功能各異的無機非金屬材料

關于功能各異的無機非金屬材料

無機非金屬材料種類繁多，功能各異，應用十分廣泛，其歷史可追溯到遠古時代。從我們的祖先用黏土制作陶器，到現(xiàn)代人通過光導纖維通訊聯(lián)系，人類利用自然界提供的各種資源，研制了許許多多的無機非金屬材料。我們日常生活中使用的陶瓷、玻璃器皿，煤氣爐具點火裝置使用的壓電陶瓷，電器設備中的半導體材料，電視顯像管中的熒光粉，磁帶和磁性陶瓷使用的磁性材料，醫(yī)療中使用的人造牙齒等，都屬于無機非金屬材料。第2頁,共28頁，2024年2月25日，星期天第3頁,共28頁，2024年2月25日，星期天一、生活中的硅酸鹽材料石器——燧石取火硅酸鹽——水泥、玻璃、陶瓷二氧化硅——光導纖維單晶硅——集成電路傳統(tǒng)材料人類文明發(fā)展史新型材料信息材料第4頁,共28頁，2024年2月25日，星期天1．從黏土到陶瓷

科學家用五個里程碑和三大技術突破來總結中國陶瓷的整個發(fā)展過程：1。新石器時代早期陶器的出現(xiàn)；2。新石器時代晚期印紋硬陶和商、周時期原始瓷的燒制成功；3。漢晉時期南方青釉瓷的誕生；4。隋唐時期北方白釉瓷的突破；5。宋代到清代顏色釉瓷、彩繪瓷和雕塑陶瓷的輝煌成就。第5頁,共28頁，2024年2月25日，星期天傳統(tǒng)的陶瓷工藝

陶器和瓷器的坯體都是用黏土制成的，制作瓷器的黏土較純凈。普通陶器較為粗糙，有不同程度的滲透性。如果在坯體上涂上彩釉，燒制后可得到表面光滑、不滲水、色彩絢麗的陶瓷器具。第6頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2．形形色色的玻璃

采光、隔熱及裝飾都需要使用玻璃。色彩斑斕的玻璃器皿和玻璃工藝品美化了人們的生活。普通玻璃的暗綠色、淺棕色是因為分別含有氧化亞鐵和氧化鐵等雜質。純堿石灰石石英

玻璃窯

Na2SiO3CaSiO3SiO2

第7頁,共28頁，2024年2月25日，星期天資料卡玻璃的結構特點——玻璃態(tài)物質玻璃是無定形硅酸鹽的混合物，屬于玻璃態(tài)物質。玻璃態(tài)物質的粒子不像晶體那樣有嚴格的空間排列，但也不完全是無規(guī)則的排列。人們把這種結構特征稱為“短程有序、遠程無序”，就是說從小范圍看它有一定的晶型排列，從整體上看卻無晶型的排列規(guī)律。玻璃態(tài)物質沒有固定的熔點，可以在某一溫度范圍內逐漸軟化變成液態(tài)。在軟化狀態(tài)時，玻璃可吹制或軋成一定形狀的制品。第8頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

對普通玻璃進行處理可以改善玻璃的性能。鋼化玻璃機械強度大，抗震，不易破碎，即使破碎也不會形成有棱角的碎片；刻花玻璃上雕刻有各種精美的花紋圖案；鍍膜玻璃可以做鏡子、玻璃幕墻等。你知道它們是經過怎樣的工序加工制得的嗎?第9頁,共28頁，2024年2月25日，星期天第10頁,共28頁，2024年2月25日，星期天變色玻璃

在玻璃中加入適量的溴化銀(AgBr)和氧化銅的微小晶粒，經過適當?shù)臒崽幚恚梢灾瞥勺兩Ａ?。當強光照射到玻璃上，溴化銀分解為銀和溴單質，分解出的銀原子聚集成銀的微小晶粒，使玻璃呈現(xiàn)暗棕色，能擋住大部分光線。光線變暗，銀和溴在氧化銅的催化作用下，重新生成溴化銀。于是玻璃的顏色自動變淺，透光性增強。第11頁,共28頁，2024年2月25日，星期天玻璃加工1。玻璃加熱到一定溫度后急劇冷卻，就可以得到鋼化玻璃。2。氫氟酸(HF)對玻璃具有腐蝕作用，可用于在玻璃上雕刻各種精美圖案，也可用于在玻璃儀器(量筒、滴定管等)上標注刻度及文字。氫氟酸與玻璃發(fā)生的反應可以表示為：

SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O3。在玻璃表面鍍金屬膜可以制得鍍膜玻璃。鍍膜玻璃外形美觀，還可以阻擋紅外線及紫外線的穿透。在玻璃上鍍銀、真空鍍鋁是制造鍍膜玻璃常用的方法。第12頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

在一個潔凈的小試管中加入2mL2％AgNO3溶液，慢慢滴加2％氨水，邊滴加邊振蕩試管，直到產生的沉淀恰好溶解為止。再向試管中滴加1～2滴10％氫氧化鈉溶液，隨后加入3mL10％葡萄糖溶液，用溫水浴加熱幾分鐘，觀察發(fā)生的現(xiàn)象。實驗錄像第13頁,共28頁，2024年2月25日，星期天玻璃加工4。玻璃加熱到一定溫度后急劇冷卻，就可以得到鋼化玻璃。5。夾層玻璃

夾層玻璃受到撞擊時只會裂開，而不會粉碎。夾層玻璃共有三層，兩層玻璃夾著厚度約為0.76mm的中間層。夾層玻璃中間層的材料通常為性能較好的聚乙烯醇丁醛（PVB）。當玻璃受到撞擊而損壞時，中間的膠片便可粘著外面的玻璃，防止碎片四處飛散。玻璃聚乙烯醇丁醛玻璃第14頁,共28頁，2024年2月25日，星期天幾種玻璃的特性和用途第15頁,共28頁，2024年2月25日，星期天粘土石灰石石膏水硬性水泥回轉窯3CaO·SiO22CaO·SiO2

3CaO·Al2O3水泥沙漿混凝土鋼筋混凝土

3．硅酸鹽水泥

水泥是最常用的建筑材料右圖是1949——1998年我國水泥產量示意圖第16頁,共28頁，2024年2月25日，星期天檢索咨詢

水泥(cement)的硬化過程可以分為兩個階段。第一階段是水泥加水后逐步發(fā)生水化反應，從具有可塑性與流動性的水泥漿，變成非流動性的水泥顆粒并喪失可塑性。第二階段是水泥顆粒逐步吸收水，進一步發(fā)生水化反應，硬化成機械強度高的固體。水泥的硬化第17頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

煉鋼廠排出的爐渣主要含有哪些成分?為什么在煉鋼廠附近常建有水泥廠?請從資源充分利用的角度談談這樣布局的好處。

硅酸鹽水泥的品種日益擴大，白水泥、快干水泥、彩色水泥等已越來越為人們所熟悉。其中，彩色水泥主要用來配制彩色水泥漿，可用于建筑的飾面刷漿以及室外墻面裝飾等，具有特殊的裝飾效果。在建筑工程中，水泥和沙、碎石、水按一定比例混合，以鋼筋作結構，硬化后形成結構堅固的鋼筋混凝土。第18頁,共28頁，2024年2月25日，星期天第19頁,共28頁，2024年2月25日，星期天水泥不宜久存生活向導

保存不當或存放時間太長會導致水泥受潮結塊，影響水泥的強度。受潮后的水泥表面結塊，從而喪失凝聚力，導致強度下降。輕微結塊的水泥，強度降低10％～20％。即使在良好的儲存條件下，水泥也不宜儲存過久．因為水泥會吸收空氣中的水分和二氧化碳，發(fā)生質變。據(jù)統(tǒng)計，儲存三個月后，水泥的強度降低10％～20％，六個月后降低15％～30％，一年后降低25％～40％。購買水泥時要了解水泥的生產日期。第20頁,共28頁，2024年2月25日，星期天二、光導纖維和新型陶瓷材料

光導纖維和各種新型陶瓷的開發(fā)和應用不僅為高科技發(fā)展提供了優(yōu)質材料，也提高了人們的生活質量。光導纖維在信息工程中的應用，使人們可以坐在家中通過信息網絡獲取信息，聯(lián)絡親友。新型高強度陶瓷材料的出現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)陶瓷的脆性。由光導纖維組成的光纜可以代替通訊電纜，用于光纖通信，傳送高強度的激光。光纖通信的容量比微波通信大103～104倍，而且傳輸速度快。用光纜代替通訊電纜可以節(jié)約大量有色金屬。據(jù)統(tǒng)計，生產lkm長的光纜只需幾克超純石英玻璃，約可節(jié)省銅1.1t。第21頁,共28頁，2024年2月25日，星期天1．光導纖維的制造與應用

把氧氣和四氯化硅蒸氣的混合氣體通過在高溫爐中旋轉和移動的石英管，能反應生成二氧化硅。把得到的沉積在管內的二氧化硅熔化，形成“玻璃棒”，在1900～2000℃的高溫下再將其熔化、拉制成粗細均勻的光纖細絲。SiCl4(g)＋O2(g)1300℃SiO2＋2Cl2(g)

用于鋪設光纖通訊線路的光導纖維是由若干條柔韌、沒有脆性、有高折射率的光纖細絲(直徑在10μm以下)用聚丙烯或尼龍?zhí)装瞥傻?。?2頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

光纖通信較之普通電纜通信有許多突出的優(yōu)點。首先，光纖通信有巨大的信息容量，一根頭發(fā)絲那么細的光導纖維可以通幾萬路電話或2000路電視。如果用許多根光導纖維組合成光纜，它的通信容量更大得驚人。其次，光纖通信不受外界電磁場的干擾，工作穩(wěn)定可靠，保密程度高。第三，光纖通信損耗低，目前無中繼傳送距離一般為30～70km(而同軸電纜每隔1．5km就需設立一個中繼站，來補償電信號在傳輸中的損耗)，很適合遠距離信息傳輸。目前，人們已建成大西洋海底光纜(全長約7000km)。計劃中的南太平洋光纜(全長約16000km)也正在緊鑼密鼓的準備之中。進一步降低光纖損耗，減少中繼站數(shù)目，甚至不用中繼站，是人們的下一步目標。第23頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

醫(yī)生的好助手 目前，在醫(yī)學領域上，普遍使用一種連接著許多光纖的胃鏡。這些光纖并成一束，束中各條光纖的相對位置保持不變。把胃鏡插入病人胃里，胃鏡接收到的光線沿著這些光纖傳到體外。每條光纖中的光僅反映胃中一小點的情況，整束光纖中的光就拼合成胃里某一部分的圖像。光纖胃鏡的光源是在體外由光纖傳進去的，它不產生熱輻射，能減輕病人的痛苦。在光導纖維的一頭裝上精致小巧的微型鏡頭，將胃內的情況傳到體外拍攝下來或顯示在屏幕上。還可以在胃鏡光纖中留出空的通道，以插入切取生理切片的鑷子。 因為光纖又細又軟，故可將醫(yī)生用來觀察人體內部病變情況的內窺鏡做得小巧玲瓏。胃鏡是內窺鏡中比較粗的一種，但也只有15mm左右，其他如食道鏡、膀胱鏡還要細小得多。可見：光導纖維的應用，使醫(yī)用內窺鏡從構造到功能都發(fā)生了重要的變化。 近年來，一種激光光纖藥頭內窺鏡碎石系統(tǒng)已研制成功。這種系統(tǒng)利用胃鏡把帶有藥頭的光纖導管送入胃中，然后沿光纖通入激光。激光可以像引爆雷管一樣，使藥頭炸裂并產生沖擊波，擊碎胃石，再用胃鏡把碎石取出。利用該系統(tǒng)已成功地擊碎大小為8cm×10cm×6cm的胃石并取出碎石。這種系統(tǒng)還可以用來治療膀胱結石、輸尿管結石和膽結石等疾病。 光導纖維在醫(yī)學上的另一個重要應用是通過微細的光纖將高強度的激光輸入人體的病變部位，用激光來切除病變部位。這種手術不用切開皮膚和切割肌肉組織，減少了病人的痛苦，而且切割部位準確，手術效果好。第24頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

陶瓷應用的新天地當宇宙飛行器完成航天任務返回地球時，它面臨著與隕星一樣的處境。研究結果表明：當宇宙飛行器的飛行速度等于聲速的3倍時，其前端的溫度可達330℃；當飛行速度等于6倍聲速時，可達1480℃。宇宙飛行器邀游太空歸來，到達離地面60～70km的高度時，其速度仍保持在聲速的20多倍，溫度在10000℃以上，這樣的高溫足以把宇宙飛行器化作一團熊熊的烈火。高速帶來了高溫，這似乎是一道不可逾越的障礙。人們把這種障礙稱為“熱障”。怎樣使宇宙飛行器克服“熱障”，安全地返回地面呢?科學家在分析了“宇宙不速之客”——隕石后發(fā)現(xiàn)，隕石表面雖已熔融，但里面的化學成分沒有變化。這說明隕石在下落過程中，盡管表面因摩擦生熱產生幾千度高溫而熔融，但由于穿過大氣層的時間很短，熱量還來不及傳到隕石內部。這給科學家以啟發(fā)：讓宇宙飛行器的頭部戴一頂用燒蝕材料做成的頭盔”，把重返大氣層時摩擦產生的熱量消耗在燒蝕材料的熔融、氣化等一系列物理和化學變化中，“丟卒保車”，達到保護宇宙飛行器的目的。第25頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2．新型陶瓷結構陶瓷（工程陶瓷）功能陶瓷具有機械功能、熱功能和部分化學功能的陶瓷，如納米陶瓷。具有電、光、磁、化學和生物特性，且有相互轉換功能的陶瓷屬于功能陶瓷，如生物陶瓷等。結構陶瓷制品生物陶瓷制品第26頁,共28頁，2024年2月25日，星期天透明陶瓷和納米陶瓷一般陶瓷因為內部有雜質和氣孔而不透明。用高純度