课题1　无机非金属材料 (3)(精品)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,3.1.1,无机非金属材料,教学目标,1,、了解传统的硅酸盐工业的生产特点，知道其生产原理和产品的主要成分。,2,、 能举例说明无机非金属材料的特点。,3,、 讨论社会发展和科技进步对材料的要求，认识化学对材料科学发展的促进作用。,一、,玻璃,二、,陶瓷,三、,水泥,四、,玻璃和陶瓷的新发展,主要内容,纯碱、石灰石、石英,反应原理,Na,2,SiO,3,、,CaSiO,3,、,SiO,2,熔合在一起而形的,玻璃态物质（或者,Na,2,O ,CaO, 6SiO,2,）,Na,2,CO,3,+ SiO,2,= Na,2,SiO,3,+ CO,2,高温,CaCO,3,+ SiO,2,= CaSiO,3,+ CO,2,高温,普通玻璃的成分,设备,玻璃的性质,物性：表面光滑、致密、硬而脆，没有固定熔点,化性：性质稳定，但易被氢氟酸和强碱腐蚀,一、,玻璃,主要生产原料,玻璃窑,思考：,玻璃为什么会被人工吹制成各种形状？,普通玻璃是,Na,2,SiO,3,、,CaSiO,3,、,SiO,2,熔合在一起形成的物质，主要成分是,SiO,2,。玻璃不是晶体，而是玻璃态物质，这类物质没有固定的熔点，而是在某个温度范围内逐渐软化，在软化状态时，可被吹制成任何形状的制品。,二、玻璃,（,glass,）,(1),普通玻璃,是用,石英砂,、,纯碱,和,石灰石,共熔而制得的,一种无色透明的熔体：,Na,2,CO,3,+SiO,2,Na,2,SiO,3,+CO,2,高温,CaCO,3,+SiO,2,CaSiO,3,+CO,2,高温,(2),有色玻璃,在玻璃原料中加入某些金属氧化物,可制成有色玻璃。如玻璃中加入,Co,2,O,3,呈蓝色,加入,Mn,2,O,3,呈紫色,加入,Cr,2,O,3,呈绿色,加入,Cu,2,O,呈红色,（,3,）,钢化玻璃,普通,玻璃加热到一定温度后急剧冷却，,就可以得到,钢化玻璃,。,玻璃,聚乙烯醇丁醛,玻璃,(4),防弹玻璃,又称为夹层玻璃。当受到外部撞击的时候，夹层可将受到的力发散开来，减少了子弹等武器的冲击力，进而保护了受保护者的安全！,种类,特性,用途,普通玻璃,高温下易软化,窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯,钢化玻璃,耐高温、耐腐蚀、强度大、质轻、抗震裂,运动器材，微波通讯器材，汽车、火车的窗玻璃等,玻璃纤维,耐腐蚀、不怕烧、不导电、不吸水、隔热、吸声、防虫蛀,太空飞行员的衣服、玻璃钢等,光学玻璃,透光性能好，有折光性和色散性,眼镜片，照相机、显微镜、望远镜等中的凹凸透镜,石英玻璃,膨胀系数小、耐酸碱、强度大、滤光,化学仪器，高压水银灯、紫外灯等的灯壳，光导纤维，压电晶体等,几种玻璃的特性及比较,玻璃态物质,玻璃的结构特点,玻璃态物质,玻璃是无定形硅酸盐的,混合物,，属于玻璃态物质。,玻璃态物质,没有固定的熔点,，可以在某一温度范围内逐渐软化变成液态。在软化状态时，玻璃可吹制或轧成一定形状的制品。,玻璃的生产,主要,原料,主要设备,主要,成分,玻璃窑中发生,的主要反应,纯,碱,石灰石,石 英,玻,璃,窑,Na,2,SiO,3,CaSiO,3,SiO,2,Na,2,CO,3,+SiO,2,Na,2,SiO,3,+CO,2,高温,CaCO,3,+SiO,2,CaSiO,3,+CO,2,高温,玻璃的种类和用途,种类,用途,普通玻璃,窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯等,硼酸盐玻璃,高级的化学仪器,光学玻璃,眼镜片、照相机、望远镜和显微镜的透镜,钢化玻璃,汽车、火车的车窗,二、,陶 瓷,原料,粘土,生产,0,过程,粘土,混合,成型,干燥,烧结,成品,冷却,性质,抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型,用途,艺术品、餐具、建筑材料、化学仪器等,三、,水 泥,性能,其它,水泥具有水硬性,原料,石灰石、粘土,生产过程,普通水泥的成分,硅酸三钙,3CaO,SiO,2,硅酸二钙,2CaO,SiO,2,铝酸三钙,3CaO,Al,2,O,3,原料,研磨,混合,煅烧,(,回转窑,),成品,加入石膏,水泥沙浆、混凝土,四、玻璃和陶瓷的新发展,1,、,光导纤维,你知道现在的长途电话信号是通过什么材料传输的吗？用它通信有哪些优点？,通过光导纤维传输。用它通信的优点：信息量大，原料来源广，质量小，不怕腐蚀，铺设方便，成本低，性能好，防窃听，无辐射等。,思考,:,光 纤 光 缆,普 通 电 缆,信息量大，每条光缆可同时通过,10,亿路电话,8,管同轴电缆，每条通过,1800,路,原料来源广,资源较少,质量轻，每公里,27,克,每公里,1.6,吨,成本低，每公里,1,万元左右,每公里,20,万元左右,性能好，抗电磁干扰,一般有电磁干扰,无辐射，防窃听,光纤光缆与普通电缆的异同,2,、,高温结构陶瓷,性能,用途,耐高温、抗氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等,制造发动机,制造航天飞机的防护片,1,、熔融烧碱应选用的仪器是： （ ）,A,、石英坩埚,B,、普通玻璃坩埚,C,、生铁坩埚,D,、陶瓷坩埚,课堂练习,C,2,、下列物质不属于硅酸盐的是： （ ）,A,、粘土、,B,、石英、,C,、,Al,2,(Si,2,O,5,)OH),4,D,、,Mg,2,SiO,4,B,3,、石灰石是许多工业原料之一，但制取下列物质不需要石灰石的是： （ ）,A,、制硅酸、,B,、制水泥、,C,、制玻璃、,D,、制生石灰,A,4,、与普通玻璃的成分相同的是 （ ）,A,、钢化玻璃,B,、有色玻璃,C,、光学玻璃,D,、石英玻璃,A,5,、下列物质具有固定熔沸点的是： （ ）,A,、钢化玻璃,B,、漂白粉,C,、消石灰,D,、水玻璃,C,6,、下列不属于硅酸盐产品的是： （ ）,A,、水泥,B,、砖瓦,C,、 陶瓷,D,、硫酸,D,7,、过量的泥沙、纯碱和生石灰熔化后生成,水泥 玻璃 瓷器 混凝土 一种硅酸盐产品 （ ）,A. B. C. D. ,B,8,、在水泥中加入石膏的作用是,将,-,、,。,按一定比例混合硬化后称为混凝土。,调节水泥的硬化速度,水泥,砂子,碎石,水泥,玻 璃,陶瓷欣赏,陶瓷的生产过程,光导纤维,高温结构陶瓷,氧化铝陶瓷,二氧化锆,氮化硅陶瓷,结构陶瓷,陶瓷在我国历史悠久,唐朝时的”,唐三彩,“,宋朝时的”,钧瓷,“,中国的英文名,China,就是源于陶瓷。,中国的”瓷都“是,江西景德镇,中国的”陶都“是,江苏宜兴,3,、,陶 瓷,（,china,）,古代重庆,一,带,被称为巴国，由于当时的食盐多产于巴国，因此食盐也叫做盐巴,！,3,、陶瓷,主原料要,生产过程,反应条件,种类,性能,黏土,混合,成型,干燥,烧结,冷却,高温,土器,陶器,炻器,瓷器,抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型,陶瓷,是由,黏土在高温下烧制,而成，根据,原料和烧制温度,的不同主要分为：,土器、陶器、炻器、瓷器。,土器,：含杂质比较高的粘土在,适当的温度下而成的，如常见,的砖、瓦。,瓷器,：需要纯净的粘土做原料，,温度也更高，瓷器比陶器磁体,白净质地致密。,主要种类：,土器：砖瓦,(,自然冷却，,Fe,2,O,3,含量较多,),(,淋水冷却，,Fe,3,O,4,、,FeO,较多,),陶器：,彩陶,江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑,瓷器：,碗盘,茶具,收藏珍品,炻器：,水缸、砂锅,景德镇陶瓷,红瓦,青瓦,水泥,玻璃,陶瓷,主要原料,石灰石,.,粘土,石英,.,纯碱,石灰石,粘土,主要设备,回转炉,玻璃熔炉,陶瓷窑,反应条件,高温,高温,高温,反应原理,复杂的物理、化学变化,Na,2,CO,3,+SiO,2,= Na,2,SiO,3,+CO,2,CaCO,3,+SiO,2,= CaSiO,3,+CO,2,复杂的物理化学变化,主要成分,3CaOSiO,2,2CaOSiO,2,3CaOAl,2,O,3,Na,2,SiO,3,CaSiO,3,SiO,2,成分复杂,特性,水硬性,玻璃态物质,抗氧化,.,酸碱,.,腐蚀,耐高温,.,绝缘,水泥、玻璃、陶瓷生产比较,新型无机非金属材料,传统无机非金属材料与新型材料的比较,传统的硅酸盐材料优、缺点,优点：抗腐蚀、耐高温；,缺点：质脆、经不起热冲击。,新型无机非金属材料特性,承受高温，强度高。,具有光学特性。,具有电学特性。,具有生物功能。,新型无机非金属材料的特性,1.,能承受高温、强度高,。,例如：氮化硅陶瓷在,1200,左右的高温下，仍具有很高的强度，可用来制造汽轮机叶片、轴承、永久性模具等。,2.,具有电学特性,，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。,3.,具有光学特性,。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。,处于高温下的光导纤维,光纤通信较之普通电缆通信有许多突出的优点。首先，光纤通信有巨大的信息容量，,一根头发丝那么细的光导纤维可以通几万路电话或,2 000,路电视。,如果用许多根光导纤维组合成光缆，它的通信容量更大得,惊人。而且，,光纤通信不受外界电磁场的干扰，工作稳定可靠，保密程度高,。光纤通信,损耗低，目前无中继传送距离一般为,30,70 km(,而同轴电缆每隔,1,5 km,就需设立一个中继站，来补偿电信号在传输中的损耗,),，很适合远距离信息传输。目前，人们已建成大西洋海底光缆,(,全长约,7 000 km),。计划中的南太平洋光缆,(,全长约,16 000 km),也正在紧锣密鼓的准备之中。进一步降低光纤损耗，减少中继站数目，甚至不用中继站，是人们的下一步目标。,光学纤维胃镜,光纤光缆,普通电缆,信息量大，每根光缆上理论上可同时通过,10,亿路电话,8,管同轴电缆每条通话,1800,路,原料来源广（石英玻璃），节约有色金属,资源较少,质量小，每,km27g,，不怕腐蚀，铺设方便,每,km1.6t,成本低，每,km 10 000,元左右,普通光缆每,km 200 000,元左右,性能好，抗电磁干扰保密性强,，能防窃听，不发生电辐射,、新 型 陶 瓷 材 料,习惯上把,陶瓷,(ceramics),分为传统陶瓷和特种陶瓷。,传统陶瓷是以粘土、长石、石英等天然矿物为原料经烧结而成的。,特种陶瓷是以人工合成的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物超细微粒为原料特制而成。又称精细陶瓷、精密陶瓷。,氧化铝陶瓷,二氧化锆,结构陶瓷,几种典型的新型无机非金属材料,高温结构陶瓷,特点：耐高温、耐腐蚀、硬度大、,耐磨损、不怕氧化、密度小等,(1),氧化铝陶瓷,性,能,用,途,熔点高,坩埚、高温炉管,硬度大,刚玉球磨机,透明、耐高温,高压钠灯灯管,高纯氧化铝透明陶瓷管,高压钠灯,氮化硅（,Si,3,N,4,）是由共价键形成的原子晶体。,用途：硬度高、耐磨系数低、有自润滑作用，所以是优良的耐磨材料。热强度和化学稳定性高，热膨胀系数小，是优良的高温结构材料。耐腐蚀，可作高温轴承、,转子、叶片、燃烧室喷嘴等,高温零件以及高温下使用的,模具和夹具。,（,2,）,氮化硅陶瓷,碳化硅（,SiC,-,金刚砂）和氮化硅一样，是稳定的原子晶体。具有高的热传导能力、硬度大、熔点高、比重小，有较高的强度和较好的热稳定性，与各种酸都不起作用，其抗氧化性能在高达,1550,O,C,时仍很优良。,用途：制造磨料、模,具、特种耐火材料制品；,用于制造电阻发热元件。,（,3,）,碳化硅陶瓷,TiO,2,、,ZrO,2,、,LaCrO,3,等高温电子陶瓷，用于制造电容器和电子工业中的高温高频器件。如,BaTiO,3,类陶瓷用于制造温度传感材料；,CdS,、,PbTiO,3,系陶瓷用于制造光敏传感材料；,ZnO,系陶瓷，,SiC,、,BaTiO,3,系陶瓷用于制造压力和振动传感材料等。,功能陶瓷的用途：,生物陶瓷是用于人体器官替换、修补，及外科矫形的陶瓷材料。主要包括羟基磷灰石、氧化铝、生物活性玻璃陶瓷等。,生物陶瓷材料,羟基磷灰石（,Ca,10,(PO,4,),6,(OH),2,）陶瓷的,用途：,它具有良好的生物活性，能与人骨紧密结合。主要用于不承载的小型种植体（如耳骨），用金属支撑加强的牙科种植体。,生物陶瓷人工听小骨假体,由羟基磷灰石,(HA),陶瓷制成，表面具有微孔，可使患者听力平均高,2030dB,，适用于慢性化脓性中耳炎患者作听小骨置换和鼓腊修复手术。自,1989,年以来已临床应用,800,多例，通过省级鉴定。,透明陶瓷和纳米陶瓷,一般陶瓷因为内部有杂质和气孔而不透明。用高纯度的原料可获得透明陶瓷。这些透明陶瓷不仅光学性能优异，而且耐高温，熔点一般都在,2 000,以上。透明陶瓷的透明度、强度、硬度都高于普通玻璃。用透明陶瓷制造,高压钠灯,，发光效率比高压汞灯高一倍，使用寿命可达,2,万小时。,人们把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级，便得到了纳米陶瓷。纳米陶瓷成功地解决了陶瓷易碎的问题。纳米陶瓷还具有延展性，如室温下合成的,Ti0,2,陶瓷可以弯曲，塑性、韧性好。,纳米氧化锆陶瓷颗粒,金刚石、石墨和,C60,新材料诞生新科技,金刚石 石墨粉 足球烯,(C,60,),科技人员发现，如果用耐高温的陶瓷，如氮化硅陶瓷等代替合金钢制造陶瓷发动机，其工作温度可达,1300,1500,。 美国军方曾做过一次有趣的实验：在演习场,200,米跑道的起跑线上，停放着两辆坦克，一辆装有,500,马力的,钢质发动机,，而另一辆装有同样马力的,陶瓷发动机,。陶瓷发动机果然身手不凡，那辆坦克仅用了,19,秒,钟就首先到达终点，而钢质发动机坦克在充分预热运转后，用了,26,秒,才跑完全程。其奥秘就在于陶瓷发动机的热效率高，不仅可节省,30,的热能，而且工作功率比钢质发动机提高,45,以上。另外，,陶瓷发动机无需水冷系统,，其密度也只有钢的一半左右，这对减小发动机自身重量也有重要意义。,交流,1,、新兴陶瓷材料具有那些优良的性能？,2,、碳化硅结构同硅相似，分析其可能的性质。,3,、写出制取碳化硅、氮化硅的化学反应方程式。,3SiCl,4,+2N,2,+6H,2,=Si,3,N,4,+12HCl,原子晶体,现代科技赋予陶瓷,在,光、电、磁、化学、和生物学,等,方面新的特征和功能,SiO,2,+3C = SiC+2CO,3Si+2N,2,= Si,3,N,4,1900,C,1300C,熔沸点高、硬度大,由硅石粗硅高纯多晶硅（纯度在,9,个,“,9,”,以上,(99.9999999,以上,),单晶硅,（,1,） 粗硅的制备：又称工业硅，纯度在,95,99,的硅（反应要点高温,1600,1800,）,（,2,）,SiHCl,3,的制备多用粗硅与干燥氯化氢在,200,以上反应：,Si,十,3HCl=SiHCl,3,+H,2,（,3,）精馏提纯后的,SiHCl,3,用高纯氢气还原得到多晶硅,SiHCl,3,十,H,2,=Si,十,3HCl,2,、现代信息技术材料,-,单晶硅,SiO,2,(s),十,2C(s),Si(s,),十,2CO(g),阅读：科学视野,太阳能电池,注 意：,金刚石 石墨,C,60,之间的关系？,碳的三种物质形态,C,60,金刚石,石墨,同素异形体,碳的三种同素异型体的比较,金刚石,石墨,C,60,3.石墨、金刚石、C60新材料诞生新技术,讨论,1.,高压合成金刚石的局限性？,2.,化学气相沉积法制造金刚石薄膜的原理是什么？,成本高、难加工,C,60,及其应用前景,C,60,的发现,1985,年，美国科学家克罗托（,H.W.K.kroto,),等用质谱仪,严格控制实验条件,得到以,C,60,为主的质谱图。由于受建筑学家布克米尼斯持,富勒（,BuckminsterFuller,）,设计的球形薄壳建筑结构的启发，克罗托（,kroto,),等提出,C,60,是由,60,个碳原子构成的球形,32,面体，即由,12,个五边形和,20,个六边形构成,。其中五边形彼此不相连，只与六边形相连。随后将,C,60,分子命名为布克米尼斯持,富勒烯（,BuckminsterFuller,）。,由于,C,60,分子的结构酷似足球，所以又称为,足球烯,（,Footballene,）除,C,60,外，具有封闭笼状结构的还可能有,C,28,、,C,32,、,C,50,、,C,70,、,C,84,、,C,240,、,C,540,等，统称为,Fullerenes,，,中文译名为富勒烯。,C,60,的超导性,1991,年，赫巴德（,Hebard,）,等首先提出掺,钾,C,60,具有超导性，,超导起始温度为,18K,，,打破了有机超导体（,Et,）,2,CuN,（,CN,）,2,Cl,超导起始温度为,12.8K,的纪录。不久又制备出,Rb,3,C,60,的超导体，超导起始温度为,29K,。,表,1-1,列出了已合成的各种掺杂,C,60,的超导体和超导起始温度，说明掺杂,C,60,的超导体已进入高温超导体的行列。我国在这方面的研究也很有成就，北京大学和中国科学院物理所合作，成功地合成了,K,3,C,60,和,Rb,3,C,60,的超导体，超导起始温度,分别为,18K,和,28K,。,有科学工作者预言，如果掺杂,C,240,和掺杂,C,540,，,有可能合成出具有更高超导起始温度的超导体。,人们对,C60,的研究还在继续，希望同学们加油，将来的某一天你也会在这方面获得,巨大成功。,再见,