出，沉淀物經(jīng)熱分解后即可制得高純度超微粉料。例如：Zr、Y的鹽類溶液和NH4OH粉等氫氧化物共沉淀。該法設(shè)備設(shè)施簡(jiǎn)單，較經(jīng)濟(jì)，便于工業(yè)化生產(chǎn)，因此發(fā)展很快，成為許多氧化物陶瓷超細(xì)粉的一個(gè)主要來(lái)源。

2222精選課件（2）溶膠-凝膠法（Sol-gel)將所需組成的前驅(qū)體配置成混合溶液，再經(jīng)凝膠化和熱處理（把金屬氧化物或氫氧化物的凝膠干燥后煅燒）。此法廣泛用于Al2O3、ZrO2等氧化物粉末制備，由于膠體混合時(shí)可使反應(yīng)物質(zhì)獲得最直接的接觸，使反應(yīng)物達(dá)到最徹底的均勻化，制得的原料性能均勻，具有非常窄的顆粒分布，團(tuán)聚性小，同時(shí)此法易在制備過(guò)程中控制粉末顆粒尺度。（3）激光合成法2323精選課件CVD法：SiH4+CH4+H2

(CH3)2SiCl2+H2

Si(CH3)4

Si(OC2H5)4以激光氣相合成SiC納米陶瓷粉為例：PVD法：SiH4+CH4

CH3SiCl3(orSiCl4+CH4)LICVD法：SiH4+CH4(orC2H2)

SiH2Cl2+C2H4(C2H5O)2Si(CH3)2

2424精選課件第五節(jié)碳材料的制備25精選課件1.一種熱解碳球的制備、

微結(jié)構(gòu)與電池性能26精選課件相關(guān)碳結(jié)構(gòu)石墨烯

碳原子數(shù)30~1000，碳

層面具有懸鍵；為減少懸鍵數(shù)石墨烯碎

片會(huì)卷起形成彎曲結(jié)

構(gòu)，邊緣六元環(huán)有收縮

成五元環(huán)趨勢(shì)；應(yīng)變能增加，消除懸

鍵，總能量降低。富勒烯C36,C60,C70,C180的結(jié)構(gòu)示意圖27精選課件球形碳的分類Serpet.al.(sizes)

(1)carbononions

well-G2-20nm

(2)nano-sizedspheres

less-G50nm-1m

(3)carbonbeads

1-severalmicronsInagaki(nanometrictexture)

(1)concentric

(2)radial

(3)randomarrangement(carbonlayers)

28精選課件SummaryofthesynthesismethodsofcarbonspheresSynthesismethodsCarbonsourcesCatalystsSpherediametersReferencesCVDMethaneMetalliciron100nm~300nm[7]Cobalt80nm~200nm[19]MetaloxideAverage210nm[20-22]CamphorFerrocene250nm~850nm[23]PentaneFe(CO)5500nm~1m[24]KeroseneFe,Ni600nm~900nm[25]HydrothermalpyrolysisSugarNo250nm~5m[26]HydrothermalChemicalDryice(CO2)Li300nm~780nm[27]ChemicalAnewpolymerNo500nm~2m[28]CVDTolueneNo60nm~1m[29]29精選課件碳球制備工藝參數(shù)

四氫呋喃

,970~1000C,5~240min

石墨化：2100C、2900C,20~120min30精選課件碳球的(a)SEM像和(b)TEM像（插圖一個(gè)碳球心部的SAED照片）31精選課件HRTEMimageofthegraphiticlatticenearthesurfaceofasphere.

TheinsetshowstheSAEDpatternfromthenear-surfaceofasphere.3~6層彎曲近平行的2~4nm長(zhǎng)弧形圖案測(cè)算，d=0.343nm,

對(duì)應(yīng)(002)晶面弧形－曲率造成的32精選課件2900C石墨化處理后碳球發(fā)生多面體轉(zhuǎn)變(a)SEM像,(b)TEM像結(jié)果與分析33050nm33精選課件同一多面體粒子不同部位石墨烯層平行于入射電子束0.340~0.344nm0.3354nm“脊梁區(qū)”高角晶界越心部越薄34精選課件Thermogravimetricanalysisofthecarbonspheresheatedinairat10C/min結(jié)果與分析35精選課件XRDpatternofthecarbonspheresafterheattreatmentat2100C結(jié)果與分析Qiuet.al,Carbon,2003,41:767-772(10)(004)(10)(11)(004)(002)36精選課件Cycletimesversuscapacityof(a)theas-synthesizedcarbonspheresand(b)thegraphitizedcarbonspheres碳球的電池性能37精選課件2.納米碳管內(nèi)填充一維鐵

單晶納米線38精選課件

CarbonNanotubesEncapsulateMetals39精選課件磁記錄介質(zhì):在碳管內(nèi)包覆鐵磁性金屬可提高磁矯頑力，制成磁記錄介質(zhì)可增加有效記錄密度；電子工業(yè)：由于金屬被限制在一維納米尺度范圍，按照能量降低的要求，金屬原子重排，可能發(fā)生金屬向半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。納米溫度計(jì)：測(cè)納電器件的局部溫度納米尺度催化劑的載體，延遲作用時(shí)間。應(yīng)用前景40精選課件各種制備方法毛細(xì)作用誘導(dǎo)填充濕化學(xué)法石墨電弧法電解法催化熱解法開(kāi)口氣相氧化劑氧化性酸缺點(diǎn)（1）填充率低；（2）可被填充物種類受限；（3）對(duì)碳管有不可恢復(fù)的損傷。兩步法一步法碳源和金屬化合物共升華（電弧法）41精選課件H2Ar陰極陽(yáng)極PreparationofCarbonNanotubes42精選課件存在問(wèn)題管內(nèi)填充長(zhǎng)度不足、不連續(xù)，影響傳導(dǎo)性能；鐵