无机非金属材料概论绪论.答案

总之： 材料是具有一定性能，可以用来制作器件、
构件、工具、装置等物品的物质。
材料存在于我们周围，与我们的生活、我 们的生命息息相关。
依据化学特征一般划分为：
1、无机材料 （无机材料中除金属以外统称为无机非金属材料，其主要化学组 成均为硅酸盐类。因此无机非金属材料亦称为硅酸盐材料，又因 其中陶瓷材料历史悠久，应用甚为广泛，故国际上也将无机非金
天然橡胶
丝绸
波音787是世界上首款主体结构采用 碳纤维复合材料制造的大型客机
奔驰SLR跑车车身由碳纤维复合材 料制成，车速可达334公里/小时
复合材料
• 20世纪人类进入新材料时代，衣、食、住、行以及 科学技术的发展都离不开新材料，同时出现了各种 材料的复合技术。
• 金属与无机材料的复合
• 金属与高分子材料的复合 • 无机材料与高分子材料的复合
酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水
泥等。
传统的无机非金属材料 之四：耐火材料
耐火材料：指专门为高温技术服务的耐 火度不低于 1580℃的无机非金属材料，是用 作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及用 作工业高温容器和部件的材料，并能承受相
铝合金材料
… … 铝合金车体 铝合金航空材料 铝合金轮毂
（7) 高分子材料
•从人类文明出现以来，高分子材料就一直陪伴着人们。 •天然高分子，如丝、皮、毛等从远古开始就被人们发现 并利用。人们不断改进加工技术，将木、棉、麻、丝、皮、 毛等用于建筑、工具、用品、纺织、造纸、制衣制革、防 寒制品； •把植物体内的“树脂”(树流出的油脂)用于涂料、粘合 剂、药物和溶剂等。
• 到殷、西周时期已经发展到较高水平。
青铜即铜锡合金， 其冶炼温度较低，制作 器具的成型性好，是人 类最早大规模利用的金 属材料。
苏美尔文明中的青铜塑像，出 现年代-公元前4000年
•铜爵—高30.5厘米、口径 17-18厘米，距今3600年 河南堰师二里头文化
•青铜锛—《越绝书》载：禹穴 之时，以铜为兵，以凿伊阙，通 龙门，东注入海
满足现代科学技术对各种材科性能所提出的要求。
• 铝合金：20世纪上半叶，材料学家用合金化和时 效强化，把Al合金强度提高到700MPa，其比强度 为(强度/密度)2.64×106cm，是钢(0.61×106cm)的4 倍多，这意味着达到同样强度Al合金用量只有钢 的1/4，这为Al合金作为一种结构材料带来极大优 势，对于结构材料来说无疑是一个飞跃。没有高 比强度的Al合金，就没有现代的航天航空成就。
1、传统无机非金属材料
传统无机非金属材料主要是 指由 SiO2 及其硅酸盐化合物为主 要成分制成的材料，包括陶瓷、
玻璃、水泥和耐火材料等。此外，
搪瓷、磨料、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）也属 于传统的无机材料。
传统的无机非金属材料 之一：陶瓷
陶瓷按其概念和用途不同， 可分为两大类，即普通陶瓷和
石刀
石斧
石针
•他们能区别、选用各种石头创造出刀、斧、
针各种器具，用于生产、生活和战争。
•石器时代的生产工具极其落后，人类社会的
生产力也极端低下，社会发展极其缓慢，人 类文化也是相当简单和粗俗的。
石器工具
（2）陶器（无机非金属材料）
• 据考古学家分析，距今约一万年前就有陶器出现，
• 人们用粘土或以粘土、长石、石英为主的混合物， 经成型、干燥、烧制（烧制温度低于1200℃），得 到坚硬的陶器。 • 陶是人类创造的第一种“人造材料”，由于高温烧 制产生物理化学变化，得到和粘土不一样的新物质。
特种陶瓷。
根据陶瓷坯体结构及其基 本物理性能的差异，陶瓷制品 可分为陶器和瓷器。
• 普通陶瓷：即传统陶瓷，指以粘土为主要原 料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、
煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶
瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷
以及其它工业用陶瓷。
相比于瓷器，陶器的坯体结构较 疏松，致密度较低，有一定吸水率， 断口粗糙无光，没有半透明性，断面
金属/高分子复合材 料-粘结NdFeB磁体
金属/无机复合材料景泰蓝
高分子/无机复合材 料-绝缘板材
材料发展历史小结
• 20世纪前材料进步主要依靠人们经验积累和技巧， 发展缓慢在于人们还没能对材料在科学上有深刻的 认识和理解，缺乏科学对材料发展的指导。 • 20世纪科学突破成功揭示了微观世界的基本规律， 加速了人们对声、光、电、磁、热现象以及材料内 部结构的认识，这既促使多种新材料的诞生，也开 辟了一系列重大科学技术突破 。 • 科学引导和高技术产业发展推动的双重作用，诞生 各种各样的新材料，构成21世纪人类文明的基础。
属材料称为陶瓷材料。）
2、有机材料 塑料、橡胶等
无机非金属材料种类繁多，用途各异， 目前无统一完善的分类方法，一般分为传统
的（普通的）和新型的（先进的）无机非金
属材料两大类。
水 传统无机非金属材料
泥
玻 璃 陶 瓷 耐火材料
光导纤维
无机非金属材料
新型无机非金属材料 新型陶瓷
—— 半导体材料、超硬 耐高温材料 、 发光材料等
进步的一个重要里程碑。
（人类制造的第一种材料：陶）
• 材料是具有一定配比的若干相互作用的元 素组成、具有一定结构层次和确定性能， 并能用于制造物品、器件、构件、机器或 其他产品的物质。 • 材料是物质，但不表示所有物质都可以称 为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、 食物和药物，一般都不算是材料。
传统的无机非金属材料 之三：水泥
水泥：是指加入适量
水后可成塑性浆体，既能 在空气中硬化又能在水中 硬化，并能够将砂、石等 材料牢固地胶结在一起的 细粉状水硬性材料。
水泥的种类很多，按其用途和性能可分
为：通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类；
按其所含的主要水硬性矿物，水泥又可分为 硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、
• 材料和人类社会的发展密切相关， 当前国际公认，材料、能源和信 息技术是现代文明的三大支柱。 • 现代科学技术发展中，可以看到， 每一项重大的发现，往往有赖于 新材料的发展
单晶硅棒
单晶硅片
单晶芯片
电子元件
• 一种新材料的出现，常常引起生产力大发展推动社会进
步。正是如此，才有了今天人类丰富多彩、璀璨夺目的世 界与文化。 •没有半导体单晶硅材料，便不可能有今天的微电子工业； •有低损耗的光导纤维，当今世界蓬勃发展的光纤通讯才得 以实现。
材料发展的历史演进
• 天然材料 陶瓷 青铜 铁 钢
有色金属
高分子材料
新型材料
（1）天然材料
• 包括竹、木、骨、牙、皮、毛、石等材料。
• 自然界当中大量存在，人类可以直接从自然中 获取。 • 经过简单的加工就可以为人类所利用。
骨针
竹筷
石制品
皮毛制品
典型的天然材料—石器
• 大约25000年前，人类就学会使用材料。 • 人类只能利用岩石、树木、兽皮、骨骼等天然材料并 进行粗糙加工，除此之外别无他物。 • 从挖掘的人类当年所使用的各种用途的锋利石片，可 想象人类远祖的艰苦和聪明。
辉煌的瓷器之国
• 江西景德镇的薄胎瓷器被赞为洁如玉、明如镜、 薄如纸、声如磐。 • 瓷器作为中华文明象征，大量流传。9世纪传至 阿拉伯国家，13世纪传到日本，15世纪传到欧洲， 以其精美绝伦征服西方。
景德镇四大名瓷 青花、玲珑、颜色釉、粉彩
（3）青 铜
• 我国青铜的冶炼在公元前2140--1711年开始， 目前考察已可追溯到公元前3600年。
无机非金材料概论》是材料工程技术专业的一 门专业选修课，主要介绍无机非金属材料的成分与制
备工艺、组织结构、材料性能和使用性能四个要素，
以及它们之间的相互关系；
内容主要包括：玻璃、陶瓷、水泥和耐火材料等基
础知识及其应用。
材料发展历史
什么是材料？
材料是人类赖以生
存和发展的物质基础，是人类
氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方材料为
主要组分的水泥。目前水泥品种已达一百多 种。
• 通用水泥：为大量土木工程所使用的一般用途的 水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅 酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐 水泥和复合硅酸盐水泥等。 • 专用水泥：指有专门用途的水泥，如油井水泥、 砌筑水泥等。 • 特性水泥：则是某种性能较突出的一类水泥，如 快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅
新石器时代晚期(公元前3000一前2800 年) 黑陶豆 陶体的黑色是因为渗入了碳
我国陶器大 约出现在8000 年前，具有悠 久的历史。 半坡村出土 的碗、钵、釜、 罐、瓶等，甚 至还有吹气能 发声的陶埙。
半坡变体鸟纹盆
半坡小口尖底瓶
半坡陶盆
陶埙
从著名的仰韶和龙山文化遗址出土的陶器
中，人们发现当时祖先已经掌握了烧制黑 色陶器和白色陶器的配方和技术。
仰韶白陶瓶
龙山黑陶瓶
• 闻名于世的秦始皇兵马俑是典型的陶制品； • 著名的唐三彩创始于唐高宗时期，用白粘土作胎， 以Cu、Fe、Co等矿物作釉的着色剂，两次烧制后 成为绚丽多彩的陶器精品；
• 江苏宜兴紫砂壶 (紫砂泥由粘土、云母、赤铁矿等 组成，其中Fe2O3含量约7％-10％，TiO2＞1％) 制 造技术精湛，色泽淳朴，造型独特，别具一格。
兵马俑
唐三彩马
方韵紫砂壶
猪纹陶盆
商 陶酒尊
唐 三彩俑
陶的出现，人类可吃煮熟的谷物，喝煮开的水，可 长时间储存食物，促进人类进化。 陶器也是最初的耐火材料，为以后的铜、铁冶炼提 供物质条件。
•陶器是人类创造的第一种无机非金属材料。
•人类第一次有意识地创造发明自然界没有的， 并且具有全新性能的“新”材料，从此人类能离 开上天的赐予而进入自力创造材料的时代。 •恩格斯论述：人类从低级阶段向文明阶段的发 展是从学会制陶开始的。 •陶器的出现成为新石器时代开始的标志之一。
陶向瓷的过渡
• 陶器的不足是不致密、易渗 漏、强度也不高。
• 3000多年前的殷、周时期发 明了釉瓷。 • 炉窑温度达到1200℃，能将 金属氧化物烧制成釉瓷，用 途更为广泛，质地比陶更为 细腻、外观美观。
商朝釉瓷
什么是瓷器？
• 瓷土与陶土相比，Fe2O3、CaO、MgO等助熔剂 物质明显减少，SiO2含量也降至70％以下， Al2O3含量显著增加。 • 瓷器制造工艺水平有很大改进，烧结温度提高 到1200℃以上，反映人类改造自然能力的增强。 • 釉是用矿物(长石、方解石、石英等)和颜料按一 定比例配制，高温下釉料被熔融并均匀地覆盖 在瓷器表面，冷却后质地坚硬、光滑、不粘污， 并 可调配成各种颜色。
称为钢，强度较高，用途更广。
• 距今 1800 年前出现两步炼钢技术，即先炼
成铁，再炼成钢，并一直沿用至今。但其
工艺复杂，未能大面积推广。一直到 19 世
纪前半期，人类始终生活在“铁器时代”。
钢的应用
艾菲尔铁塔
旧金山金门大桥
建筑
设备
（6）有色金属
• 近代以来，人们除了发展钢铁材料以外，还进一步 发展了金、银、铜、钛、铝、镁、钼等有色金属及 其合金材料。全世界每年金属材料总产量约达八亿 吨，其中黑色金属约占95％，有色金属只占5％。 • 有色金属资源的开发和利用，不只是对钢铁材料的 补充，更重要的是可发挥和开发钢铁材料不具备的 各种特殊性能。 • 在特定领域中，还必须采用有色金属才能最大限度
铜的精炼带动铁的冶炼； 青铜熔炼时，为造渣和降低熔点，古人往往加入氧化 铁作为熔剂，直接为铁矿石还原积累经验； 赤铁矿(Fe2O3)与赤铜矿(CuO)极为相似，青铜冶炼所需 的高温和还原气氛，为一氧化碳与铁矿石接触还原金 属铁创造极为有利的条件；
（5）钢
• 含碳量在 0.0218%-2.11% 之间的铁碳合金
成面状或贝壳状。
传统的无机非金属材料 之二：玻璃
玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根 据其形成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸 盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成体分为SiO2、
B2O3和P2O5。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃
和特种玻璃两大类。
普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生
产的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微 晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等。
•牛首兽面纹鼎—西周，器形端 庄，文饰在商代基础上进一步 发展，是今已知我国最大青铜 器之一，
（4）铁器 • 铁是地球上储量居于第三的元素（前两位 为硅、铝），来源于大型恒星的聚变。 • 中国同埃及、美索不达米亚等古国一样， 对铁的认识都是从陨铁开始的。
陨铁
世界最早的铁器 赫梯铁器
• 青铜器到铁器并不是偶然的