无机非金属材料化学学习

无机非金属材料化学学习素材

硅酸盐等无机非金属材料、金属（合金）、有机高分子材料和复合材料。

无机非金属材料，多种元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物、硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。

8000多年前的陶器到瓷器、从传统陶瓷到先进陶瓷，到纳米陶瓷。从普通硅酸盐玻璃、石英玻璃到特种玻璃、光导纤维。

传统陶瓷

历史上，陶器出现先于瓷器。陶器与瓷器所使用的原料和烧成温度不同，因而成品的结构和性能不同。陶器可以使用包括瓷土在内的名种矿物點土来制作，烧成温度较低(大多在700~100℃间)。烧制后，坯胎基本烧结，但没有瓷化(极少形成玻璃相莫来石结晶体)。成品遇水不会分解，但气孔率和吸水率较高，敲击声比较沉闷。多数陶器没有上釉(有些陶器如汉代琉璃釉、唐三彩有釉)。

瓷器使用的原料是氧化铝含量较高的瓷士(高岭土，主要成分是含水硅酸铝Al2O3·2SiO2·2H2O)，它有品状薄层结构，层间附着力微弱，可滑动，加水混合，具有可塑性。烧制瓷器时，水脱出，结构发生变化。在1100~1300℃间烧成，坯胎基本上完全瓷化，形成大量莫来石结晶体，气孔率和吸水率较低。冷却后即形成坚固而紧密的结构(原子间形成的化学键的键长小于1 nm)，耐高温，硬度大，敲击发出清脆的响声。多数瓷器都上釉(白瓷素胎器没有上釉)。

陶瓷产品的制作有五个阶段:原料备制、成型、上釉、装饰、烧成。陶器或瓷器的原材料混合磨细成粉后，加水形成有可塑性的陶泥或瓷泥。用黏土制成的坯，在较低的温度(700℃左右)烧制，成为陶器。用瓷土成型的胚，在更高的温度(1300℃左右) 发生瓷化，成为瓷器。上釉工序使用的釉是以石英、长石、硼砂、黏土等为原料，磨成粉末，加水调制而成的。釉涂在陶瓷半成品的表面，再经一次烧制后，会发出玻璃光泽并能增加陶瓷的机械强度和绝缘性能。

陶瓷的坯胎在烧制过程，陶泥、瓷泥中的各种化学成分发生了复杂的物理变化和化学变化。在250~900°C时发生还原作用，如瓷胎中的Fe2O3还原成FeO。在500~ 1300°C时发生分解、氧化反应，包括碳酸盐的分解，黏土中夹杂的硫化物、碳化物及有机物的氧化，排出生成的CO2等气体。增加點土中的硅石(SiO2) 含量可以大大地提高陶土的耐火度，烧成温度可以达到1300°C。烧制瓷器时，在1020~1150°C还发生强还原作用，坯体内的Fe2O3及硫酸盐充分地还原、分解，温度达到1100°C以上能完全瓷化。

陶瓷工艺发展过程中，彩陶的出现、彩釉的发明使陶瓷的色彩、装饰图案大大丰富。陶瓷制作使用的釉中加入各种金属或金属氧化物作为着色剂，成为釉彩。瓷土制成坯在窑中烧制成素烧瓷，素烧瓷有很多极小的孔，在素烧瓷上，涂上一层釉(或用釉彩绘上图案)，釉料烧熔后覆在素烧瓷上，就形成了有色彩的光洁表面。釉的色料大都是金属氧化物组成的有色晶体，例如CoAl2O4(蓝)，3CaO·Cr2O3·3SiO2 (绿)，Pb2Sb2O7 (黄)。釉的色料在高温下不会熔解于釉，以颗粒状分散于无色釉料的玻璃相中。着色剂的颗粒尺寸通常比光的波长大得多，靠选择性透射和反射一定波长的波而呈现各种色彩。釉的色彩因其中所含成分不同而不同。其色彩主要是由氧化铁、氧化铜、二氧化锰、氧化铬、氧化钴、氧化镍等氧化物中的金属离子决定。铜可呈现红色、绿色，铁可呈现青色或黑色，钴可呈现蓝色、青色。金、银等在釉中形成的胶体颗粒对不同波长的入射光产生散射，呈现不同色泽，可作为陶瓷的着色剂。

要1100℃以上才能达到满意的效果。瓷釉从高温冷却时，某些色料成分处于热力学的不稳定或边界稳态，能自发形成两种或两种以上成分不同的玻璃相，使光发生散射或行射，也能呈现不同色彩。彩釉中同一种金属氧化物，含量不同，在陶瓷烧制过程中，在不同的温

度和炉火的焰性下，分子组成和结构发生的变化不同，可烧出不同的色彩。烧窑时，炉火中氧气含量大，火焰氛围具有氧化性；反之，若炉火中氧气含量不足，火焰氛围具有还原性。在不同的炉火氛围中，金属在化合物中呈现的化合价价态不同，也呈现不同的颜色。如氧化铜在氧化焰中烧成绿色，在还原焰中烧成红色(Cu2O)。而铁的氧化物，在还原焰中烧成青绿色(FeO)，在氧化焰中烧成黄色或酱色(Fe2O3)。如果提高氧化铁的含量(>5%)，再配上钴、锰等金属氧化物，可烧成黑色，铁的含量少于0.75%呈白色。一些晶体本身无色，由于掺杂其他物质会呈现色彩，如五氧化二钒进入氧化铝晶格中形成刚玉红。唐代盛行唐三彩，釉色有绿、黄、蓝、白、赭、褐等，实际上是多彩的。它是用白色黏土作坯胎，先入窑经1100℃素烧，取出后再涂上含有铜、铁、钴、锰等元素矿物着色剂的釉，用铅的氧化物作助熔剂，经二次彩烧制成。在烧制时，各种金属氧化物熔融扩散、任意流动，形成斑驳灿烂的多彩釉。新型陶瓷

氮化硅陶瓷，Si3N4是以共价键为主的化合物，键强大，键的方向性强，其中共价键Si-N的成分为70%，离子键为30%，产生结构缺陷所需要的能量大。两种方法制备：高纯硅与纯氮在1600 K反应：3Si+2N2=Si3N4

用SiCl4和N2在H2保护下反应，生成产物Si3N4沉积在石墨基体上，形成致密的Si3N4层，纯度高：3SiCl4+2N2+6H2= Si3N4+12HCl

功能陶瓷种类繁多，用途各异。根据陶瓷电学性质的差异可制成导电脑瓷、半导体陶瓷、介电陶瓷、绝缘陶瓷等电子材料，用于制作电容器、电阳器等电子工业中的高温高频器件以及变压器等电子零件。一种具有蜂窝状结构的陶瓷材料，涂覆了Pa、Rh、Pt等金属催化剂(TiO2、WO3、V2O5等混合催化剂)，可作成汽车(柴油机)尾气净化装置。利用陶瓷的光学性能可制造固体激光材料、光导纤维、光存储材料及各种陶瓷传感器，科学家们还在努力研制高温陶瓷超导材料。压电陶瓷能将压力转变为电能，哪怕是声波震动产生的微小的压力也能够使它们发生形变，从而使陶瓷表面带电。多晶铁电陶瓷可用于压电陶瓷材料，常见的压电陶瓷材料有钛酸钡、锆钛酸铅。打火器、先进的点火系统、麦克风、报警系统中都使用了压电陶瓷。用压电陶瓷柱代替普通火石制成的气体电子打火机，能够连续打火几万次。透明陶瓷，不但能透过光线，还具有很高的机械强度和硬度，可以用来制造车床上的高速切削刀、喷气发动机的零件和坦克观察窗等，甚至可以代替不锈钢。多孔状的生物医学陶瓷，内部结构松散，由氧化铝和二氧化锆制成，表面有一层25~ 30μm的羟基磷灰石涂层，可作为人造骨骼和假牙的材料。

纯氧化物陶瓷以Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、ThO2为主要成分；非氧化物陶瓷以碳化物、硼化物、氮化物和硅化物为主要成分，目前世界上研究最多、最有发展前途的是氧化硅、碳化硅和增韧氧化物三类。

氧化铝和碳化硼特种陶瓷在现代军事中应用广泛。在海陆空各种兵种的军队的现代武器中，几乎都有用特种陶瓷制成的部件。如B4C陶瓷可用来制造飞机、车辆和人员的防弹装甲，用纤维和B4C构成的复合材料可以制成0.6 cm厚的武器装备内衬，可阻挡小口径的装甲弹的穿透。

氨化铝陶瓷(AIN)的综合性能良好，非常适用于电子工业。AIN陶瓷有良好的高温抗蚀性，可与铝、铜、镍、钼、钨以及许多合金在高温下共处，也能在砷化镓等化合物的融盐中稳定存在。因此，可以应用于制作电子工业器件的基片材料，也可用作腐蚀性物质的容器、处理器和坩埚材料。

玻璃

玻璃具有非晶态结构，其物理性质和力学性质等是各向同性的。玻璃具有各种优良性能，易加工。玻璃在受热过程中，由脆态进入可塑态、高黏态、最后成为熔体，热胀系数和比热容等物理性质不会在某个温度下发生突变，黏度也是连续变化的。玻璃的熔融和凝固是可逆