《材料科學(xué)與工程概論》課件第5章

第5章無機(jī)非金屬材料5.1陶瓷材料5.2水泥和玻璃5.3礦物材料簡介

5.1陶瓷材料

5.1.1概述

1．陶瓷的概念

陶瓷(Ceramics)是一類歷史悠久的無機(jī)非金屬材料。陶瓷在國際上并沒有統(tǒng)一的定義。

2．陶瓷的原料

大多數(shù)傳統(tǒng)陶瓷的主要原料有黏土、石英和長石。黏土是細(xì)顆粒的含水硅酸鹽，如高嶺土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、蒙脫土(Al2O3·4SiO2·nH2O)等，它們具有層狀的晶體結(jié)構(gòu)，屬于可塑性原料。

3．陶瓷的分類

陶瓷制品是多種多樣的。從微細(xì)的單晶晶須、細(xì)小的磁芯和襯底基板到幾噸重的耐火爐爐襯材料，從嚴(yán)格控制組成的單相制品到多相多組分制品，以及從無氣孔而透明的各類晶體到輕質(zhì)絕緣的泡沫制品(多孔陶瓷)等，由于其品種如此之多、范圍如此之廣，目前對陶瓷尚無統(tǒng)一的分類方法。5.1.2陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能

1．陶瓷的結(jié)構(gòu)

陶瓷是由金屬元素和非金屬元素的化合物組成，主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、Na2O、PbO等。

1)晶體相

晶體相是陶瓷材料最主要的組成相，而且是多相多晶體，又分為主晶相、次生相和第三相等。圖5-1硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)單元圖5-2鏈狀連接[SiO4]四面體結(jié)構(gòu)

2)玻璃相

玻璃相是一種非晶態(tài)固體，是陶瓷材料中SiO2在燒結(jié)處于熔化狀態(tài)后冷卻時原子不能規(guī)則排列形成的非晶態(tài)玻璃相。

3)氣相

氣相是陶瓷中坯體各成分在加熱過程中單獨(dú)或互相發(fā)生物理、化學(xué)作用所生成的空隙或氣孔，常以孤立狀態(tài)分布在玻璃相中，或以細(xì)小氣孔分布在晶界和晶內(nèi)，是陶瓷生產(chǎn)工藝中不可避免地形成而保留下來的。

2．陶瓷的性能

1)高彈性模量、高硬度

陶瓷主要以離子鍵和共價鍵結(jié)合，其彈性模量和硬度在各類材料中是最高的。

2)低抗拉強(qiáng)度和較高抗壓強(qiáng)

由于陶瓷材料結(jié)合鍵的結(jié)合力很高，因此具有很高的理論強(qiáng)度，但其微觀結(jié)構(gòu)又具有復(fù)雜性和不均勻性(原料粉碎、混合和燒結(jié)成型過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)、氣孔及各種缺陷的影響)，則容易產(chǎn)生裂紋，致使陶瓷材料的實(shí)際抗拉強(qiáng)度值(約為E/1000～E/100或更低)遠(yuǎn)低于理論值(約為E/10～E/5)，比金屬的要低得多。

3)塑性、韌性低，脆性大

由于陶瓷材料的滑移系非常少，同時共價鍵又有明顯的方向性和飽和性、而離子鍵的同性離子接近時排斥力很大，所以在陶瓷材料受到外載荷時不發(fā)生塑性變形而直接斷裂，即在低應(yīng)力下脆斷。

4)優(yōu)良的高溫性能和低抗熱振性

陶瓷的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于金屬，因而具有優(yōu)于金屬的高溫

強(qiáng)度。

5)熱性能

熱性能包括熔點(diǎn)、比熱容、熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等與溫度有關(guān)的物理性能。

6)電性能與絕緣性好

大多數(shù)陶瓷具有很高的電阻率、很低的介電常數(shù)和介電損耗，因此可以作為絕緣材料。

7)化學(xué)穩(wěn)定性

從陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)看，金屬正離子被周圍氧負(fù)離子所包圍，屏蔽于其緊密排列的間隙之中，很難再與周圍的氧發(fā)生反應(yīng)，甚至在1000℃以上的高溫下也是如此，所以陶瓷具有很好的耐火性或不燃燒性。5.1.3陶瓷的制備工藝

1．陶瓷坯料的制備

1)傳統(tǒng)陶瓷坯料的制備

陶瓷坯料是指陶瓷原料經(jīng)過配料和加工后得到的多成分混合物，一般指成型前按照要求配制好的供成型的物料。

2)特種陶瓷坯料的制備

特種陶瓷在性能方面有著相對較高的要求，因而其原料采用高純的化學(xué)試劑合成陶瓷粉末，以滿足特種陶瓷原料高純度的要求。

2．陶瓷坯體的成型

陶瓷成型是將配制成的漿料、可塑泥團(tuán)、半干粉料，經(jīng)適當(dāng)?shù)姆椒ê驮O(shè)備制成一定形狀、體積和強(qiáng)度的塊體的過程。陶瓷的成型方法很多，按坯料含水量的多少可分為三種：粉料成型法、塑性料團(tuán)成型法、注漿成型法。

3．陶瓷坯體的干燥與排塑

成型后的坯件含有較多的水分，強(qiáng)度不是很高，而且成型體中含有一定量的有機(jī)添加劑和溶劑。

4．施釉

施釉是指通過高溫方式，在陶瓷生坯上或燒好的瓷件上燒附一層近似玻璃態(tài)的物質(zhì)，使其表面具有光亮、美觀、致密、絕緣、不吸水、不透水及化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能的一種工藝方法。

5．燒成或燒結(jié)

燒成通常是指在高溫下粉粒集合體(坯體)表面積減少、氣孔率降低、致密度提高、顆粒間接觸面積增大以及機(jī)械強(qiáng)度提高的過程。干燥后的陶瓷坯體必須經(jīng)過高溫?zé)?，才能獲得堅固的外形并達(dá)到所要求性能。目前，應(yīng)用較多的方法主要有以下幾種。

1)熱壓燒結(jié)

2)氣氛燒結(jié)

3)反應(yīng)燒結(jié)

4)熱等靜壓燒結(jié)

5)等離子體燒結(jié)

6)微波燒結(jié)

6．陶瓷的加工與表面改性

1)陶瓷的加工

傳統(tǒng)陶瓷在燒成后一般不需要加工，但燒結(jié)后的特種陶瓷制件，在形狀、尺寸、表面狀態(tài)等方面一般難以滿足使用要求。

2)陶瓷的表面改性

作為結(jié)構(gòu)陶瓷，陶瓷是脆性材料，尤其是陶瓷表面，存在大量缺陷，易成為裂紋源，其抗拉強(qiáng)度明顯低于抗壓強(qiáng)度。5.1.4典型的陶瓷材料

1．普通陶瓷

普通陶瓷是以黏土、長石、石英為原料，經(jīng)配料—成型—燒結(jié)而制成的。

2．典型結(jié)構(gòu)陶瓷

結(jié)構(gòu)陶瓷一般具有良好的力學(xué)性能化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性，它耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)、能源、交通、航空航天等部門對材料的要求越來越苛刻，如不僅要求材料具有良好的耐高溫性、耐磨性、耐腐蝕性和足夠的機(jī)械強(qiáng)度等，還要求能在苛刻的條件下使用。在金屬材料無法滿足使用要求的情況下，陶瓷材料則較能勝任，例如氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硅化物陶瓷。

3．典型功能陶瓷

功能陶瓷是一類具有機(jī)、電、光、聲、熱、磁及其之間的耦合以及部分生物功能的多晶無機(jī)固體材料，其功能的實(shí)現(xiàn)主要來自于它所具有的特定的電絕緣性、半導(dǎo)體性、導(dǎo)電性、壓電性、鐵電性、磁性、生物適應(yīng)性等。功能陶瓷是現(xiàn)代信息、自動化等工業(yè)的基礎(chǔ)材料，在耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性方面優(yōu)于金屬和有機(jī)聚合物材料。功能陶瓷包括壓電陶瓷、光電陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、磁性陶瓷、光學(xué)陶瓷、生物陶瓷、敏感陶瓷等。

5.2水?泥?和?玻?璃

5.2.1水泥

1．水泥的概況

水泥為粉狀水硬性無機(jī)膠凝材料，加水?dāng)嚢韬蟪蓾{體，能在空氣中硬化或者在水中更好地硬化，并能把砂、石等材料牢固地膠結(jié)在一起。

2．水泥的分類

(1)按用途及性能分類，可分為：①通用水泥，指一般土木建筑工程采用的水泥，包括六大類：硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復(fù)合硅酸鹽水泥；②專用水泥，專門用途的水泥，如G級油井水泥、道路硅酸鹽水泥；③特性水泥，某種性能比較突出的水泥，如快硬硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥、膨脹硫鋁酸鹽水泥。

(2)按其主要水硬性物質(zhì)名稱分類，可分為：①硅酸鹽水泥，即國外通稱的波特蘭水泥；②鋁酸鹽水泥；③硫鋁酸鹽水泥；④鐵鋁酸鹽水泥；⑤氟鋁酸鹽水泥；⑥以火山灰或潛在水硬性材料及其他活性材料為主要組分的水泥。

(3)按其主要技術(shù)特性分類，可分為：①按凝結(jié)時間分為快硬水泥和特快硬水泥兩類；②按水化熱值分為中熱水泥和低熱水泥兩類；③抗硫酸鹽性分中抗硫酸鹽腐蝕水泥和高抗硫酸鹽腐蝕水泥兩類；④按膨脹性分為膨脹水泥和自應(yīng)力水泥兩類。

3．水泥的生產(chǎn)工藝和性質(zhì)

水泥以石灰石和黏土為主要原料，經(jīng)破碎、配料、磨細(xì)制成生料，喂入水泥窯中煅燒成熟料，加入適量石膏(有時還摻加混合材料或外加劑)磨細(xì)而成。水泥的性質(zhì)與組成水泥的礦物成分，顆粒細(xì)度，硬化時的溫度、濕度，以及水泥中加水的比例等因素有關(guān)。5.2.2玻璃

1．玻璃的概念和通性

玻璃是一種較為透明的固體物質(zhì)，在熔融時形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，冷卻過程中黏度逐漸增大并硬化卻不結(jié)晶的硅酸鹽類非金屬材料。

2．玻璃的類別及應(yīng)用

1)按主要成分分類

按主要成分分類，玻璃可分為氧化物玻璃和非氧化物玻璃。2)按性能特點(diǎn)分類

按性能特點(diǎn)，玻璃又分為以下幾類：

(1)鋼化玻璃

(2)多孔玻璃

(3)導(dǎo)電玻璃

(4)微晶玻璃

(5)中空玻璃

(6)乳濁玻璃

(7)壓花玻璃

(8)夾層玻璃

(9)防彈玻璃

(10)磨砂玻璃

(11)防護(hù)玻璃

3．玻璃的結(jié)構(gòu)和形成

玻璃的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，沒有一致的結(jié)論，目前被普遍接受的玻璃結(jié)構(gòu)理論有微晶學(xué)說和無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說。

4．玻璃的制備與成型

玻璃制備過程主要包括：原料預(yù)加工。

5.3礦物材料簡介

5.3.1概論

1．礦物和礦物材料的定義

礦物是指在自然狀態(tài)下通常由無機(jī)作用所形成的單質(zhì)或化合物，具有特定的(但一般并非固定的)化學(xué)成分內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的均勻固態(tài)，在一定的物理化學(xué)條件范圍內(nèi)穩(wěn)定，是組成巖石或礦石的基本單元。

2．礦物材料的分類

礦物材料種類很多，不同地區(qū)、不同位置的礦物成因、結(jié)構(gòu)、組成都有很大不同，其應(yīng)用幾乎遍及所有工業(yè)領(lǐng)域。5.3.2典型礦物材料

1．膨潤土

膨潤土又名膨土巖、斑脫石，俗名觀音土，由凝灰?guī)r或其他火山巖在堿性介質(zhì)下蝕變而成。膨潤土的主要礦物成分是蒙脫石，含量在85%～90%，另含少量石英、方解石及火山玻璃。

2．高嶺土

高嶺土又稱瓷土，主要由小于2mm的微小片狀、管狀、疊片狀等高嶺石簇礦物組成，理想的化學(xué)式為Al2O3·2SiO2·

2H2O，其主要礦物成分除高嶺石和多水高嶺石外，還有蒙脫石、石英和長石等其他礦物(含F(xiàn)e2O3、TiO2、微量的K2O、Na2O、CaO和