第七章 无机非金属基复合材料13
第七章无机非金属类生态环境材料
五、无机非金属材料生态化改造实例
1．成分设计实例—新型粘土质复相陶瓷
粘土的主要成分是SiO2和Al2O3，假定的化学通式为 Al2O3·2SiO2·2H2O，此外还含有Fe、Ti、Mg、Ca等氧化物
3C＋SiO2SiC＋2CO 煅烧在氮气保护下进行，则最终制成Si3N4和Al2O3。
2）粉煤灰、煤矸石制备高性能陶瓷
2．建筑废料、废混凝土、废陶瓷
3．高炉渣、钢渣
7.4 生态建材
水泥、混凝土、建筑玻璃、建筑装饰装修材料等 一、建筑材料与环境
1）建筑材料对地球环境的影响 2）地球环境对建筑材料的影响 3）建筑材料对人类居住环境的影响
二、生态建材基本概念
生态建材就是赋予优异环境协调性的建 筑材料，故又称环境协调建材，这一类材 料环境协调性好，既具有优异性能，又有 益于人体健康。
材料品种示例传统无机非金属材料水泥和其他胶凝材料硅酸盐水泥铝酸盐水泥石灰石膏等陶瓷粘土质长石质滑石质和骨灰质陶瓷等耐火材料硅质硅酸盐质高铝质镁质铬镁质等玻璃硅酸盐硼酸盐氧化物硫化物和卤素化合物玻璃等搪瓷钢片铸铁铝和铜胎等铸石辉绿石玄武岩铸石等研磨材料氧化硅氧化铝碳化硅等多孔材料硅藻土沸石多孔硅酸盐和硅酸铝等碳素材料石墨焦炭和各种碳素制品等非金属矿粘土石棉石膏云母大理石水晶和金刚石等新型无机非金属材料高频绝缘材料氧化铝氧化铍滑石镁橄榄石质陶瓷石英玻璃和微晶玻璃等铁电和压电材料钛酸钡系锆钛酸铅系材料等磁性材料锰锌镍锌锰镁锂锰等铁氧体磁记录和磁泡材料等导体陶瓷钠锂氧离子的快离子导体和碳化硅等半导体陶瓷钛酸钡氧化锌氧化锡氧化钒氧化锆等过渡金属元素氧化物系材料等光学材料钇铝石榴石激光材料氧化铝氧化钇透明材料和石英系或多组分玻璃的光导纤维等高温结构陶瓷高温氧化物碳化物氮化物及硼化物等难熔化合物超硬材料碳化钛人造金刚石和立方氮化硼等人工晶体铌酸锂钽酸锂砷化镓氟金云母等生物陶瓷长石质齿材氧化铝磷酸盐骨材和酶的载体等无机复合材料陶瓷基金属基碳素基的复合材料无机非金属材料的分类二制备无机非金属材料的原料及其生态化改造对策地壳中硅酸盐和铝硅酸盐占明显优势它们和其他一些氧化物矿物是制备无机非金属材料的最主要原料
《无机非金属材料》课件
300℃
Si + 3HCl
SiHCl3 + H2
1100℃
SiHCl3 + H2
Si + 3HCl
硅单质的用途 硅芯片、太阳能电池
硅芯片
硅太阳能电池
2.二氧化硅 沙子
玛瑙
水晶 石英
物理性质： 难溶于水， 熔点高， 硬度大 ， 不导电
SiO2的化学性质
a.酸性氧化物
①与碱溶液反应：SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O 已知：Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，
透明陶瓷
超导陶瓷
4.碳纳米材料
富勒烯
石墨烯
碳纳米管（单壁） 碳纳米管（多壁）
分类
传统无机 非金属材料
名称 陶瓷
玻璃
水泥
性能
主要用途
熔点高、硬度大、耐腐蚀、 建筑材料、日常器皿、
性质稳定
卫生洁具
透光性好、硬度大、 无固定熔点
建筑材料、各种器皿、 光学仪器等
遇水逐渐变硬（水硬性）、 大量用于建筑、水利、
《无机非金属材料》
一、传统无机非金属材料-硅酸盐材料
兵马俑
天津大剧院
珠港澳大桥
硅酸盐： 组成：硅、氧与其他金属元素结合而成的
化合物的总称。 结构：Si和O构成了硅氧四面体 特点：硬度高、熔点高、难溶于水、
化学性质稳定、耐腐蚀
1.陶瓷
主要原料：黏土（主要成分为含水的铝硅酸盐） 特点：抗氧化、耐酸碱腐蚀、耐高温、绝缘 用途：建筑材料、绝缘材料、日常器皿、卫生洁具
2.玻璃
主要原料：纯碱、石灰石和石英砂（主要成分是SiO2） 生产设备：玻璃窑 反应原理：SiO2 + CaCO3 高温 CaSiO3 + CO2 ↑
第七章 无机非金属基复合材料
7.1 概述
新型的无机胶凝复合材料：以混凝土或水泥砂浆为基体，在 其中掺入纤维形成的复合材料，称为纤维水泥与纤维混凝土。 纤维种类：包括金属纤维（如不锈钢纤维、低碳钢纤维）、 无机纤维（如玻璃纤维、硼纤维、碳纤维）、合成纤维（如 尼龙、聚酯、聚丙烯等纤维）、植物纤维（如竹、麻纤维）。 由于钢纤维能有效提高混凝土的韧性与强度，能成批生产， 价格便宜，施工方便，一直是研究和应用的重点。
层状复合材料隔热的隔热
石墨片
7.2 复合材料结构
7.2.1 复合材料的结构 叠层复合材料指复合材料中的增强相是分层铺叠的，即按相 互平行的层面配置增强相，而各层之间通过基体材料连接。 叠层复合材料中的“层”，可以是前述的单向无纬布、浸胶 纤维布，如玻璃纤维布、碳纤维布或棉布、合成纤维布、石 棉布等。也可以是片状材料，如纸张、木材以及前述的铝箔 （在混杂叠层复合材料中）。叠层复合材料在其层面方向可 以提供优良的性能。
硼纤维金属基复合材料制成的 火箭履轴的管道输送部件
7.4 复合材料的应用与研究现状
美国B-2隐形轰炸机表面为具 有良好吸波性能的碳纤维复 合材料
由光导纤维构成的光缆
7.4 复合材料的应用与研究现状
(2)在交通运输方面的应用 由复合材料制成的汽车质量减轻，在相同条件下的耗油量
只有钢制汽车的1／4，而且在受到撞击时复合材料能大幅度吸 收冲击能量，保护人员的安全。
7.1 概述
碳碳复合材料密度只有1.3g/cm3,具有很高的比强度。 其强度与模量可依据用途在较大范围内调节。普通碳碳复 合材料的强度可以高达450MPa,连续纤维材料的强度为 600MPa，“先进”碳碳复合材料的强度可以高达2100MPa。 典型的模量值在125～175GPa的范围内。就高温强度而言， 碳碳复合材料是2000℃以上最强的材料，更可贵的是，温 度越高，碳材料的强度越高。但高温氧化是其弱点，基体 与纤维界面的氧化更甚。
无机非金属材料知识点
无机非金属材料知识点(总7页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--无机非金属材料知识点一、重要概念1、无机非金属材料①以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。
②是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。
2、陶瓷①从制备上开看，陶瓷是由粉状原料成型后在高温作用下硬化而形成的制品。
②从组分上来看，陶瓷是多晶、多相（晶相、玻璃相和气相）的聚集体。
3、玻璃①狭义：熔融物在冷却过程中不发生结晶的无机物质②一般：若某种材料显示出典型的经典玻璃所具有的各种特征性质，则不管其组成如何都可称为玻璃（具有玻璃转变温度 Tg）。
玻璃转变温度：热膨胀系数和比热等物理性质的突变温度。
具有Tg的非晶态材料都是玻璃。
4、水泥凡细磨成粉末状，加入适量水后，可成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石、钢筋等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，通称为水泥。
5、耐火材料耐火度不低于1580℃的无机非金属材料6、复合材料复合材料是两种或两种以上物理、化学性质不同的物质组合而成的一种新的多相固体材料。
通过复合效应获得原组分所不具备的性能。
可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能。
二、陶瓷知识点1、陶瓷制备的工艺步骤原材料的制备→坯料的成型→坯料的干燥→制品的烧成或烧结2、陶瓷的天然原料①可塑性原料：黏土质陶瓷成瓷的基础（高岭石、伊利石、蒙脱石）②弱塑性原料：叶蜡石、滑石③非塑性原料：减塑剂：石英助熔剂：长石3、坯料的成型的目的将坯料加工成一定形状和尺寸的半成品，使坯料具有必要的机械强度和一定的致密度4、陶瓷的成型方法①可塑成型：在坯料中加入水或塑化剂，制成塑性泥料，然后通过手工、挤压或机加工成型；（传统陶瓷）②注浆成型：将浆料浇注到石膏模中成型③压制成型：在金属模具中加较高压力成型；（特种陶瓷）5、烧结将初步定型密集的粉块（生坯）高温烧成具有一定机械强度的致密体。
化学高分子合成材料无机非金属材料有机合成材料新型无机非金属材料 -回复
化学高分子合成材料无机非金属材料有机合成材料新型无机非金属材料-回复"化学高分子合成材料无机非金属材料有机合成材料新型无机非金属材料"化学高分子合成材料是一种重要的材料类别，它由无机和有机合成材料组成。
化学高分子合成材料的研发和制备已成为现代化学产业和科学研究的重中之重。
本文将深入探讨化学高分子合成材料中无机非金属材料和有机合成材料的特点和应用，并介绍新型无机非金属材料的一些最新进展。
首先，我们来看无机非金属材料在化学高分子合成材料中的应用。
无机非金属材料是指不含金属元素的化合物或材料。
它们通常具有高硬度、高熔点、优良的绝缘性能和化学稳定性。
无机非金属材料在化学高分子合成材料中的应用非常广泛，其中之一就是作为增强剂用于增强化学高分子材料的力学性能。
例如，无机纳米颗粒可以被添加到聚合物基体中，以提高其强度和刚度。
无机非金属材料还可以用作填料，以改善高分子材料的导热性能。
此外，无机非金属材料还被广泛用于制备陶瓷、玻璃纤维、高温胶粘剂等。
这些应用使得无机非金属材料成为化学高分子合成材料中不可或缺的一部分。
接下来，我们来看有机合成材料在化学高分子合成材料中的应用。
有机合成材料是指通过化学反应将无机或有机原料中的原子或分子组合生成具有特定性质和用途的化合物或材料。
有机合成材料的特点是具有较好的可塑性、可加工性和机械性能。
有机合成材料广泛应用于诸多领域，如塑料、橡胶、纤维、油墨、涂料等。
在化学高分子合成材料中，有机合成材料可以用于制备高分子嵌段共聚物、交联聚合物、聚合物复合材料等。
有机合成材料的应用使得高分子材料具备了可制备多种结构和性能的能力，拓宽了高分子材料的应用范围和潜力。
最后，我们来介绍一些新型无机非金属材料的研究进展。
随着科学技术的进步，新型无机非金属材料的研发取得了许多突破性的进展。
举个例子，二维层状材料是一类具有特殊的层状结构的无机材料，如石墨烯、二硫化钼等。
这些材料具有独特的电子输运性能和机械性能，在电子器件、催化剂等方面有广泛的应用潜力。
材料化学第7章 无机非金属材料 ppt课件
❖ 结合前面所学内容，理解无机非金属材料结构与性 能特点；
❖ 了解常用无机非金属材料的合成和工艺。 ❖ 了解各种新型无机非金属材料的特殊性能、作用原
理、结构及用途。
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学习参考书目
1. 杨兴钰. 材料化学导论. 武汉：湖北科学技术出版社， 2003
2. 戴金辉，葛兆明 主编。无机非金属材料概论，哈尔滨工 业大学出版社，1999
的管子。
❖ 性能特点: 抗渗性能好，承受内压和外压能力强。PCCP采用经水压检验的钢筒，解决了渗水问题；可承受很高的内水压力，最高可达2.5Mpa； 设计上充分利用混凝土的抗压强度，可承受较高的外压荷载。 接头采用钢制承插口，插口是带有凹槽的特制异型钢，密封胶圈放置在凹槽内， 确保接头极好的水密性。 耐腐性能强，使用寿命长。构成PCCP的所有钢材都被密实的混凝土包裹，高碱性环境阻止其腐蚀，使用寿命可达百年。 通水能力强，管材内表面光滑，没有瘤节，不会结垢，没有二次污染。 适应地基能力和抗震性能强，PCCP的刚性接头和柔性接口使其刚柔皆有， 可转动一定角度，适应地基变化的能力较其他管材强。 管道运行经济安全，社会综合效益好。安装时沟槽开挖窄，接口工作坑较浅，综合造价 低，单位工程造价比钢管有较大节省。-山水集团网站
16％的CaO ➢ 铅硅酸盐玻璃主要成分有SiO2 和PbO ➢ 铝硅酸盐玻璃主要成分有SiO2 和Al2O3 ➢ 硼硅酸盐玻璃（耐热玻璃） 以SiO2和B2O3为
主要成分
➢ 钾玻璃（硬玻璃）以K2O代替钠玻璃中的部 分Na2O，适当提高SiO2含量
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7.2.2.3 特种玻璃
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❖ 预应力钢筒混凝土输水管
无机非金属
颗粒增强型 50x
50µm
弥散增强型 50x
50µm
纳 米 碳 管 纤 维
弥散增强复合材料增强机制 基体是承受外来载荷的主要相，颗粒起着阻碍基体位错运动的作用，从而降低了位 错的流动性。另外，复合材料中的裂纹的扩展在颗粒前受阻，发生应力钝化或扩展 路径发生偏移，同样可以消耗较多的断裂能，提高材料的强度。
2、连续纤维单向增强复合材料
弹性模量、抗张强度、泊松比、剪切强度等性能均符合混合定律。
如果考虑界面效应，通常通常是在纤维的影响因子前面乘以一个
系数。在平行于纤维长度方向的强度的结合强度。
3、短纤维增强复合材料 短纤维复合材料的强度与纤维长度的关系示意图
为了提高复合材料的强度，应尽量使用长纤维。 为了提高复合材料的强度，应尽量使用长纤维。
复合材料的复合法则——混合定律 复合材料的复合法则——混合定律
1、混合定律（不考虑界面效应时） 1复合材料宏观上是均质的，不存在内应力； 2各分材料是均质的各向同性及线弹性材料； 3各组分之间粘结牢靠，无空隙，不产生相对滑移。
复合材料力学性能同组分之间的关系：Xc=XmVm+XfVf或Xc=XfVf+Xm(1-Vf) Xc=XmVm+XfVf或Xc=XfVf+Xm(1式中： 式中 X：材料的性能，如强度、弹性模量、密度等； V：材料的体积百分比； 下脚标 c：材料 m：基体 f ：纤维。
纤维（包括晶须、短纤维）复合材料增强机制 纤维（包括晶须、短纤维） 基体通过界面将载荷有效的传递到增强相（晶须、纤维等）不是主成力相。纤维受基体 传递来的有效载荷，主承力相。 受力分析如下： 假定：纤维、基体理想结合，且泊松比相同；在外力作用下，由于组分模量的不同产生 了不同形变（位移），在基体上产生了剪切应变，通过界面将外力传递到纤维上。
复合材料学(第七章 陶瓷基复合材料)
并导致性能的下降。为了克服这一弱点，可 采用颗粒来代替晶须制成复合材料，这种复 合材料在原料的混合均匀化及烧结致密化方 面均比晶须增强陶瓷基复合材料要容易。
当所用的颗粒为SiC，TiC时，基体材料 采用最多的是A12O3，Si3N4。目前，这些复 合材料已广泛用来制造刀具。
陶瓷材料中另一种增强体为晶须。晶须 为 具 有 一 定 长 径 比 ( 直 径 0.3-lμm ， 长 30100μm)的小单晶体。从结构上看，晶须的特 点是没有微裂纹、位错、孔洞和表面损伤等 一类缺陷，而这些缺陷正是大块晶体中大量 存在且促使强度下降的主要原因。在某些情 况下，晶须的拉伸强度可达0.1E(E为杨氏模 量)，这已非常接近于理论上的理想拉伸强度
0.2E。而相比之下，多晶的金属纤维和块状
金属的拉伸强度只有0.02E和0.001E。
自发现百余种不同材料构成的晶须以来， 人们对其已给予了特别的关注。因为它们具 有最佳的热性能、低密度和高杨氏模量。
在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是 SiC，Al2O3及Si3N4晶须。
陶瓷材料中的另一种增强体为颗粒。从
2．陶瓷复合材料的增强体
陶瓷基复合材料中的增强体通常也称为 增韧体。从几何尺寸上可分为纤维(长、短纤 维)、晶须和颗粒三类，下面分别加以介绍。
碳纤维是用来制造陶瓷基复合材料最常 用的纤维之一。碳纤维可用多种方法进行生 产，工业上主要采用有机母体的热氧化和石 墨化。其生产过程包括三个主要阶段，第一 阶段在空气中于200℃-400℃进行低温氧化， 第二阶段是在惰性气体中在1000℃左右进行 碳化处理，第三阶段则是在惰性气体中于 2000℃以上的温度作石墨化处理。
无机非金属基复合材料
无机非金属基复合材料无机非金属基复合材料，这听起来是不是有点拗口？其实呢，这玩意儿挺有意思的，真想深入探讨一下。
我们得明白，无机非金属材料是啥。
简单来说，就是那些不是金属的材料，比如陶瓷、玻璃、石材等等。
这些材料的特点是强度高、耐腐蚀、热稳定性好，特别适合用在一些要求很严格的场合。
想象一下，如果你的厨房锅子能抵抗高温，又不怕酸碱，那可真是个福音。
而复合材料，哎，就是把不同的材料组合在一起，创造出一种新东西，像拼乐高那样。
很多时候，我们生活中用的产品都离不开这些复合材料，比如手机壳、汽车车身等等。
你没发现吗？现在的汽车越来越轻，但又得确保安全，这就是复合材料的功劳。
想象一下，如果汽车全是金属，那开起来就跟拖车似的，真是“慢得跟乌龟一样”。
可现在，使用了这些高科技的复合材料，车子轻盈又结实，真是“飞得像箭一样”。
再说说这些无机非金属基复合材料，它们的应用范围可广泛了，像建筑、航空航天、电子产品等等。
比如说，建筑方面，用这些材料的墙体不仅能隔热，还能防火，简直是“百利无一害”。
而在航空航天领域，轻巧的复合材料能帮助飞行器减轻负担，提高燃油效率，真是“一举两得”。
想象一下，飞行器如果能少花点油，那可真是给国家省了不少钱！再来聊聊这些材料的制作过程，可能听起来复杂，但其实挺简单的。
比如说，首先得选择合适的原材料，然后经过高温、高压的处理，把它们结合在一起。
嘿，你能想象那种场景吗？像在做蛋糕一样，先把面粉、糖、鸡蛋混合，再经过烤箱的高温，最后变成美味的蛋糕，真是个神奇的过程。
这些材料在高温下不会变形，抗压能力极强，简直是“挺得住任何考验”。
使用这些材料也不是没有挑战。
你想啊，怎么能让不同的材料完美结合，不出问题？这就得靠科学家们的智慧了。
他们像魔法师一样，通过实验，不断调整配比，最终找出最优解。
真是“功夫下得深，方能得美食”。
在应用时，怎么才能保证材料的稳定性、耐久性，也是一门学问。
毕竟，谁也不想买个东西，过不了多久就坏了，那可就太不划算了。
第七章固固界面
1＋1 2 —— 协同效应 例：纤维材料纵向不能承压，而复合后纤维的压缩强度得到充分发挥；
玻璃纤维的断裂能约为10J/m2，聚酯的断裂能约为100J/m2，而复 合后的玻璃钢断裂能达105J/m2 • 产生协同效应的原因
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第七章 固固界面
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第七章 固固界面
复合后两者的差别仅在于基体与纤维之间存在界面。 界面是产生协同效应的根本原因 复合材料的破坏过程
)m
，
如晶体熔化
• 发生二级相变时，表面张力不发生突变，但温度系数不
等，
( d
dT
)c
( d
dT
)m
如 ：玻璃态
过冷液体转变
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第七章 固固界面
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第七章 固固界面
7.2.3 表面张力和分子量的关系
高聚物的性质，如玻璃的转变温度、热容、比热、热膨胀系数，折射 率，拉伸强度等，与分子量之间存在如下关系。
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第七章 固固界面
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第七章 固固界面
7.3.2 玻璃纤维增强塑料界面 1. 玻纤的性质 玻璃是各向同性的，无固定熔点，短程有序，又叫“冻结的液体” 玻纤外观是光滑的圆柱体，直径3～10 m,密度2.4-2.7 g/cm3 力学性能：拉伸强度高：1500-4000 MPa,直径越小，强度越大
• 晶界的简单模型
Mott的岛屿结构（1948）：
认为晶界是由许多结构上的“岛屿”所组成，在岛屿内部的原子排列 属
于点阵结构，岛屿外部的结构属于非晶态区域，遍及整个晶界层内。
扩散结构：
以晶界的扩散机构来探讨结构的特点，认为在晶界中存在着成群的点
阵缺陷，这些缺陷在晶体内部的扩散机制中起着重要作用。
无机非金属材料
⽆机⾮⾦属材料关于复合材料的发展概述摘要本⽂主要叙述了复合材料的定义、发展以及复合材料的分类、性能。
1.复合材料的定义根据国际标准化组织(International Organization for Standardization,IOS)为复合材料所下的定义，复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合⽽成的⼀种多相固体材料。
复合材料的组分材料虽然保持其相对独⽴性，但复合材料的性能却不是组分材料性能的简单相加之和，⽽是有着重要的改进.在复合材料中，通常有⼀相组分为连续相，称为基体;另⼀组分为分散相，称为增强材料。
分散相是以独⽴的形态分布在整个连续体中，两相中间存在着相界⾯。
分散相可以是分散纤维，也可以是颗粒状或者弥散的填料从以上的定义中可以看出，复合材料可以是⼀个连续物理相与⼀个分散相的复合，也可以是两个或者多个连续相与⼀个或多个分散相在连续相中的复合，复合后的产物为固体材料才能称其为复合材料。
复合材料既可以保持原材料的某些特点，⼜能发挥组合后的新特征，它可以根据需要进⾏设计，从⽽最合理地达到使⽤要求的性能。
2.复合材料的发展⼈类发展的历史证明，材料是社会进步的物质基础和先导，是⼈类进步的⾥程碑。
纵观⼈类利⽤材料的历史，可以清楚地看到，每⼀种重要材料的发现和利⽤，都会把⼈类⽀配和改造⾃然的能⼒提⾼到⼀个新的⽔平，给社会⽣产⼒和⼈类⽣活带来巨⼤的变化。
复合材料的出现和发展，是现代科学技术不断进步的结果，也是材料设计⽅⾯的⼀个突破。
纵观复合材料的发展过程，可以看到，早期发展出现的复合材料，由于性能相对⽐较低，⽣产量⼤，使⽤⾯⼴，可以称之为常⽤复合材料。
后来随着⾼新技术发展的需要，在此基础上⼜发展出性能⾼的先进复合材料。
20世纪40年代，玻璃纤维和合成树脂⼤量商品化⽣产以后，纤维复合材料发展成为具有⼯程意义的材料。
同时，相应地开展了与之有关的科研⼯作。
⾄60年代，技术上趋于成熟，在许多领域开始取代⾦属材料。
高中新教材化学课件必修无机非金属材料
无机非金属材料的分类方法有多种，通常可以按照材料的性 质、组成和制备工艺等进行分类。常见的无机非金属材料包 括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料等。
发展历程及现状
发展历程
无机非金属材料的发展历史悠久。早在古代，人们就开始利用粘土、石英、长石 等天然矿物原料制造陶瓷器皿。随着科技的进步，人们逐渐掌握了更多种类的无 机非金属材料的制备技术，如玻璃、水泥等。
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电学性能及应用领域
电学性能概述
无机非金属材料具有优异的电学性能，如高 绝缘性、高介电常数、低介电损耗等。这些 性能使得它们在电子、通信等领域有广泛的 应用。
应用领域
无机非金属材料在电子器件、通信设备、传 感器等领域都有广泛的应用。例如，压电陶 瓷材料可以用作传感器、换能器等；石英玻 璃材料可以用作光纤通信中的传输介质等。
高中新教材化学课件 必修无机非金属材料
汇报人：XX 20XX-01-21
contents
目录
• 无机非金属材料概述 • 陶瓷材料 • 水泥与混凝土材料 • 玻璃材料 • 无机非金属材料的性能与应用 • 无机非金属材料的未来发展
01
无机非金属材料概述
定义与分类
定义
无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、 卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐 等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的 所有材料的统称。
无机非金属材料在环保领域的应用前景
01
02
03
污水处理
无机非金属材料如活性炭 、陶瓷膜等可用于污水处 理，去除水中的有害物质 。
大气治理
利用无机非金属材料的吸 附、催化等性能，可有效 去除大气中的污染物，改 善空气质量。
非金属基复合材料
非金属基复合材料1、聚合物基复合材料聚合物基复合材料又被称为增强塑料，作为一种最实用的轻质结构材料，在复合材料工业中占有主导地位。
聚合物基复合材料主要分为两大类，即颗粒、晶须、短纤维复合材料以及连续纤维复合材料。
短纤维复合材料主要作为次结构件，比如汽车的车壳等。
连续纤维复合材料是在树脂基体中适当排列高强、高刚度的连续长纤维组成的材料体系，可用作次结构件，也可用作主结构件。
从基体材料来讲，聚合物基复合材料可分为热固性树脂、热塑性树脂和橡胶基复合材料。
与钢、铝等传统的金属材料相比，聚合物基复合材料比强度高，比拉伸模量大，热膨胀系数低。
表1为典型的单向纤维复合材料的性能。
1）非连续纤维增强复合材料非连续纤维（颗粒、晶须、短纤维）可以用来增强各种聚合物，根据组分、制备方法、性能以及应用的不同主要分为4类：（1）热塑成型组合物（2）可热成型板材（3）颗粒状热固成型组合物（4）热固性片状模塑料2．连续纤维增强复合材料在聚合物基复合材料中使用的纤维一般包括玻璃纤维，芳香族聚酰胺合成纤维以及碳纤维。
与常用的尼龙纤维和聚酯纤维等相比，芳香族聚酰胺合成纤维具有很大的比强度、比刚度，很好的热稳定性，不易燃烧。
与玻璃纤维和碳纤维相比，芳香族聚酰胺合成纤维的密度小，并且又有较高的刚性，较高的强度，较大的拉伸极限应变。
轴向线膨胀系数为负。
3．聚合物基纳米复合材料至少有一维尺寸为纳米级的微粒子分散到聚合物基体中，构成了聚合物基纳米复合材料。
由于纳米复合材料的形成，聚合物的结晶变小，结晶度增加，结晶速率增加，赋予了材料许多特殊的性能。
（1）聚合物基纳米复合材料的制备插层复合法共混法原位复合（2）聚合物基纳米复合材料的性能改善及应用力学性能的改善，热性能提高，改善阻燃性，改善气密性，生物降解性。
4、碳纳米管/聚合物基复合材料碳纳米管（CNTs）已经被用于增强热固型树脂（环氧树脂，聚酰亚胺和石碳酸），还有热塑型树脂（聚丙烯，聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，尼龙12和聚醚醚酮）。
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括陶瓷基复合材料（CMC）、碳
基复合材料、玻璃基复合材料和水
泥基复合材料等。
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Al2O3纤维
6
7.1 概述
无机非金属材料基复合材料还可以按其使用温度分: 高温陶瓷基复合材料（它以多晶陶瓷为基体，耐受温度为 1000～1400℃）; 低温陶瓷基复合材料（它以玻璃及玻璃陶瓷为基体，耐受 温度在1000℃以下）。 尽管相对而言，无机非金属材料基复合材料目前产量还不 大，但陶瓷基复合材料和碳基复合材料是耐高温及高力学 性能的首选材料，例如碳碳复合材料是目前耐温最高的材 料。水泥基复合材料则在建筑材料中越来越显示其重要性。 下面简要介绍几类常见的无机非金属复合材料。
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层状复合材料隔热的隔热
21
石墨片
7.2 复合材料结构
7.2.1 复合材料的结构 叠层复合材料指复合材料中的增强相是分层铺叠的，即按相 互平行的层面配置增强相，而各层之间通过基体材料连接。 叠层复合材料中的“层”，可以是前述的单向无纬布、浸胶 纤维布，如玻璃纤维布、碳纤维布或棉布、合成纤维布、石 棉布等。也可以是片状材料，如纸张、木材以及前述的铝箔 （在混杂叠层复合材料中）。叠层复合材料在其层面方向可 以提供优良的性能。
复合材料可以根据不同的用. 途要求，灵活地进行产品设23 计，具有很好的可设计性。
7.3 复合材料基本特性
(3)电性能好
复合材料具有优良的电性 能，通过选择不同的树脂基体、 增强材料和辅助材料，可以将 其制成绝缘材料或导电材料。 不饱和聚脂树脂玻璃纤维增强模塑料
(4)耐腐蚀性能好
聚合物基复合材料具有优异
的耐酸性能、耐海水性能、也能耐
碱、盐和有机溶剂。因此．它是一
种优良的耐腐蚀材料，用其制造的
化工管道、贮罐、塔器等具有较长
的使用寿命、极低的维修费用。 .
24
7.3 复合材料基本特性
(5)热性能良好
玻璃纤维增强的聚 合物基复合材料具有较 低的导热系数，是一种 优良的绝热材料。
(6)工艺性能优良
纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能，能 满足各种类型制品的制造需要，特别适合于大型制品、形状 复杂、数量少制品的制造，
. 高体份（60-70%）碳化硅颗粒2,0 铝基复合材料电子封装件
7.2 复合材料结构
7.2.1 复合材料的结构
层状增强复合材料的增强体是长与宽尺寸相近的薄片。薄片增 强体由天然、人造和在复合材料工艺过程中自身生长三种途径 获得。天然片状增强体的典型代表是云母，人造片状增强体如 有机玻璃（又称玻璃鳞片）、铝、银二硼化铝等。
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硼纤维
5
碳纤维
7.1 概述
7.1.1 复合材料的分类
1、按基体材料分类，可分为聚合物
基、陶瓷基和金属基复合材料。
2、按增强相形状分类，可分为纤
SiC颗粒
维增强复合材料、粒子增强复合材
增 强
料和层状复合材料。
相
3、按复合材料的性能分类，可分
三 种
为结构复合材料和功能复合材料。
类
Al2O3片
型
无机非金属材料基复合材料主要包
(2)在交通运输方面的应用
由复合材料制成的汽车质量减轻，在相同条件下的耗油量 只有钢制汽车的1／4，而且在受到撞击时复合材料能大幅度吸 收冲击能量，保护人员的安全。
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26
7.4 复合材料的应用与研究现状
(1) 在航空、航天方面的应用 由于复合材料的轻质高强持性，使其在航空航天领域得
到广泛的应用。在航空方面，主要用作战斗机的机冀蒙皮、 机身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷达罩、侧壁板、隔框、翼 肋和加强筋等主承力构件。
A400M、波音787飞机，复 合材料分别占飞机结构重量的 36%和50%，
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11
7.1 概述
金属陶瓷
金属陶瓷是金属与陶瓷的结合体。其 分散相是陶瓷颗粒，多为碳化物，如 碳化钛、碳化物等。基体是一种金属 或几种金属的混合物，如镍、钴、铬、 钼等。实际上金属起到黏合剂的作用， 将坚硬的陶瓷粒子粘合在一起。
金属陶瓷家族中最著名的成员是钴黏合的碳化物。碳化物与
钴等金属一起球磨，一方面减少碳化物的粒度，一方面将金
属涂到陶瓷表面。涂饰好的粉末按粒度分级，取所需粒度压
成型坯。型坯在真空下或氢气氛中烧结。所谓烧结实质是将
金属熔融，把陶瓷粒子彻底“焊.”在一起。
12
7.1 概述
金属陶瓷比任何工具钢都硬，压缩强度高于大多数工程材料， 耐磨性能极佳。可作切削工具，可作任何软、硬表面的摩擦 件。如果单纯使用陶瓷，因为其脆性，不能用作切削工具、 模具或振动强烈的机器部件。而金属陶瓷中的金属提供了韧 性，陶瓷提供了硬度与强度，这种复合产生了性能上的协同 效应。
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27
7.4 复合材料的应用与研究现状
7.4.1 、复合材料的应用
氮化硅结构陶瓷被用作航 天飞机的防热瓦
硼纤维金属基复合材料制成的 火箭履轴的管道输送部件
.
28
7.4 复合材料的应用与研究现状
美国B-2隐形轰炸机表面为具 有良好吸波性能的碳纤维复 合材料
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由光导纤维构成的光缆
29
7.4 复合材料的应用与研究现状
料的拉伸抗力，成为广泛应用的钢筋
混凝土。在橡胶中加入纤维/钢丝，既
保持了橡胶的柔软性，又提高了材料
的强度和耐磨性能。
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3
7.1 概述
现代复合材料的发展起源于1942年美国空军用于制造飞机构件的 玻璃纤维增强和聚脂，即玻璃钢，以后提高玻璃纤维性能的工作 有了很大的发展，硼纤维/碳纤维/碳化硅纤维/各种耐热氧化物纤 维与晶须的相继出现，推动着复合材料的研究与开发工作。
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7
7.1 概述
7.1.2 无机非金属材料基复合材料
碳基复合材料 碳碳复合材料的基体是碳，用碳 纤维增强的复合材料。从光学显微 镜尺度来看，碳碳复合材料由碳纤 维、基体碳、碳纤维/基体碳界面层、 纤维裂纹和孔隙四部分构成。
优点：热膨胀系数低、导热好、耐热冲击、抗蠕变优异等优异特性。 缺点：碳碳复合材料中的孔隙与显微裂纹可明显降低其力学强度和 抗氧化性能。 孔隙和裂纹的数量要根据碳碳复合. 材料的使用性能要求加以控8制。
7.1 概述
用途：已发展成为核能和航空航天飞行器中不可缺少的关键材 料，如飞机刹车片。利用它的生物相容性和低维性，可以制造 人造肢体。
飞机用刹车片
汽车用刹车片
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9
7.1 概述
碳碳复合材料1986年首次用于 发动机的燃烧喷管,其最显赫的 应用是宇宙飞船重返大气层的 尖锥。
重返温度高达1650℃，碳尖锥在服役期间不仅毫无损伤，而且使用
金属含量越低，陶瓷粒度越细（<1um）,耐磨性能越好。所有 金属陶瓷都具有室内耐腐蚀性，含有镍和铬的金属陶瓷可耐化 学环境的腐蚀。
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13
7.1 概述
无机胶凝复合材料
以水泥为代表的无机胶凝复合 材料脆性特点： 抗拉强度低（只有抗压强度的 1/20～1/10）； 其制品及构件在受拉应力系统或 冲击载荷情况下，极易脆性破坏。
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25
7.3 复合材料基本特性
(7)长期耐热性 金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用，
但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用，即使耐高温 的聚酰亚胺基复合材料，其长期工作温度也只能在300 ℃左 右。
(9)老化现象 在白然条件下，由于紫外光、湿热、机械应力、化学侵蚀的
作用，会导致复合材料的性能变差，即发生所谓的老化现象。
干燥后又使涂层含有一定量的二氧. 化硅。
10
7.1 概述
碳碳复合材料密度只有1.3g/cm3,具有很高的比强度。 其强度与模量可依据用途在较大范围内调节。普通碳碳复 合材料的强度可以高达450MPa,连续纤维材料的强度为 600MPa，“先进”碳碳复合材料的强度可以高达2100MPa。 典型的模量值在125～175GPa的范围内。就高温强度而言， 碳碳复合材料是2000℃以上最强的材料，更可贵的是，温 度越高，碳材料的强度越高。但高温氧化是其弱点，基体 与纤维界面的氧化更甚。
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复 船合 体材
料
2
7.1 概述
复合材料的起源可追溯到古埃及人在 粘土中加入植物纤维所制成的土坯。 大约100万年以前，人们开始使用以沙 做骨料，用水或水泥固结的混凝土， 它是现代建筑领域不可缺少的材料。 混凝土具有一定的抗压强度，但比较 脆，在张力作用下容易产生裂纹而破 裂。
在混凝土中加入钢筋，大大提高了材
.
22
7.3 复合材料基本特性
1、复合材料的特性 复合材料是由多种组
分的材料组成，许多性能优 于单一组分的材料。
（１）轻质高强，比强度和比刚度高
Ａ、增强剂或者基体是比重小的物质，或两者的比重都 不高，且都不是完全致密的；
Ｂ、增强剂多是强度很高的纤维。
比强度（指强度与密度的比值）和比弹性模量是各类 材料中最高的。 (2)可设计性好
复合材料的复合目的:提高材料强度
得到热性能/电性能/磁性能和其他各种性能的最优化.
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4
7.1 概述
根据复合材料的基体的不同及发展历史: 玻璃纤维增强塑料（GFRP）称作第一代复合材料 硼纤维和碳纤维增强的塑料（BFRP,GFRP）称作第二代复合材料。 高性能纤维增强金属与陶瓷成为第三代复合材料。
玻璃纤维
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15
7.1 概述
7.1.3 复合材料特点：
复合材料的组分和它们的相对含量是经人工选择和设 计的; 复合材料是经人工制造而非天然形成的; 组成复合材料的某些组分在复合后仍保持其固有的物 理和化学性质（区别于化合物和合金）; 复合材料的性能取决于各组成的协同。复合材料具有 新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材 料性能所不及或不同的。 复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料。