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无机非金属资料

3.1无机材料概述

1.定义:

无机非金属材料:以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤化物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。

无机非金属材料学:一门多学科相互交叉的新兴科学,主要研究无机非金属材料的成分、制备工艺、组织结构、材料性能和使用性能四个要素,以及它们之间相互关系的科学。

2.晶体的宏观特征:自范性,F(晶面数)+V(顶点数) = E(晶棱数) +2;均匀性(源于周期性均匀排布);物理性质的异向性;稳定性,固定熔点;对称性

3.晶体的微观特征:短程有序,长程也有序,具点阵结构

4.非晶的宏观特征:只有玻璃转化温度,无固定熔点;无规则多面体几何外型,可制成玻璃体,丝,薄膜等特殊形态;物理性质各向同性;均匀性(源于原子无序分布的统计性规律,无晶界)。

5非晶体的微观特征:长程无序,无平移对称性;短程有序,双体概率分布函数

6.传统无机材料

优点:抗腐蚀,耐高温,高强度

缺点:质脆,经不起热冲击,抗拉强度低,韧性差

7.现代科学对无机材料的要求:高强度,耐高温,特殊性能(有利于无机材料的发展)

新型无机材料的

电学特性:一些新型无机非金属材料可以作为半导体、导体、超导体等,一些绝缘性材料常被用于集成电路的基板。

光学特性:有些新型无机非金属材料能发出各色的光,有的能透过可见光,有的能使红外线、雷达射线穿过。

生物特性:有些新型无机非金属材料强度高、无毒、不溶于水,对人体组织有较好的适应性,可直接植入人体内。人造牙齿、人造骨骼,已应用于医疗。

课堂练习:

?晶体和非晶体的宏观性质差别体现在哪几个方面?

?简述晶体和非晶的微观结构差异。

?列举五种你所知的无机非金属材料。

思考题:阐述传统无机材料和新型无机材料的特性差别。

?谈谈无机非金属材料与人类文明的关系

3.2 典型无机材料——玻璃

1.玻璃简介:

(1)玻璃:由熔融体经冷却、固化而成的非晶态固体

玻璃态:非晶态固体的一种。技术词典定义:“从熔体冷却,在室温下还保持熔体结构的固体物质状态”。广义:单质/有机/无机玻璃;狭义:无机玻璃

(2)类型:

——普通玻璃硅酸盐玻璃,用石英砂、纯碱和石灰石共熔而制得的一种无色透明的熔体Na2CO3+CaCO3+6SiO2=Na2O?CaO?6SiO2+2CO2↑

——特殊玻璃改变普通玻璃的化学组成或对玻璃特殊处理,得到各种特殊性能的玻璃(3)玻璃态的物理通性:非晶特性:各向同性;无固定熔点;

玻璃特性:介稳性;性质变化的连续性和可逆性

(4)玻璃的结构-含义:玻璃结构:离子或原子在空间的几何配置及它们在玻璃中形成的

结构形成体

近代玻璃结构的假说:晶子学说,无规则网络学说,凝胶学说,五角形对称学说,高分子学说

(5).玻璃的结构假说:晶子学说(兰德尔,1930)

基本观点:玻璃由无数“晶子”组成,分散于无定形介质中,且“晶子”部分到无定形部分过渡是逐步完成的,两者无明显界线,是高分散晶子的集合体。

评价:玻璃微观不均匀性的首次揭示,描述玻璃结构近程有序的特点。

不足之处:晶子尺寸太小,无法用x-射线检测晶子的含量、组成。

(6)玻璃的结构:无规则网络学说(查哈里阿明森,1932)

基本观点:近程有序与晶体相似,形成氧离子多面体(三角形、四面体),多面体间顶角相连形成三度空间连续网络,为拓扑无序。

评价:玻璃为宏观均匀、远程无序的结构,呈各向同性

不足之处:对分相研究不利,不能完满解释玻璃的微观不均匀性和分相现象

(7)玻璃的结构-假说两种学说的异同点

相同点:玻璃为近程有序、远程无序结构的无定形物质

不同点:晶子假说着重于玻璃结构的微观不均匀和有序性(短程有序)

无规则网络学说着重于玻璃结构的无序、连续、均匀和统计性(长程无序)

2.玻璃的常见类型

(1)石英玻璃

硅氧四面体[SiO2]呈顶角相连的三维网络

主体氧化物SiO2(决定性作用)

当R2O或RO加入玻璃中,由于增加O/Si比例,使O/Si比为主的三维结构破坏,导致性质变化。

(2)钠钙硅玻璃

结构:熔融石英玻璃中加入碱金属氧化物(如Na2O), Si-O网络发生断裂,碱金属离子处于非桥氧附近的网穴中,性能不好,无实用价值。

解决方法:加入CaO使玻璃的结构和性质改善,得到性能优良的钠钙硅玻璃。

(3)硼酸盐玻璃

硼氧三角体[BO3]相接的硼氧三元环集团,低温下呈由桥氧连接硼氧三角体和硼氧三元环形成的向两度空间发展的网络,属层状结构。

引入RO或R2O,产生硼氧四面体[BO4],形成碱硼酸盐玻璃,平面的层状结构立体的架状结构,网络加强。

“硼氧反常性”:与相同条件下的硅酸盐玻璃相比,引入RO或R2O后,玻璃的各种物理性质向相反的方向变化

3.玻璃的性质:

(1)粘度:面积S的二平行液层,以一定速度梯度移动所需克服的内磨擦力f

影响因素:温度:T低时粘度大

成分:增粘:SiO2,Al2O3,ZrO等;降粘:R2O,PbO,CdO,Bi2O3,SnO减高温粘度,增低温粘度:碱土金属氧化物增低温粘度,降高温粘度: Li2O,ZnO,B2O3等

(2)表面张力和密度:

表面张力:玻璃与另一相接触的相分界面上,在恒温、恒容下增加一个单位的表面时所做的功。提高表面张力:Al2O3, La2O3, CaO, MgO。降低表面张力:K2O, PbO, B2O3, Sb2O3等

密度:与化学组成、温度和热历史有关石英玻璃的密度最小(2000 kg/m3),普通的钠钙硅玻璃为2500-2600 kg/m3

(3)力学性能:

机械强度:抗压/抗折/抗张/抗冲击强度等。影响因素:组成、缺陷、温度、应力。解决方法:退火、钢化、表面处理与涂层、微晶化、复合

硬度:物体抵抗其他物体侵入的能力。影响因素:化学组成。解决方法:加入氧化物SiO2>B2O3>(MgO,ZnO,BaO)>Al2O3>Fe2O3>K2O>Na2O>PbO

脆性:当负荷超过玻璃的极限强度时立即破裂的特性

(4)热学性能;热膨胀系数。影响因素:温度、化学组成、热历史

(5)化学稳定性:抵抗气体、水、酸、碱、盐和各种化学试剂侵蚀的能力,分为耐水性、耐酸性、耐碱性等。影响因素:化学组成、热处理、温度、压力

(6)光学性质:

着色原理:光能激发使电子从低能量轨道跃迁至高能量轨道。即从基态跃迁到激发态。基态和激发态间的能量差处于可见光的能量范围时,相应波长的光就能被吸收,呈现颜色

常见离子着色剂:棕黄色:钛;深棕色:少量钛、铁或钛、锰共同作用;绿色:钛、铜、Cr3+;黄绿色:Cr6+;深紫色:锰;淡蓝色:钠钙玻璃中加入铁;深蓝色:钴

4.玻璃的生产工艺:

(1)原料的粉碎、过筛:主要原料:SiO2、Na2O 、CaO 、Al2O3、MgO 等五种成分,为引入上述成分而使用的原料。辅助原料:为使玻璃获得某种必要的性质,或为加速玻璃熔制过程而引入的原料

(2)按配方称料、混合

(3)在熔窑中将物料熔融、澄清:过程:在坩埚窑或池窑中进行。温度:普通玻璃:1300-1600℃,低熔点玻璃:600-1200℃

(4)匀质化;

(5)成型加工:

成型:将熔融玻璃加工成有一定几何形状和尺寸的玻璃制品的工艺过程。

成型方法:压制、吹制、拉制、加工成纤维、压延、浇注和烧结法

(6)热处理:

热处理的目的:消除内应力(玻璃制品生产中,表面及内部经受急剧和不均匀温度变化,表现:强度降低、破裂);消除特性不均(结构不均一,表现:性质变化)

热处理的方法:退火;回火;化学强化

5.用玻日璃生产方法:吹制法,压制法

6.特种玻璃与与传统玻璃(Na2O-CaO-SiO2系统)的组成差别:成分变化;形状变化;玻璃态的变化;功能的变化;制备工艺的变化

7.特种玻璃的功能性类别:光学功能玻璃;电磁功能玻璃;热学功能玻璃;力学功能玻璃;化学功能玻璃;生物功能玻璃

8.变色玻璃(光致变色玻璃):在适当波长光的辐照下改变其颜色,而移去光源时则恢复其原来颜色的玻璃

变色原理:在玻璃原料中加入光色材料制成。两种不同的分子或电子结构状态,在可见光区有两种不同的吸收系数,在光的作用下,可从一种结构转变到另一种结构,导致颜色的可逆变化

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?课堂练习

?什么是硼氧反常性?

?玻璃的着色原理是什么?

?玻璃属何种结构?具有哪些特性?

作业题

?玻璃热处理的目的是什么?方法有哪些?

?试解释玻璃结构的两种学说,其异同点?

?试列举几种特殊玻璃的应用。

3.3典型无机材料———陶瓷

? 人类发展史的里程碑,最早不用大自然的现成材料而制成的器具 ? 恩格斯:陶器为新石器时代的开始标志

? 我国是世界上最早生产陶器的国家。有黑陶、白陶、彩陶等多个品种。 “世界奇观兵马佣”:在烧成的陶胎上彩绘而成

? 瓷器由陶器脱胎而来, 要求比制陶器高,需要纯净的粘土作原料,烧制温度也相对

高。

? 瓷器:中华文明的象征。在许多拉丁语系国家中,“瓷器”和“中国”都以“CHINA ”

这同一种字母拼音表示。

1.陶瓷简介:定义:以无机非金属天然矿物或化工产品为原料、经原料处理、成型、干燥、烧成等工序制成的产品。

发展阶段:传统陶瓷;特种陶瓷;纳米陶瓷 2. 特种陶瓷与普通陶瓷的主要区别 .

区别

传统陶瓷

特种陶瓷

原料 天然矿物

人工精制合成(氧化物、非氧化物)

成型

注浆、可塑成型 压制、热压铸、注射、轧膜、流延、等静压成型

成 <1350℃,燃料以

煤、油、气为主 结构陶瓷常需约

1600℃高温烧结,功能陶瓷需精确控制温度,燃料以电、气、油为主

能 以外观效果为主

以内在质量为主,常呈现耐磨、耐腐蚀、耐高温等

加工 一般不需加工 切割、打孔、研磨和抛光

炊、餐具、陈设品

宇航、能源、冶金、交通、电子、家电等

3.陶瓷的结构

(1)结构:多晶

根据物相的类型分类:

单相多晶体:典型单相多晶陶瓷结构,由单一的、规则的多面体形晶粒组成

多相多晶体

(2)显微组织:

晶体相(主相,决定性能的主要因素)

玻璃相(烧结胶粘剂,副作用:降低烧结温度、抑制晶粒长大、填充气孔,应严格控制,越少越好)

气孔相空隙(生产过程)低密度、高保温、可减震;低强度、高介电损耗、差绝缘) 裂纹(大晶粒的热膨胀过程)

4.陶瓷的结构特点:化学稳定性好;耐酸碱侵蚀;抗高温氧化;制备工艺简单;组成可变,控制组成,获得性能

5.陶瓷的生产工艺:混合,成型,干燥,烧结,冷却,陶器

(1)原料选择

可塑性原料:高岭土、木节土、瓷土、膨润土。。。

非可塑性原料:石英、长石、熟料、瓷粉。。。

熔剂原料:长石、滑石,钙、镁碳酸盐。。。

(2)坯料制备

原料经拣选、破碎后,配料、混合、细磨等工序后得到的具有成形性能的多组分混合物。制备三步曲:

★原料处理:预烧:帮助碎化原料;减少坯料收缩;改变结构形态;稳定晶型

精选:经分离、提纯、除杂,更符合质量要求(化学组成、矿物组成、颗料尺寸) ★配料

★混合制备

(3)干燥

涵义:加热蒸发除去物料中部分水分

作用:制取符合水分要求的粉料;一定强度的生坯,便于运输和加工;提高坯体吸附釉层和能力;提高成窑率;缩短烧成周期

机理:水分类型(自由水、吸附水、结合水);

干燥过程(等速干燥、降速干燥、平衡)

影响因素:坯料性质(形状、大小、厚度、温度);干燥介质性质(热扩散与湿扩散方向一致) 干燥方法(对流、工频电、远红外、微波

(4)烧成(最重要工序之一) 矿物原料组成的生坯在高温中经受热化学反应得到预期性能的人工合成陶器

物理化学变化:低温(室温-300℃):坯体中水分蒸发期;

中温(300-950℃):氧化分解及晶型转化期

高温(950℃-最高烧成温度):玻化成瓷期

冷却(烧成温度-室温):急冷、缓冷、最终冷

6. 陶瓷制品的表面装饰

(1)目的: 美化外观(色彩、光洁度、亮度…);改善性质(硬度、憎水、绝缘、导电…) (2)途径:表面加工(研磨、抛光、电火花/离子束加工);

表面层改性:

★急冷(淬火):陶瓷体经高温保温烧结后,将坯体从高温急速降温的热处理工艺

目的:①保留高温组成,避免分凝、析晶和相变,满足制品某些性能的要求;②产生表面压应力,提高制品抗张强度。

★缓冷(退火):坯体经高温烧结后,在炉中缓慢冷却,或在某温度下长时间保温。

作用:①促使坯体在冷却过程中晶体长大、分凝和相变,使制品的某些性能满足要求;②消除坯体表面和内部应力,使相平衡过程进行充分

表面金属化:

作用:形成金属导电层,如制作瓷介电容器电极;形成金属引出端,如集成电路管壳的引出线;用于陶瓷焊接与密封,如装置瓷的焊接和密封;形成陶瓷制品的表面金属装饰

方法:金属膜形成法(烧渗法、化学镀法、真空蒸发等);金属(Au、Ag、Pt、Mo、Mn、Ni、Cu、Al等)

表面施釉:涵义:在陶瓷表面烧结一层连续玻璃态物质

要求:釉料的热膨胀系数、弹性、抗张强度等应与瓷体相适应,以实现袖层与瓷体的牢固结合,不产生开裂和釉层剥落等缺陷;施釉前坯体的含水量为1-3%。

方法:浸、喷、滚、浇、涂刷。

7.陶瓷材料的应用

结构材料(耐热、耐磨、耐蚀)

功能材料(特殊光、电、磁、热、弹性等直接效应和耦合效应等物理性能)

复合增强剂

导电陶瓷:电子导电体;离子导电体;半导体;超导

压电陶瓷:煤气炉中的电子打火;地质探测仪元件;压电陶瓷探头

增韧陶瓷(氧化锆):利用氧化锆的相变特性增加陶瓷材料的断裂韧性和抗变强度;良好力学性能;低导热系数;良好耐温急变性。应用:刀具、量具、拉丝模、火箭隔热层、防弹甲板、汽缸套、氧敏感元件、圆珠笔、表壳等。

生物陶瓷:用于人体组织和器官的修复并代行其功能的陶瓷材生物陶瓷;

用途:测量、诊断治疗、生物硬组织的代用材料

纳米陶瓷(1-100 nm):小尺寸效应;量子尺寸效应;表面效应;宏观量子隧道效应为什么纳米陶瓷具有超塑性?

?颗粒小,界面间构成很多不饱和键,造成沿界面方向的平移不会使材料键力破断,实现超塑性

?纳米材料的塑性变形机制与普通多晶材料不同,依靠纳米相的低温扩散蠕变机制进行

?纳米材料与普通材料相比扩散系数高3个数量级,晶粒尺寸低3个数量级。扩散蠕变速率高出1012倍,低温下其扩散蠕变速率亦可对外应力迅速反应,实现塑性变形,使陶瓷的韧性大大提高,呈现超塑性

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?课堂练习:陶瓷为何种晶体?可分为哪几类?

?陶瓷显微结构的相组成是什么?作用分别是什么?

?陶瓷制品的表面装饰的目的是什么?方法有哪些??作业题:简述陶瓷制备的工艺流程。

?试列举五种常见的功能陶瓷制品。

?为什么纳米陶瓷具有超塑性?

3.4胶凝材料

1.定义的三要素:

自身的物理化学作用

浆体→固体物质

在变化过程中能把一些散粒料或块体材料胶结成一个整体

2.分类:

(1)有机胶凝材料:沥青,树脂

(2)无机胶凝材料:胶凝材料在干燥的空气中通过水分或其它挥发分的蒸发或与空气中的某些成分发生化学反应而产生凝结作用的材料,也包括能在空气中发生水化作用的材料。如石灰、石膏、水玻璃

水硬性胶凝材料拌和水后既可在空气中硬化,亦可于水中或潮湿环境中通过水化作用产生凝结,并保持及发展强度的材料。主要包括各种各样的水泥材料

3.石灰

(1)石灰的生产:原料:石灰岩。原理:CaCO3 CaO+CO2 MgCO3 MgO+CO2

注意事项:可逆反应;三种火候对应不同的石灰品质

石灰岩--- CaCO3 ,生石灰--- CaO ,熟石灰--- Ca(OH)2

欠火石灰---废品过火石灰---次品正火石灰---正品

(2)石灰的熟化(使用前):

熟化反应:CaO + H2O→Ca(OH)2 +64.9×103 J

特点:放热反应;体积膨胀1~2.5倍

(3)石灰的硬化:

过程:(空气中进行)

碳化:表面生成致密碳酸钙薄膜Ca(OH)2 + CO2 + nH2O →CaCO3 +(n+1) H2O

结晶:内部氢氧化钙结晶

新生CaCO3晶粒是相互共生、晶粒间相互胶接新生的。

(4)石灰的应用:砌筑、抹面、粉白、基础、道路、地面:三合土、四合土。

气硬性胶凝材料,不能用于潮湿、与水接触的建筑物.

石灰的特点:石灰浆在凝结硬化过程中体积收缩大、易开裂。

石灰浆不宜单独使用,常掺入砂、纸筋,以防开裂。

4.石膏

(1)單斜晶系CaSO4+* 2H2O

為一種含水硫酸鈣礦物,硬度2,比重2.32,發育良好的晶體呈透明的稱為透石膏。纖維狀、塊狀變種具絹絲光澤為纖維石膏,細粒塊狀稱為雪花石膏。晶體呈接觸雙晶十分普遍,如燕尾雙晶、箭頭雙晶等。一般具有玻璃光澤,透明到半透明,或灰、黃、紅、棕等色,條痕白色。

主要用於製造燒石膏,因有凝固性,可作為陶器模型、塑像、建築材料、石膏板、石膏磚等。石膏粉亦可作為土壤改良劑,製造肥料和水泥緩凝劑,也是製造豆腐的原料之一。(2)石膏的种类:天然无水石膏、硬石膏---- CaSO4;生石膏、软石膏----CaSO4.2H2O;熟石膏、建筑石膏---- CaSO4.1/2H2O

主要技术性质:白色;密度:2.6—2.7;分为三级

(3)石膏的特性:孔隙率大,强度低;硬化快(5-15 min);硬化后体积膨胀;耐水性、抗冻性差;防火;保温性、装饰性、可加工性好

(4)石膏的用途:室内粉刷、抹灰和油漆前的打底;石膏装饰品绷带

石膏绷带:生石膏(加热)→熟石膏(加水)→生石膏

5.水玻璃

(1)组成:硅酸钠(泡化碱、水玻璃,Na2O·nSiO2)

(2)性质:无色、淡黄色或青灰色透明的粘稠液体;溶于水呈碱性;遇酸分解(空气中的二氧化碳也能引起分解)而析出硅酸的胶质沉淀;无水物为无定形,天蓝色或黄绿色,为玻璃状;相对密度随模数的降低而增大;无固定的熔点

(3)硬化特点:水玻璃在空气中吸收CO2,析出SiO2凝胶,凝胶逐渐干燥而硬化,硬化过程缓慢(气硬性)。Na2O *nSiO2 +CO2 +m H2O →Na2CO3 +nSiO2 * mH2O

(4)水玻璃的应用:水泥快干剂、防水剂;加固土壤,提高地基承载力;涂刷混凝土表面,提高建筑物抗风化能力;配制防水剂,用于堵漏;配制耐酸、耐热制品;纸合、铸造、建材、焊条的粘合剂;制皂和合成洗涤剂的助剂;分子筛、硅胶、白炭黑、偏硅酸钠等化工产的基本原料

6.水泥: 粉末物质

(1)水泥遇水后,经过化学反应和物理作用,由塑性浆体变成坚硬的石状体(性状相似于英国Portland 的山石因而得名),并能将散粒材料胶结成整体。

最重要的建筑材料之一,应用最广泛

(2)按用途和性能分类:通用水泥;专用水泥;特性水泥

工程多用硅酸盐类水泥(重点学习内容)

硅酸盐水泥:由硅酸盐水泥熟料、0~5%石灰石、粒化高炉矿渣,适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料

硅酸盐水泥熟料的矿物组成与特性:水泥熟料:煅烧时由生料脱水和分解出的CaO, Al2O3, SiO2, Fe2O3, 在~1450℃的高温下产生化学反应, 生成以硅酸盐为主的新化合物

水泥熟料+石膏+少量掺料→硅酸盐水泥

水泥生料:CaO:62% ~67% ; SiO2: 20% ~24% ;Al2O3: 4% ~7% ; Fe2O3:2.5%~6.0% 水泥熟料的基本组成:硅酸钙。钙质的来源:天然碳酸钙材料:石灰石、白垩、泥灰岩。硅质的来源:粘土(氧化铝、氧化铁和钾、钠)、页岩

水泥熟料的主要成分:硅酸三钙3CaO·SiO2, 36%~60%;硅酸二钙2CaO·SiO2, 15%~37%;铝酸三钙3CaO·Al2O3, 7%~15%;铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3, 10%~18% 其它成分: 游离CaO、MgO、SO3、碱矿物,玻璃体。。。

(3)各种矿物单独与水作用时的特性

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如水泥中不加入石膏,则水泥加水后会立即凝结,无法使用。

(4)水泥的生产(“两磨一烧”工艺):

配料:钙质原料和硅质原料按适当的比例配合,有时为了改善烧成反应过程,还加入适量的铁矿粉和矿化剂

磨料:磨机中磨成生料(粗磨)

煅烧: 将生料入窑煅烧成熟料

磨料:熟料配以石膏,掺入混合材料,入磨

机磨至适当细度,即制成水泥成品(细磨)

(5)硅酸盐水泥的凝结、硬化:

凝固:可塑性浆体,失去塑性

硬化:凝结后的浆体强度逐渐提高最终成为硬的人造石

水泥+水(水泥浆)(凝结过程)→水泥浆失去塑性但无强度(硬化过程)→水泥石

(6)硅酸盐水泥的主要技术要求:

密度:3.1-3.2 g/cm3

细度(比表面积法):≤300 m2/kg 细度不符合规定则为不合格品

凝结时间:初凝:≥45分钟(否则为废品); 终凝:≤6.5小时(否则为不合格品)

(7)硅酸盐水泥的主要技术指标:

强度:选用水泥的重要指标

强度等级:反映水泥胶结强度大小的指标

强度的测定方法(ISO法):水泥∶标准砂=1∶3混合;用0.5的水灰比拌制的塑性胶砂制成试件;标准温度水中养护;测定其3天及28天的抗压、抗折强度值;按强度测定结果,确定水泥的强度等级

(8)掺杂混合材料的硅酸盐水泥:加入一定量的混合料制成其他通用水泥

可掺杂的活性混合材料:凡是细粉加水本身不会硬化,但与激发剂混合、加水拌和后能在空气中和水的材料粒化高炉矿渣、火山灰混合材、粉煤灰。。。

可掺杂的非活性混合材料:凡是经磨细、掺入水泥中仅起调节水泥性质、降低水化热、降低标号、提高产量等作用的材料:磨细石英砂、石灰石、粘土、慢冷矿渣、炉渣

(9)掺杂混合材料硅酸盐水泥的性能:

类似于普通水泥与硅酸盐水泥,但强度有所降低,耐腐蚀性有所提高

与矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥的比较:

共性:水化热小;早期强度低,后期强度较高;耐腐蚀性强;抗冻性差

特性:抗碳化性差;矿渣水泥(耐热);火山灰水泥(抗渗性好);粉煤灰水泥(干缩性较小)

(10)专用水泥和特性水泥:快硬高强水泥;膨胀水泥、自应力水泥;耐高温水泥——高铝水泥;油井水泥;装饰水泥,如白水泥、彩色水泥;水工水泥

课堂练习:

名词解释:水硬性胶凝材料气硬性胶凝材料

石灰、石膏、水玻璃、水泥分别属哪类胶凝材料?

水泥中生料、熟料、混合材料分别是什么?

作业题:

简述石灰的硬化机理。

试解释硅酸盐水泥的“两磨一烧”生产工艺,其目的是什么?

请结合自己的生活经验,说明石灰的碳酸化过程。

3.5.1 纤维材料

1.定义:一种细长而比较柔软的物质(长径比>100)。纺丝用纤维的长径比:100∶1

2.纤维的发展史:一万年前,麻类、兽毛等纤维手工纺织(最早使用的纤维);19世纪中叶,人造丝的发明;1884年,法国人造丝的工业化生产;1938年,合成纤维;化学纤维……

3.从原料分:天然纤维;化学纤维

从化学成分分:无机纤维,石棉:唯一的无机非金属天然纤维;有机纤维

4.从应用范围分:纺织纤维;医用纤维……

5.从纤维形态分:连续纤维:机械控制长度可无限拉伸的纤维;短纤维:气流喷吹法、离心成纤法所得长度有限的纤维;晶须:直径0-几十μm、长度为直径数百倍的针状单晶材料

6力学性能:应力-应变性;拉伸性能;抗张强度;黏弹性

.7。纤维的力学性能:

(1)应力-应变

应变: 材料在外力作用下不能产生位移时,其几何形状和尺寸变化时的形变

应力: 材料因外力而形变时,其内部产生的大小相等但方向相反的反作用力

(2)拉伸性能指标:纤维在拉伸力的作用下当伸长等于原长的1%时所需的应力

初始模量:刚、软:屈服强度和屈服应变;断裂强度和断裂应变;断裂功:脆、韧

8.抗张强度:断裂前试样承受的最大载荷P与试样宽度b和厚度d的乘积的比值

9.黏弹性

(1)理想弹性固体:虎克定律(应力-应变呈线性关系)

理想黏性液体:牛顿流动定律(应力-应变速率呈线性关系)

实际材料:处于两者之间,呈黏弹性

(2)定义:热塑性塑料承受应力时会结合理想黏性流体和理想弹性固体之特性

(3)在特定的条件下,熔胶像液体一样受剪应力作用而连续变形;然而,一旦应力解除,熔胶会像弹性固体一样恢复原形

(4)黏弹性现象:

静态力学行为:蠕变;应力松弛

动态力学行为:滞后;内耗

蠕变:在一定温度和较小的恒定外力下,纤维形变随时间而逐渐增大的现象

应力松弛:在固定的温度和形变下,纤维内部应力随时间增加而逐渐衰减的现象

10.典型无机纤维:硼纤维;碳纤维;石墨纤维;玻璃纤维;光学纤维(见光学部分) 11.硼纤维定义:化学气相沉积法使硼沉积在钨丝或其它纤维状芯材上制得的连续单丝

规格:100μm ;140 μm ;200μm

性能:抗拉强度3500 Mpa拉伸模量400 Gpa;密度2.5g/cm3 (钢材的1/4);抗压缩性能好;在惰性气体中高温性能良好;在空气中超过500℃时强度显著降低

用途:复合材料增强剂。航空航天硼纤维增强铝复合材料;军用飞机硼纤维增强环氧树脂;高档体育用品高尔夫球杆、网球拍、钓鱼竿。。

12碳纤维:

(1)定义:由不完全的石墨结晶沿纤维轴向排列的一种多晶无机纤维

(2)特点:低密度、低电阻、低热膨胀; 高热导、高强度(最高7000 Mpa)、高模量(弹性模量900 Gpa); 耐高温、耐化学辐射、耐化学腐蚀; 柔曲性、可编性; 质脆、抗冲击性和高温抗氧化性差

(3)从原料分类:聚丙烯腈(PAN)基碳纤维;沥青基碳纤维;纤维素基碳纤维;酚醛树脂基碳纤维;其它有机纤维基碳纤维

(4)类型:

普通型碳纤维(900-1200℃碳化)低强度(<1.98N/tex)、低弹性模量(<134.62N/tex)

高强度型碳纤维(1300-1700℃碳化)高强度(2.84N/tex)、高模量(138.42-166.10N/tex)

高模量型碳纤维(石墨纤维): 碳化后再经2500℃高温石墨化.高强度(~2.17N/tex),模量(高达327N/tex)

13. PAN基碳纤维

(1) 纺丝技术: 湿纺干喷湿纺干纺熔融纺

(2) 应特别理解以下三个过程:预氧化(稳定化) 碳化石墨化

预氧化(稳定化)目的: PAN线性结构即梯形结构提高PAN的高温热稳定性

方法:在稳定化炉、含氧气氛中缓慢加热,升温速度、处理时间、处理温度据情况而定

预氧化(稳定化)

复杂化学变化:环化降解,脱氢,氧化反应。。。

颜色变化:白→黄→棕黑

(3)碳化

目的: 裂解纤维中的非碳原子(N、H、O等) ;预氧化时形成的梯形大分子交联呈稠环状结构

方法:预氧丝在惰性气体保护下通过碳化炉,碳化炉温度、碳化时间据条件而定

(4)变化:

低温区(<600℃):分子间脱氢、脱水而交联生成碳网结构;末端链分解放出NH3、HCN、CH4和H2O

高温区(>600℃):环开裂、分子间交联;生成HCN、N2,碳网平面扩大

(5)石墨化

目的:获得高模量的CF

方法:密闭石墨化炉、>2000℃、惰性气体保护

结构:完善:排除非碳原子,C—C键重新排列,结晶碳的比例增多,取向度增加

变化:乱层石墨结构层状结晶结构

14.石墨纤维:

定义:碳含量>99%、二维有序晶态结构的一种无机纤维

制作工艺:碳纤维放入热式高温石墨化炉,高纯Ar或N2保护,2000~3000℃热处理

乱层类石墨结构的碳纤维高均匀高取向度结晶的石墨纤维

性能:高抗拉模量、热导率、电导率;低热膨胀系数;比重(~2.0)稍高于碳纤维;表面活性稍低于碳纤维

用途:复合材料增强体

15.玻璃纤维:

定义:以硅酸盐为主要成分的玻璃原料经熔融和拉丝工艺制得的一种无机纤维

组成:SiO2 ,Al2O3,CaO ,MgO ,Na2O ,B2O3

种类:无碱型(E玻璃纤维) 碱金属氧化物<2%

中碱型(C玻璃纤维)碱金属氧化物10%~12%

高碱型(A玻璃纤维)碱金属氧化物>14%

特点:轻质、高强、低伸长;不燃;耐腐、耐高温、电绝缘;化学稳定性好用途:复合材料增强体

16.沥青基碳纤维的制备工艺

无机非金属资料

沥青基碳纤维和石墨纤维

课堂练习:

1名词解释:纤维

2 唯一的无机非金属是什么?

3 纺丝用纤维的长径比

作业:

1设计以丙烯腈为原料制备石墨纤维的工艺流程。

2碳(石墨)纤维制备过程中,预氧化、碳化、石墨化的目的与方法是什么

3.5.2光学材料

1光的定义:固体受到高能射线照射时发生的能量吸收和转换过程

2.光的传输方式:折射,反射,透射

3.从激发能量的种类分类:

光致发光(紫外、可见光激发);阴极射线发光(电子束激发)

X射线发光(X射线、γ射线激发);电致发光(直流、交流电场激发)

化学发光(化学反应发生的发光);放射发光(放射性元素等激发)

生物发光(生物能激发);摩擦发光(摩擦等机械应力产生的发光

4.从类型分类:激光材料光纤材料红外光材料发光材料

5.四个不同的发光过程:

(1)辐射过程:材料由激发态到基态的跃迁过程量子效率=光量子数(发射)/光量子数(吸收)

(2)无辐射过程:由材料的本性、缺陷和杂质等所产生的发光

(3)浓度淬灭:激活剂浓度超过临界值时,导致发光效率降低

(4)双光子过程

上转换过程:材料吸收2个低能量光子(如红外光或近红外光),叠加发射出1个高能量的光子(量子效率<0.5)

下转换过程:材料吸收一个高能量光子(如真空紫外光子),发射出2个低能量光子(如可见光子)(量子效率

6.制备技术:高温固相反应:反应复杂,受原料配比影响;

沉淀法:优良形貌,大晶粒

纳米技术:优良形貌,小晶粒,纳米效应

7.激光材料

(1)激光:受激发射的辐射光放大

特点:单一颜色,单一方向,高亮度,大能量

激光材料:把各种泵浦(电、光、射线)能量转换成激光的材料

性能:小热膨胀系数大弹性模量高热导率高光照稳定性高化学稳定性

(2)人造宝石;宝石的主要成分:Al2O3(刚玉)

红宝石呈红色:少量含铬化合物蓝宝石呈蓝色:少量含钛化合物

应特别关注宝石的主要成分及颜色变化原因。

主体成分:刚玉颜色变化:不同离子引入

8.光线材料:

定义:一种利用光讯号传送电话通话或电脑数据等资料的传输媒介

组成:玻璃纤维、高纯硅、塑料

用途:高质量传导光的玻璃纤维;信息高速公路的“基石”

起源:丁达尔实验(1870年):让一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由流出,以一束细光束沿水平方向从开口处的正对面射入水中。实验发现:细光束不是穿出这股水流射向空气,而是顺从地沿水流弯弯曲曲地传播。

原理:光的全反射

光导纤维的性能及用途

无机非金属资料

无机非金属资料

10红外光材料

红外光:太阳光中除了各彩色可见光外,还包含的一种不可见光,通过棱镜后的偏折程度比红光还小。

波长范围:电磁波0.7~1000 微米

近红外(0.7~15 微米)中红外(15~50 微米)远红外(50~1000 微米)

特点:肉眼不可见;大气层中对红外波段存在一系列吸收很低的透明窗

碱土-卤族化合物:高机械强度和硬度,不溶于水窗口、滤光片、基板等

氧化物:高熔点、大硬度、好化学稳定性火箭、导弹、人造卫星、通讯、遥测等所用窗口和整流器

无机盐:用作红外透射光学材料

半导体:良好的红外透过性光伏列阵器件、焦平面器件

11.发光材料:

(1)发光:发光是指一种物质把吸收的能量,不经过热的阶段,直接转换为特征辐射的现象

用途:显示、显像、探测辐射场等

决定因素:颜色强度发光持续时间

(2)以电视的发展为例

1879,W. Crooks 确定发光特性决定于被电子束轰击的物质;1929,黑白电视机出现;1953,彩色电视机问世;1964,稀土元素的化合物为基质和稀土离子掺杂的发光粉提高了红光材料的亮度,使彩色电视普及

(3)光致发光材料:★荧光灯用发光材料卤磷酸钙白色荧光灯的原料优点:来源丰富、工程成熟、成本低廉缺点:显色性不够★三色基稀土发光材料

阴极射线发光材料

X射线激发发光材料

课堂练习:

1宝石的主要成份是什么?红宝石和蓝宝石为什么呈现不同的颜色?

2光纤材料的制备是基于光的哪种过程?

3电视机呈现彩色是基于哪类无机材料的贡献?

思考题:

简述四种不同的发光过程。

联系你的生活经验,阐述光学材料对人类生活的重要性。

3.5.3磁性材料

1.任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化,只是磁化的程度不同。

2.根据物质在外磁场中表现出的特性分类:

(1)顺磁性物质: 弱(2)抗磁性物质:弱(3)铁磁性物质:强

3.根据磁化后去磁的难易分类:软磁性物质:易去磁;硬磁性物质:难去磁

4.磁畴

铁磁性材料所以能使磁化强度显著增大,在于其中存在着磁畴(Domain)结构

在未受到磁场作用时,磁畴方向是无规的,因而在整体上净磁化强度为零

每个磁矩方向一致的区域就称为一个磁畴

不同的磁畴方向不同,两磁畴间的区域就称为磁畴壁

5.磁导率是磁性材料最重要的物理量之一,表示磁性材料传导和通过磁力线的能力用μ表示;生产上为了获得高磁导率的磁性材料,一方面要提高材料的Ms值,这由材料的成分和原子结构决定;另一方面要减小磁化过程中的阻力,这主要取决于磁畴结构和材料的晶体结构。

6.尖晶石型铁氧体

所有的亚铁磁性尖晶石几乎都是反型的

阳离子出现于反型的程度,取决于热处理条件

锰铁氧体约为80%正型尖晶石,这种离子分布随热处理变化不大

7几种铁氧体:石榴石型铁氧体,磁铅石型铁氧体

3.6纳米材料