非金属工艺学课件：chap18-other_new_ceramics
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无机非金属材料工艺学课件(PPT 79页)
中硬化，如石灰、
胶凝材料分类石膏等。 有机胶凝材料，如沥青，各种树脂等。
按组成物质分类
水硬性胶凝材料
无机胶凝材料 10 气硬性胶凝材料
用石灰、石膏 作为胶凝材料
11
水泥的发明
19世纪初（1810~1824年），用人工配合粘土与石灰石 经煅烧、磨细以制造水硬性胶凝材料已经开始组织生产。 1824年，英国人阿斯普丁将粘土与石灰石配合烧制成块（熟 料），再经磨细而成水硬性胶凝材料，加水拌和后能硬化制 成人工石，并具有较高强度，其外观与当时建筑上常用的英 国波特兰岛上出产的岩石相似，故称之为“波特兰水泥” （Portland Cement)，并于1824年10月21日首先获得该产品 的专利权。
（4）成型 无机非金属材料产品由于使用、进一步加工等过程的需要，
成型是生产的环节之一。
陶瓷成型在热加工之前；
玻璃成型在热加工之后；
水泥成型主要在使用时，如加工混凝土制品等。
8
（5）烘干
烘干是为了除去物料或坯体中一定量的自由水。 陶瓷成型后的坯体必须经过干燥，才能进入烧成。 （6）高温热处理
无机非金属材料工业所用原料具有很好的稳定性和耐 高温性，它们互相反应生成新的物质或使其形成熔融体， 必须在较高的温度下进行，因此大部分无机非金属材料生产 都需要高29
典型生产工艺流程
机械化立窑水泥生产工艺流程图
30
典型生产工艺流程
回转窑水泥生产工艺流程图
31
典型生产工艺流程
玻璃类（浮法）
32
典型生产工艺流程
陶瓷（釉面砖类）
33
典型生产工艺流程
碳素材料类
34
图0-2-1 物质内能与体积随温度的变化
35
图0-2-2 不同冷却速度下玻璃的比容与温度的关系
胶凝材料分类石膏等。 有机胶凝材料，如沥青，各种树脂等。
按组成物质分类
水硬性胶凝材料
无机胶凝材料 10 气硬性胶凝材料
用石灰、石膏 作为胶凝材料
11
水泥的发明
19世纪初（1810~1824年），用人工配合粘土与石灰石 经煅烧、磨细以制造水硬性胶凝材料已经开始组织生产。 1824年，英国人阿斯普丁将粘土与石灰石配合烧制成块（熟 料），再经磨细而成水硬性胶凝材料，加水拌和后能硬化制 成人工石，并具有较高强度，其外观与当时建筑上常用的英 国波特兰岛上出产的岩石相似，故称之为“波特兰水泥” （Portland Cement)，并于1824年10月21日首先获得该产品 的专利权。
（4）成型 无机非金属材料产品由于使用、进一步加工等过程的需要，
成型是生产的环节之一。
陶瓷成型在热加工之前；
玻璃成型在热加工之后；
水泥成型主要在使用时，如加工混凝土制品等。
8
（5）烘干
烘干是为了除去物料或坯体中一定量的自由水。 陶瓷成型后的坯体必须经过干燥，才能进入烧成。 （6）高温热处理
无机非金属材料工业所用原料具有很好的稳定性和耐 高温性，它们互相反应生成新的物质或使其形成熔融体， 必须在较高的温度下进行，因此大部分无机非金属材料生产 都需要高29
典型生产工艺流程
机械化立窑水泥生产工艺流程图
30
典型生产工艺流程
回转窑水泥生产工艺流程图
31
典型生产工艺流程
玻璃类（浮法）
32
典型生产工艺流程
陶瓷（釉面砖类）
33
典型生产工艺流程
碳素材料类
34
图0-2-1 物质内能与体积随温度的变化
35
图0-2-2 不同冷却速度下玻璃的比容与温度的关系
《非金属材料加工》课件
其他加工设备
总结词
除了切削和磨削加工设备外，还有许多其他类型的加工设备 用于非金属材料加工。
详细描述
这些设备包括注塑机、压铸机、热压机等。这些设备通过不 同的工艺和方法将非金属材料加工成所需的形状和尺寸。这 些加工方法具有生产效率高、成本低等优点，广泛应用于非 金属材料加工领域。
05
非金属材料的加工质量控制
详细描述
非金属材料种类繁多，根据其性质和用途可以分为 不同的类别。常见的无机非金属材料包括陶瓷、玻 璃、水泥、耐火材料等，而常见的有机非金属材料 则包括塑料、橡胶、木材等。
非金属材料的特点与应用
总结词
非金属材料具有独特的物理、化学和机械性能，广泛应用于建筑、化工、电子 、航空航天等领域。
详细描述
例如，陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性和耐腐蚀性，适用于制造高温炉具、刀 具等；塑料轻便且绝缘性好，广泛用于电子电器、汽车等领域；木材纹理美观 、可塑性强，常用于家具制造和建筑装修等。
磨削加工设备
总结词
磨削加工是通过砂轮等磨具对非金属材料进行磨削和抛光的一种方法，磨削加工设备是实现这一过程 的重要工具。
详细描述
磨削加工设备主要包括平面磨床、无心磨床、内圆磨床等。这些设备通过高速旋转的砂轮对非金属材 料进行磨削，以达到所需的表面质量和尺寸精度。磨削加工具有加工精度高、表面质量好等优点，广 泛应用于非金属材料加工领域。
切削加工技术
切削加工技术是指通过切削工 具对非金属材料进行切削加工 ，以达到所需的形状和尺寸。
切削加工技术包括铣削、车削 、钻孔和切割等，不同的切削 加工方法适用于不同的非金属 材料和加工需求。
切削加工技术对于实现非金属 材料的快速、高效加工具有重 要意义。
非金属工艺学课件：chap12-Smart_ceramics-A
(V1-xCrx)2O3为三角晶系，在l00℃左右，晶
4、PTC热敏陶瓷的应用
PTC热敏陶瓷的应用主要是利用三个基 本特性：R－T、 I－t 及 V－I特性。
对温度敏感：马达的过热保护、液面深度探 测、温度控制和报警、非破坏性保险丝、晶体 管过热保护、温度电流控制器等 延迟：彩电自动消磁器、马达启动器、延迟开 关等。延迟时间从几分之一秒到几分钟。 加热器：等温发热件、空调加热器等
稳定氧化锆
位置 速度 传感 器
反射波 的波形 变化
压电效应
PZT：锆钛酸铅
鱼探仪， 探伤仪， 血流计
§12.2 热敏陶瓷
一、PTC陶瓷 二、NTC陶瓷
热敏陶瓷
具有热敏感特性的陶瓷，是利用材料的 电阻、磁性、介电性等性质随温度而变 化的现象制作的器件，可用于制作温度 的测定、线路温度补偿及稳频等元件， 具有灵敏度高、稳定性好、制造工艺简 单及价格便宜等待点。
放热特性
根据不同用途，PTC热敏电阻陶瓷元件有各种 不同的形状。例如，制作温度传感器时, 通常 做成圆盘形；作发热体使用时，除了做成圆盘 形外，还有平板形、U琴形和蜂窝形等。 当PTC元件通过一定电流时，由于功耗本身将 发热，同时向周围环境散发一部分热量。在稳 定状态时，从PTC元件表面放出的热能P为： P＝C(T一Ta) Ta－环境温度
Daniels模型－钡空位扩散模型
l 976年，Daniels等人以BaTiO3缺陷模型 为基础，在海旺模型的基础上提出了一 个新的模型，其最根本的改进是将晶界 处的二维表面态扩展到一定空间范围 内，高氧分压下，施主掺杂的BaTiO3中 的施主电子被双电离的钡缺位所补偿， 因此电中性方程可以简化成：
无机非金属材料课件
2
电子行业
电路板、绝缘材料等
3
化工行业
催化剂、粉末材料等
无熔点，使其熔化成型。
2
溶胶-凝胶法
通过控制溶胶和凝胶的形成过程制备材料。
3
气相沉积法
利用化学反应气体形成材料。
无机非金属材料的市场前景
1 广泛应用
市场需求量大，应用领域广泛。
2 创新发展
新材料的出现不断推动市场发展。
玻璃材料
如玻璃器皿、建筑玻璃等，具有透明、光滑的 特性。
聚合物材料
如塑料、橡胶等，具有良好的可塑性和耐磨性。
陶瓷材料
如水泥、石膏等，具有良好的外观和耐久性。
无机非金属材料的性质和特点
• 高熔点和硬度 • 良好的绝缘性能 • 抗腐蚀性能强 • 多种颜色和外观
无机非金属材料的应用领域
1
建筑领域
玻璃窗、砖瓦等
无机非金属材料ppt课件
无机非金属材料是一类在自然界中存在的无机物质，没有金属的特性。 这些材料在我们的日常生活中扮演着重要的角色。
什么是无机非金属材料
无机非金属材料是指不含金属元素的材料，主要由非金属原子组成。 这种材料通常具有高熔点、高耐腐蚀性和良好的绝缘性能。
常见的无机非金属材料
陶瓷材料
如瓷器、砖瓦等，具有高硬度和耐磨性。
3 环保意识
对环境友好的无机非金属材料受到青睐。
总结和展望
无机非金属材料在现代社会中扮演着重要的角色，持续创新和环保意识将促 进其未来发展。
非铁金属之生产
非铁金属之生产
•06
4.2 非鐵金屬
冶煉
n 礦砂在還原之前，必須從脈石 (gangue) 分 離出來，此種程序稱為「選礦」，濃縮或 「選礦」的方法和淘金相似
n 將礦砂及脈石磨成細粉末，而與水混合， 然後加入定量的特別油劑，並劇烈的攪動， 即產生大量泡沫，金屬化合物就懸浮於泡 沫上，取出後即可用於煉製
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非铁金属之生产
•06
4.3 鋁的生產
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非铁金属之生产
•07
4.4 鎂的生產
石灰和海水產生作用時，氫氧化鎂便 沉入沉澱槽底部，形成一種稀泥漿，然 後抽出，此約含12% 氫氧化鎂。這些漿 液經過過濾後可獲得濃度更濃的氫氧化 物，再藉著加入鹽酸而使得這些濃的氫 氧化物轉變成氯化鎂。蒸發除去水份， 經再過濾與特殊乾燥之後，可得68% 濃 度的氯化鎂
n 冷室壓鑄機
非铁金属之生产
•07
4.9 壓鑄合金
鉛基合金
n 純鉛在
時會熔化，如果加入
16% 銻作成合金，則熔化溫度大約是
n 銻是與鉛合用的主要元素，其百分比大約 為9.25-16%
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非铁金属之生产
•07
4.9 壓鑄合金
錫基合金
n 抗蝕性強，並且其中部份非常適用於食物 或飲料容器
n 錫合金的承載性質佳，能夠在精密的尺寸 公差內鑄造
非铁金属之生产
•07
4.7 非鐵金屬的鑄造
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非铁金属之生产
•07
4.7 非鐵金屬的鑄造
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非铁金属之生产
•07
4.8 鍛合金
鍛造材料是利用冷作或熱作 (hot or cold working)，而可將其鍛造成所需要的形 狀
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第 十八 章 其他新型陶瓷
Other New Ceramics
内容提要
§18.1 快离子导体陶瓷 §18.2 多孔陶瓷 §18.3 陶瓷纤维
§18.1 快离子导体陶瓷
Fast Ion Conductor Ceramics
一、快离子导体概述
1、定义：通常把离子电导率大于0.01Ω-1cm1，活化能小于0.5eV的物质称为快离子导 体。也称超离子导体，或固体电解质。固体 电解质是具有离子导电性能的固体物质。多 数快离子导体是无机化合物，也有不少有机 材料是银、铜和氢离子的快离子导体。用于 基础研究的快离子导体多数是单晶体，但实 际应用时常采用多晶材料。近来又开始了非 晶态快离子导体的研究工作。
2、快离子导体发展历史
早在100年前，法拉第就发现了第一个固体电 解质PbF2。 用掺杂氧化锆做成的宽带光源 (通常称为“能斯 脱光源”) 是快离子导体的第一个应用。 上世纪30年代中期，Strock又发现AgI的高温 相有很高的离子电导率。 上世纪60年代中期，几乎同时发现了以银离子 为载流子的复合AgI化合物和以钠离子为载流 子的β-Al2O3族化合物，这两类化合物在室温或 不太高的温度下，它们的离子电导率相当高， 10-1Ω-1cm-1，相当于熔盐的导电水平。
4、氢离子导体－质子导体
• 氢离子导体在能源及电化学器件等方面具 有潜在的应用前景。一种经济又无污染的 储能方法是：将水电解得到氢．再将氢作 为燃料、通过氢氧燃料电池来发电，在此 过程中，氢和氧又化合成水。这种理想的 循环可以借助水电解池和氢氧燃料电池的 联用来实现。在该循环中，水电解和氢氧 燃料电池发电，均需要氢离子导体或氧离 子导体作为隔膜材料。
• 近10年来，国际上对快离子导体的导电机 制，从晶体结构、离子传导机理及传导动 力学等角度进行了广泛深入的研究，以求 对快离子传导理论获得一个统一的，具有 一定概括性的认识。 • 现已发表的有关快离子导体的一些基本理 论尚不甚完整，离子电导机理尚有待进一 步深入研究。
3、快离子导体模型
• 快离子导体的晶体由两种亚晶格构成．一种是 不运动离子的亚晶格，另一种是运动离子的亚 晶格。当离子晶体处在快离子相时，不运动离 子被束缚在固定的位置上，作有限幅度的振 动，形成快离子相的骨架，为运动离子的运动 提供通道；运动离子则像液体那样在晶格中作 布朗运动，它们可以在平衡位置附近振动，也 可以穿越两个平衡位置间的势垒进行扩散。运 动离子亚晶格具有液和铜的卤化物和硫属化合物都有 上面特性。如：CuBr, CuI, Ag2Se和AgTe. • 室温快离子导体：AgSI, RbAg4I5， RbAg4I5， 0.27 Ω-1cm-1，室温电导率最高
• 银离子导体的缺点是不太稳定、价格昂贵 • 铜离子导体具有与银离子导体类似的性质．而价 格比较便宜。如：RbCu4Cl3I2和Rb4Cu16Cl13I7是 目前室温下电导率较高的快离子导体。
5、氧离子导体
• 在已发现的氧离子导体中，主要是适用于6001600oC和高、中氧分压区间的萤石型和钙钛矿 型结构的氧化物。 • 发现最早、应用最广的是以二价碱土氧化物和三 价稀土氧化物稳定的ZrO2固溶体. • 掺杂的Bi2O3固溶体在低温下的离子传导性能超 过ZrO2固溶体. • 随着核能、有机化工、机械等工业等领域的发 展，迫切需要可以在低温、低氧分压应用的、耐 腐蚀的或在更高温度下使用的新的氧离子导体。
二、快离子导体材料
• 现已发现的快离子导体材料有数百种之 多，按其导电离子的类型可分为阳离子 导体(Na＋、Ag+、Li +、Cu＋)和阴离子导 体(F- 、O2-)两大类。 • 1、银、铜离子导体
146oC
β－AgI ⇒ α－ AgI , S增加3个数量级，1.3 Ω-1cm-1
阴离子置换、阳离子置换、和混合离 子置换
锂离子传导的通道类型
• 可分为一维、二维、三维传导三大类。一维传导 的锂离子导体是指锂离子在晶体结构中的传输通 道都是同一指向的。 β－LiAlSiO4 • 二维传导锂离子导体是指锂离子在晶体结构中某 一面上迁移的锂离子导体，一般发生在层状结 构。 Liβ－Al2O3 和Li3N • 三维传导的锂离子导体是骨架结构的，可在三维 方向上迁移，因而传导性能基本上是各向同性 的。从结构角度分析，三维传导比一维或二维传 导具有更多的迁移通道，可能获得更好的离子传 导性能。Li14Zn(GeO4)4
氢离子导体种类
• 某些质子β－Al2O3具有较高的室温电导 率。其它无机氢离子导体和有机氢离子导 体的电导率较小。 • Na β－Al2O3 是人们熟知的二维传导的钠离 子导体，钠氧层中的钠离子可被H+, H3O+, NH4+所置换而产生具有质子电导的H+ β－ Al2O3， H3O+ β－Al2O3, NH4+ β－Al2O3， 分为单晶和多晶体，多晶体才可能实际应 用。
• 在已发现的快离子导体化合物中，主要的 迁移离子是Na＋、Ag+、Li +、Cu＋、F- 等一 价离子。这些低价离子在晶格内的键型主 要是离子键，与晶格中固定离子间的库仑 引力较小，故易迁移。晶体结构中有合适 的相连接的结晶学通道，是产生快离子传 导的另一个条件。因此，特定的晶格结构 和离子性质(大小、极化力等)的组合，共同 决定离子的传导作用。
2、钠离子导体
• β-氧化铝：一大类铝酸盐的总称。通式为： nA2O3-M2O (A3+: Al3+, Fe3+; M+: Na+, K+, Ag+, H+), 非化学计量比化合物。 • 由于M＋离子在结构的松堆积面中扩散，产生很高 的离子电导。 • β-氧化铝：Na2O-11Al2O3 β’’-氧化铝：Na2O-5.33Al2O3
一般多晶电导率较单晶电导率为低；活化能也有类似 关系，单晶活化能为0.16eV，而多晶为0.17-0.26eV。
3、锂离子导体
• 锂离子导体是近年来在研究广度上与钠离 子导体相当的快离子导体。由于锂比钠更 轻，锂的电极电势更负。采用锂或锂合金 作阳极时，对同样的阴极材料，锂电池可 比钠电池有更高的电池电动势，从而具有 更高的能量密度和功率密度。以锂离子导 体作为隔膜材料的室温固态锂电池，由于 其寿命长、装配方便、易于小型化等优 点．引起广泛的重视。
Other New Ceramics
内容提要
§18.1 快离子导体陶瓷 §18.2 多孔陶瓷 §18.3 陶瓷纤维
§18.1 快离子导体陶瓷
Fast Ion Conductor Ceramics
一、快离子导体概述
1、定义：通常把离子电导率大于0.01Ω-1cm1，活化能小于0.5eV的物质称为快离子导 体。也称超离子导体，或固体电解质。固体 电解质是具有离子导电性能的固体物质。多 数快离子导体是无机化合物，也有不少有机 材料是银、铜和氢离子的快离子导体。用于 基础研究的快离子导体多数是单晶体，但实 际应用时常采用多晶材料。近来又开始了非 晶态快离子导体的研究工作。
2、快离子导体发展历史
早在100年前，法拉第就发现了第一个固体电 解质PbF2。 用掺杂氧化锆做成的宽带光源 (通常称为“能斯 脱光源”) 是快离子导体的第一个应用。 上世纪30年代中期，Strock又发现AgI的高温 相有很高的离子电导率。 上世纪60年代中期，几乎同时发现了以银离子 为载流子的复合AgI化合物和以钠离子为载流 子的β-Al2O3族化合物，这两类化合物在室温或 不太高的温度下，它们的离子电导率相当高， 10-1Ω-1cm-1，相当于熔盐的导电水平。
4、氢离子导体－质子导体
• 氢离子导体在能源及电化学器件等方面具 有潜在的应用前景。一种经济又无污染的 储能方法是：将水电解得到氢．再将氢作 为燃料、通过氢氧燃料电池来发电，在此 过程中，氢和氧又化合成水。这种理想的 循环可以借助水电解池和氢氧燃料电池的 联用来实现。在该循环中，水电解和氢氧 燃料电池发电，均需要氢离子导体或氧离 子导体作为隔膜材料。
• 近10年来，国际上对快离子导体的导电机 制，从晶体结构、离子传导机理及传导动 力学等角度进行了广泛深入的研究，以求 对快离子传导理论获得一个统一的，具有 一定概括性的认识。 • 现已发表的有关快离子导体的一些基本理 论尚不甚完整，离子电导机理尚有待进一 步深入研究。
3、快离子导体模型
• 快离子导体的晶体由两种亚晶格构成．一种是 不运动离子的亚晶格，另一种是运动离子的亚 晶格。当离子晶体处在快离子相时，不运动离 子被束缚在固定的位置上，作有限幅度的振 动，形成快离子相的骨架，为运动离子的运动 提供通道；运动离子则像液体那样在晶格中作 布朗运动，它们可以在平衡位置附近振动，也 可以穿越两个平衡位置间的势垒进行扩散。运 动离子亚晶格具有液和铜的卤化物和硫属化合物都有 上面特性。如：CuBr, CuI, Ag2Se和AgTe. • 室温快离子导体：AgSI, RbAg4I5， RbAg4I5， 0.27 Ω-1cm-1，室温电导率最高
• 银离子导体的缺点是不太稳定、价格昂贵 • 铜离子导体具有与银离子导体类似的性质．而价 格比较便宜。如：RbCu4Cl3I2和Rb4Cu16Cl13I7是 目前室温下电导率较高的快离子导体。
5、氧离子导体
• 在已发现的氧离子导体中，主要是适用于6001600oC和高、中氧分压区间的萤石型和钙钛矿 型结构的氧化物。 • 发现最早、应用最广的是以二价碱土氧化物和三 价稀土氧化物稳定的ZrO2固溶体. • 掺杂的Bi2O3固溶体在低温下的离子传导性能超 过ZrO2固溶体. • 随着核能、有机化工、机械等工业等领域的发 展，迫切需要可以在低温、低氧分压应用的、耐 腐蚀的或在更高温度下使用的新的氧离子导体。
二、快离子导体材料
• 现已发现的快离子导体材料有数百种之 多，按其导电离子的类型可分为阳离子 导体(Na＋、Ag+、Li +、Cu＋)和阴离子导 体(F- 、O2-)两大类。 • 1、银、铜离子导体
146oC
β－AgI ⇒ α－ AgI , S增加3个数量级，1.3 Ω-1cm-1
阴离子置换、阳离子置换、和混合离 子置换
锂离子传导的通道类型
• 可分为一维、二维、三维传导三大类。一维传导 的锂离子导体是指锂离子在晶体结构中的传输通 道都是同一指向的。 β－LiAlSiO4 • 二维传导锂离子导体是指锂离子在晶体结构中某 一面上迁移的锂离子导体，一般发生在层状结 构。 Liβ－Al2O3 和Li3N • 三维传导的锂离子导体是骨架结构的，可在三维 方向上迁移，因而传导性能基本上是各向同性 的。从结构角度分析，三维传导比一维或二维传 导具有更多的迁移通道，可能获得更好的离子传 导性能。Li14Zn(GeO4)4
氢离子导体种类
• 某些质子β－Al2O3具有较高的室温电导 率。其它无机氢离子导体和有机氢离子导 体的电导率较小。 • Na β－Al2O3 是人们熟知的二维传导的钠离 子导体，钠氧层中的钠离子可被H+, H3O+, NH4+所置换而产生具有质子电导的H+ β－ Al2O3， H3O+ β－Al2O3, NH4+ β－Al2O3， 分为单晶和多晶体，多晶体才可能实际应 用。
• 在已发现的快离子导体化合物中，主要的 迁移离子是Na＋、Ag+、Li +、Cu＋、F- 等一 价离子。这些低价离子在晶格内的键型主 要是离子键，与晶格中固定离子间的库仑 引力较小，故易迁移。晶体结构中有合适 的相连接的结晶学通道，是产生快离子传 导的另一个条件。因此，特定的晶格结构 和离子性质(大小、极化力等)的组合，共同 决定离子的传导作用。
2、钠离子导体
• β-氧化铝：一大类铝酸盐的总称。通式为： nA2O3-M2O (A3+: Al3+, Fe3+; M+: Na+, K+, Ag+, H+), 非化学计量比化合物。 • 由于M＋离子在结构的松堆积面中扩散，产生很高 的离子电导。 • β-氧化铝：Na2O-11Al2O3 β’’-氧化铝：Na2O-5.33Al2O3
一般多晶电导率较单晶电导率为低；活化能也有类似 关系，单晶活化能为0.16eV，而多晶为0.17-0.26eV。
3、锂离子导体
• 锂离子导体是近年来在研究广度上与钠离 子导体相当的快离子导体。由于锂比钠更 轻，锂的电极电势更负。采用锂或锂合金 作阳极时，对同样的阴极材料，锂电池可 比钠电池有更高的电池电动势，从而具有 更高的能量密度和功率密度。以锂离子导 体作为隔膜材料的室温固态锂电池，由于 其寿命长、装配方便、易于小型化等优 点．引起广泛的重视。