第四章 无机非金属材料.ppt

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1、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陶瓷，水泥和玻璃均是以含硅物质为原料，在高温下经过一系列复杂的物理和化学变化而得到的硅酸盐产品。水泥时代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。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

2、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、陶瓷的结构与性能一、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

3、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。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。陶瓷材料的结构二、基本相晶体相、玻璃相、气相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。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。

4、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。陶瓷材料的结构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

5、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。陶瓷材料的结构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。陶瓷材料的结构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。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

6、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%。陶瓷材料的结构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%。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；当晶体的温度高于绝对零度时，晶格内原子

7、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。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

8、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。陶瓷材料的结构陶瓷材料的性能性能与化学键、晶体结构、显微组织（包括