《无机非金属材料》课件

无机非金属材料概述无机非金属材料是现代工业和科技发展的基石广泛应用于建筑、电子、医疗等领域课程目标掌握基本理论了解无机非金属材料的基本结构和性质学习制备方法掌握主要的合成与加工工艺理解表征技术学习材料性能分析和评价方法了解应用前景无机非金属材料的定义成分特点结构特点主要由非金属元素组成通常具有复杂的晶体结构不含或极少含有机物原子间以共价键或离子键连接性能特点耐高温、耐腐蚀具有独特的电学、光学等性能无机非金属材料的分类传统建筑材料功能材料水泥、玻璃、陶瓷等压电、铁电、半导体等新型材料结构材料纳米材料、生物材料等工程陶瓷、复合材料等无机非金属材料在日常生活中的应用从餐具到建筑，从电子设备到医疗器械，无机非金属材料无处不在传统无机非金属材料简介发展历史最悠久人类文明早期便开始使用产量规模巨大支撑建筑和基础设施建设应用领域广泛建筑、家居、工业生产等硅酸盐材料概述地壳主要成分约占地壳总质量的以上60%基本组成单元以硅氧四面体为基本构件结构多样性岛状、链状、层状和三维网状结构硅酸盐的结构特点岛状结构链状结构层状结构独立的硅氧四面体四面体通过氧原子连接四面体连接成二维平面成链网络三维网状结构四面体连接成空间网络硅氧四面体结构基本构成中心为硅原子，四个顶点为氧原子键合方式硅与氧形成强共价键共享方式氧原子可被相邻四面体共享结构多样性共享方式决定最终晶体结构硅酸盐材料的特性1700°C7-8高熔点莫氏硬度大多数硅酸盐材料耐高温硬度高，耐磨性强⁻~

2.610⁶密度g/cm³热膨胀系数相对轻质高强热稳定性好陶瓷材料简介定义分类特点无机非金属材料经高温烧结而成的产品传统陶瓷瓷器、砖瓦等高硬度、耐高温、耐腐蚀主要成分为金属氧化物、氮化物、碳化先进陶瓷结构陶瓷、功能陶瓷脆性大、抗冲击性差物等陶瓷材料的制备过程原料准备粉碎、混合、调浆成型注浆、压制、挤出等干燥去除成型体中的水分烧结高温烧结，形成致密结构后处理研磨、抛光、切割等陶瓷材料的性能陶瓷材料的应用日常生活餐具、洁具、装饰品工业领域耐火材料、磨料、催化剂载体电子电气绝缘体、电容器、压电元件生物医学人工骨、牙科材料、药物载体玻璃材料概述定义特点非晶态固体材料透明或半透明由和其他氧化物形成的网络等向性，无明显熔点SiO₂结构脆性，热膨胀系数小分类钠钙玻璃、铅玻璃、硼硅酸盐玻璃特种玻璃光学、激光、光导纤维等玻璃的化学组成网络形成体网络修饰体、、、、SiO₂B₂O₃P₂O₅Na₂O K₂O CaO形成三维网络结构降低熔点，增加流动性着色剂中间体过渡金属氧化物、Al₂O₃PbO赋予玻璃特定颜色根据条件可充当形成体或修饰体玻璃的制备过程原料配制石英砂、纯碱、石灰石等按比例混合熔融高温熔融成均匀液体1400-1600°C成型吹制、压制、拉制或浮法成型退火缓慢冷却，消除内应力后处理切割、研磨、抛光、镀膜等玻璃的性能和应用光学性能化学性能力学和电学性能透明、折射、反射耐腐蚀、化学稳定性好抗压强度高、绝缘性好应用窗户、镜子、光学仪器应用器皿、容器、封装材料应用建筑、电子屏幕、绝缘体水泥材料简介发展历史古罗马时期使用水硬性材料年，约瑟夫阿斯普丁发明波特兰水泥1824·定义以硅酸钙为主要成分的水硬性胶凝材料能在水中硬化并保持强度的特性主要种类普通硅酸盐水泥、铝酸盐水泥矿渣水泥、火山灰水泥等水泥的化学组成水泥的生产过程原料开采石灰石、粘土等原料配料按化学成分比例混合煅烧回转窑内煅烧1450°C研磨熟料与石膏共同研磨包装散装或袋装储运水泥的性能和应用主要性能应用领域•凝结时间初凝≥45分钟•建筑工程房屋、桥梁•终凝≤10小时•水利工程大坝、水渠•抗压强度3天≥20MPa•交通工程公路、铁路•28天≥

42.5MPa•预制构件管道、电杆新型无机非金属材料概述高性能化力学、热学、电学等性能大幅提高功能化电、磁、光、热等特殊功能复合化多种材料协同作用纳米化纳米尺度结构控制单质硅的性质和应用物理性质电学性质灰黑色金属光泽本征半导体材料熔点可通过掺杂调控电导率1414°C密度

2.33g/cm³主要应用集成电路基底材料太阳能电池光电子器件二氧化硅的性质和应用1600°C熔点耐高温材料的重要成分7莫氏硬度用作研磨材料

2.65密度g/cm³低密度轻质材料⁻10⁷导电率S/m优良的电绝缘材料应用玻璃原料、半导体工艺、吸附材料、催化剂载体碳化硅材料耐高温高硬度高导热性宽禁带半导体熔点约莫氏硬度，仅次于热导率约禁带宽度约2700°C

9.5120W/m·K

3.2eV金刚石应用研磨材料、高温结构件、功率电子器件氮化硅材料优异的力学性能高强度、高韧性、抗冲击良好的热性能耐高温，热膨胀系数小卓越的耐腐蚀性抗酸碱，抗氧化应用发动机部件、轴承、切削工具、电子基板新型陶瓷材料概述定义特点主要分类显著优势基于高纯原料氧化物陶瓷性能优异稳定精确控制化学组成非氧化物陶瓷可设计性强微观结构设计和调控复合陶瓷功能多样化功能陶瓷材料电功能陶瓷磁功能陶瓷压电、铁电、介电陶瓷铁氧体、磁电陶瓷化学功能陶瓷光功能陶瓷催化、传感、离子导体激光、发光、非线性光学陶瓷结构陶瓷材料生物陶瓷材料生物惰性陶瓷生物活性陶瓷可降解生物陶瓷氧化铝、氧化锆羟基磷灰石、生物玻璃磷酸三钙、硫酸钙与生物组织不发生反应能与骨组织形成化学键合体内逐渐被吸收替代应用人工骨、牙科材料、假体涂层、药物载体压电陶瓷基本原理主要材料关键应用机械应力与电荷转换铅锆钛酸盐传感器、执行器PZT可产生形变或电信号无铅压电陶瓷、等超声换能器、滤波器KNN BT能量收集装置透明陶瓷机理主要材料应用消除散射源氧化铝激光器件Al₂O₃高致密度晶体结构氧化镁红外窗口MgO晶粒尺寸小于可见光波长钇铝石榴石高温透明部件YAG氧化钇照明材料Y₂O₃超导陶瓷发现历程年，铜氧化物高温超导体1986临界温度从提高到以上30K130K主要材料钇钡铜氧化物YBCO铋锶钙铜氧化物BSCCO关键应用强磁场装置磁悬浮列车能量传输无损耗新型玻璃材料新型玻璃材料种类丰富，包括光敏玻璃、金属玻璃、光子晶体玻璃等应用领域涵盖光电子、能源、医疗、建筑等多个领域光导纤维结构特点纤芯二氧化硅掺杂材料包层纯二氧化硅传输原理全反射现象低损耗光信号传输主要类型单模光纤纤芯直径约9μm多模光纤纤芯直径50-

62.5μm应用领域通信网络传感器、内窥镜激光传输系统特种玻璃强化玻璃硼硅酸盐玻璃铅玻璃化学或物理强化低热膨胀系数高折射率、闪烁效应应用手机屏幕、汽车挡风玻璃应用实验室器皿、烹饪用具应用水晶制品、辐射防护纳米材料概述尺寸特点至少一维在范围内1-100nm量子效应表现出不同于常规材料的特性高比表面积表面原子比例显著提高可设计性通过尺寸和形态调控性能碳纳米管结构特点主要类型碳原子形成的管状结构，直径单壁、多壁、功能化碳纳米管1-100nm应用领域优异性能4复合材料、电子器件、能源存储高强度、高导电导热、轻质纳米二氧化硅广泛应用1涂料、橡胶、医药、催化特殊性质高比表面积、增强性能、改善流动性制备方法溶胶凝胶法、沉淀法、火焰水解法-纳米材料的应用表面涂层医疗应用电子和传感能源领域自清洁、抗菌、防腐蚀靶向药物输送、诊断技术高灵敏度传感器、电子元件高效电池、燃料电池、太阳能电池无机非金属复合材料定义特点主要分类由两种以上无机非金属材料组成陶瓷基复合材料发挥各组分的协同效应玻璃基复合材料水泥基复合材料性能优势提高韧性和强度改善耐磨、耐热性赋予特殊功能耐火材料1580°C耐火度至少能耐受1580°C高温70%工业应用钢铁工业中的使用比例4-5使用寿命高炉用耐火砖年限30%能源节约新型耐火材料可节能主要种类硅质、粘土质、高铝质、镁质、碳质、复合型无机涂层材料保护涂层装饰涂层功能涂层生物医用涂层耐腐蚀、耐磨损、耐建筑外墙、艺术品表导电、绝缘、光学、生物相容性、抗菌性高温面催化无机纤维材料玻璃纤维碳纤维陶瓷纤维密度低、绝缘性好高强度、高模量、轻质耐高温、耐腐蚀应用复合材料增强、保温材料应用高性能复合材料、体育器材应用高温隔热、过滤材料半导体材料生物医用材料硬组织替代材料生物陶瓷、生物玻璃应用骨修复、牙科材料心血管材料碳材料、生物陶瓷涂层应用人工心脏瓣膜、支架药物载体多孔硅、生物玻璃应用控释给药系统组织工程支架生物活性陶瓷、复合材料应用组织再生无机非金属材料的制备方法固相法液相法高温固体反应，传统工艺溶胶凝胶、沉淀、水热合成-熔融法气相法熔融结晶、定向凝固化学气相沉积、物理气相沉积固相反应法原料混合精确称量，均匀混合预处理干燥、预烧研磨提高反应活性压制成型增加接触面积高温烧结固体间的扩散反应优点工艺简单，适合大规模生产；缺点反应温度高，物相不均匀溶胶凝胶法-前驱体溶液金属醇盐或无机盐溶液溶胶形成水解反应凝胶化缩聚反应干燥溶剂去除热处理凝胶转化为目标产物优点低温合成，高纯度，可控微结构；应用纳米粉体、薄膜、纤维水热合成法基本原理实验条件应用优势高温高压水溶液中的化学反应温度晶体生长良好100-400°C利用水的临界特性压力数至数十粒度分布均匀MPa MPa设备高压釜反应釜适合难溶性氧化物合成化学气相沉积法气相前驱体气体、蒸气、液体气化物气体传输通过载气输送至反应室气相反应热分解、氧化、还原等沉积成膜在基底表面形成薄膜应用半导体薄膜、光学涂层、硬质涂层、碳纳米管无机非金属材料的表征技术表征技术帮助了解材料的成分、结构、性能和加工过程射线衍射分析X基本原理主要信息应用范围布拉格定律晶相鉴定晶态材料定性定量分析nλ=2dsinθ通过衍射图谱确定晶体结构晶格常数测定相结构变化监测微观应力分析优选取向和织构研究晶粒大小估算扫描电子显微镜分析样品制备形貌分析成分分析切割、研磨、抛光表面形貌观察能谱分析EDS导电处理（喷金或喷碳）晶粒尺寸及分布元素分布断口特征微区成分热分析技术1热重分析TG差示扫描量热DSC测量材料随温度变化的质量变化测量材料吸收或释放的热量分解温度、热稳定性相变、熔融、结晶热膨胀分析DIL热导率分析测量材料随温度变化的尺寸变化测量材料传递热量的能力热膨胀系数、烧结行为隔热材料、散热材料评估无机非金属材料的未来发展趋势精细化原子级精确控制结构和组成集成化多功能复合，智能响应绿色化低能耗制备，可回收再利用极端化4超高温、超高压、超强度材料无机非金属材料在新能源领域的应用太阳能储能氢能硅材料、钙钛矿、透明锂电池电极和电解质材电解水催化剂、固体氧导电氧化物料化物燃料电池核能核燃料包壳、辐射防护材料无机非金属材料在环境保护中的应用净化治理1污水处理、空气净化、土壤修复催化转化2光催化剂、汽车尾气催化转化器吸附分离3分子筛、多孔材料、膜分离技术环境监测气体传感器、水质监测元件总结与展望材料基础掌握无机非金属材料基本理论和制备技术创新发展前沿科技驱动材料革新拓展应用从传统到新兴领域的全面渗透未来方向智能化、绿色化、多功能集成。