§4 无机非金属材料及其性能特点
无机非金属材料
特征
需要此外 线照射
TiO2
Li2O·2SiO2 β-锂辉石 LiAl[Si2O6] β-石英 线膨胀 β-锂辉石 高绝缘 Li2O·2SiO2 低损耗 菫青石,霞石 PbTiO3 强介电性
20 20
Cr2O3 Al2O3
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LongYan University Introduction Introduction to to Chemistry Chemistry in in materials materials
12 12
非氧桥离子
网络修 饰离子
氧桥离子
无 规 则 网 络 学 说
May May 06 06
LongYan University Introduction Introduction to to Chemistry Chemistry in in materials materials
13 13
Stevels 引入了玻璃的4个基本参数：
LongYan University Introduction Introduction to to Chemistry Chemistry in in materials materials
17 17
May May 06 06
微晶玻璃与一般玻璃相比，其制造 工艺增加了两个阶段热处理：
首先，在有利于成核的温度下，使之产生大量 的晶核； 然后，再缓慢加热到有利于晶核长大的温度下 保温，使晶核得以长大，最后冷却。 为了产生大量晶核，在配料中常常加入各种不 同的成核剂。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
7 7
无规网络学说优点：
强调了玻璃中离子与多面体相互间排列的均匀性、连 续性及无序性等方面结构特征。这可以说明玻璃的各向同 性、内部性质的均匀性与随成分改变时玻璃性质变化的连 续性等基本特性。如玻璃的各向同性可以看着是由于形成 网络的多面体（如硅氧四面体）的取向不规则性导致的。 而玻璃之所以没有固定的熔点是由于多面体的取向不同， 结构中的键角大小不一，因此加热时弱键先断裂然后强键 才断裂，结构被连续破坏。宏观上表现出玻璃的逐渐软 化，物理化学性质表现出渐变性。
无机非金属材料
Na2O
==
高温
Na2SiO3
SiO2 + CaO == CaSiO3
②与碳酸盐反应:
高温
SiO2 + Na2CO3 == Na2SiO3 +CO2 ↑
高温
SiO2 + CaCO3 == CaSiO3 +CO2 ↑
工业生产玻璃原理
2. 二氧化硅
⑶ 化学性质：
③与HF反应 ——唯一能与SiO2反应的酸 SiO2 + 4HF = SiF4↑+2H2O 实验室用塑料瓶存放氢氟酸。
用途：刻蚀玻璃
在玻璃表面涂上一层石蜡
在石蜡上雕刻出花纹，向挖 空部分加少量氢氟酸
洗掉酸并去掉石蜡
⑷ SiO2用途： 光导纤维、石英坩埚、建筑材料、电器部件
光导纤维的通信容量大， 抗干扰性能好，传输的信 号不易衰减，能有效提高 通信效率。
思考与交流
1、保存NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不 用玻璃塞？
(4)常用作吸附剂、干燥剂或催化剂载体的物质是 硅胶 。
8、如何以SiO2为主要原料制取硅酸 ?
SiO2
Na2SiO3
H2SiO3
SiO2 ＋2NaOH = Na2SiO3 ＋H2O
Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3↓ + 2NaCl
粗硅制取： SiO2+2C =18=0=0~=2=00=0=℃= Si+2CO↑
粗硅提纯： Si+3HCl =30=0=℃= SiHCl3+H2↑ SiHCl3+H2 1=1=00=℃= Si+3HCl
2. 二氧化硅
结晶形：石英、水晶、玛瑙、沙子
⑴ 存在形式 无定形：硅藻土
无机非金属材料的性能分析
无机非金属材料的性能分析
一、无机非金属材料概述
无机非金属材料是指不含金属成分的材料，包括玻璃、氧化物、晶体、陶瓷、复合材料等。
它们的特点是质地坚硬，耐腐蚀，受温度影响小，热
导率低，可承受较高的机械强度，耐磨性能好，具有导电性等特点，可以
用来制造精密仪器和机械。
二、无机非金属材料性能分析
1、物理性能
一般而言，无机非金属材料的密度一般较低，只有在非金属材料中的
稀土元素的凝聚力比较大的情况下才会有较高的密度。
另外，无机非金属
材料的热导率一般较低，更多的是由其分子构造结构内介质而决定的。
2、机械性能
3、化学性能
4、电学性能。
无机非金属材料PPT课件
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氧化铝陶瓷
结 构 陶 瓷
二氧化锆
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几种典型的新型无机非金属材料
高温结构陶瓷 特点：耐高温、耐腐蚀、硬度大、 耐磨损、不怕氧化、密度小等
(1)氧化铝陶瓷
性能 熔点高
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硬度大 透明、耐高温
用途 坩埚、高温炉管
刚玉球磨机
高压钠灯灯管 45
高纯氧化铝透明陶瓷管
▪ 瓷器：需要纯净的粘土做原料，
温度也更高，瓷器比陶器磁体
白净质地致密。
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主要种类：
土器：砖瓦
红瓦 (自然冷却，Fe2O3含量较多) 青瓦 (淋水冷却，Fe3O4、FeO较多)
陶器： 彩陶 江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑
瓷器： 碗盘茶具
收藏珍品
景德镇陶瓷
炻器： 水缸、砂锅
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模具和夹具。
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（3）碳化硅陶瓷
碳化硅（SiC--金刚砂）和氮化硅一样，是
稳定的原子晶体。具有高的热传导能力、硬度
大、熔点高、比重小，有较高的强度和较好的
热稳定性，与各种酸都不起作用，其抗氧化性
能在高达1550OC时仍很优良。
用途：制造磨料、模
具、特种耐火材料制品；
用于制造电阻发热元件。
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3、陶瓷
主原料要 生产过程 反应条件 种类
黏土
①混合 ②成型 ③干燥 ④烧结 ⑤冷却
高温
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土器 陶器 炻器 瓷器
性能
抗氧化、 抗酸碱腐 蚀、耐高 温、绝缘 、易成型
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▪ 陶瓷是由黏土在高温下烧制而成，根据
高中化学中的无机非金属材料介绍
高中化学中的无机非金属材料介绍在我们的日常生活中，无机非金属材料无处不在，从建筑材料到电子设备，从医疗用品到航天航空领域，都能看到它们的身影。
而在高中化学的学习中，了解无机非金属材料的性质、特点和应用，对于我们深入理解化学知识、拓展科学视野具有重要意义。
首先，让我们来认识一下什么是无机非金属材料。
简单来说，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。
这些材料一般具有耐高温、耐腐蚀、硬度高、绝缘性好等优良性能。
在众多的无机非金属材料中，陶瓷是一种历史悠久且应用广泛的材料。
陶瓷主要由黏土等天然矿物原料经过高温烧制而成。
传统的陶瓷制品如碗、盘、花瓶等，大家都非常熟悉。
而现代陶瓷则在性能和用途上有了极大的拓展。
例如，工程陶瓷具有高强度、高硬度、耐高温等特点，被广泛应用于机械制造、航空航天等领域。
陶瓷刀具就是工程陶瓷的一种应用，它比传统的金属刀具更加锋利、耐用，能够在高速切削中保持良好的性能。
玻璃也是我们常见的无机非金属材料之一。
玻璃通常是由石英砂、纯碱、石灰石等原料在高温下熔融后冷却而成。
普通的窗户玻璃、玻璃杯等就是常见的玻璃制品。
而特种玻璃，如钢化玻璃、夹层玻璃、防弹玻璃等，则具有更高的强度和安全性，被广泛应用于建筑和交通工具等领域。
此外，光学玻璃在光学仪器中起着关键作用，能够保证光线的准确传输和成像质量。
水泥是建筑行业中不可或缺的无机非金属材料。
它是由石灰石、黏土等原料经过煅烧、磨细等工艺制成。
水泥与水混合后会发生化学反应，逐渐硬化形成坚固的结构体。
在现代建筑中，水泥被广泛用于建造房屋、桥梁、道路等基础设施。
硅材料在现代科技中占据着极其重要的地位。
硅是半导体材料的代表，广泛应用于电子工业。
我们使用的电脑芯片、手机芯片等都是由硅制成的。
通过对硅进行掺杂等工艺处理，可以改变其电学性能，实现对电流的控制和信号的处理。
碳材料也是一类重要的无机非金属材料。
无机非金属材料
《无机非金属材料》xx年xx月xx日contents •无机非金属材料概述•无机非金属材料的性质与性能•无机非金属材料的制备与加工•无机非金属材料的应用•无机非金属材料的可持续发展与环保•无机非金属材料的研究与发展趋势目录01无机非金属材料概述无机非金属材料是指以无机非金属元素为主要成分，通过高温或低温烧结而成的材料。
定义无机非金属材料可分为陶瓷、玻璃、水泥、石墨等，其中陶瓷是最重要的无机非金属材料之一。
分类定义与分类重要性无机非金属材料具有优异的性能，如耐高温、耐腐蚀、绝缘、强度高等，在工业、建筑、航空航天、电子等领域具有广泛的应用。
应用领域无机非金属材料广泛应用于汽车、航空航天、电子、生物医学等领域，如发动机部件、人造骨、人造牙等。
重要性及应用领域无机非金属材料的发展历程可以追溯到古代，如陶瓷的发明。
随着科技的发展，无机非金属材料的制备技术和性能不断提高。
未来，无机非金属材料将朝着高性能、多功能、环保等方向发展，如新型陶瓷材料、生物相容性材料等。
同时，随着3D打印技术的不断发展，无机非金属材料的制备和应用也将更加灵活和多样化。
发展历程趋势发展历程与趋势02无机非金属材料的性质与性能物理性质无机非金属材料的密度一般较大，具有较高的稳定性。
密度电绝缘性热稳定性光学性能大多数无机非金属材料具有优异的电绝缘性能。
无机非金属材料具有较好的热稳定性，能够在较高温度下保持其性质。
无机非金属材料具有广泛的光学性能，如玻璃、陶瓷等具有高透光性。
化学性质无机非金属材料的耐腐蚀性能较强，能够抵抗多种化学物质的侵蚀。
耐腐蚀性在大多数化学环境下，无机非金属材料都能保持其稳定性。
化学稳定性无机非金属材料在高温环境下不易氧化，具有良好的抗氧化性能。
抗氧化性部分无机非金属材料具有磁性，如铁氧体等。
磁性能无机非金属材料的硬度一般较高，具有较好的耐磨性。
硬度部分无机非金属材料具有较好的韧性，能够吸收冲击能量。
韧性无机非金属材料的强度较高，能够承受较大的外力。
《无机非金属材料》 知识清单
《无机非金属材料》知识清单一、什么是无机非金属材料无机非金属材料，顾名思义，是指除金属材料和有机高分子材料以外的几乎所有材料的统称。
这些材料通常具有高硬度、耐高温、耐腐蚀等优良性能，在现代工业、科技和日常生活中发挥着不可或缺的作用。
从组成上来看，无机非金属材料主要由无机化合物构成，包括氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等。
它们的结构和性能特点取决于所包含的化学元素以及原子之间的结合方式。
二、常见的无机非金属材料1、陶瓷材料陶瓷是人类使用历史最为悠久的无机非金属材料之一。
传统的陶瓷如陶器、瓷器，是以黏土等天然矿物为原料，经过成型和高温烧制而成。
现代陶瓷则在成分和工艺上有了很大的改进和创新，具有更加优异的性能。
例如，氧化铝陶瓷硬度高、耐磨，常用于制造刀具和机械零件；氧化锆陶瓷韧性好，可用于制作生物医学材料，如人工关节。
2、玻璃材料玻璃是一种非晶态的无机非金属材料，通常由石英砂、纯碱、石灰石等原料制成。
根据成分和性能的不同，玻璃可以分为多种类型，如普通玻璃、钢化玻璃、硼硅玻璃等。
普通玻璃广泛应用于建筑门窗、容器等；钢化玻璃强度高，用于汽车车窗、高层建筑的幕墙；硼硅玻璃耐高温、化学稳定性好，常用于实验室器具和太阳能热水器的集热管。
3、水泥材料水泥是建筑行业中不可或缺的无机非金属材料，主要成分是硅酸钙、铝酸钙等。
水泥与水混合后会发生化学反应，逐渐硬化形成坚固的结构体。
常见的水泥有硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥等，它们在强度、凝结时间等方面有所不同，适用于不同的建筑工程。
4、耐火材料耐火材料能够在高温环境下保持物理和化学稳定性，抵抗高温的侵蚀。
常见的耐火材料有耐火砖、耐火纤维等。
它们广泛应用于冶金、化工、电力等高温工业领域，如炼钢炉的内衬、高温窑炉的隔热层。
5、半导体材料半导体材料是现代电子信息技术的基础，如硅、锗、砷化镓等。
这些材料的导电性介于导体和绝缘体之间，可以通过掺杂等工艺控制其电学性能，从而制造出各种电子器件，如集成电路、二极管、三极管等。
无机非金属材料的性能分析
其他物理与化学性能
三、能带理论
晶体中，由于原子之间的相互作用，原子中 的能级将“展开”，电子也可以从一个原子移 到另一个原子上，从而不断的在晶体中运动。 电子的这种运动叫做共有化。其能量是量子化 的，每个能级只能容纳两个自旋方向相反的电 子。由于晶体中电子能级间的间隙很小，可以 把能级分布看成是准连续的，称为能带。
-
ε r称相对介电常数。
其他物理与化学性能
其他物理与化学性能
其他物理与化学性能
• 研究材料磁性的最基本的任务是确定材料的磁化 强度M与外磁场强度H和温度T的关系，在一定 温度下，定义：M＝χH • χ称为物质的磁化率，即单位外磁场强度下材 料的磁化强度。它的大小反映了物质磁化的难易 程度，是材料的一个重要的磁参数。同时，它也 是物质磁性分类的主要依据。
滞弹性：是指在弹性范围内出现的非弹性 现象。应变不仅与应力有关，而且与时间 有关。
•
弹性变形
蠕变：固体材料在恒定荷载下，变形随时间延续而缓 慢增加的不平衡过程，或材料受力后内部原子由不平 衡到平衡的过程。当外力除去后，蠕变变形不能立即 消失。 例如：沥青、水泥混凝土、玻璃和各种金属等在持续 外力作用下，除初始弹性变形外，都会出现不同程度 的随时间延续而发展的缓慢变形（蠕变）。
材料的断裂
为何断裂强度 的理论值与实 际值差别如此 之大？
材料的断裂
材料的断裂
• 无机非金属材料缺陷，萌生出微裂纹；
• 微裂纹应力集中，微裂纹扩展。
第二章 无机非金属材料的 性能
第三节 其他物理与化学性能
介电陶瓷
锂离子电池
快离子导体
吸铁石
收音机喇叭
收音机喇叭上的吸铁石 不是铁磁体！
车窗玻璃
无机非金属材料ppt课件
类型：陶瓷、玻璃、水泥 （1）陶瓷 ·主要原料：黏土 ·主要成分：含水的铝硅酸盐，成分复杂
（2）玻璃 ·主要原料：纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2) ·主要成分：Na2SiO3、CaSiO3和SiO2
高温
Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑
高温
CaCO3 +SiO2===CaSiO3 + CO2↑
二、新型无机非金属材料
1、硅和二氧化硅
根据元素周期表中硅的位置，思考： 为什么硅能成为应用最为广泛的半导体材料？
第三周期、第IV A族
①硅的存在与性质：
硅在自然界以硅酸盐和氧化物的形式存在
硅酸盐矿石
玛瑙（ SiO2 ）
水晶（ SiO2 ）
高温下，硅能与氧气反应生成SiO2，与氯气反应生成 SiCl4 。
（3）碳纳米材料
碳纳米材料是近年来人们十分关注的一类新型无机非金属 材料，主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等，在能源、信息、 医药等领域有着广阔的应用前景。
注：碳纳米材料、金刚石、石墨都是碳的同素异形体， 它们因结构不同(碳原子排列方式不同)而具有不同性质。
——富勒烯
富勒烯是由碳原子构成的 一系列笼形分子的总称，其中 的C60是富勒烯的代表物。C60的 发现为纳米科学提供了重要的 研究对象，开启了碳纳米材料 研究和应用的新时代。
③
。
②二氧化硅的性质：
（1）物理性质: 二氧化硅硬度大、熔点高，不溶于水
（2）化学性质:
酸性氧化物：SiO2＋2NaOH=== Na2SiO3＋H2O ；
具有氧化性：SiO2＋2C
Si＋2CO↑；
特 性 ：SiO2＋4HF=== SiF4↑＋2H2O。
无机非金属材料的性能
高温
T高: 较多的振动模式 较大的振动振幅 较多的声子被激发 较多的声子数
声子浓度梯度（扩散）
低温
T1低: 较少的振动模式 较小的振动振幅 较少的声子被激发 较少的声子数
温度平衡时：同样多的振动模式 同样多的振动振幅 同样多的声子数
热传导
从晶格格波的声子理论可知： 热传导过程是声子从高浓度区域到低浓度区的扩散
其他物理与化学性能
为什么有些固 体材料是透明 的？
其他物理与化学性能
• 如果材料不吸收可见光区的任何光，则 材料是透明的；
第二章 无机非金属材料的 性能
第三节 其他物理与化学性能
介电陶瓷
锂离子电池 快离子导体
吸铁石 收音机喇叭
收音机喇叭上的吸铁石 不是铁磁体！
车窗玻璃
其他物理与化学性能
• 电学性能 • 磁学性能 • 光学性能 • 化学性能
其他物理与化学性能
导 体： ρ ＜10 －5 Ω·m 。
其中
纯金属ρ
硬度大、耐磨损
透明、耐高压 氧化铝陶瓷制品
高 压 钠 灯
熔点高
氧化铝陶瓷 球磨罐
星式氧化铝陶瓷球磨机
材料的力学性能
弹性变形
• 胡克定律：材料应力-应变关系，在弹
性限度内，成正比关系，其比例系数E
就是弹性模量。
xx E xx
xx
E
yy
弹性变形
• 小变形近似，简谐近似；
• 原子间共振频率与原子折合质量以及弹 性常数间的关系为
0
0
MR
e
硬度与强度
• 无机非金属材料：硬度高； • 应用最广泛之测硬度方法：维氏硬度
无机非金属材料
瓷都景德镇
卫生瓷
②搪瓷不属于陶瓷
水泥的标号 水泥的标号是水泥强度大小的标志，测定水 泥标号的抗压强度，系指水泥砂浆硬结28天后的 强度。例如检测得到28天后的抗压强度为310 kg/cm2，则水泥的标号定为300号。抗压强度为 300-400 kg/cm2者均算为300号。普通水泥有： 200、250、300、400、500、600六种标号。200 号-300号的可用于一些房屋建筑。400号以上的 可用于建筑较大的桥梁或厂房，以及一些重要路 面和制造预制构件。
水泥回转窑
料等，品种繁多，前景广阔。
（4）能源材料。太阳能、磁流体发电、氢能等新能源发
展，同时促进了各种高温热、储能、换能材料的发展。
（5）高性能、高强度结构材料。
（6）复合材料。纤维增强型、弥散粒子型、叠
层复合型复合材料以及碳纤维、石墨纤维、硼
纤维、金属纤维、晶须的研制发展，将使被称
为"21世纪材料"复合材料更放光彩。
陶 瓷 轴 承
陶瓷机械零件
光导纤维
光导纤维（二氧化硅）
①抗干扰性能好，不发生辐射； ②通讯质量好； 主要特性 ③质量轻、耐腐蚀
用于通讯外，还用于医疗、信息 主要用途 处理、遥测遥控等
光 导 纤 维 手 术 头 灯
光纤面板
光纤光缆
普通电缆
信息量大，信息量大，每根光 8管同轴电缆每条通话 缆上理论上可同时通过10亿路 1800路 电话 原料来源广（石英玻璃），节 资源较少 约有色金属 质量小，每km27g，不怕腐蚀， 每km1.6t 铺设方便 成本低，每km 10 000元左右 普通光缆每km 200 000元 左右 性能好，抗电磁干扰保密性强 ， 能防窃听，不发生电辐射
无机非金属材料ppt课件
热解法制备的无机非金属材料有炭黑、石墨、碳纤维等。
热解法制备无机非金属材料的缺点是制备出的无机非金属材料结构不够致密，性能不够优异。
烧结法是一种将粉末状的物质加热到高温状态，使其发生物理和化学变化，最终形成致密化块状无机非金属材料的方法。
热膨胀系数
无机非金属材料的热膨胀系数差异较大，有些材料在加热时膨胀较小，适用于高温或温度变化较大的环境。
电导率与绝缘性：大多数无机非金属材料具有较高的绝缘性能，是良好的电绝缘材料。例如，陶瓷、玻璃和某些特种水泥可用于高压电器和电子设备的绝缘结构。
折射率与光学常数
无机非金属材料的折射率较高，决定了它们在光学仪器、光纤通讯和照明系统等领域的应用价值。不同材料的光学常数（如折射率、消光系数和色散等）决定了它们在特定波长范围内的光学行为。
烧结法制备无机非金属材料的优点是制备出的无机非金属材料结构致密，性能优异。
烧结法制备无机非金属材料的缺点是制备过程需要高温条件，能耗较高，同时制备出的无机非金属材料尺寸较小。
烧结法制备的无机非金属材料有陶瓷、玻璃、耐火材料等。
无机非金属材料的性能特点
硬度
韧性
强度与断裂韧性
疲劳性能
无机非金属材料的硬度通常较高，具有较好的耐磨性和耐压性能。例如，陶瓷材料具有极高的硬度，广泛用于切割工具、磨料和轴承等领域。
A
B
D
C
化学气相沉积法
利用化学反应产生气体，在气体的扩散和迁移过程中，通过化学反应生成无机非金属材料。
溶胶-凝胶法
将无机盐或金属醇盐溶解在合适的溶剂中，经过水解、缩聚等化学反应，形成稳定的溶胶，再经干燥、烧结固化制备无机非金属材料。
无机非金属材料课件
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电子电器行业
航空航天领域
无机非金属材料具有良好的电绝缘性和稳 定性，可用于制造电子元件和电器设备等 。
无机非金属材料具有耐高温和抗腐蚀等特 性，在航空航天领域中有广泛的应用，如 火箭发动机壳体、飞机结构件等。
02
无机非金属材料的生产工艺
原料选择与处理
原料种类
根据产品需求选择合适的矿物原料，如黏土、石 英、长石等。
材料在高温下保持其结构 和性质的能力，反映材料 的耐热性。
04
无机非金属材料的发展趋势与挑 战
新材料的研究与开发
高性能陶瓷材料
研究具有高强度、高韧性、耐磨 、耐高温等优异性能的新型陶瓷 材料，如氮化硅陶瓷、碳化硅陶
瓷等。
新型玻璃材料
探索具有特殊光学、电学、磁学等 性能的新型玻璃材料，如光子晶体 玻璃、导电玻璃等。
成型与烧成
成型工艺
选择合适的成型工艺，如干压成型、等静压成型等， 根据产品形状和尺寸确定。
成型参数
控制成型参数，如压力、温度、时间等，以保证成型 质量。
烧成工艺
制定合理的烧成制度，控制烧成温度、时间、气氛等 参数，以获得理想的烧成效果。
加工与处理
加工设备
根据产品需求选择合适的加工设备，如切割机、磨削机、抛光机 等。
新型复合材料
研究由两种或多种材料组成的新型 复合材料，如碳纤维复合材料、玻 璃纤维复合材料等。
生产工艺的改进与创新
1 2
先进陶瓷制备技术
发展先进的陶瓷制备技术，如凝胶注模成型、等 静压成型等，以提高陶瓷材料的致密度和均匀性 。
玻璃熔炼与成型技术
研究新型的玻璃熔炼与成型技术，如溢流下拉法 、连熔连铸法等，以提高玻璃的质量和产量。
材料科学第四章无机非金属材料分析解析
普通陶瓷材料
2）卫生陶瓷
以高岭土为主要原料而制得的用于卫生设施的带釉陶 瓷制品，有陶质、炻瓷质和瓷质等。
3）电器绝缘陶瓷 又称电瓷，是作为隔电、机械支撑及连接用的瓷质绝 缘器件。分为低压电瓷、高压电瓷和超高压电瓷等。 4）化工陶瓷 要求耐酸、耐高温、具有一定强度。主要用于化学、 化工、制药、食品等工业。
3、性质：特种陶瓷具有特殊性质和功能。
结构陶瓷材料
结构陶瓷的种类
氧化物结构陶瓷 碳化物结构陶瓷 氮化物结构陶瓷
结构陶瓷材料
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 ZrO2陶瓷
BeO陶瓷
MgO陶瓷
结构陶瓷材料
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。
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。 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。 晶体相的结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料 的特性和应用。
硅氧四面体是硅酸盐陶瓷中最基本的结构单元
结构陶瓷材料
MgO陶瓷
耐高温，抗金属及碱性熔渣腐蚀。 可以用作冶炼高纯度Fe、Mo、Cu、Mg等金属 的坩埚及浇注金属的铸模，也可用作高温热电偶 保护套及炉衬材料等。
结构陶瓷材料
碳化物结构陶瓷
§4 无机非金属材料及其性能特点
§4 无机非金属材料及其性能特点4.1 陶瓷陶瓷是陶器与瓷器的总称。
它是一种既古老而又现代的材料，亦称无机非金属材料，具有耐高温、耐腐蚀、硬度高、绝缘等优点。
按其原料的来源不同，陶瓷可分为普通陶瓷和特种陶瓷。
4.1.1 普通陶瓷普通陶瓷是以天然硅酸盐矿物为原料（粘土、长石、石英），经过原料加工、成型、烧结而成，因此又叫硅酸盐陶瓷。
普通陶瓷分为日用陶瓷和工业陶瓷两大类。
日用陶瓷主要是用作各种日用器皿。
工业陶瓷包括建筑卫生瓷、化学化工瓷、电工瓷等。
表3.6各类日用陶瓷的配料、性能特点及应用4.1.2 特种陶瓷特种陶瓷，又称现代陶瓷、精细陶瓷、先进陶瓷、高性能陶瓷等，包括特种结构陶瓷和特种功能陶瓷，是采用纯度较高的人工合成化合物（如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等），经配料、成型、烧结而制得。
常见的特种陶瓷及其性能特点和应用在下表给出。
表3.7 常用特种陶瓷的性能特点及应用4.2 玻璃玻璃是一类非晶态的无机非金属材料，在现代科学技术和日常生活中有着重要的应用。
玻璃的主要组分及其功能有：SiO2：硅酸盐玻璃的主要成份，构成玻璃的骨架；Na2O：是制造玻璃的助熔剂，可以大大降低玻璃液粘度；CaO：加速玻璃熔化，提高玻璃稳定性；Al2O3：提高玻璃机械强度、降低玻璃热膨胀系数等。
表3.8 常用玻璃的成分、性能特点及应用4.3 水泥及混凝土水泥是一种能在空气、水中硬化并将砂子、石头等颗粒黏结成一个整体的水硬性胶凝性材料。
由水泥将砂石黏结成一个整体，就是混凝土，大量应用于修桥铺路工程。
建筑工程中常用的钢筋混凝土是将钢筋搭乘骨架，而后浇筑混凝土而成。
硅酸盐水泥由熟料、石膏和混合材料组成。
熟料主要以硅酸钙为主要成分，是水泥的主要成份。
石膏以天然石膏为主，用来调整水泥的凝结时间。
混合材料主要是用来提高水泥抗水性、降低水泥成本、调整水泥标号。
水泥的强度是衡量其质量的主要指标。
一般标号越大，水泥的强度越高。
无机非金属材料
•
在晶体结构上,无机非金属材料的元素 结合力主要为离子键、共价键或离子-共价 混合键。这些化学键所特有的高键能、高键 强赋予这一大类材料以高熔点、高硬度、耐 腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等 基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透 光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。
2.分类
无 机 非 金 属 材 料
但是，由于天然金刚石非常少，远远不能满 足生产和科研的需要。科学家们通过对石墨和金 金 刚石同素异形体结构的研究，指出了在一定条件 刚 下使石墨转化为金刚石的可能性。 石 1955年，美国首先用石墨合成出金刚石，这 锯 片 是材料合成领域的一项重大成就。 目前，世界上用石墨合成金刚石的研究发展 很快，我国在这方面的研究也在飞速发展，许多 城市都建有人造金刚石的工厂和研究所，以满足 生产发展的需要。
(3)人造宝石
红宝石和蓝宝石的主要成分都是Al2O3（刚 玉）。 红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化 合物；
而蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛 化合物。
1900年，科学家曾用氧化铝熔融后加入少量 氧化铬的方法，制出了质量为2g-4g的红宝石。 现在，已经能制造出大到10g的红宝石和蓝宝石。
（6）超导材料
超导材料是一类在低温下（ 23.2K 或更低温度下） 电阻可以完全消失的材料。用超导材料做成导线，电阻几乎 为零，可以实现远距离无损耗输电；超导材料可以产生极强 的磁场，用于制造磁悬浮列车；用超导材料制成的发电机将 会比现有的发动机输出功率高 100 倍以上。由于超导现象发 生在很低的温度下，使其应用受到很大的限制，因此寻找研 制在较高临界温度下具有超导特性的材料成为近30年来科学 家研究的重要课题。 1986 年 ， 瑞 士 的 IBM 公 司 实 验 室 的 JGBendnorz 和 KAMtiller首先在高温氧化物超导体的研究中取得了决定性 的突破。在通式为AxByCuzOw（A＝La，Y„„；B＝Ba，Sr„„ 等）的钙钛矿结构的体系中，获得了临界温度Tc达35K的超导 体，因此他们获得了1987年诺贝尔物理奖。1987年，美国休 斯敦大学的朱经武小组、中科院物理研究所赵忠贤等发现了 临界温度Tc为90K的Y－Ba－Cu－O材料，实现了在液氧（77K） 中的超导性。
无机非金属材料资料 (2)
烧成
表面处理
对无机非金属材料的表面进行涂层、 镀膜或涂覆等处理，以提高其耐腐蚀 性、耐磨性和装饰性。
在高温下对坯体或部件进行烧结或熔 融，以实现材料的致密化和稳定性。
性能优化
成分优化
通过调整原料成分和制备工艺参数，优化无机非金属材料的物理、化学和机械性 能。
复合增强
将两种或多种无机非金属材料进行复合，实现优势互补和性能增强，如陶瓷基复 合材料、玻璃纤维增强复合材料等。
废弃物资源化利用
对无机非金属材料的废弃物进行资源化利用，减少对环境的负担，实现可持续发展。
市场与应用领域的拓展
新能源领域
随着新能源产业的快速发展，无机非金属材料在太阳能电池、风力发电机叶片等领域的 应用逐渐增多。
生物医学领域
无机非金属材料在生物医学领域的应用逐渐拓展，如生物陶瓷、生物玻璃等在牙齿种植、 骨修复等领域的应用。
制备方法
固相法
通过高温或化学反应将原料转化为无机非金属材料，如烧结、熔 融、水热合成等。
气相法
利用化学反应或物理过程将气体物质转化为无机非金属材料，如化 学气相沉积、物理气相沉积等。
液相法
利用溶胶-凝胶法、沉淀法等方法将液体物质转化为无机非金属材 料。
加工工艺
成型
将制备好的无机非金属材料加工成所 需形状和尺寸的坯体或部件，如压制 成型、注射成型、挤压成型等。
抗蠕变性
某些无机非金属材料在高温下仍能保持较 好的稳定性，不易变形，这使得它们在高 温环境下具有较好的应用前景。
热学性能
良好的隔热性能 耐高温性能 热膨胀性 抗热震性
无机非金属材料的热导率较低，具有良好的隔热性能，可用于 制作保温材料。
许多无机非金属材料能够承受高温，如耐火材料、陶瓷等，可 以在高温环境下保持其结构和性能的稳定性。
无机材料的性能特点分类
无机非金属材料性能一、绪论（2学时）1、无机非金属材料的特点(1)化学组成上为无机化合物或非金属元素单质，包括传统的氧化物、硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐等含氧酸盐、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化物、硫系化合物、硅、锗及碳材料等。
(2)形态与形状上包括多晶、单晶、非晶、薄膜、纤维、复合材料等。
(3)晶体结构复杂。
单个晶格可能包含多种元素的原子，晶格缺陷种类多。
(4)原子间结合力丰要为离子键、共价键或者离了—共价混合键，具有高的键能、大的极性。
(5)制备上通常要求高纯度、高细度原料，并在化学组成、添加物的数量和分布、晶体结构和材料微观结构上能精确控制。
(6)性能多样。
具有高熔点高强度、耐磨损、高硬度、耐腐蚀及抗氧化，宽广的导电性能、导热性、透光件以及良好的铁电性、铁磁性和压电性等待殊性能；但大多数无机材料拉伸强度低，韧性差，脆性大。
(7)应用极其广泛。
几乎在所有的领域都有无机材料的应用，尤其新型无机材料更是现代技术的发展基础、在电子信息技术、激光技术、光纤技术、光电子技术、传感技术、超导技术以及空间技术的发展中占有十分重要的地位。
2、传统无机非金属材料与新型无机非金属材料传统无机材料一般是指以天然的硅酸盐矿物(粘土、石英、长石等)为主要原料，经高温窑烧制而成的一大类材料。
故又称窑业材料，主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四种，其化学组成均为硅酸盐，因此也称为硅酸盐材料。
新型无机材料则是指应用于高科技领域的用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非属化合物经持殊的先进工艺制成的具有优异性能的无机新材料，包括特种陶瓷、特种玻璃、特性水泥、新型耐火材料、人工晶体、增导体材料等。
3、无机非金属材料的分类无机材料种类繁多、性能各异。
从传统硅酸盐材料到新型无机材料，众多门类的无机材料已经渗透到人类生活、生产的各个领域，需从多个角度对无机材料进行分类。
无机材料按成分特点、可分为单质和化合物两大类；按结构特征，可分为单晶、多晶、玻璃、无定形材料、复合材料等；按形态，可分为体相材料、薄膜材料、纤维、粉体等；按性能特征和使用效能，又可分为结构材料和功能材料两大类；按合成制备工艺，还可分为烧结成材、湿法合成材料、涂镀材料、水硬材料等。
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§4 无机非金属材料及其性能特点
4.1 陶瓷
陶瓷是陶器与瓷器的总称。
它是一种既古老而又现代的材料，亦称无机非金属材料，具有耐高温、耐腐蚀、硬度高、绝缘等优点。
按其原料的来源不同，陶瓷可分为普通陶瓷和特种陶瓷。
4.1.1 普通陶瓷
普通陶瓷是以天然硅酸盐矿物为原料（粘土、长石、石英），经过原料加工、成型、烧结而成，因此又叫硅酸盐陶瓷。
普通陶瓷分为日用陶瓷和工业陶瓷两大类。
日用陶瓷主要是用作各种日用器皿。
工业陶瓷包括建筑卫生瓷、化学化工瓷、电工瓷等。
表3.6各类日用陶瓷的配料、性能特点及应用
4.1.2 特种陶瓷
特种陶瓷，又称现代陶瓷、精细陶瓷、先进陶瓷、高性能陶瓷等，包括特种结构陶瓷和特种功能陶瓷，是采用纯度较高的人工合成化合物（如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等），经配料、成型、烧结而制得。
常见的特种陶瓷及其性能特点和应用在下表给出。
表3.7 常用特种陶瓷的性能特点及应用
4.2 玻璃
玻璃是一类非晶态的无机非金属材料，在现代科学技术和日常生活中有着重要的应用。
玻璃的主要组分及其功能有：
SiO2：硅酸盐玻璃的主要成份，构成玻璃的骨架；
Na2O：是制造玻璃的助熔剂，可以大大降低玻璃液粘度；
CaO：加速玻璃熔化，提高玻璃稳定性；
Al2O3：提高玻璃机械强度、降低玻璃热膨胀系数等。
表3.8 常用玻璃的成分、性能特点及应用
4.3 水泥及混凝土
水泥是一种能在空气、水中硬化并将砂子、石头等颗粒黏结成一个整体的水硬性胶凝性材料。
由水泥将砂石黏结成一个整体，就是混凝土，大量应用于修桥铺路工程。
建筑工程中常用的钢筋混凝土是将钢筋搭乘骨架，而后浇筑混凝土而成。
硅酸盐水泥由熟料、石膏和混合材料组成。
熟料主要以硅酸钙为主要成分，是水泥的主要成份。
石膏以天然石膏为主，用来调整水泥的凝结时间。
混合材料主要是用来提高水泥抗水性、降低水泥成本、调整水泥标号。
水泥的强度是衡量其质量的主要指标。
一般标号越大，水泥的强度越高。
混凝土可以看着是水泥和砂石组成的复合材料。
水泥及混凝土的性能见下表。
表3.9 各标号水泥的强度
表3.10 常规混凝土的力学性能。