無機材料教學教程

第五講

無機材料第一節(jié)材料科學發(fā)展概況

無機材料包括金屬材料和無機非金屬材料(陶瓷材料)。

人類社會劃分為石器時代、青銅器時代和鐵器時代等。(有人認為,其中還有玉石時代)舊石器時代可追溯到公元前10萬年左右。公元前6000年，人類發(fā)明了火，掌握了鉆木取火的技術。有了火，不僅可以熟食、取暖、照明和驅(qū)獸，還可以燒制陶器。陶瓷材料的發(fā)明和應用，創(chuàng)造了新石器時代的仰韶文化，后來在制陶技術的基礎上又發(fā)明了瓷器。

人們在大量地燒制陶瓷的實踐中，熟練地掌握了高溫加工技術，利用這種技術來燒煉礦石，逐漸冶煉出銅及其合金青銅。可以說這是人類社會最早出現(xiàn)的金屬材料，它使人類社會從新石器時代轉(zhuǎn)入到青銅器時代。煉銅技術發(fā)展為煉鐵。用鐵作為材料來制造農(nóng)具，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力得到空前的提高，并促使奴隸社會解體和封建社會興起。

18世紀發(fā)明了蒸汽機，爆發(fā)了產(chǎn)業(yè)革命。社會經(jīng)濟的發(fā)展推動和促進了以鋼鐵為中心的金屬材料大規(guī)模發(fā)展，有力地摧毀了封建社會的生產(chǎn)方式，萌發(fā)了資本主義社會。第二次世界大戰(zhàn)后各國致力于恢復經(jīng)濟，發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對材料提出質(zhì)量輕、強度高、價格低等一系列新的要求。具有優(yōu)異性能的工程塑料部分地代替了金屬材料，合成纖維、合成橡膠、涂料和膠粘劑等都得到相應的發(fā)展和應用。合成高分子材料的問世是材料發(fā)展中的重大突破，從此以金屬材料、陶瓷材料和合成高分子材料為主體，建立了完整的材料體系，形成了材料科學。

發(fā)展高新技術的關鍵往往與材料有關，因此新型材料的開發(fā)本身就成為一種高新技術，其標志技術是材料設計或分子設計，即根據(jù)需要來設計具有特定功能的新材料。材料的重要性已被人們充分地認識，能源、信息和材料已被公認為當今社會發(fā)展的三大支柱。化學是材料發(fā)展的源泉化學是在原子分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性能、變化及應用的學科。人類的衣、食、住、行以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、衛(wèi)生、環(huán)境等各行各業(yè)都需要化學物質(zhì)的支持，因此人們稱化學是一門中心科學，它與社會各方面的物質(zhì)需要密切相關。

材料可按不同的方法分類。

若按用途分類，可將材料分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。結(jié)構(gòu)材料主要是利用材料的力學和理、化性質(zhì)，廣泛應用于機械制造、工程建設、交通運輸和能源等各個工業(yè)部門。功能材料則利用材料的熱、光、電、磁等性能，用于電子、激光、通訊、能源和生物工程等許多高新技術領域。功能材料的最新發(fā)展是智能材料，它具有環(huán)境判斷功能、自我修復功能和時間軸功能，人們稱智能材料是21世紀的材料。

若按材料的成分和特性分類，可分為金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和復合材料。金屬材料又分為黑色金屬材料和有色金屬材料。金屬材料發(fā)展的重點是研制新型金屬材料。

陶瓷材料是人類應用最早的材料。傳統(tǒng)的陶瓷材料是以硅和鋁的氧化物為主的硅酸鹽材料，特種陶瓷或稱精細陶瓷，成分擴展到純的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等，可稱為無機非金屬材料。

高分子材料是一類合成材料，主要有塑料、合成纖維和合成橡膠，此外還有涂料和膠粘劑等。

復合材料是由金屬材料、陶瓷材料和高分子材料復合組成的。復合材料的強度、剛度和耐腐蝕等性能比單一材料更為優(yōu)越，是一類具有廣闊發(fā)展前景的新型材料。

新型材料的特點

(1)新型材料具有特殊的性能，能滿足尖端技術和設備制造的需要。如超高溫、超高壓、極低壓、耐腐蝕、耐摩擦等材料。

(2)新型材料的研制是多學科綜合研究的成果。以先進的科學技術為基礎，往往涉及到物理、化學、冶金等多個學科。

(3)新型材料從設計到生產(chǎn)，需要專門的、復雜的設備和技術，形成了一個獨特的領域，稱為新材料技術。為實現(xiàn)高技術的物質(zhì)基礎。

第二節(jié)金屬材料

金屬材料在一個國家的國民經(jīng)濟中仍占有舉足輕重的位置，原因是金屬材料的資源比較豐富；已積累有一整套相當成熟的生產(chǎn)技術，有組織大規(guī)模生產(chǎn)的經(jīng)驗，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，價格低廉、性能優(yōu)異。例如金屬材料的韌性比陶瓷材料高，還具有導電性和磁性等。此外，金屬材料自身還在不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的鋼鐵工業(yè)在冶煉、澆鑄、加工和熱處理等方面不斷出現(xiàn)新工藝。

新型的金屬材料如高溫合金、形狀記憶合金、貯氫合金、永磁合金、非晶態(tài)合金等相繼問世。因此在發(fā)展中國家，金屬材料仍然占有材料工業(yè)的主導地位，如中國年產(chǎn)鋼鐵已超過1億萬噸。

1金屬鍵和純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

金屬具有金屬光澤、傳熱、導電性和延展性。金屬具有優(yōu)異的機械性能。

金屬的一般性質(zhì)與自由電子的存在密切相關。由于自由電子可以吸收各種波長的可見光，隨即又發(fā)射出來，因而使金屬具有光澤，不透明；自由電子可以在整塊金屬內(nèi)自由運動，所以金屬的導電性和傳熱性都非常好；金屬鍵沒有方向性和飽和性，金屬原子以高配位的密堆積方式排列，密置層之間可以滑動，使金屬有優(yōu)異的延展性。

2鋼鐵

地殼中部分元素的含量(也稱豐度)按質(zhì)量分數(shù)鐵排列第4，說明地殼中鐵的資源是比較豐富的。欲將鐵礦石中的鐵提煉出來，可置鐵礦石于高爐中冶煉，冶煉過程實為還原反應，以焦炭為還原劑，再加一些石灰石和二氧化硅等作助熔劑。冶煉時先將處于高爐下層的焦炭點燃，使其生成CO2，CO2與灼熱的焦炭起反應生成CO，一氧化碳氣體能將鐵礦石中的鐵還原出來

鐵水中含碳量較高，約有3％-4％，這種鐵稱為生鐵。生鐵性脆，一般只能澆鑄成型，又稱鑄鐵。其中碳以Fe3C的形式存在，待鐵水慢慢冷卻，F(xiàn)e3C則分解為鐵和石墨，此時的鐵其斷口呈灰色，故稱灰口鐵。若將熔融的鐵水快速冷卻，F(xiàn)e3C來不及分解而保留下來，此時鐵的斷口，呈白色，稱白口鐵。白口鐵質(zhì)硬且脆，不宜加工，一般用來煉鋼?；铱阼F柔軟，有韌性，可以切削加工或澆鑄零件。若在鐵水中加入0.05％鎂，使生鐵中的碳變成球狀，得到的是球墨鑄鐵。

鋼鐵約占金屬材料產(chǎn)量的90％，是世界上產(chǎn)量最大的金屬材料。鋼鐵中含碳量大于2.0％的叫生鐵，小于0.02％的叫純鐵，在這兩者之間的稱為鋼。鋼中含碳量小于0.25％的稱低碳鋼，介于0.25％～0.60％的稱中碳鋼，大于0.60％的稱高碳鋼。合金鋼

:合金鋼品種繁多，性能各異。如不銹鋼，鋼中加人一定量的鉻，可提高鋼的抗腐蝕性，不生銹；加入錳特別硬，稱為錳鋼。

3鋁合金和鋁鋰合金

有色金屬又可分為輕金屬如Li，Be，Mg，A1，Ti；重金屬如Cu，Zn，Cd，Hg，Pb；作為結(jié)構(gòu)材料的有色金屬，主要有鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金、鎳合金和鋅合金等。鋁是自然界含量最多的金屬元素，在地殼中以復硅酸鹽形式存在。主要的礦石有鋁土礦、粘土、長石、云母、冰晶石等。

制備金屬鋁常用電解法

氧化鋁被還原為金屬鋁并在陰極上析出，其反應如下：鋁是銀白色金屬，熔點為659．8

C，沸點為2270

C，密度為2.702g/cm3，僅為鐵的三分之一。鋁的導電、導熱性好，可代替銅做導線。在大氣中金屬鋁表面與氧作用形成一層致密的氧化膜保護層，所以有很好的抗蝕性。

鋁合金

鋁銅鎂合金稱為硬鋁

,鋁鋅鎂銅合金稱為超硬鋁。

鋁鋰合金

:用鋁鋰合金制造飛機，可使飛機質(zhì)量減輕15％～20%，并能降低油耗和提高飛機性能。鋁鋰合金是很有發(fā)展前途的合金。

4新型金屬材料

①形狀記憶合金:形狀記憶合金由于具有特殊的形狀記憶功能，所以被廣泛地用于衛(wèi)星、航空、生物工程、醫(yī)藥、能源和自動化等方面。②高溫合金

:鎳基和鈷基高溫合金用作渦輪噴氣發(fā)動機的渦輪葉片。③貯氫合金：貯氫合金主要有三大系列：鎂系貯氫合金如MgH2，Mg2Ni等；稀土系貯氫合金如LaNi5，鈦系貯氫合金如TiMn1.5，TiMn1.5

④非晶態(tài)合金

將熔融狀態(tài)的合金以極高的速度驟冷，不給原子有序化排列的時間，把原子瞬間凍結(jié)在像液態(tài)一樣的無序排列狀態(tài)，得到的是非晶態(tài)合金。

具有優(yōu)良的力學性能，如拉伸強度大，強度、硬度都比一般晶態(tài)合金高。由于非晶態(tài)合金中原子是無序排列，使合金具有高電阻率、高導磁率、高抗腐蝕性等優(yōu)異性能。

第三節(jié)無機非金屬材料

無機非金屬材料又稱陶瓷材料

,可分為傳統(tǒng)陶瓷材料和精細陶瓷材料，后者的成分除了氧化物外，還有氮化物、碳化物、硅化物和硼化物等。精細陶瓷產(chǎn)品可以是燒結(jié)體，還可以做成單晶、纖維、薄膜和粉末，是新一代的特種陶瓷，

1傳統(tǒng)陶瓷

傳統(tǒng)陶瓷材料的主要成分是硅酸鹽。硅酸鹽制品一般都是以粘土(高嶺土)、石英和長石為原料。這些原料中都含有SiO2，因此在硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中，硅與氧的結(jié)合是最重要的。硅酸鹽中除了SiO2外，還含有A12O3。

硅酸鹽都需要高溫燒結(jié)。粘土在高溫下先脫水，然后轉(zhuǎn)化為莫來石(3A12O3·2SiO2)。

2精細陶瓷

①高溫結(jié)構(gòu)陶瓷

:陶瓷發(fā)動機的材料選用氮化硅，它的機械強度高、硬度高、熱膨脹系數(shù)低、導熱性好、化學穩(wěn)定性高，是很好的高溫陶瓷材料。氮化硅可用多種方法合成，工業(yè)上普遍采用高純硅與純氮在1300

C反應后獲得

還有碳化硅、二氧化鋯、氧化鋁等。

②透明陶瓷

一般陶瓷不透明的原因是其內(nèi)部存在有雜質(zhì)和氣孔，前者能吸收光，后者令光產(chǎn)生散射。因此如果選用高純原料，并通過工藝手段排除氣孔就可能獲得透明陶瓷。這些透明陶瓷不僅有優(yōu)異的光學性能，而且耐高溫，一般它們的熔點都在2000

C以上。如氧化釷-氧化釔透明陶瓷的熔點高達3100

C，透明陶瓷的重要用途是制造高壓鈉燈，它的使用壽命達2萬小時。高壓鈉燈的工作溫度高達1200

C，壓力大、腐蝕性強，選用氧化鋁透明陶瓷為材料、成功地制造出高壓鈉燈?？梢灾圃旆缽椘嚨拇啊⑻箍说挠^察窗、

③光導纖維

光導纖維一般由兩層組成，里面一層稱為內(nèi)芯，直徑幾十微米，但折射率較高；外面一層稱包層，折射率較低。從光導纖維一端入射的光線，經(jīng)內(nèi)芯反復折射而傳到末端，由于兩層折射率的差別，使進入內(nèi)芯的光始終保持在內(nèi)芯中傳輸著。

用最新的氟玻璃制成的光導纖維，可以把光信號傳輸?shù)教窖蟊税抖恍枞魏沃欣^站。

在實際使用時，常制成光纜，這樣既提高了光導纖維的強度，又增加了通訊容量。光纜有質(zhì)量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、絕緣性能好、壽命長、輸送距離長、保密性好、成本低等優(yōu)點。光損耗大的光導纖維可在短距離使用，特別適合制作各種人體內(nèi)窺鏡，對診斷醫(yī)治各種疾病極為有利。

④生物陶瓷

目前已發(fā)展起來的生物合金、生物高分子和生物陶瓷基本上能滿足植入人體的要求。生物陶瓷是惰性材料，耐腐蝕，更適合植入體內(nèi)。氧化鋁陶瓷做成的假牙與天然齒十分接近，它還可以做人工關節(jié)用于很多部位。ZrO2陶瓷的強度、斷裂韌性和耐磨性比氧化鋁陶瓷好，也可用以制造牙根、骨和股關節(jié)等。陶瓷材料最大的弱點是性脆，韌性不足，這就嚴重影響了它作為人工人體器官的推廣應用。陶瓷材料要在生物工程中占有地位，必須考慮解決其性脆問題。

⑤超導陶瓷

電阻突然消失時的溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度，常用Tc表示。

Y-Ba-CuO混合金屬氧化物在90K具有超導電性，這類超導氧化物的轉(zhuǎn)變溫度已高于液氮溫度(77K)，高溫超導材料研究獲得重大進展。

超導體的一些應用

(1)用超導材料輸電

(2)超導發(fā)電機(3)磁力懸浮高速列車把超導磁體裝在列車內(nèi)，在地面軌道上敷設鋁環(huán)，利用它們之間發(fā)生相對運動，使鋁環(huán)中產(chǎn)生感應電流，從而產(chǎn)生磁排斥作用，把列車托起離地面約10cm，使列車能懸浮在地面上而高速前進。(4)可控熱核聚變

3納米陶瓷

精細陶瓷粉體的顆粒較大，屬微米級(10-6m)，有人用新的制備方法把陶瓷粉體的顆粒加工到納米級(10-9m)，用這種所謂超細微粉體粒子來制造陶瓷材料，得到新一代納米陶瓷，這是陶瓷材料的第三次飛躍。納米陶瓷具有延性，有的甚至出現(xiàn)超塑性。如室溫下合成的TiO2陶瓷，它可以彎曲，其塑性變形高達100％，韌性極好。

納米陶瓷被稱為是21世紀陶瓷。

納米材料的粒子是超細微的，粒子數(shù)多，表面積大，而且處于粒子界面上的原子比例甚高，一般可達總原子數(shù)一半左右。這就使納米材料具有不尋常的表面效應、界面效應和量子效應等，因此而呈現(xiàn)出一系列獨特的性質(zhì)。例如金的熔點是1063℃，而納米金只有330℃，熔點降低近700℃；銀的熔點由金屬銀的960.8℃降為納米銀的100℃。又如納米鉑黑催化劑，由于表面積大，表面活性高，可使乙烯氫化反應的溫度從600℃降至室溫；納米鐵的抗斷裂應力比普通鐵高12倍，等等。納米材料的問世促使納米技術的誕生。所謂納米技術是指用單個原子或分子作材料建造物體的技術。

第四節(jié)寶玉石基礎知識分為:寶石,玉石和石一寶石1寶石之王-----金剛石硬度極大,達摩氏10級,已有人工合成.化學成份是碳.2藍寶石和紅寶石硬度大,達摩氏9級,主要成份為氧化鋁.3祖母綠:因含鉻而呈現(xiàn)綠色.4水晶:硬度7,主要成份為二氧化硅.二玉石1.玉中之王----翡翠命名來自翡翠烏,紅者為翡,綠者為翠.硬玉,硬度6.6—7其優(yōu)劣主要取決于水頭,色彩,底,種,瑕庇等1999年香港佳士得春季拍賣會一條翡翠項鏈以1454萬港元成交.2中國兩大美玉----和田玉和岫巖玉(1)和田玉也稱軟玉,硬度6—6.5和田玉產(chǎn)于新疆以白玉價最高各種玉石的化學組分樣品種類MgOAl2O3SiO2K2OCaOMnOFeO/Fe2O3新疆和田23.012.0059.040.0513.40.0710.36瑪納斯碧玉15.484.5259.090.03413.840.0735.400岫玉40.322.7354.620.0470.210.010.823獨山玉0.6733.8142.632.414.