无机非金属材料科学基础(ppt)
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《无机非金属材料科学基础》第3章 晶体结构
碱金属元素的氧化物R2O，硫化物R2S，硒化物 R2Se，碲化物R2Te等A2X型化合物为反萤石型结构， 它们的正负离子位置刚好与萤石结构中的相反，即 碱金属离子占据F－离子的位置，O2-或其它负离子 占据Ca2+的位置。这种正负离子位置颠倒的结构， 叫做反同形体。
2. 金红石（ TiO2 ）型结构
AB2型结构类型与r+/r-的关系
结构类型
r+/r-
萤石（CaF2） 0.732
型
金 红 石 0.414~0.732 （TiO2）型
-方石英型 0.225~0.414
实例（右边数据为 r+/r-比值） BaF2 1.05 PbF2 0.99 SrF2 0.95 HgF2 0.84 ThO2 0.84 CaF2 0.80 UO2 0.79 CeO2 0.77 PrO2 0.76 CdF2 0.74 ZrO2 0.71 HfF2 0.67 ZrF2 0.67 TeO2 0.67 MnF2 0.66 PbO2 0.64 FeF2 0.62 CoF2 0.62 ZnF2 0.62 NiF2 0.59 MgF2 0.58 SnO2 0.56 NbO2 0.52 MoO2 0.52 WO2 0.52 OsO2 0.51 IrO2 0.50 RuO2 0.49 TiO2 0.48 VO2 0.46 MnO2 0.39 GeO2 0.36 SiO2 0.29 BeF2 0.27
3.3 多元无机化合物晶体的结构
NaCl和CsCl型衍生结构型式
结构可归于二元形式的多元化合物 CaF2型衍生结构型式
ZnS和FeS2型衍生结构型式
ABO3型化合物
含有三角形络合离子BO33、CO32、NO3等化合物，如文石和方解石 含有三角锥形络合离子ClO3－、BrO3－等化合物，如KBrO3
2. 金红石（ TiO2 ）型结构
AB2型结构类型与r+/r-的关系
结构类型
r+/r-
萤石（CaF2） 0.732
型
金 红 石 0.414~0.732 （TiO2）型
-方石英型 0.225~0.414
实例（右边数据为 r+/r-比值） BaF2 1.05 PbF2 0.99 SrF2 0.95 HgF2 0.84 ThO2 0.84 CaF2 0.80 UO2 0.79 CeO2 0.77 PrO2 0.76 CdF2 0.74 ZrO2 0.71 HfF2 0.67 ZrF2 0.67 TeO2 0.67 MnF2 0.66 PbO2 0.64 FeF2 0.62 CoF2 0.62 ZnF2 0.62 NiF2 0.59 MgF2 0.58 SnO2 0.56 NbO2 0.52 MoO2 0.52 WO2 0.52 OsO2 0.51 IrO2 0.50 RuO2 0.49 TiO2 0.48 VO2 0.46 MnO2 0.39 GeO2 0.36 SiO2 0.29 BeF2 0.27
3.3 多元无机化合物晶体的结构
NaCl和CsCl型衍生结构型式
结构可归于二元形式的多元化合物 CaF2型衍生结构型式
ZnS和FeS2型衍生结构型式
ABO3型化合物
含有三角形络合离子BO33、CO32、NO3等化合物，如文石和方解石 含有三角锥形络合离子ClO3－、BrO3－等化合物，如KBrO3
《材料科学基础》课件
THANKS
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稳定性
材料在化学环境中保持其组成和结构的能力。
腐蚀性
材料与化学物质反应的能力，一些材料容易受到腐蚀。
活性
材料参与化学反应的能力和程度。
耐候性
材料在各种气候条件下的稳定性，如耐紫外线、耐风雨等。
材料的力学性质
弹性模量
描述材料抵抗弹性变形的能力。
硬度
材料表面抵抗被压入或划痕的能力。
韧性
材料吸收能量并抵抗断裂的能力。
材料科学的发展历程
总结词
概述材料科学的发展历程，包括重要的里程碑和代表 性人物。
详细描述
材料科学的发展历程可以追溯到古代，如中国的陶瓷和 青铜器制作，古埃及的石材加工等。然而，材料科学作 为一门独立的学科是在20世纪中期才开始形成的。在 这个时期，一些重要的里程碑包括开发出高温超导材料 、纳米材料和光电子材料等新型材料，这些材料的出现 极大地推动了科技的发展。同时，一些杰出的科学家如 诺贝尔奖得主也在这个领域做出了卓越的贡献。随着科 技的不断进步，材料科学的发展前景将更加广阔。
。
绿色材料与可持续发展
绿色材料
采用环保的生产方式，开发具有环保性能的新型材料，如可降解 塑料、绿色建材等。
节能减排
通过采用新型材料和技术，降低能源消耗和减少污染物排放，实现 节能减排的目标。
可持续发展
推动材料科学的发展，实现经济、社会和环境的协调发展，促进可 持续发展。
非晶体结构与性质
非晶体的结构特征
非晶体中的原子或分子的排列是无序的，不遵循长程有序的晶体 结构。
非晶体的物理和化学性质
非晶体的物理和化学性质与晶体不同，如玻璃态物质具有较好的化 学稳定性和机械强度。
《无机非金属材料科学基础》第6章 固体的表面与界面行为
平衡时，此膨胀功必然等于新增加的表面能8πrγdr, 即
由此我们可以得到一个重要的结论:肥皂池的半径越 小，泡膜两侧的压差越大。
上式是针对球形表面而言的压差计算式，对于 一般的曲面，即当表面并非球形时，压差的计算式 有所不同。一般地讲，描述一个曲面需要两个曲率 半径之值;对于球形，这两个曲率半径恰好相等。一 般曲面两个曲率的半径分别为R1和R2。我们可以得 到一般曲面的压差计算式:
1. 共价键晶体表面能
2. 离子晶体表面能
每一个晶体的自由焓都是由两部分组成，体积 自由焓和一个附加的过剩界面自由焓。为了计算 固体的表面自由焓，我们取真空中0K下一个晶体 的表面模型，并计算晶体中一个原子(离子)移到晶 体表面时自由焓的变化。在0K时，这个变化等于 一个原子在这两种状态下的内能之差。
目录
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节 • 第五节
表面与界面物理化学基本知识 固体的表面(固-气) 固-液界面 浆体胶体化学原理 固-固界面
6.1 表面与界面物理化学基本知识
固体的界面可一般可分为表面、界面和相界面： 1）表面:表面是指固体与真空的界面。 2）界面:相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。 3）相界面:相邻相之间的交界面称为相界面。相界面有
界面间的吻合和结合强度。
表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生。微 裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度 这种影响尤为重要。
脆性材料的理论强度约为实际强度的几百倍，正是 因为存在于固体表面的微裂纹起着应力倍增器的作用， 使位于裂缝尖端的实际应力远远大于所施加的应力。
葛里菲斯（Griffith）建立了著名的玻璃断裂理论， 并导出了材料实际断裂强度与微裂纹长度的关系
R 2E C
由此我们可以得到一个重要的结论:肥皂池的半径越 小，泡膜两侧的压差越大。
上式是针对球形表面而言的压差计算式，对于 一般的曲面，即当表面并非球形时，压差的计算式 有所不同。一般地讲，描述一个曲面需要两个曲率 半径之值;对于球形，这两个曲率半径恰好相等。一 般曲面两个曲率的半径分别为R1和R2。我们可以得 到一般曲面的压差计算式:
1. 共价键晶体表面能
2. 离子晶体表面能
每一个晶体的自由焓都是由两部分组成，体积 自由焓和一个附加的过剩界面自由焓。为了计算 固体的表面自由焓，我们取真空中0K下一个晶体 的表面模型，并计算晶体中一个原子(离子)移到晶 体表面时自由焓的变化。在0K时，这个变化等于 一个原子在这两种状态下的内能之差。
目录
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节 • 第五节
表面与界面物理化学基本知识 固体的表面(固-气) 固-液界面 浆体胶体化学原理 固-固界面
6.1 表面与界面物理化学基本知识
固体的界面可一般可分为表面、界面和相界面： 1）表面:表面是指固体与真空的界面。 2）界面:相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。 3）相界面:相邻相之间的交界面称为相界面。相界面有
界面间的吻合和结合强度。
表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生。微 裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度 这种影响尤为重要。
脆性材料的理论强度约为实际强度的几百倍，正是 因为存在于固体表面的微裂纹起着应力倍增器的作用， 使位于裂缝尖端的实际应力远远大于所施加的应力。
葛里菲斯（Griffith）建立了著名的玻璃断裂理论， 并导出了材料实际断裂强度与微裂纹长度的关系
R 2E C
材料科学基础ppt课件
性能/性质
成分/结构 MSE的四个组成要素
表1.1 各电子壳层及亚壳层的电子状态
主量子数 壳层序号
次量子数 亚壳层状态
量子数规定 的状态数目
考虑自旋量子数后 的状态数目
壳层 总电子数
1
1s
1
2
2s 2p
1 3
3s
1
3
3p
3
3d
5
4s
1
4
4p 4d
3 5
4f
7
2
2（＝2×12）
2
8（＝2×22）
6
2
配位数: 致密度:
Z＝12
Kn4r3 /V
3
6(4/3a)3(1/2a)3 0.74＝74%
轴比：c/a 1.633
图2-7 两个简单六方晶格穿 插在一起构成密排六方晶格
密排六方晶格，hcp （hexagonal close-packed）
第四章 金属的结晶与元相图
凝固：物质从液态转变为固态的过程。 结晶：物质从液态转变为晶体（固态）的过程。
6
18（＝2×32）
10
2
6 10
32（＝2×42）
14
f
d
p
f
d
s
f
d
p s
能
d
p
s
p
量
d
s
p
s p
s s
1
2
3
4
5
6
7
主量子数n
图1.1 电子能量水平随主量子数和次量子数的变化情况
3s
2N电子
2p
6N电子Leabharlann 2s 1s1原子2原子
材料科学基础第三章.ppt
第三章材料的相结构与相图
同济大学材料科学与工程学院 无机非金属材料研究所
• 3.1 材料的相结构
基本概念：
（1）组元：组成材料的最基本的、独立的物质。
组元可以是纯元素：Cu、Ni、Fe等；
也可以是非金属元素：C、N、B、O等；
或者是化合物
：Al2O3、SiO2、ZrO2等
（2）材料可以是单组元构成：
关键词：聚集状态（冰＋水：二相） 晶体结构（不同的相具有不同的晶
体结构）
存在相界面 （理论上各相之间是可以分离的）
• 材料的性能与各组成相的性质、形态、数量 有很大的关系：
• 实例1：
微晶玻璃—— 由玻璃相＋微晶相组成
铁碳合金 ——随着铁中碳含量的变化源自通常在0.0218%-6.69%之间），可 以形成各种不同的结晶态物质，如铁素体、 渗碳体、奥氏体等，这些相的形态、数量对 钢材的性能有很大的影响。
各组元质点分布分别按照各自的布拉维点阵进 行排列，整个固溶体就是由各组元的分点阵组成 的复杂点阵，也称超点阵或超结构。
• 3.1.1.1置换型固溶体
• 在理论的指导下，通过对实践经验的积累 总结，针对置换型固溶体的情况，提出了 一些重要的影响因素：
• （1）晶体结构类型 • （2）质点尺寸因素 • （3）化学电负性（化学亲和力） • （4）电价因素
合金组元间的电负性差越大，则倾向于生 成化合物而不利于形成固溶体；生成的化 合物越稳定，则固溶体的溶解度就越小。
只有电负性相近的元素才可能具有较大的溶 解度，有利于形成固溶体。
（通常以以 0.4 作为边界条件）
• （4）电价因素（电子浓度）
定义：电子浓度是指合金中各组成元素的价 电子数总和与原子总数的比值：e/a
同济大学材料科学与工程学院 无机非金属材料研究所
• 3.1 材料的相结构
基本概念：
（1）组元：组成材料的最基本的、独立的物质。
组元可以是纯元素：Cu、Ni、Fe等；
也可以是非金属元素：C、N、B、O等；
或者是化合物
：Al2O3、SiO2、ZrO2等
（2）材料可以是单组元构成：
关键词：聚集状态（冰＋水：二相） 晶体结构（不同的相具有不同的晶
体结构）
存在相界面 （理论上各相之间是可以分离的）
• 材料的性能与各组成相的性质、形态、数量 有很大的关系：
• 实例1：
微晶玻璃—— 由玻璃相＋微晶相组成
铁碳合金 ——随着铁中碳含量的变化源自通常在0.0218%-6.69%之间），可 以形成各种不同的结晶态物质，如铁素体、 渗碳体、奥氏体等，这些相的形态、数量对 钢材的性能有很大的影响。
各组元质点分布分别按照各自的布拉维点阵进 行排列，整个固溶体就是由各组元的分点阵组成 的复杂点阵，也称超点阵或超结构。
• 3.1.1.1置换型固溶体
• 在理论的指导下，通过对实践经验的积累 总结，针对置换型固溶体的情况，提出了 一些重要的影响因素：
• （1）晶体结构类型 • （2）质点尺寸因素 • （3）化学电负性（化学亲和力） • （4）电价因素
合金组元间的电负性差越大，则倾向于生 成化合物而不利于形成固溶体；生成的化 合物越稳定，则固溶体的溶解度就越小。
只有电负性相近的元素才可能具有较大的溶 解度，有利于形成固溶体。
（通常以以 0.4 作为边界条件）
• （4）电价因素（电子浓度）
定义：电子浓度是指合金中各组成元素的价 电子数总和与原子总数的比值：e/a
材料科学基础 (上海交通大学)PPT课件
注:计算时过渡族元素时价电子数视为0。
电子浓度、相、结构对应关系如下：
C电子==7/4（即21/12） ε 密排六方结构
C电子==21/13
γ 复杂立方结构
C电子==3/2（即21/14） β 体心立方结构
β－Mn 复杂立方或密排六方结构
电子价化合物具有金属特性,具有高熔点、高硬度但塑性低,与固 溶体适当搭配使合金得到强化最,作新课为件 非Fe合金中重要组成相。 28
特点： ①由配位数为12、14、15、16的配位多面体堆垛而
成； ②呈层状结构。 类型：①Lavs相
②σ相
最新课件
33
Lavs相
形成的条件：
（1）原子尺寸因素。A原子半径略大于B原子，其 理论值为rA/rB=1.255，而实际比值约在 1.05～1.68之间；
（2）电子浓度。一定的结构类型对应着一定的电 子浓度。 Lavs相形晶体结构有三种类型。典型 代表为MgCu2、MgZn2、MgNi2,与电子浓 度对应关系见表2.12（P52）
最新课件
25
2.3.2 中间相
➢ 中间相是合金组元间发生相互作用而形成的一 种新相,它可以是化合物,也可以是以化合物为基 的固溶体(二次固溶体),一般可以用化学分子式 来表示,但不一定符合化合价规律。
➢ 中间相中原子的结合方式为金属键与其它结合 键相混合的方式。它们都具有金属特性。
➢ 中间相如：钢中Fe3C、铝铜合金中CuAl、黄 铜中CuZn、半导体中GaAs、形状记忆合金中 NiTi和CuZn、核反应堆材料中Zr3Al、储氢能 源材料中LaNi5等。
结构。例如:A2B型 Mg2Pb Mg2Sn Mg2Ge Mg2Si AB型 MgS MnS FeS
正常价化合物在常温时有很高的硬度和脆性。在工业合金中,能 起到提高材料强度和硬度的作用,称为强化相。如Al－Mg－Si 合金中Mg2Si；但有时也是有害相,如钢中FeS会引起钢的脆性。
《材料科学基础》课件
1 2
a
101
1 6
a
121
1 3
a
111
3-11
全位错
几何条件：
shockley不全位错
Franker不全位错
• 能量条件：
shockley不全位错
全位错
Franker不全位错
b=a/3<111>和｛111｝面垂直。纯刃位错。
b垂直于滑移面，不是fcc晶体的滑移方向， 不能滑移，只可攀移。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4、（3-8）比较刃位错和螺位错的异同点。
14、表征晶体中晶向和晶面的方法有 解析法 和 图示 法。（晶 体投影图 ）
二、分析计算
1、（2-3）（1）晶面A在x、y、z轴上的截距分别是2a、3b和 6c，求该晶面的米勒指数；（2）晶面B在x、y、z轴上的截 距分别是a/3、b/2和c，求该晶面的米勒指数。
1 : 1 : 1 3: 2:1 236
3 0.40183
0.683
•(4) CsCl的分子量为:
(35.453 +132.905 )=168.358，
•阿佛加得罗常数是6.0238×1023;
•每个CsCl分子的质量A为：
168.358/(6.0238×10 ) 23
ZM / N A a3
1168.358 /(6.02 1023) (0.4018 107 )3
配位数是8.
[CsCl 8] 或 [ClCs8]配位六面体。
（4）
对CsCl晶体，晶体结构为简 单立方，晶胞中含有一个 正离子一个负离子，沿体 对角线正负离子相切:
3a 2r 2r
a=0.4018nm
3a 2 (0.167 0.181) 0.696
无机非金属材料工程专业创新实验课件汇总全套ppt完整版课件最全教学教程整套课件全书电子教案
大学本科教学体系。本教材为无机非金属材料工程专业学
生开设两个实验项目。
实验1-1 材料的变形与再结晶
• 一、实验目的
• （1）学会材料经过冷塑性变形后显微组织的 观察。
• （2）掌握变形度与加热温度对再结晶后晶粒 大小的影响。
• 二、实验原理
•
金属材料经过冷变形后，产生大量晶体结构
上的缺陷，这些缺陷阻碍了变形的进一步发展，
实验3-1 失重分析
▪ 一、实验目的 ▪ （1）了解失重分析的基本原理。 ▪ （2）利用失重曲线进行矿物的鉴定与过程反应分析。 ▪ 二、实验原理 ▪ 许多物质在加热或冷却过程中，除产生热效应外，往
往有质量变化，其变化的大小及出现的温度与物质的化 学组成和结构密切相关。利用加热或冷却过程中物质质 量变化的特点，可以区别和鉴定不同的物质。失重分析 法是在程序控温条件下，通过热天平测量样品质量，得 到质量与温度（或时间）的函数关系曲线，即TG曲线。 曲线的纵坐标表示样品质量的变化，可以是失重百分率， 横坐标为温度。
▪ （4）在电子天平上称量0.2~0.4g试样放于铂金坩埚内。
▪ （5）当电炉达一定温度时（如740℃），使温度稳定 10min，将水准瓶拿起与量气管内标尺中的液面相平， 作好准备工作，然后将盛有试样的坩埚放入电炉中，使 铂金坩埚落到反应管中，同时按动秒表记录时间。
▪ （6）间隔一定时间记录一次量气管上的读数，至实验 结束。
▪ （3）轻轻抬起炉体，装参比样品（或空坩埚）及被测 样品于热电偶板上，放下炉体，开启冷却水。
▪ （4）启动计算机，进入热分析数据站，输入相应数据， 无机材料升温速度为5~10℃，按确定键，将控制面板的数 据设置好后，按加热键。
▪ （5）采集结束后，屏上箭头指向停止钮，并确认，按 控制面板上加热键，使指示灯灭掉。
《无机非金属材料科学基础》第5章 熔体和非晶态固体
目录
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节 • 第五节 • 第六节
熔体的结构 玻璃的通性 玻璃的结构 非晶态固体的形成 常见玻璃类型与实例 玻璃的性质
5.1 熔体的结构
• 对熔体结构的一般认识：
1. 晶体与液体的体积密度相近。
当晶体熔化为液体时体积变化较小，一般不超过10％ (相当于质点间平均距离增加3％左右)；而当液体气化时， 体积要增大数百倍至数千倍(例如水增大1240倍)。
V、Q
过冷液体
a
b
玻璃
e
c
快
f
冷慢 h
冷
d
晶
体
Tg1 Tg2 TM
T
物质体积与内能 随温度变化示意图
玻璃性质随温度的变化
5.3 玻璃的结构
玻璃的性质不但与化学组成有关，与它 的结构一也密切相关，研究玻璃的结构有助 于进一步了解玻璃的性质和特点。玻璃结构 是指玻璃中质点在空间的几何配置、有序程 度及它们彼此间的结合状态。由于玻璃结构 的复杂性，至今尚未提出一个统一和完善的 玻璃结构理论。目前最主要的、广为接受的 玻璃结构学说是微晶学说和无规则网络学说。
第二，微晶的化学成分还没有得到合理的确定。
• 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。
材料科学基础ppt课件
11
• 这类聚合物是由缩聚反应或开环聚合而成的， 因主链带极性，易水解，醇解或酸解
• 优点：耐热性好，强度高 • 缺点：易水解
• 这类聚合物主要用作工程塑料
12
元素高分子
➢主链中不含碳原子，而是由Si 、B 、As等元素和O元 素组成，但在侧链上含有有机取代基团。这类高分 子兼具无机和有机高分子特性，如有机硅高分子。
• 支化高分子的形式：星形(Star)、 梳形 (Comb)、无规(Random)
23
网状(交联)大分子
• 缩聚反应中有三个或三个以上官能 度的单体存在时，高分子链之间通 过支链联结成一个三维空间网形大 分子时即成交联结构
• 交联与支化有本质区别 支化(可溶，可熔，有软化点) 交联(不溶，不熔，可膨胀)
2
•
3-1 材料组成和结构的基本内容
Principal Contents of Materials Composition and Structures
• 材料的组成： 构成材料的基本单元的成分及数目
• 材料的结构： 材料的组成单元(即原子或分子)之间相互吸引 和相互排斥作用达到平衡时在空间的几何排列。
(2)
结构单元 的键接方式 ( 几何构型 Geometric
Configuration) (链节)
16
加聚
缩聚
• 由以上知：
• 由于高分子是链状结构，所以把简单重复(结构)单元称为“链节”(chains) • 简单重复(结构)单元的个数称为聚合度DP(Degree of Polymerization1
28
无 规 共 聚 ( random)
• 两种高分子无规则地平行联结
ABAABABBAAABABBAAA
• 这类聚合物是由缩聚反应或开环聚合而成的， 因主链带极性，易水解，醇解或酸解
• 优点：耐热性好，强度高 • 缺点：易水解
• 这类聚合物主要用作工程塑料
12
元素高分子
➢主链中不含碳原子，而是由Si 、B 、As等元素和O元 素组成，但在侧链上含有有机取代基团。这类高分 子兼具无机和有机高分子特性，如有机硅高分子。
• 支化高分子的形式：星形(Star)、 梳形 (Comb)、无规(Random)
23
网状(交联)大分子
• 缩聚反应中有三个或三个以上官能 度的单体存在时，高分子链之间通 过支链联结成一个三维空间网形大 分子时即成交联结构
• 交联与支化有本质区别 支化(可溶，可熔，有软化点) 交联(不溶，不熔，可膨胀)
2
•
3-1 材料组成和结构的基本内容
Principal Contents of Materials Composition and Structures
• 材料的组成： 构成材料的基本单元的成分及数目
• 材料的结构： 材料的组成单元(即原子或分子)之间相互吸引 和相互排斥作用达到平衡时在空间的几何排列。
(2)
结构单元 的键接方式 ( 几何构型 Geometric
Configuration) (链节)
16
加聚
缩聚
• 由以上知：
• 由于高分子是链状结构，所以把简单重复(结构)单元称为“链节”(chains) • 简单重复(结构)单元的个数称为聚合度DP(Degree of Polymerization1
28
无 规 共 聚 ( random)
• 两种高分子无规则地平行联结
ABAABABBAAABABBAAA
无机非金属材料
传统工艺
传统无机非金属材料： 1、水泥和其他胶凝材料：硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、石膏等； 2、陶瓷：粘土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等； 3、耐火材料：硅质、硅酸铝质、高铝质、镁质、铬镁质等，玻璃硅酸盐 ； 4、搪瓷：钢片、铸铁、铝和铜胎等； 5、铸石：辉绿岩、玄武岩、铸石等； 6、研磨材料：氧化硅、氧化铝、碳化硅等； 7、多孔材料：硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸盐和硅酸铝等 ； 8、碳素材料：石墨、焦炭和各种碳素制品等； 9、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
生产工艺
普通无机非金属材料的生产是采用天然矿石作原料。经过粉碎、配料、混合等工序，成型（陶瓷、耐火材料 等）或不成型（水泥、玻璃等），在高温下煅烧成多晶态（水泥、陶瓷等）或非晶态（玻璃、铸石等），再经过 进一步的加工如粉磨（水泥）、上釉彩饰（陶瓷）、成型后退火（玻璃、铸石等），得到粉状或块状的制品。
高温结构陶瓷汽车发动机一般用铸铁铸造，耐热性能有一定限度。由于需要用冷却水冷却，热能散失严重， 热效率只有30%左右。如果用高温结构陶瓷制造陶瓷发动机，发动机的工作温度能稳定在1300 ℃左右，由于燃料 充分燃烧而又不需要水冷系统，使热效率大幅度提高。用陶瓷材料做发动机，还可减轻汽车的质量，这对航天航 空事业更具吸引力，用高温陶瓷取代高温合金来制造飞机上的涡轮发动机效果会更好。
硅酸盐材料是无机非金属材料的主要分支之一，硅酸盐材料是陶瓷的主要组成物质。
应用领域
无机非金属材料品种和名目极其繁多，用途各异，因此，还没有一个统一而完善的分类方法。通常把它们分 为普通的（传统的）和先进的（新型的）无机非金属材料两大类。传统的无机非金属材料是工业和基本建设所必 需的基础材料。如水泥是一种重要的建筑材料；耐火材料与高温技术，尤其与钢铁工业的发展关系密切；各种规 格的平板玻璃、仪器玻璃和普通的光学玻璃以及日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和电瓷等与人们的生 产、生活息息相关，它们产量大、用途广。其他产品如搪瓷、磨料（碳化硅、氧化铝）、铸石（辉绿岩、玄武岩 等）、碳素材料、非金属矿（石棉、云母、大理石等）也都属于传统的无机非金属材料。新型无机非金属材料是 20世纪中期以后发展起来的，具有特殊性能和用途的材料。它们是现代新技术、新产业、传统工业技术改造、现 代国防和生物医学所不可缺少的物质基础。主要有先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维 等。 无机非金属材料分类
33 无机非金属材料的结构和组成材料科学基础
3-3-2无机非金属材料中的简单晶体结构 Simple Crystalline Structure
属于无机非金属材料范畴的物质种类繁多，形式各异。
从其结构中基本粒子间的键合来讲，包含了离子键、共价 键、氢键和范德华键；
从其晶体结构中基本粒子的空间排布来看，则涉及到晶体 结构中所有7个晶系（立方晶系、四方晶系、正交晶系、三 方晶系、六方晶系、单斜晶系及三斜晶系）。
3-3-3 硅酸盐晶体结构 Silicate Crystalline Structures
结构基础 [SiO4]4-四面体，Si4+ 中心，O2- 顶。 硅极易与氧形成牢固的键合，与氧结合后，成为硅氧烷聚合 物和硅酸盐矿物的基础。 由于氧的电负性大于硅，所以Si－O键具有极性，电子偏向 氧原子，故Si原子上产生正电荷。 两个邻近四面体之间通常共顶相连，偶尔共棱，从不共面。
六方ZnS由一套简单六方的S原子格子和一套简单六方的Zn 原子格子，在a、b轴上重合，c轴上错位5/8穿插配置而成。
4. 钙钛矿晶体 CaTiO3
标准钙钛矿晶体结构属于立方晶系，单位晶胞包含一个分子单 位，其中：
Ca2+ 立方体顶角 配位数12 （与O2-相键合） O2- 面心 配位数6（分别与4个Ca2＋和2个Ti4＋相键合） Ti4+ 体心 配位数6（与O2-相键合）
Silicon-Oxygen Tetrahedron
• 硅酸盐是含氧盐矿物中品种最多的一类 矿物，根据硅氧四面体与相邻硅氧四面 体共顶情况，衍变成不同结构的络阴离 子团，在空间排列而形成岛状结构、环 状结构、链状结构、层状结构和架状结 构5个亚类的硅酸盐结构形式。
孤岛状结构：硅氧四面体间不共顶，相互不联接而各自孤立存在，此时络阴 离子团以[ SiO4 ]4- 形式存在。
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1 无机非金属材料概述
无
2 无机非金属材料地位及应用
机
非
3 典型无机非金属材料
方 向
4 关于本门课程
1.1 无机非金属材料概述
材料科学与工程学院
无机非金属材料科学基础
1.1.1 无机非金属材料定义与分类 1.1.2 无机非金属材料的特性 1.1.3 无机非材料制备的共性
1.1.1 无机非金属材料定义及分类
▪ 结
构
从科功能 学研信息究的角人 工度讲能 源，传统生物无
陶 瓷
机非陶瓷已是非材料 热点晶 体领域？材 料
材 料
非 金 属
传 统 无 机
碳化物 氮化物 氧化物
电磁声 光热 生物
单晶硅 磁存储
激光晶 体、光 学晶体
太阳能 电池 超导
生物陶 瓷、玻 璃、水
泥
水泥 玻璃 陶瓷
1.1.2 无机非金属材料特性
无机非金属材料科学基础
教师：赵宇龙 83995875 13645206621
学院：材料学院
课程说明
材料科学与工程学院
无机非金属材料科学基础
▪ 材料科学基础 ≈ 金属学原理
▪ 材料科学与工程（1994）== 金属 + 无机非 + 高分子
▪
▪
无▪机正（≈式非学无金机习属材之）料前物材理料，化科先学学来基看础一下“本门课程”
凝土个约2角0亿度m来3；讲不是？一体，变为一体！
陶瓷：坚硬的躯体，亮丽的表面，丰富的原料！ 建筑陶瓷：每年30亿m3，世界产量的50%；
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耐火材料？
5-10年中国将成为世界建筑卫生陶瓷中心。
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无机非金属材料科学基础
金属材料
高分子材料
无机非金属
▪无金机属键非的特性共价是键 指在三离大子-共类价
材料对比中表现的？
晶体结构复杂
耐化学腐蚀
没有自由电子
绝缘体
高熔点
导热性差
高硬度
变形差（韧性）
1.1.3 无机非制备的共性
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金属 金属的冶炼 → 金属的加工 大
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▪ 相图：以生成化合物的三元相图为主，多为化合物，固溶
源信材息料产业、陶生瓷物：基材板料，等氮化硅、碳化硅、氧化铝。
航空航天陶瓷：航空航天的高温部件。
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玻璃：坚硬的透明材料！没有玻璃之前的窗子？ 建筑工业：平板玻璃 --- 浮法玻璃 ---世界第一生产大
国，世界产量的30%左右，与英国、美国同为浮法原创国 家。
汽车工业：平板玻璃的深加工产品
光电子产业：光纤、基板玻璃、激光玻璃等；
耐火材料：优良的高温强度！ 高温技术基础材料，与科学研究和尖端技术紧密相关，
▪ 在所≈有硅“酸课盐物程理”化的学 位置！
▪ 本门课程 与 固体化学 在内容上交集较多！
▪ 固体化学 与 固体物理 凝聚态的基础知识！相对容易一
些！
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▪ 金属学原理 与 硅酸盐物理化学 的异同
▪ 晶体结构：多元素的方向性和饱和性，结构复杂（原子级结构 对金属性能影响不大，不太关心原子级的结构） ；
▪ 烧结：陶瓷的主要理论，初始研究者，金属有粉末冶金后
期研究者，但成果颇多。
▪ 晶体、缺陷化学、非晶体、固相反应、烧结为主！
课程大纲
1绪论 2 晶体学基础 3 缺陷化学基础
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4 非晶态基础 5 固相反应 6烧 结
第一章 绪 论
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70%用于冶金行业，我国占世界比重越来越大？
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▪ 2.新型无机非金属材料 未来最活跃的材料领域？
结构陶瓷：
结构-未知
近20年来，最活跃的研究领域之一，对许多领域有巨
大的▪推新动型作无用。机非：结构陶瓷、功能陶瓷、
信高息性材能陶料瓷、：纳氮化米物材、料碳化、物人等工，切晶削体、、摩擦能等。
体不是主要研究对象！
▪ 扩散：双方要求差异不大，理论相同；
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▪ 塑性变形、凝固、回复、再结晶：不太关心； ▪ 非晶态固体：玻璃工业较为发达，非晶金属研究阶段； ▪ 固相反应：元素种类多，固相反应多，高温过程就是固相
反应的过程，金属冶炼后化学反应不多，要求不高；
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材料
金属材料
高分子材料
无机非金属
复合材料
钢、铝、镁、铜
塑料、橡胶
水、玻、陶
玻璃钢
什么是无机非金属材料？
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外延
▪除金属材料、高分子材料以外的材料。
▪如何下定义呢？外延？内涵？内涵
▪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、 硼酸盐和非氧化物等物质组成的材料。
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传 统 无 机 非
原料
传 统 无 机 非
破碎
物 理 和 化 学 法
粉体
应 用 外 形
成型
并 不 全 需 要
干燥
块 状 固 体
高温
1.2 无机非金属材料地位及应用
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▪ 1. 传统无机非金属材料
水泥▪及基我混础们凝材土料从：，传吨统位之无最机；非房屋和、新公型路、无桥机梁非、两港口等混
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无机非 金属学
传统分法
▪非那金胶 材么凝 料属哪材些天 材料然料材呢料？陶是瓷我们耐 材常火 料说的玻璃无机
气硬性 水硬性
传统 陶瓷
特种 陶瓷
普通 玻璃
特种 玻璃
最新分类方法？
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国家自然科学基金委员属 材会无 机--工程与材料 科学部--学科发展战略料研究非报告（20062010）--无机非金属材学料金学。
材
高▪分还子是先来高看分一子下合材成料→的高制分备子吧加？工
料 视
野
制
无机非 粉体的制备 → 高温下制备 备
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材料应用状态
颗粒固体
无体艺共性，先看一
下材料的使用状态？
高温处理
常见无机非制备工艺
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