材料科學(xué)概論第四章無機(jī)非金屬材料

1、第四章第四章 無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料什么叫無機(jī)非金屬材料？什么叫無機(jī)非金屬材料？ 有機(jī)高分子材料和金屬材料以外的固體材料有機(jī)高分子材料和金屬材料以外的固體材料都屬于無機(jī)非金屬材料，范圍很廣。都屬于無機(jī)非金屬材料，范圍很廣。 無機(jī)非金屬材料的品種和名目及其繁多，用無機(jī)非金屬材料的品種和名目及其繁多，用途各異，目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一而完善的分類方法。途各異，目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一而完善的分類方法。u普通的（傳統(tǒng)的）無機(jī)非金屬材料普通的（傳統(tǒng)的）無機(jī)非金屬材料u先進(jìn)的（新型的）無機(jī)非金屬材料先進(jìn)的（新型的）無機(jī)非金屬材料 u普通的無機(jī)非金屬材料：普通的無機(jī)非金屬材料：是工業(yè)和基本建設(shè)是工業(yè)和基本建設(shè)所

2、必需的基礎(chǔ)材料。如水泥、玻璃和陶瓷等。所必需的基礎(chǔ)材料。如水泥、玻璃和陶瓷等。產(chǎn)量大，用途廣。產(chǎn)量大，用途廣。u先進(jìn)的無機(jī)非金屬材料：先進(jìn)的無機(jī)非金屬材料：是是2020世紀(jì)中期以后世紀(jì)中期以后發(fā)展起來的具有特殊性能和用途的材料，是發(fā)展起來的具有特殊性能和用途的材料，是現(xiàn)代新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造、現(xiàn)代新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造、現(xiàn)代國防和生物醫(yī)學(xué)所不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)?，F(xiàn)代國防和生物醫(yī)學(xué)所不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)。主要有先進(jìn)陶瓷、無機(jī)涂層和無機(jī)纖維等。主要有先進(jìn)陶瓷、無機(jī)涂層和無機(jī)纖維等。4.14.1 陶瓷概論陶瓷概論什么叫做陶？什么叫做陶？什么叫做瓷？什么叫做瓷？陶器陶器陶器陶器陶器陶

3、器元代元代 一、陶瓷材料的分類一、陶瓷材料的分類唐山骨質(zhì)瓷茶器唐山骨質(zhì)瓷茶器建筑衛(wèi)生陶瓷建筑衛(wèi)生陶瓷電瓷電瓷 二、陶瓷材料的結(jié)合鍵二、陶瓷材料的結(jié)合鍵 共價(jià)鍵共價(jià)鍵特特點(diǎn)：點(diǎn)：結(jié)合力很大，具有方向性結(jié)合力很大，具有方向性和飽和性。共價(jià)晶體強(qiáng)度高、硬度高、熔點(diǎn)和飽和性。共價(jià)晶體強(qiáng)度高、硬度高、熔點(diǎn)高、但是脆性大、無延展性，受熱膨脹小。高、但是脆性大、無延展性，受熱膨脹小。 離子鍵離子鍵特特點(diǎn)：點(diǎn)：結(jié)合力是正、負(fù)離子間的結(jié)合力是正、負(fù)離子間的靜電作用力，沒有方向性。離子晶體強(qiáng)度高、靜電作用力，沒有方向性。離子晶體強(qiáng)度高、硬度高、熔點(diǎn)高，但是脆性大、無延展性，硬度高、熔點(diǎn)高，但是脆性大、無延展性，受

4、熱膨脹小，且完整晶體多為透明。受熱膨脹小，且完整晶體多為透明。三、陶瓷材料的相組成及其結(jié)構(gòu)三、陶瓷材料的相組成及其結(jié)構(gòu)陶瓷包括三種相：陶瓷包括三種相：晶體相、玻璃、氣相晶體相、玻璃、氣相 1. 1. 晶體相晶體相 是陶瓷的主要組成相。有硅酸鹽、氧是陶瓷的主要組成相。有硅酸鹽、氧化物和化物和非氧化合物等非氧化合物等。其結(jié)構(gòu)、形態(tài)。數(shù)量及分布決定。其結(jié)構(gòu)、形態(tài)。數(shù)量及分布決定陶瓷的主要性能和應(yīng)用。陶瓷的主要性能和應(yīng)用。 陶瓷常為多晶，可分為主晶相、次晶相及第陶瓷常為多晶，可分為主晶相、次晶相及第三相，陶瓷的性能主要取決于主晶相。三相，陶瓷的性能主要取決于主晶相。 (1) (1) 硅酸鹽硅酸鹽 是普

5、通陶是普通陶瓷的主要原料，結(jié)合鍵為離子鍵與瓷的主要原料，結(jié)合鍵為離子鍵與共價(jià)鍵的混合鍵。共價(jià)鍵的混合鍵。 構(gòu)成硅酸鹽的基本單元是硅氧四面體。構(gòu)成硅酸鹽的基本單元是硅氧四面體。 (2) (2) 氧化物氧化物 離子鍵結(jié)合離子鍵結(jié)合, ,也有共價(jià)鍵結(jié)合。也有共價(jià)鍵結(jié)合。 氧離子作緊密立方或緊密六方排列；氧離子作緊密立方或緊密六方排列； 金屬離子規(guī)則地分布在四面體和八面體的金屬離子規(guī)則地分布在四面體和八面體的間隙之中。間隙之中。 MgOMgOAlAl2 2O O3 3 (3) (3) 非氧化合物非氧化合物 金屬碳化物：金屬碳化物：共價(jià)鍵和金屬鍵之間共價(jià)鍵和金屬鍵之間的過渡鍵的過渡鍵, , 以共價(jià)鍵為主

6、。以共價(jià)鍵為主。 間隙相：如間隙相：如TiCTiC、ZrCZrC、VCVC等；等； 復(fù)雜碳化物：復(fù)雜碳化物：FeFe3 3C C、MnMn3 3C C、CrCr3 3C C2 2, , CrCr2323C C6 6、WCWC、CrCr7 7C C3 3等。等。TiCTiC 碳化物是一種耐高碳化物是一種耐高溫材料，具有很高的硬溫材料，具有很高的硬度。度。 氮化物：氮化物：金屬性弱些金屬性弱些, , 有一定的離子鍵。有一定的離子鍵。如六方晶格如六方晶格BNBN，六方晶系的，六方晶系的SiSi3 3N N4 4、AlNAlN。高溫強(qiáng)。高溫強(qiáng)度好，耐熱沖擊好，抗氧化能力強(qiáng)，是很有前途度好，耐熱沖擊好，

7、抗氧化能力強(qiáng)，是很有前途的耐熱結(jié)構(gòu)材料。的耐熱結(jié)構(gòu)材料。 硼化物和硅化物：硼化物和硅化物：較強(qiáng)的共價(jià)健，連成鏈、較強(qiáng)的共價(jià)健，連成鏈、網(wǎng)和骨架，構(gòu)成獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元?？垢邷?、耐腐蝕。網(wǎng)和骨架，構(gòu)成獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元?？垢邷?、耐腐蝕。 BNBN非氧化物是非氧化物是特特種陶瓷種陶瓷的主要組成的主要組成和晶體相。和晶體相。v陶瓷中的晶體類型和復(fù)雜程度超過金屬晶體。陶瓷中的晶體類型和復(fù)雜程度超過金屬晶體。v陶瓷晶體中也存在各種缺陷：陶瓷晶體中也存在各種缺陷：缺陷缺陷u點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷如空位、缺陷等，間隙化合物就是一如空位、缺陷等，間隙化合物就是一種種點(diǎn)缺陷的晶體，它是陶瓷的基本組成相。點(diǎn)缺陷的晶體，它是陶瓷的基本組

8、成相。u線缺陷線缺陷如各種位錯，陶瓷的斷裂與位錯為運(yùn)如各種位錯，陶瓷的斷裂與位錯為運(yùn)動有關(guān)。位錯在陶瓷材料中的作用遠(yuǎn)不如在金動有關(guān)。位錯在陶瓷材料中的作用遠(yuǎn)不如在金屬材料中重要。（屬材料中重要。（P60）u面缺陷面缺陷如晶界、亞晶界等，晶粒越小，晶界如晶界、亞晶界等，晶粒越小，晶界越多，裂紋擴(kuò)展阻力越大，可改善材料韌性。越多，裂紋擴(kuò)展阻力越大，可改善材料韌性。 2. 2. 玻璃相玻璃相 玻璃相是陶瓷材料中原子不規(guī)則的組成部分，其結(jié)構(gòu)如同玻璃。 (1) (1) 玻璃相作用玻璃相作用 粘連晶體相，填充晶體相間空隙，提高材料粘連晶體相，填充晶體相間空隙，提高材料致密度；致密度； 降低燒成溫度，加快燒

9、結(jié)；降低燒成溫度，加快燒結(jié)； 阻止晶體轉(zhuǎn)變，抑制其長大；阻止晶體轉(zhuǎn)變，抑制其長大； 獲得透光性等玻璃特性；獲得透光性等玻璃特性； 但是但是，對陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度、介電性能、耐熱耐，對陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度、介電性能、耐熱耐火性等不利。因此，不能成為陶瓷的主導(dǎo)組成部分，火性等不利。因此，不能成為陶瓷的主導(dǎo)組成部分，一般含量在一般含量在20%-40%20%-40%。 (2) (2) 玻璃相結(jié)構(gòu)特點(diǎn)玻璃相結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 玻璃相主要由氧化硅和其它氧化物組成。玻璃相主要由氧化硅和其它氧化物組成。 硅硅氧四面體組成不規(guī)則的空間網(wǎng)氧四面體組成不規(guī)則的空間網(wǎng), , 形成玻璃的形成玻璃的骨架。骨架。石英玻璃石英玻璃 石英晶體石英

10、晶體鈉硅酸鹽玻璃的結(jié)構(gòu)鈉硅酸鹽玻璃的結(jié)構(gòu)冷卻速度快和粘度大是玻璃相形成的兩個(gè)條件。冷卻速度快和粘度大是玻璃相形成的兩個(gè)條件。 3. 3. 氣相氣相 陶瓷內(nèi)部殘留的孔洞。陶瓷內(nèi)部殘留的孔洞。 根據(jù)氣孔情況，陶瓷分致密陶瓷、無開孔根據(jù)氣孔情況，陶瓷分致密陶瓷、無開孔陶瓷和多孔陶瓷。陶瓷和多孔陶瓷。 氣孔降低陶瓷的強(qiáng)度，造成裂紋的根源。氣孔降低陶瓷的強(qiáng)度，造成裂紋的根源。盡量使其含量降低。盡量使其含量降低。 多孔陶瓷隔熱性能好。多孔陶瓷隔熱性能好。 普通陶瓷普通陶瓷的氣孔率為的氣孔率為5%5%10%10%； 特種陶瓷特種陶瓷的在的在5%5%以下；以下； 金屬陶瓷金屬陶瓷則要求低于則要求低于0.5%0

11、.5%。 白色相為晶相，深灰相為玻璃相，白色相為晶相，深灰相為玻璃相，黑色相為氣孔（黑色相為氣孔（ 1500）四、陶瓷材料的性能四、陶瓷材料的性能 4.1 陶瓷的力學(xué)性能 1. 1. 剛度剛度 陶瓷剛度（由彈性模量衡量）在各類材料中陶瓷剛度（由彈性模量衡量）在各類材料中最高。因?yàn)樘沾删哂泻軓?qiáng)的結(jié)合鍵。最高。因?yàn)樘沾删哂泻軓?qiáng)的結(jié)合鍵。各種常見材料的彈性模量和硬度各種常見材料的彈性模量和硬度 材料材料彈性模量彈性模量/MPa硬度硬度/HV橡膠橡膠6.9很低很低塑料塑料138017鋁合金鋁合金72300170鋼鋼207000300800碳化鈦碳化鈦3900003000金剛石金剛石1171000600

12、010000 2. 2. 硬度硬度 陶瓷硬度是各類材料中最高的，因其結(jié)陶瓷硬度是各類材料中最高的，因其結(jié)合鍵強(qiáng)度高。合鍵強(qiáng)度高。 陶瓷硬度為陶瓷硬度為1000 HV1000 HV5000 HV5000 HV； 淬火鋼為淬火鋼為 500 HV500 HV 800 HV800 HV； 高聚物硬度不超過高聚物硬度不超過20 HV20 HV。 陶瓷的硬度隨溫度的升高而降低陶瓷的硬度隨溫度的升高而降低, , 但在但在高溫下仍有較高的數(shù)值。高溫下仍有較高的數(shù)值。 3. 3. 強(qiáng)度強(qiáng)度 晶界使陶瓷實(shí)際強(qiáng)度比理論值低得多晶界使陶瓷實(shí)際強(qiáng)度比理論值低得多（1/10001/10001/1001/100）。）。 晶

13、界上有晶粒間的局部分離或空隙；晶界上有晶粒間的局部分離或空隙； 晶界上原子間鍵被拉長晶界上原子間鍵被拉長, , 鍵強(qiáng)度被削弱；鍵強(qiáng)度被削弱； 相同電荷離子的靠近產(chǎn)生斥力相同電荷離子的靠近產(chǎn)生斥力, , 會造成裂縫。會造成裂縫。陶瓷的晶界結(jié)構(gòu)陶瓷的晶界結(jié)構(gòu) 致密度、雜質(zhì)和各種缺陷影響陶瓷實(shí)際強(qiáng)度。致密度、雜質(zhì)和各種缺陷影響陶瓷實(shí)際強(qiáng)度。 剛玉（剛玉（AlAl2 2O O3 3）陶瓷塊抗拉強(qiáng)度為）陶瓷塊抗拉強(qiáng)度為280 MPa280 MPa。 剛玉陶瓷纖維（缺陷少），抗拉強(qiáng)度為剛玉陶瓷纖維（缺陷少），抗拉強(qiáng)度為2100 MPa2100 MPa，提高，提高1 12 2個(gè)數(shù)量級。個(gè)數(shù)量級。 陶瓷強(qiáng)度對

14、應(yīng)力狀態(tài)特別敏感：陶瓷強(qiáng)度對應(yīng)力狀態(tài)特別敏感： 抗拉強(qiáng)度很低抗拉強(qiáng)度很低 抗彎強(qiáng)度較高抗彎強(qiáng)度較高 抗壓強(qiáng)度很高抗壓強(qiáng)度很高陶瓷材料一般具有優(yōu)于金屬材料的高溫強(qiáng)度，高溫陶瓷材料一般具有優(yōu)于金屬材料的高溫強(qiáng)度，高溫蠕變能力強(qiáng)，具有很高的抗氧化性，適合做高溫材料。蠕變能力強(qiáng)，具有很高的抗氧化性，適合做高溫材料。 4. 4. 塑性塑性 陶瓷在室溫下幾乎沒有塑性。陶瓷在室溫下幾乎沒有塑性。 由于由于，陶瓷晶體，陶瓷晶體滑移系很少滑移系很少，位錯運(yùn)動，位錯運(yùn)動所需切應(yīng)力很大；所需切應(yīng)力很大； 共價(jià)鍵有明顯的共價(jià)鍵有明顯的方向性和飽和性方向性和飽和性，離子，離子鍵的同號離子接近時(shí)鍵的同號離子接近時(shí)斥力很大

15、斥力很大，滑移非常困，滑移非常困難；難； 但是，在高溫慢速加載，特別是組織中但是，在高溫慢速加載，特別是組織中存在玻璃相時(shí)，陶瓷也表現(xiàn)出一定的塑性。存在玻璃相時(shí)，陶瓷也表現(xiàn)出一定的塑性。 5. 5. 韌性或脆性韌性或脆性 (1) (1) 陶瓷是典型的脆性材料陶瓷是典型的脆性材料 沖擊韌性沖擊韌性10 kJ/m10 kJ/m2 2以下以下, , 斷裂韌性值很低。斷裂韌性值很低。 (2) (2) 對表面狀態(tài)特別敏感對表面狀態(tài)特別敏感 表面細(xì)微裂紋，受載時(shí)裂紋很快擴(kuò)展。表面細(xì)微裂紋，受載時(shí)裂紋很快擴(kuò)展。 改善陶瓷韌性的方法：改善陶瓷韌性的方法：（P62P62） 消除陶瓷表面的微裂紋。消除陶瓷表面的微

16、裂紋。 預(yù)防陶瓷中產(chǎn)生缺陷。預(yù)防陶瓷中產(chǎn)生缺陷。 4.2 陶瓷的物理性能和化學(xué)性能 1. 1. 熱膨脹性能熱膨脹性能 陶瓷的熱膨脹系數(shù)陶瓷的熱膨脹系數(shù)很低很低。比高聚物低，比金屬更。比高聚物低，比金屬更低。低。材料熱膨脹系數(shù)的大小與材料熱膨脹系數(shù)的大小與晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)和和結(jié)合鍵強(qiáng)度結(jié)合鍵強(qiáng)度相關(guān)。相關(guān)。2.2. 導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性 陶瓷的熱傳導(dǎo)主要依靠原子的熱振動來完成。陶陶瓷的熱傳導(dǎo)主要依靠原子的熱振動來完成。陶瓷無自由電子傳熱，瓷無自由電子傳熱，導(dǎo)熱性很低導(dǎo)熱性很低。較好。較好絕熱材料絕熱材料。3. 3. 熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性 熱穩(wěn)定性就是抗熱震性，熱穩(wěn)定性就是抗熱震性， 一般用試樣急冷到水中一般

17、用試樣急冷到水中不破裂所能承受的最高溫度來表達(dá)。不破裂所能承受的最高溫度來表達(dá)。 陶瓷熱穩(wěn)定性陶瓷熱穩(wěn)定性很低很低（比金屬低得多），常常在受（比金屬低得多），常常在受熱沖擊時(shí)破壞。熱沖擊時(shí)破壞。 4. 4. 導(dǎo)電性導(dǎo)電性 多數(shù)陶瓷是良好的絕緣體；不少陶瓷有一定的多數(shù)陶瓷是良好的絕緣體；不少陶瓷有一定的導(dǎo)電性；許多氧化物（導(dǎo)電性；許多氧化物（ZnOZnO、NiONiO、FeFe3 3O O4 4）是重要）是重要的半導(dǎo)體材料。的半導(dǎo)體材料。 5. 5. 化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性 結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。不但在室溫下不會氧化，甚至結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。不但在室溫下不會氧化，甚至在在10001000以上的高溫也不會氧化，具

18、有很好的耐火以上的高溫也不會氧化，具有很好的耐火性能或不可燃燒性能性能或不可燃燒性能 對酸、堿、鹽等腐蝕性很強(qiáng)的介質(zhì)均有較強(qiáng)的對酸、堿、鹽等腐蝕性很強(qiáng)的介質(zhì)均有較強(qiáng)的抵抗能力。與許多金屬的熔體也不發(fā)生作用。抵抗能力。與許多金屬的熔體也不發(fā)生作用。 化學(xué)穩(wěn)定性很好?；瘜W(xué)穩(wěn)定性很好。 總結(jié)總結(jié) 陶瓷材料具有高耐熱性、高化學(xué)穩(wěn)定性、高陶瓷材料具有高耐熱性、高化學(xué)穩(wěn)定性、高的硬度和良好的抗壓能力。的硬度和良好的抗壓能力。 但脆性很高，溫度急變抗力很低，抗拉性能但脆性很高，溫度急變抗力很低，抗拉性能差。差。 4.24.2 普通陶瓷材料普通陶瓷材料生產(chǎn)工藝過程生產(chǎn)工藝過程燒結(jié)過程：目的是通過一系列物理化學(xué)

19、變化，目的是通過一系列物理化學(xué)變化，去除坯內(nèi)所含有溶劑、黏結(jié)劑、塑化劑等，減少去除坯內(nèi)所含有溶劑、黏結(jié)劑、塑化劑等，減少坯體中的氣孔，增強(qiáng)顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度。坯體中的氣孔，增強(qiáng)顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度。v蒸發(fā)階段（室溫蒸發(fā)階段（室溫-300-300）：）：脫水脫水v氧化物分解和晶型轉(zhuǎn)化階段（氧化物分解和晶型轉(zhuǎn)化階段（300-950300-950）：）：發(fā)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，包括黏土脫水；有機(jī)物、無生物理化學(xué)反應(yīng)，包括黏土脫水；有機(jī)物、無機(jī)物氧化；碳酸鹽等分解；石英的晶型轉(zhuǎn)變。機(jī)物氧化；碳酸鹽等分解；石英的晶型轉(zhuǎn)變。v玻化成瓷期（?；纱善冢?50-950-燒成溫度）：燒成溫度）：燒成階段燒成階段v冷卻階段

20、（燒成溫度冷卻階段（燒成溫度- -室溫）室溫） 陶瓷的質(zhì)量取決于原料的純度、細(xì)度，陶瓷的質(zhì)量取決于原料的純度、細(xì)度，坯料的均勻性，成形密度，燒結(jié)溫度和窯內(nèi)坯料的均勻性，成形密度，燒結(jié)溫度和窯內(nèi)氣氛，冷卻速度等氣氛，冷卻速度等。4.34.3 結(jié)構(gòu)陶瓷材料結(jié)構(gòu)陶瓷材料一、特種陶瓷與普通陶瓷的區(qū)別一、特種陶瓷與普通陶瓷的區(qū)別二、常見結(jié)構(gòu)陶瓷材料二、常見結(jié)構(gòu)陶瓷材料氧化鋁制品和一般高熔點(diǎn)氧化物氧化鋁制品和一般高熔點(diǎn)氧化物制品在燒成過程中不出現(xiàn)液相，制品在燒成過程中不出現(xiàn)液相，是通過固相反應(yīng)來燒結(jié)的。是通過固相反應(yīng)來燒結(jié)的。氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷熔點(diǎn)在熔點(diǎn)在2700以上，耐以上，耐2300高溫，推高溫，推

21、薦使用溫度薦使用溫度20002200；能抗熔融金屬的能抗熔融金屬的浸蝕浸蝕，做鉑、鍺等金屬的，做鉑、鍺等金屬的冶煉坩堝和冶煉坩堝和1800以上的發(fā)熱體及爐子、反應(yīng)以上的發(fā)熱體及爐子、反應(yīng)堆絕熱材料等；堆絕熱材料等；氧化鋯作添加劑可氧化鋯作添加劑可提高陶瓷材料的強(qiáng)度和提高陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性韌性。氧化鋯增韌陶瓷可制造模具、拉絲模、。氧化鋯增韌陶瓷可制造模具、拉絲模、泵葉輪和汽車零件如凸輪、推桿、連桿等。泵葉輪和汽車零件如凸輪、推桿、連桿等。v增韌原理增韌原理：氧化鋯顆粒彌散在其他陶瓷相：氧化鋯顆粒彌散在其他陶瓷相中，由于兩者的膨脹系數(shù)不同，成型后中，由于兩者的膨脹系數(shù)不同，成型后ZrO2顆粒周圍

22、有不同的受力狀況，當(dāng)材料顆粒周圍有不同的受力狀況，當(dāng)材料受到外應(yīng)力時(shí)，基體對受到外應(yīng)力時(shí)，基體對ZrO2顆粒的抑制作顆粒的抑制作用得到松弛，此時(shí)發(fā)生用得到松弛，此時(shí)發(fā)生ZrO2顆粒從顆粒從四方相四方相到單斜相的晶型轉(zhuǎn)變（馬氏體轉(zhuǎn)變），到單斜相的晶型轉(zhuǎn)變（馬氏體轉(zhuǎn)變），在在陶瓷基體中產(chǎn)生為裂紋，從而吸收主微裂陶瓷基體中產(chǎn)生為裂紋，從而吸收主微裂紋能量，達(dá)到紋能量，達(dá)到增韌效果增韌效果。碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷4.44.4 功能陶瓷材料功能陶瓷材料結(jié)構(gòu)陶瓷是以高溫、高強(qiáng)、超硬、耐磨、抗腐等機(jī)結(jié)構(gòu)陶瓷是以高溫、高強(qiáng)、超硬、耐磨、抗腐等機(jī)械力學(xué)性能為主要特征。功能陶瓷是指具有電、光、械力學(xué)性能為主要特征。

23、功能陶瓷是指具有電、光、磁及部分化學(xué)功能的多晶無機(jī)固體材料，其功能主要磁及部分化學(xué)功能的多晶無機(jī)固體材料，其功能主要來自于它所具有的特定電絕緣性、半導(dǎo)體性、導(dǎo)電性、來自于它所具有的特定電絕緣性、半導(dǎo)體性、導(dǎo)電性、壓電性、鐵電性、磁性、生物適應(yīng)性。壓電性、鐵電性、磁性、生物適應(yīng)性。 陶瓷在外加立場作用下出現(xiàn)宏觀的壓電效應(yīng)，陶瓷在外加立場作用下出現(xiàn)宏觀的壓電效應(yīng)，稱為壓電陶瓷。稱為壓電陶瓷。 壓電陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的變化而變化。對壓電陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的變化而變化。對于于鈦酸鋇、鈦酸鉛鈦酸鋇、鈦酸鉛，當(dāng)溫度高于，當(dāng)溫度高于TcTc時(shí)，為立方晶體，時(shí)，為立方晶體，具有對稱性，無壓電效應(yīng)，具有對稱

24、性，無壓電效應(yīng)，TcTc稱為相變溫度；低于稱為相變溫度；低于TcTc時(shí)，為四方晶體，具有非對稱性，有壓電效應(yīng)，時(shí)，為四方晶體，具有非對稱性，有壓電效應(yīng)，TcTc又稱為居里溫度。不同材料的壓電陶瓷，居里溫又稱為居里溫度。不同材料的壓電陶瓷，居里溫度不同。度不同。 壓電陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，可以批量生產(chǎn)，壓電陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，可以批量生產(chǎn)，能控制極化方向，添加不同成分，可改變壓電特性能控制極化方向，添加不同成分，可改變壓電特性。壓電陶瓷可用作超聲波壓電陶瓷可用作超聲波發(fā)生源的振子或水下測聲發(fā)生源的振子或水下測聲頻儀器上的振子；也可用頻儀器上的振子；也可用聲轉(zhuǎn)化器。聲轉(zhuǎn)化器。壓電陶瓷收到機(jī)械應(yīng)壓

25、電陶瓷收到機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，有壓電效應(yīng)力的作用時(shí)，有壓電效應(yīng)發(fā)生的電可用于煤氣灶的發(fā)生的電可用于煤氣灶的點(diǎn)火器和打火機(jī)等。點(diǎn)火器和打火機(jī)等。超導(dǎo)陶瓷是指具有超導(dǎo)特性的陶瓷材料，與超導(dǎo)陶瓷是指具有超導(dǎo)特性的陶瓷材料，與其他超導(dǎo)體的性質(zhì)一樣，超導(dǎo)陶瓷在完全導(dǎo)電下其他超導(dǎo)體的性質(zhì)一樣，超導(dǎo)陶瓷在完全導(dǎo)電下電阻為零，處于外界磁場中完全抗磁。是功能陶電阻為零，處于外界磁場中完全抗磁。是功能陶瓷的杰出代表瓷的杰出代表v超導(dǎo)陶瓷的應(yīng)用超導(dǎo)陶瓷的應(yīng)用v在信息領(lǐng)域中在信息領(lǐng)域中，超導(dǎo)材料可用作高速轉(zhuǎn)換元，超導(dǎo)材料可用作高速轉(zhuǎn)換元件、通信元件和連接電路。件、通信元件和連接電路。v在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，超導(dǎo)

26、材料實(shí)用化程度最高，超導(dǎo)材料實(shí)用化程度最高，目前已開始用于核磁共振斷層攝像儀、量子目前已開始用于核磁共振斷層攝像儀、量子干涉儀、介子醫(yī)療器等。干涉儀、介子醫(yī)療器等。v在交通運(yùn)輸領(lǐng)域在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，利用完全抗磁性制造的磁，利用完全抗磁性制造的磁懸浮列車，車速超過懸浮列車，車速超過500km/h，還具有無噪，還具有無噪聲、無摩擦、平穩(wěn)的特點(diǎn)。聲、無摩擦、平穩(wěn)的特點(diǎn)。 超導(dǎo)磁懸浮列車由于超導(dǎo)陶瓷的強(qiáng)抗磁超導(dǎo)磁懸浮列車由于超導(dǎo)陶瓷的強(qiáng)抗磁性，磁懸浮列車沒有車輪，靠磁力在鐵軌上性，磁懸浮列車沒有車輪，靠磁力在鐵軌上“漂浮漂浮”滑行，它是利用滑行，它是利用超導(dǎo)磁體和路基導(dǎo)超導(dǎo)磁體和路基導(dǎo)體中感應(yīng)渦流之間的

27、磁性排斥把列車懸浮起體中感應(yīng)渦流之間的磁性排斥把列車懸浮起來來，具有速度高，運(yùn)行平穩(wěn)，無噪聲，安全，具有速度高，運(yùn)行平穩(wěn)，無噪聲，安全可靠等特點(diǎn)?？煽康忍攸c(diǎn)。用于人體器官替換、補(bǔ)用于人體器官替換、補(bǔ)修記憶外殼矯形的陶瓷材料。修記憶外殼矯形的陶瓷材料。要求：要求：具有良好的力學(xué)具有良好的力學(xué)性能，在體內(nèi)難于溶解，不性能，在體內(nèi)難于溶解，不易氧化，不易腐蝕變質(zhì)，熱易氧化，不易腐蝕變質(zhì)，熱穩(wěn)定性好，耐磨且有一定的穩(wěn)定性好，耐磨且有一定的潤滑性，和人體組織的親和潤滑性，和人體組織的親和性好，組成范圍寬，易于成性好，組成范圍寬，易于成型等。型等。生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷陶瓷的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，在生物體

28、內(nèi)完全成惰性狀態(tài)。陶瓷的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，在生物體內(nèi)完全成惰性狀態(tài)。生物活性陶瓷生物活性陶瓷具有優(yōu)異的生物相容性，能與骨形成結(jié)合面，結(jié)合具有優(yōu)異的生物相容性，能與骨形成結(jié)合面，結(jié)合強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，參與代謝參與代謝。先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用1、陶瓷刀具、陶瓷刀具先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用2、陶瓷發(fā)動機(jī)、陶瓷發(fā)動機(jī)先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用陶瓷發(fā)動機(jī)在軍事上的應(yīng)用陶瓷發(fā)動機(jī)在軍事上的應(yīng)用先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用3、陶瓷與航空、陶瓷與航空v一、氣硬性無機(jī)膠

29、凝材料一、氣硬性無機(jī)膠凝材料v通過物理化學(xué)作用，能將漿體變?yōu)閳?jiān)固通過物理化學(xué)作用，能將漿體變?yōu)閳?jiān)固的塊體，并將散粒材料或塊狀材料等黏結(jié)為的塊體，并將散粒材料或塊狀材料等黏結(jié)為整體的材料，統(tǒng)稱為膠凝材料。只能在空氣整體的材料，統(tǒng)稱為膠凝材料。只能在空氣中硬化并保持或繼續(xù)強(qiáng)化的材料稱為氣硬性中硬化并保持或繼續(xù)強(qiáng)化的材料稱為氣硬性膠凝材料。氣硬性無機(jī)膠凝材料主要指石灰、膠凝材料。氣硬性無機(jī)膠凝材料主要指石灰、石膏等。石膏等。4.54.5 無機(jī)建筑材料無機(jī)建筑材料二、水泥二、水泥v 1.定義定義v凡細(xì)磨材料，加入適當(dāng)水后，成為塑性漿體，既能在空凡細(xì)磨材料，加入適當(dāng)水后，成為塑性漿體，既能在空氣中硬化，

30、又能在水中硬化，并能把砂、石材料牢固地膠結(jié)氣中硬化，又能在水中硬化，并能把砂、石材料牢固地膠結(jié)在一起的水硬性膠凝材料，統(tǒng)稱水泥在一起的水硬性膠凝材料，統(tǒng)稱水泥。v2.分類分類v通用水泥：硅酸鹽水泥、普通水泥、礦渣水泥、火山灰水通用水泥：硅酸鹽水泥、普通水泥、礦渣水泥、火山灰水v泥、粉煤灰水泥以及復(fù)合水泥，即六大水泥。泥、粉煤灰水泥以及復(fù)合水泥，即六大水泥。v專用水泥：油井水泥、大壩水泥、筑砌水泥專用水泥：油井水泥、大壩水泥、筑砌水泥vv特性水泥：快硬水泥、抗硫酸鹽水泥、膨脹水泥。特性水泥：快硬水泥、抗硫酸鹽水泥、膨脹水泥。 三、玻璃三、玻璃1.定義定義凡熔融體通過一定方式冷卻，因黏度逐漸增加而具有凡熔融體通過一定方式冷卻，因黏度逐漸增加而具有固體性質(zhì)與一定結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)物質(zhì)，都稱為玻璃。固體性質(zhì)與一定結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)物質(zhì)，都稱為玻璃。 玻璃中原子不像晶體在空間作遠(yuǎn)程有序排列，而近似于玻璃中原子不像晶體在空間作遠(yuǎn)程有序排列，而近似于液體，同樣具有近程有序排列液體，同樣具有近程有序排列 象固體一樣保持一定外形，而不像液體