第二章 材料的科学魅力与社会进步2-非金属材料(材料与社会4)

反射屏
高刚度,稳定
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碳化硅窑具制品
碳化硅高温陶瓷 碳化硅滑动轴承
碳化硅涡轮转子
再结晶碳化硅辊棒与横梁
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2）碳化硼陶瓷（B4C）
B4C的硬度在自然界中仅次于金刚石和立方氮化硼， 尤其是近于恒定的高温硬度(>30GPa)是其他材料无 可比拟的，故成为超硬材料家族中的重要成员。 在B4C中，硼与碳主要以共价键相结合(>90%)，具 有高熔点、高硬度、高模量、容重小(2.52g〃cm-3) 、耐磨、耐酸碱腐蚀等特点，并具有良好的中子、 氧气吸收能力，较低的膨胀系数(5.0x10-6K-1)、良好 的热电性能，是一种重要的结构陶瓷材料。
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氧化铝性能
氧化铝陶瓷，尤其是刚玉陶瓷结构稳定，具有很高
的耐热性，可以在1600˚C下长期使用，蠕变小，而 且不会氧化。 氧化铝陶瓷具有优良的电绝缘性和耐蚀性，在酸、 碱腐蚀介质中能够安全工作。
氧化铝陶瓷的硬度较高，其硬度仅次于金刚石、立
方氮化硼、碳化硼和碳化硅。 氧化铝陶瓷的原料丰富，分布范围广。 氧化铝陶瓷的缺点是脆性大，耐冲击性差。
高温、高液 喷嘴、轴承、密封、 石油工业 耐磨 压、研磨 阀片 密封、轴承、泵零 耐磨、耐蚀、 强酸、强碱 件、热交换器 气密性 化学工业 气化管道、热电偶 高温氧化 耐高温腐蚀 套管 燃烧器部件、涡轮 低摩擦、高 能源工业 发动机燃烧 增压转子、燃气轮 强度、低惯 机叶片、喷嘴 性、抗热震
通识教育选修示范课程（材料与社会） 工业领域 使用环境
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第二章 材料的科学魅力与社会进步
主讲教师： 孙士斌
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本章主要内容
材料科学基础
无所不在的金属材料 古老又年轻的陶瓷材料
博采众长的复合材料
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二、古老又年轻 的陶瓷材料
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碳化物陶瓷 包括SiC、B4C、WC、TiC、Cr3C2等。
氮化物陶瓷 包括Si3N4、AlN、TiN、BN等。
硼化物陶瓷 包括TiB2、ZrB2等。
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陶瓷的分类（根据性能）
按原料、性能和应用不同，陶瓷可分为传统陶瓷 和现代陶瓷。 传统陶瓷 也称普通陶瓷，包括日用器皿、建筑 和卫生用品等。
2）二氧化硅陶瓷
存在形成：硅石 玛瑙 水晶 石英
分为:晶体（石英和水晶），无定形（硅藻土）
二氧化硅用于制造平板玻璃、石英玻璃、水玻璃、光导纤 维、光学仪器、工艺品和耐火材料的原料，是科学研究的 重要材料。 石英砂常用作玻璃原料和建筑材料。 自然界里比较稀少的水晶可用以制造电子工业的重要部件、 光学仪器和工艺品。 较纯净的石英，可用来制造石英玻璃。石英玻璃膨胀系数 很小，相当于 普通玻璃的1/18，能经受温度的剧变，耐酸 性能好（除HF外），因此常用来制造耐高温的化学仪器。
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碳化硼特种吸收体—提供能力遨游太空。 有：“ 黑金子”之称的碳化硼，以粉末状态应用在能源上 ，作为传送火箭的固体燃料。 碳化硼添加剂—化工行业的好伙伴。 由于化学性 能稳定，碳化硼与酸、碱溶液不起反应，具有高化 学位，所以被大量用于生产其他含硼材料，如硼化 锆、硼化钛等。
1400℃不下降)，热导率高(120W/m.K)，抗氧化性好(在
空气中可在1500℃以下长期使用)。

原料的制备方法：化合法、碳热还原法、气相沉积法、
自蔓延高温合成法、有机硅前驱体法。

SiC陶瓷制备方法：热压烧结、常压烧结、反应烧结等。
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碳化硅陶瓷的应用领域
领域 使用环境 用 途 主要优点
碳化硼—高级耐火材料必不可少。 由于碳化硼具 有抗氧化、耐高温的特性，被用作高级的定形和不 定形耐火材料广泛应用在冶金各个领域，如钢铁炉 具、窑具等。
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3）碳化钛陶瓷（TiC）
TiC属面心立方晶型，熔点高。 TiC陶瓷强度较高，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
(3) 塑性极差：在室温几乎没有塑性，韧性差，脆性大，是陶瓷的最大缺点。
(4) 热膨胀性低，导热性差，较好的绝热材料（λ=10-2～10-5w/m﹒K）。
(5) 热稳定性—抗热振性，在不同温度范围波动时不破裂所能承受的最高温 度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220℃）。
(6) 化学稳定性好：耐高温，耐腐蚀（抗液体金属、酸、碱、盐）
机械、矿业 造纸工业
用
途
主要优点
热处理、炼 钢
核工业
喷砂嘴、内衬、泵 研磨 耐磨 零件 密封、管套、轴承、 耐磨、耐蚀、 纸浆废液 成形板 低摩擦 热电偶套管、辐射 耐热、耐蚀、 高温气体 管、热交换器 气密性 含硼高温水 密封、轴套 封装材料、基片 耐辐射 导热、绝缘
微电子工业 大功率散热
激光
大功率高温
现代陶瓷 也称工程陶瓷、特种陶瓷或精细陶瓷
，分为结构陶瓷、功能陶瓷和生物陶瓷三类。
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1、氧化物陶瓷
1）氧化铝陶瓷
成分： Al2O3＋少量SiO2 根据 Al2O3 的质量分数不同，氧化铝陶瓷可以分为 75 瓷 (75%Al2O3) 、 95 瓷 (95%Al2O3) 和 99 瓷 (99%Al2O3)。 Al2O3 含量大于 46% 的氧化铝陶瓷称为高铝陶瓷， Al2O3含量为90-99.5%的氧化铝陶瓷称为刚玉瓷。
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B4C陶瓷的应用
碳化硼--精细高级的研磨材料。由于碳化硼研磨效率 高，作为研磨介质主要用于材料的磨细工艺中，如： 宝石、陶瓷、刀具、轴承、硬质合金等硬质材料的磨 削、研磨、钻孔及抛光等。 碳化硼--工业陶瓷材料的首选。由碳化硼粉末压制成 的制品：喷砂嘴、密封环、喷管、轴承、泥浆泵的柱 塞和火箭发射架、军舰、直升飞机的陶瓷途层等作为 一种新型材料，具有高熔点、高硬度、高弹性模量、 耐磨力强、自润性好等特点而被广泛用于喷砂机械、 电子、信息、航空航天、汽车等行业。
SiC)。
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℃在氮气氛中能形成氮化物。
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碳化钛陶瓷的应用
TiC陶瓷硬度大，是硬质合金生产的重要原料，TiC和
TiN、WC、Al2O3等原料制成各类复相陶瓷材料，可 用于制造耐磨原料、切削刀具材料、机械零件等，还 可制作熔炼锡、铅、镉、锌等金属的坩埚。 透明TiC陶瓷是良好的光学材料。
9.2 9.3 8-9
3320 4950 2850 2910
8-9 9
2840 1730
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各种碳化物开始强烈氧化的温度
碳化物 TiC ZrC TaC NbC 强烈氧 化温度 /℃ VC 800~ 1100 Mo2C WC SiC 1300~ 1400
1100~1400
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碳化硼屏蔽和控制材料 -- 核工业的安全保障。碳化 硼材料由于其具有较大的热中子俘获截面，具有极 好的吸收中子和抗辐射性能，被国际公认推荐为最 佳的核反应堆的控制材料和屏蔽材料。
碳化硼防弹装甲 -- 增强国防力量。由于强度高、比 重小、特别适合在轻质防弹装甲中使用，如飞机、 车辆、舰船和人体的防护。 碳化硼合金粉末 -- 提高机械零部件的寿命。将碳化 硼粉末同金属结合生成金属为基的合金粉末，经过 这种材料做特殊的表面处理，使原有的机械零部件 更 加 耐 磨 损 且 抗 酸 碱 腐 蚀 性 增 强 。
古老的陶瓷
人类最早、最伟大的文明创造。
自然物质与人类精神的完美结合。
新石器时代的标志。
中华文明的伟大象征之一 。
通识教育选修示范课程（材料与社会） 陶器是用黏土或陶土为胎，经 手制、轮制、模制等方法加工 成型后，在800—1000˚C 高温 下焙烧而成的物品。
秦 兵 马 俑
亦称陶俑，是典型的陶制品。
500~800
碳化物在非常高的温度下均会发生氧化，但许多碳 化物的抗氧化能力都比 W 、 Mo 等高熔点金属好，这是 因为在许多情况下碳化物氧化后所形成的氧化膜具有提 高抗氧化性能的作用。
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1）碳化硅陶瓷（SiC）

硬度高(Hv=2840-3320)，强度好(室温300~500MPa,
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氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材 料，如耐火砖、坩埚、热偶套 管，淬火钢的切削刀具、金属 拔丝模，内燃机的火花塞，火 箭、导弹的整流罩及轴承等。
Al2O3化工、耐磨陶瓷配件
氧化铝耐高温喷嘴
氧化铝陶瓷坩埚
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氧化铝耐火砖
氧化铝轴承
陶瓷套管
通识教育选修示范课程申报（材料与社会）
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最早出现于距今3000多 年前的商周，后经过近 1000年的发展，到汉代 已日趋成熟，在唐、宋、 元、明、清历代，造瓷 技术水平登峰造极。
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陶瓷定义
狭义定义：以粘土为主要原料，经高温烧制的制品，包括陶 器，瓷器和炽器等。 广义定义：经高温烧制的无机非金属材料的总称，包括砖瓦、 耐火材料、玻璃、水泥、石墨以及各种碳化物、氮化物、硼 化物、硅化物、氧化物等。
陶瓷—是用天然或人工合成的粉状化合物，
经过成型和高温烧结制成的，由无机化合物 构成的多相固体材料。