无机非金属材料工学ppt课件

无机非金属材料工学 特种陶瓷 1 特种陶瓷 特种陶瓷是指采用高度精选的材料 具有能精准控制的化学组成 按照便于控制的制造加工技术 便于进行结构设计 并具有优异特性的陶瓷 2 原料以氧化物 氮化物 硅化物 硼化物 碳化物为主要原料成分由人工配比 纯化物较多 性质优劣与原料产地无关 以黏土为主要原料相同类型的普通陶瓷由于黏土的产地不同在结构和质有较大差异 特种陶瓷与普通陶瓷的区别 特种陶瓷 普通陶瓷 3 制备工艺上广泛采用超微细粉制备 等静压成型 热压烧结等现代化工艺在高温 机械 电子 航天 医学工程等方面有综合应用 以传统陶瓷工艺为主 胚料制备 制模成型 干燥施釉 装烧装饰 包装传统陶瓷质地脆 易碎 一般作为装饰品和器物 特种陶瓷与普通陶瓷的区别 特种陶瓷 普通陶瓷 4 特种陶瓷的其他称呼 特种陶瓷有一系列的称呼 如先进陶瓷 AdvancedCeramics 精细陶瓷 EngineeringCeramics 新型陶瓷 NewCeramics 近代陶瓷 ModernCeramics 高技术陶瓷 HighTechnologyCeramics 高性能陶瓷 HighPerformanceCeramics 等 5 特种陶瓷的分类 结构陶瓷功能陶瓷 6 结构陶瓷 又称工程陶瓷 具有耐高温 高硬度 耐磨损 耐腐蚀 低膨胀系数 高导热性和质轻等优点 广泛应用于能源 空间技术石油化工等领域 主要包括氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 碳化物陶瓷 硼化物陶瓷和硅化物陶瓷 7 高温结构陶瓷 高温结构陶瓷 1 高熔点氧化物陶瓷 Al2O3 ZrO2 MgO VO2等 熔点一般在2000 以上2 碳化物陶瓷 SiC WC TiC NbC等3 硼化物陶瓷 HfB2 ZrB2等4 氮化物陶瓷 SiN4 BN 以及由Si3N4和Al2O3复合而成的赛隆陶瓷 氮化物常具有很高的硬度5 硅化物陶瓷 MoSi2 ZrSi等 他们在使用中表面会生成SiO2或硅酸盐保护层 抗氧化能力强 8 氧化物陶瓷之一 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷通常是指 Al2O3含量为70 以上的氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷的主晶相是刚玉 Al2O3 晶相 氧化铝含量高 陶瓷的烧成温度也高 随着氧化铝的含量增加 陶瓷具有的机械强度也提高 介电常数和比电阻提高 介电损耗降低 而且介电常数和介电损耗随频率的增加而减少 导热系数随着氧化铝含量的增加而提高 氧化铝陶瓷坩埚 9 氧化物陶瓷之二 氧化锆陶瓷氧化锆有三种晶型 低温时为单斜晶系 高温时为四方晶系 更高温度时转变为立方晶系 由于晶型转变会引起体积效应 因此纯氧化锆很难制出产品 必须加入稳定剂进行晶型稳定化处理 主要有CaO MgO和其他稀土氧化物等 氧化锆陶瓷密度大 硬度高 抗弯强度和断裂韧性较高 是所有陶瓷中做高的 具有半导性 抗腐蚀性及敏感性等 氧化锆陶瓷假牙 氧化锆陶瓷刀 10 氧化物陶瓷之三 氧化铍陶瓷氧化铍属于纤锌矿结构 其结构很稳定且无晶型转变 添加1 以下的MgO TiO2或Fe2O3可促进BeO烧结 加入MgO形成固溶体 加入TiO2或Fe2O3出现第二相 氧化铍陶瓷具有和金属相近的导热系数 约为209 34W m K 膨胀系数不大 高温绝缘性能良好 还能抵抗碱性物质侵蚀 除苛型碱外 除此之外还具有良好的核性能 可用作中子减速剂核抗辐射材料 11 氧化物陶瓷之四 12 复合氧化物陶瓷之一 莫来石陶瓷莫来石陶瓷是一种传统且典型的陶瓷材料 在1847年 Oschatz发现这是一种富铝的硅酸盐相并将其称为硅线石 直到1956年 英国地理学家在苏格兰西海岸的 Mull 岛 并发现该岛具有非常丰富的富铝的硅酸盐 因此 此类物质被定义为莫来石 莫来石 3Al2O3 2SiO2 是Al2O3 SiO2系中唯一稳定的二元化合物 莫来石陶瓷具有高熔点 抗蠕变性 抗热震性 及抗腐蚀性等优良性能 可用于耐火材料 13 复合氧化物陶瓷之二 镁铝尖晶石陶瓷镁铝尖晶石属等轴晶系 呈八面体型 是MgO Al2O3二元系统中唯一的化合物 正尖晶石型的镁铝尖晶石的晶格常数为0 806 0 808nm 折射率为1 718 1 719 莫氏硬度为8 9 密度为3 58g cm3 熔点为2135 耐火度为1900 热膨胀系数为5 8 106 热导率 800 为23 865kJ h m 14 复合氧化物陶瓷之二 镁铝尖晶石陶瓷镁铝尖晶石陶瓷材料的性质可以和氧化物陶瓷相媲美 它除了有熔点高 热膨胀系数 绝缘性好等优点外 还有很高的化学稳定性 不与浓酸反应 抵抗碱作用能力比刚玉还高 大多数盐和熔渣都不与尖晶石反应 对碳 金属 金属熔体也很稳定 因而广泛应用于金属熔炼 炉 窑 衬 电绝缘材料等 15 氮化物陶瓷之一 氮化硅陶瓷氮化硅结构中氮与硅的原子之间的键力很强 因此氮化硅具有高温下稳定 分解前仍能保持较高的强度 以及高硬度 良好的耐磨性和耐化学腐蚀性等特性 在空气中开始氧化的温度是1300 1400 热膨胀系数很小 氮化硅轴承 16 氮化物陶瓷之二 塞隆陶瓷1970年代 日本和英国的学者发现 在Si3N4 Al2O3系统中 加入多量的Al2O3时 变构成Si Al O N系统 Al O部分的置换了Si N原子 从而促进了Si3N4的烧结 也就形成了塞隆陶瓷 塞隆陶瓷在常温和高温下强度很大 化学稳定性优异 耐磨性很高 热膨胀系数低 抗热冲击性好 抗氧化性强 密度不大等 17 碳化物陶瓷之一 碳化硼陶瓷碳化硼 B4C 的晶体结构除了立方结构外 通常以斜方六面结构为主 碳化硼陶瓷的显著特点是硬度高 仅次于金刚石和立方晶体BN 导热性好膨胀系数低 能吸收热中子 耐酸碱性好 18 碳化物陶瓷之二 碳化硅陶瓷碳化硅 SiC 为共价键化合物 晶体结构中的单位晶胞是由相同的四面体构成的 硅原子处于中心 周围为碳原子 碳化硅熔点高且具有良好的抗氧化性 纯SiC是电绝缘体 但含有杂志时 电阻率大幅下降 再加上它有负的电阻温度系数 因此可作为发热元件和非线性压敏电阻材料 SiC耐高温 可以做耐火材料 硬度高 可作磨料 19 碳化物陶瓷之三 碳化钛陶瓷碳化钛陶瓷 TiC 属于面心立方晶系 熔点高 强度较高 导热性较好 硬度大 化学稳定性好 不水解 高温抗氧化性好 仅次于碳化硅 在常温下不与酸起反应 但在硝酸和氢氟酸的混合酸中能溶解 于1000 在氮气氛中能行成氮化物 20 其他结构陶瓷之一 二硼化锆陶瓷 ZrB2 具有很高的硬度 良好的导电性导热性和化学稳定性 是优良的耐火材料 可做热电偶保护套 熔炼金属用的坩埚 铸模 21 其他结构陶瓷之二 二硅化钼陶瓷MoSi2可以通过Mo和Si粉直接反应获得 或者利用Mo的氧化还原反应合成 MoSi2晶体为四方结构 灰色 有金属光泽 熔点为2030 MoSi2能抵抗熔融金属和炉渣的侵蚀 于氢氟酸 王水及其他无机酸不起作用 但容易溶于硝酸和氢氟酸的混合液中 也溶于熔融的碱中 MoSi2的抗氧化性好 这是由于在其表面形成了一薄层SiO2或者一层耐氧化和难融的硅酸盐组成的保护膜 二硅化钼陶瓷发热体 22 功能陶瓷 功能陶瓷 FunctionalCeramaics 是指在应用中侧重其非力学性能 如电磁 光 热 化学 和生物等方面的性能以及核性能 对气体的敏感性等 的陶瓷材料 23 磁性陶瓷 磁性陶瓷 MagneticCeramics 是铁和其它一种或多种金属元素的复合氧化物 通常称为铁氧体 其导电性与半导体材料类似 因制备工艺和外观类似陶瓷而得名 但严格来讲 磁性陶瓷还包括不含铁的磁性瓷 24 磁性陶瓷之一 软磁铁氧体软磁铁氧体是目前各种铁氧体中品种最多 应用最广泛的一种磁性陶瓷材料 软磁铁氧体的种类有尖晶石型的Mn Zn Ni Zn Mg Zn Li Zn铁氧体及磁石型的甚高频铁氧体 如Ba3Co2Fe24O41等 25 磁性陶瓷之二 硬磁铁氧体硬磁铁氧体是指矫顽力Hc大 磁化后不易退磁而能长期保留磁性的铁氧体 又称为永磁材料 硬磁铁氧体化学式为Mo 6Fe2O3 M Ba2 Sr2 26 磁性陶瓷之三 旋磁铁氧体旋磁铁氧体是指在高频磁场作用下 平面偏振的电磁波在磁介质中按一定方向传播的过程中 偏振面不断绕传播方向旋转的一种铁氧体 旋磁铁氧体主要用作微波器件 故又称为微波铁氧体 27 磁性陶瓷之四 矩磁铁氧体矩磁铁氧体是指磁滞回线呈矩形的 剩余磁感强度Br和工作时最大磁感应强度Bm的比值 且此比值都尽可能接近1 并根据实际应用情况调整具有适当大小的矫顽力的铁氧体 矩磁铁氧体材料大都具有尖晶石结构 少数几种是石榴石型 28 磁性陶瓷之四 压磁铁氧体处于退磁状态下的铁氧体材料 当外界磁场磁化时 其长度或体积均会发生极小的变形 这种现象称为磁致伸缩 具有这种性能的铁氧体称为压磁铁氧体 目前应用的压磁铁氧体材料都是含Ni的铁氧体系统 最主要的是Ni Zn铁氧体 29 磁性陶瓷之五 新兴铁氧体材料主要有超高密度记录垂直磁化薄膜材料 可擦除磁光信息储存薄膜材料 磁泡材料 吸波和防电磁信息泄露材料 非晶态磁性材料等等 30 导电陶瓷和超导陶瓷 导电陶瓷绝大部分陶瓷属于绝缘体 但具有间隙结构的碳化物等硬质化合物具有良好的导电性 这类间隙相属于电子电导 除间隙相以外 还有为数不多的几种陶瓷 它们在适当的条件下具有与液体强电解质相似的离子电导 如Na Al2O3 PSZ等 31 导电陶瓷和超导陶瓷 超导陶瓷超导陶瓷目前仍在发现之中 由于它具有完全的导电性和完全的抗磁性 因此获得了广泛的应用 1 在电力系统方面 可以用于输送配电 由于电阻为零 因此完全没有能量损耗 2 在交通方面 可以制造磁悬浮列车3 利用超导陶瓷的约瑟夫逊效应可望制成超小型 高性能的第五代计算机4 利用其抗磁性 在环保方面可以进行废水净化和去除毒物 在医药方面可以从血浆中分离红细胞并正在研究利用其抑制和杀死癌细胞 32 热释电陶瓷 热释电现象是一种自然现象 也是晶体的一种物理效应 晶体受热温度升高 由于温度的变化 导致自发极化的变化 在晶体的一定方向上产生表面电荷 这种现象称为热释电效应 晶体中存在热释电效应的前提是 首先具有自发极化 即晶体结构的某些方向的正 负电荷重心不重合 存在固有电矩 二是有温度的变化 即热释电效应是反映材料在温度变化的状态下的性能 经过改性的PZT陶瓷 有良好的热释电性能 目前已制成单个探测矩阵 在红外探测和热成像系统中得到应用 33 压电陶瓷 在给无对称中心的晶体施加一应力时 晶体发生与应力成比例的极化 导致晶体表面两端出现符号相反的电荷 反之 当对这类晶体施加一电场时 晶体将产生与电场强度成比例的应变 这两种效应都称为压电效应 前者称为正压电效应 后者称为逆压电效应 从晶体结构来看 压电陶瓷属于钙钛矿型 钨青铜型 焦绿石型 含铋层结构的陶瓷都具有压电性 但目前广泛应用的压电陶瓷都属于钙钛矿型晶体 34 敏感陶瓷 材料的电学性能随热 湿 气 光 力等外界条件的变化而产生敏感效应的陶瓷 统称为敏感陶瓷 SensitiveCeramics 压力测试传感器 35 敏感陶瓷之一 热敏陶瓷利用半导体陶瓷的电阻值对温度的敏感特性制成的一种对温度敏感的器件 区热敏电阻器或热敏元件 它是温度传感器的一种 根据热敏电阻器的电阻 温度特性 热敏半导体陶瓷可分为负温度系数 NTC 热敏陶瓷 正温度系数 PTC 热敏陶瓷和临界温度热敏陶瓷 CTR 36 敏感陶瓷之二 压敏陶瓷压敏陶瓷是指具有非线性伏安特性 对电压变化敏感的半导体陶瓷 它在某一临界电压下电阻值非常高 几乎没有电流 但当超过这一临界电压时 电阻将急剧变化 并且有电流通过 随着电压的少许增加 电流会很快增大 用这种材料制成的电阻称为压敏电阻器 也称为非线性电阻 压敏陶瓷主要可以用在两个方面 过压保护和稳定电压 37 敏感陶瓷之三 光敏陶瓷光敏陶瓷也称为光敏电阻陶瓷 属于半导体陶瓷 它在光的照射下 吸收光能 产生光电导或产生光伏特效应 利用光电阻效应来制造光敏电阻 可用于各种自动控制系统 利用其光伏特效应也可以制造光电池 也称太阳能电池 38 敏感陶瓷之四 气敏陶瓷气敏陶瓷主要分为以下三种 1 半导体式气敏陶瓷2 半触燃烧式气敏陶瓷3 固体电解质型气敏陶瓷 39 敏感陶瓷之五 湿敏陶瓷湿敏陶瓷的主要成分一般以氧化物半导体构成 导电形式一般认为是电子导电和质子导电 或两者共存 湿敏陶瓷根据湿敏特性可分为当湿度增加时 电阻率减小的负特性湿敏陶瓷和电阻率增加的正特性湿敏陶瓷 40 透明陶瓷和光学陶瓷 透明陶瓷种类比较多 一般有氧化铝系陶瓷 氧化镁系陶瓷 氧化钇系陶瓷 非氧化物透明陶瓷 光学材料是制造光学仪器与器件不可少的材料 以前的光学材料主要是玻璃或单晶体 其主要功能几乎单纯是光的通路 物质受光照射时改变颜色 停止照射后可逆地恢复原状的现象称为光色现象 显示这种特性的材料称为光色材料 41 能源技术陶瓷 能源技术陶瓷主要有 陶瓷热交换器 可在充分利用工业废热与工业余热中起重要作用 核能技术陶瓷 磁流体发电用陶瓷材料 太阳能电池用陶瓷材料 在人造卫星等领域都有应用 陶瓷太阳能板 太阳能热发电陶瓷可以用于太阳能发电 42 信息功能陶瓷 信息功能陶瓷 或电子陶瓷 以电 磁 光 热 力及其耦合的机电 磁电 电光等丰富多样的功能占据先进陶瓷材料的主导地位 基于信息功能陶瓷材料 包括陶瓷块材薄膜 的电子器件 对社会 经济和国防建设的发现产生着巨大的影响 43 其他陶瓷 纳米功能陶瓷 应用领域有防弹衣 信息传递 癌症治疗 生物陶瓷主要应用是人工骨骼和人工牙齿以及人造心脏瓣膜等 环保功能陶瓷包括两种 光催化功能陶瓷及自洁陶瓷是指具有灭菌 降解有机污染物和保持陶瓷表面洁净的功能 生物陶瓷牙齿 烤瓷牙 44 其他陶瓷 负离子陶瓷是可以释放负离子的某些稀土类矿物或天然矿物为原料添加粘土 激发剂和助熔剂等原料 通过高温煅烧后制成的一种隐形功能陶瓷材料 主要功能有 1 增强人的大脑皮层活力 提高工作效率2 可以起到扩张血管作用 降低血压3 可使血液中含氧量增加4 可以改善呼吸系统的状态 增强肺部功能 45 谢谢观赏 46