第四章：无机非金属材料.

第四章：无机非金属材料本章主要内容无机非金属材料概论结构陶瓷材料功能陶瓷材料传统日用、建筑材料什么是无机非金属材料金属材料和有机高分子材料以外的固体材料通称为无机非金属材料。

主要特性：熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐氧化、弹性模量大、强度高。

一般为脆性材料陶瓷材料的物质结构陶瓷材料的结合键陶瓷材料的组成相的结合键为离子键（MgO、Al2O3）、共价键（金刚石、Si3N4）以及离子键与共价键的混合键以离子键结合的晶体称为离子晶体。

离子晶体在陶瓷材料中占有很重要的地位。

它具有强度高、硬度高、熔点高、等特点。

但这样的晶体脆性大，无延展性，热膨胀系数小，固态时绝缘，但熔融态可导电等特点。

金属氧化物晶体主要以离子键结合，一般为透明体。

以共价键结合的晶体称为共价晶体。

共价晶体具有方向性和饱和性，因而共价键晶体的原子堆积密度较低。

共价键晶体具有强度高、硬度高、熔点高、结构稳定等特点。

但它脆性大，无延展性，热膨胀系数小，固态、熔融态时都绝缘。

最硬的金刚石、SiC、Si3N4、BN等材料都属于共价晶体。

陶瓷材料的相组成晶体相晶体相是陶瓷材料最主要的组成相，主要是某些固溶体或化合物，其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料的特性和应用。

晶体相又分为主晶相、次晶相和第三相。

陶瓷中晶体相主要有含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐等）、氧化物（MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC，Si3N4）等。

硅氧四面体是硅酸盐陶瓷中最基本的结构单元。

玻璃相玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分，其结构类似于玻璃。

玻璃相的作用是：将分散的晶体相粘结起来，填充晶体之间的空隙，提高材料的致密度；降低烧成温度，加快烧结过程；阻止晶体转变、抑止晶粒长大。

玻璃相对陶瓷强度、介电常数、耐热性能是不利的。

气相（气孔）陶瓷中气孔主要是坯体各成分在加热过程中单独或互相发生物理、化学作用所生成的空隙。

这些空隙可由玻璃相来填充，还有少部分残留下来形成气孔。

气孔对陶瓷的性能是不利的。

它降低材料的强度，是造成裂纹的根源。

陶瓷材料的晶体缺陷点缺陷陶瓷材料晶体中存在的置换原子、间隙原子和空位等缺陷称之为点缺陷。

陶瓷材料的很多性质如导电性与点缺陷有直接关系。

此外，陶瓷材料的烧结、扩散等物理化学过程也与点缺陷有关。

线缺陷位错是陶瓷材料晶体中存在线缺陷。

陶瓷材料中位错形成所需要的能量较大，因此，不易形成位错。

陶瓷材料中位错密度很低。

陶瓷材料主要是离子键和共价键。

这两种结合键造成位错的可动性降低。

当位错滑移事，离子键中同号离子相斥，导致离子键断裂；而共价键的方向性和饱和性，具有确定的键长和键角，位错的滑移也会导致共价键的破断。

面缺陷陶瓷材料一般是多晶材料。

多晶材料中存在的晶界和亚晶界就是陶瓷材料中的面缺陷。

我们知道晶粒细化可以提高材料的强度。

晶界对金属材料和陶瓷材料强度的提高作用机理是不同的。

对金属材料来说，晶界阻碍位错的运动，从而强化了材料；而对陶瓷材料来说，利用晶界两侧晶粒取向的不同来阻止裂纹的扩展，提高强度陶瓷材料的性能特点力学性能硬度陶瓷的硬度很高，多为1000Hv～1500Hv（普通淬火钢的硬度500～800Hv）。

陶瓷硬度高的原因是离子晶体中离子堆积密度大、以及共价晶体中电子云的重叠程度高引起的。

刚度陶瓷的刚度很高。

刚度是由弹性模量衡量的，而弹性模量又反映其化学键的键能。

离子键和共价键的键能都要高于金属键，因此陶瓷材料的弹性模量要高于金属材料。

强度陶瓷材料的强度取决于键的结合力，理论强度很高。

但陶瓷中由于组织的不均匀性，内部杂质和各种缺陷的存在，使得陶瓷材料的实际强度要比理论强度低100多倍。

陶瓷材料的强度也受晶粒大小的影响。

晶粒越细，强度越高。

此外，陶瓷材料一般具有优于金属材料的高温强度，高温抗蠕变能力强，且有很高的抗氧化性。

常用于高温材料。

塑性与韧性陶瓷材料的塑性和韧性较低，这是陶瓷最大的弱点。

陶瓷材料受到载荷时在不发生塑性变形的情况下，就发生断裂。

断裂是裂纹形成和扩展的过程。

陶瓷内部和表面所产生的微裂纹，由于裂纹尖端的应力集中，内部裂纹在受到外应力时扩展很快，这是导致陶瓷材料断裂的根本原因。

热学性能熔点陶瓷材料由离子键和共价键结合，因此具有较高的熔点。

热容陶瓷材料在低温下热容小，在高温下热容增大。

热膨胀陶瓷材料的热膨胀系数小，这是由晶体结构和化学键决定的。

一般为10－5～10－6/K。

陶瓷材料加工方法配料——成形——煅烧结构陶瓷材料结构陶瓷的种类氧化物结构陶瓷炭化物结构陶瓷氮化物结构陶瓷氧化物结构陶瓷特点：化学稳定性好、抗氧化性强、熔融温度高、高温强度高。

Al2O3陶瓷Al2O3陶瓷又称高铝陶瓷，主要成分是Al2O3和SiO2。

主晶相为刚玉（α－Al2O3），随着SiO2质量百分数的增加，还出现莫来石和玻璃相。

根据陶瓷坯中主晶相的不同，分为刚玉瓷、刚玉－莫来石瓷和莫来石瓷。

Al2O3有三中结晶形态，即α、β、γ型。

α型是高温型，而γ型是低温型。

其中刚玉瓷的性能最佳Al2O3陶瓷的性能及应用1。

强度高2。

硬度高：机械加工磨料、磨具、切削工具等3。

熔点高、抗腐蚀：耐火材料、炉管、热电偶保护套等4。

化学稳定性好：坩埚、人体关节、人工骨骼5。

电绝缘性好：基板、火化塞、电路外壳6。

光学性能好：制成透光材料、微波整流罩窗口、激光振荡元件等ZrO2陶瓷ZrO2陶瓷有三种晶型。

常温下是单斜晶系，1000度以上转变为四方晶系，到2300度以上又转变成立方晶系。

由单斜向四方的转变是可逆的，并伴随7％的体积变化。

导致陶瓷在烧结时容易开裂，为此，要加入适量的稳定剂，如Y2O3。

ZrO2陶瓷的特点是热导率小，是理想的高温绝热材料。

化学稳定性好，能抵抗酸性或中性熔渣的侵蚀，可用作特种耐火材料；硬度高，可制作冷成型工具、整形模、切削工具、剪刀等；强度高、韧性好，可制作发动机构件等。

BeO陶瓷BeO晶体无色，属六方晶系，在固态下无晶型转变，结构稳定BeO陶瓷的导热系数大，线膨胀系数不大，抗热震性高，高温电绝缘性好，电导率低，介电常数高；硬度与Al2O3差不多，化学稳定性好，是抵抗炭还原作用最强的一种氧化物.Mgo陶瓷耐高温，抗金属及碱性熔渣腐蚀，可以用作坩埚冶炼高纯度Fe、Mo、Cu、Mg等。

也可用于高温热电偶保护套等炭化物结构陶瓷特点：高耐火度、高硬度、高耐磨性。

SiC陶瓷有两种晶体结构：α－SiC和β－SiC。

前者属六方晶系，是高温稳定相；后者属等轴晶系，是低温稳定相。

SiC陶瓷的莫氏硬度13，在1400度的高温下仍能保持相当高的弯曲强度；SiC陶瓷有很高的热传导能力，抗蠕变性能好，对酸性熔体有很强的抵抗力，但不抗强碱。

SiC陶瓷主要用作高温结构材料。

如火箭尾喷管的喷嘴，热电偶套管等高温零件。

还可用于高温下热交换器。

氮化物结构陶瓷特点：高耐火度、高硬度、高耐磨性Si3N4陶瓷是强共价键材料，原子结合力强，属六方晶系。

Si3N4陶瓷具有良好的化学稳定性，能抵抗除氢氟酸以外的各种酸、碱和熔融金属的侵蚀；具有优异的绝缘性；硬度高，摩擦系数小，是一种优良的耐磨材料；线膨胀系数小，热导率高，抗热震性好；室温强度虽然不高，但高温强度较高。

功能陶瓷材料功能陶瓷是指具有电、光、磁以及部分化学功能的多晶无机固体材料，其功能的实现主要来自于它所具有的特定的电绝缘性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性、生物适应性等功能陶瓷的种类电子陶瓷生物陶瓷光学陶瓷磁性陶瓷超导陶瓷敏感陶瓷电子陶瓷压电陶瓷当外力作用于晶体时，发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这种由于形变而产生的电效应，称为压电效应。

反之，当在晶体上施加电场引起极化时，将产生与电场成比例的变形或压力，称之为逆压电效应。

材料的压电效应取决于晶体结构的不对称性，晶体必须有极轴，才有压电效应。

压电陶瓷是具有压电效应的陶瓷材料压电陶瓷的种类压电陶瓷主要有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸钡（PZT）、改性PZT等。

压电陶瓷的晶体结构随温度的变化而变化。

对钛酸钡和钛酸铅，当温度高于居里温度Tc时，为立方晶体，具有对称性，无压电效应；低于Tc时，为四方晶体，具有非对称性，有压电效应。

压电陶瓷的应用压电陶瓷的优点是价格便宜，可以批量生产，能控制极化方向，添加不同成分，可改变压电特性。

压电陶瓷可用作超声波发生源的振子或水下测声聘仪器上的振子；也可用作声转换器。

但压电陶瓷收到机械应力的作用时，由压电效应发生的电能可用于煤气灶的点火器和打火机等；压电陶瓷还可用于滤波器等。

电子陶瓷光电陶瓷光电陶瓷是具有光电导效应的陶瓷材料当光电陶瓷受到光照射时，由于能带间的迁移和能带与能级间的迁移而引起光的吸收现象时，能带内产生自由载流子，而使电导率增加，这种现象称为光电导现象。

利用光电导效应检测光强度的元件称为光敏元件。

检测从波长很短的X射线到波上很长的紫外线的光敏元件主要是烧结GdS多晶；如果在GdS中添加Cu杂质，可以用作检测可见光的光敏元件超导陶瓷1986年超导陶瓷的出现，使超导体的临界温度Tc有了很大提高。

出现了高温超导体。

超导陶瓷主要有：1。

镧系高温超导陶瓷：以La2CuO3为代表；2。

钇系高温超导陶瓷：以YBa2Cu2Oy为代表；3。

铋系高温超导陶瓷：以Bi-Sr-Cu-O为代表；4。

铊系高温超导陶瓷：以Ta-Ba-Ca-Cu-O为代表；超导陶瓷的应用在信息领域：用作高速转换元件、通信元件和连接电路。

在生物医学领域：用于核磁共振断层摄像仪、量子干涉仪、粒子线治疗装置等。

在交通运输领域：完全抗磁体制造的磁悬浮列车、电磁推进器、飞机航天飞机发射台等。

在电子能源领域：用于超导磁体发电、超导输电、超导储能等在宇宙开发、军事领域：潜艇的无螺旋浆无噪声电磁推进器、超导磁炮等。

磁性陶瓷什么是铁氧体？铁氧体是铁和其他金属的复合氧化物，MO-Fe2O3，M代表一价、二价金属。

铁氧体属半导体，电阻率在1-1010Ωm。

由于电阻率高，涡流损失小，介质耗损低，故广泛用于高频和微波领域。

磁性陶瓷主要指铁氧体铁氧体; 软磁铁氧体硬磁铁氧体软磁铁氧体主要有：尖晶石型的Mn-Zn铁氧体、Ni-Zn铁氧体、Mg-Zn铁氧体、Li-Zn铁氧体和磁铅石型的甚高频铁氧体（Ba3Co2Fe24O41）。

软磁铁氧体要求起始磁化率高，磁导率温度系数小，矫顽力小，比损耗因数小。

软磁铁氧体主要用于无线电电子学和电讯工程等弱点技术中，如各种电感线圈的磁芯、天线磁芯、变压器磁芯、滤波器磁芯以及录音与录像磁头等。

硬磁铁氧体主要有两类：一类是CoFe2O4-Fe2O3；另一类是BaO-xFe2O3。

软磁铁氧体要求具有较大的矫顽力Hc、较高的剩余磁Br和高的最大磁积能（BH）max。

硬磁铁氧体可用作永磁体，用于高频磁场领域。

由于Hc值大，可制成片状或粉末状，应用在与橡胶和树脂混合制成的复合磁铁上。