无机非金属材料结构与性能1

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1、无机非金属材料结构与性能第一章：绪论一、材料的定义与分类1.材料：将原料通过物理或化学方法加工制成的金属、无机非金属、有机高分子和复合材料等固体物质，它们一方面作为构件、器件或物品的原材料或半成品，另一方面可以在单级工艺过程中制成最终产品。l材料是物质，但它通常不包括：燃料、化学原料、工业化学品、药品、食品2.分类：1)按物理化学属性分；金属、无机非金属、有机高分子、复合材料2)按用途分：电子材料、生物材料、核材料、建筑材料、能源材料……3)按性能分：结构材料（以力学性质为基础用以制造以受力为主的构件）、功能材料（以物理

2、、化学及生物等性质为主）4)按材料发展分：传统材料（在工业中已批量生产并得到广泛应用的材料）、先进材料（刚刚投产或正在发展并具有优异性能和广泛应用前景的材料）二、无机非金属材料的定义、特点和科学内涵1.定义：以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素等物质组成的材料。是除高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。l无机非金属材料（inorganicnon-metallicmaterials）是20世纪40年代以后，随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。l传统的“硅酸盐”材料：是指以天然的硅酸盐矿物（SiO2和

3、金属氧化物所形成的盐类，如粘土、石英、长石等）为主要原料，经高温窑烧制而成的一大类材料，故又称为窑业材料。包括日用及工业用陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥、搪瓷、砖瓦等。l在40所代中期，50年代初期，国内曾使用“陶业”与国际上广义的“陶瓷”（Ceramics）以及日本的“窑业”具有同一涵义。由于历史的原因，在中国仍在杂志期刊、研究团体、研究院所等名称上沿用“硅酸盐”。在国际上却仍沿用“Ceramics”。1.特点：l结构：元素的结合力主要为离子键、共价键或离子共价混合键，所以具有高的键能和键强。l优点：由于结构特点，赋予这一

4、大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨蚀、高强度和良好的抗氧化性等基本属性，以及宽广的导电性、导热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。这是无机非金属材料作为一门学科而迅速发展的最有利的一面。l缺点：抗拉强度低、韧性差等，有待于进一步改善。将其与金属材料、有机高分子材料一起合成为复合材料是一个重要的改性途径2.科学内涵：l无机非金属材料科学与工程是一门研究无机非金属材料的合成与制备、组成与结构、性能、使用效能四者之间关系与规律的科学。使用效能（性能与效果）性能合成与制备组织与结构l使用效能……是指材料的固有性能、产品

5、设计、合成与制备、使用环境等的综合表现。通常以寿命、效率、可靠性、成本等指标来衡量。它是无机非金属材料科学与工程追求的最终目标，在很大程度上代表了这一学科的发展水平。l性能……与其组成及结构息息相关l组成与结构……是合成和制备过程的结果一、无机非金属材料的历史及在现代科技中的地位1.发展历史：l陶瓷：原始部落制作的粗陶器，中国商代开始出现原始瓷器和上釉的彩陶，东汉出现了青瓷，经唐、宋、元、明、清不断发展，已达到相当高的艺术水平，并成为中华民族的瑰宝。l玻璃：五、六千年前的古埃及文物中即发现有绿色玻璃珠饰品，三千年前中国有

6、了白色玻璃珠。17世纪由于工业纯碱代替天然草木灰与硅石、石灰石等矿物原料生产钠钙硅酸盐玻璃，各种日用玻璃和技术玻璃进入普通家庭和工业领域。l胶凝材料：五六千年前的史前和古代建筑中已大量使用石灰和石膏等气硬性胶凝材料，但人工方法合成硅酸盐水泥制品还只有100多年的历史。19世纪初，发明用硅酸盐矿物和石灰原料经高温煅烧制成波特兰水泥（硅酸盐水泥），从而开始了高强度水硬性胶凝材料的新纪元。l耐火材料：主要是粘土质和硅质材料，从青铜器时代，铁器时代至近代钢铁工业的兴起，都起过关键的作用。……20世纪中期以后，随着科学技术的高速发

7、展，对材料提出了越来越高的要求，促进了性能更为优良以及有特殊功能的新型陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥、涂层、磨料等制品的飞速发展。它们在化学组成上远远超出了硅酸盐化合物的范围。因此无机非金属材料这一名称在学术界逐渐形成并获得使用。2.现代科学技术的发展与无机非金属材料的关系：l集成电路的发展是以硅为主的半导体材料相应发展的结果。进入上世纪90年代，硅单晶的生长技术（直径增加，纯度提高，缺陷减少）和晶片的加工技术（0.3μm）有了显著的进步，使得芯片成品率大为提高，每位存储的价格急下降，集成电路的集成度大幅度提高……成为人类进

8、入“信息时代”的里程碑。l上世纪70年代气相沉积法制备出石英玻璃纤维，由此实现了光通信技术。1976年出现第一条光通信线路，造价低，中继站少，保密性强，容量大。l上世纪60年代发展的金属玻璃可以取代磁性材料“变压器硅钢片”，铁损减少3/4，80年代出现了钕铁硼铁氧体，其磁能积比钢提高了近100倍，使音响设备体积变小，