材料化学基础论文

非金属材料概述摘要：新材料是发展高新技术的基石，新型无机非金属材料将在未来科技发展中发挥更大的作用，促进材料行业的整体飞跃。本文阐述了非金属材料的研究开发现状，介绍了它们在科学领域中的应用及其它们的重要作用。关键词：非金属材料、陶瓷材料、水泥。非金属材料一般是指无机非金属陶瓷材料。陶瓷是人类在征服自然过程中获得的第一种经化学变化而制成的产品，它的出现比金属材料早得多，陶瓷材料作为材料科学的一个分支，其名称与含义也几经变迁。早期，陶瓷是陶器与瓷器的总称，陶瓷是指以各种粘土为主要原料，成型后在高温窑炉中烧成的制品；硅酸盐材料曾是这一材料科学的分支的另一名称，它包括陶瓷器、玻璃、水泥和耐火材料。在近代，陶瓷材料是无机非金属材料的同义词，不仅包括传统的陶瓷，还包括了硅酸盐材料和氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等新型材料。在无机非金属材料领域中，陶瓷、水泥等已经形成相当规模的产业，被广泛应用于工业、农业、国防和人们的日常生活中，成为国民经济的支柱产业之一。一、陶瓷材料1.1陶瓷材料的性能所谓陶瓷材料是指以天然硅酸盐（粘土、石英、长石等）或人工合成化合物（氮化物、氧化物、碳化物等）为原料，经过粉制、配料、成型、高温烧结而成的无机非金属材料。工业陶瓷可分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。普通陶瓷用于品、餐具等日常生活用品。特种陶瓷具有特殊的力学、物理或化学性能，主要用于高温、机械、电子、航天、航空、医疗工程等尖端科学技术领域。陶瓷材料通常具有强度高、硬度高、化学和热稳定性好，且耐高温、耐腐蚀等特点。由于陶瓷的键和特点，陶瓷材料还具有绝缘、绝热的性能。但陶瓷的最大缺点是塑性很差，可以认为多数陶瓷材料在常温下没有塑性，因此，陶瓷材料应用面临的主要问题是‘‘增韧’’。1.2陶瓷材料的化学组成大多数非金属材料如陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料等都是由石英、粘土、长石三部分组成的，只是各组分的含量及加工工艺不同，因而其用途和性能各异。石英、粘土、长石这三种矿物在自然界广泛存在。1.21石英石英的化学组成为Si，石英不受HF以外的所有无机酸的侵蚀，在室温下与碱不发生化学反应，硬度较高，所以石英是一种具有耐热性、耐腐蚀性、高硬度等特征的优异物质。在陶瓷中，石英构成陶瓷制品的骨架，赋予制品耐热、耐腐蚀等特性。石英的外观视其种类不同而异，呈乳白色或者半透明状，其相对密度依晶型而异，一般在2.23~2.65之间，石英在受热过程中发生晶型的转变。石英晶型转变的结果，会引起一系列的物理变化（如体积、密度、质量、强度等），其中对陶瓷生产较大的是体积的变化。石英的粘性很低，属于非可塑性原料，无法做成制品的形状，为了使其具有成形性需要掺入粘土。1.22粘土粘土是一种含水铝硅酸盐矿物，主要化学成分为Si，A，F，Ti，水等，粘土具有独特的可塑性和结合性，调水后成为软泥，能塑造成型，烧结后变的紧密坚硬。粘土有矿物多种，其中以高岭土最为重要。1.23长石长石是一组矿物的总称，为架势硅酸盐结构，长石可以分为四类：钠长石、钾长石、钙长石、钡长石。长石在高温下为有粘性的熔的融液体，并且润湿粉体，冷却至室温后，可以使粉体中的各组分牢固的结合在一起，成为致密的陶瓷制品。陶瓷制品中使用的长石是几种长石的互溶物，并且含有其它杂质，所以没有固定的熔融温度，它只是在一个温度范围内逐渐融化，成为乳白色黏稠玻璃态物质。熔融后的玻璃态物质，能够溶解在一部分粘土分解物质以及部分石英，促进陶瓷反应的进行，并且降低烧结温度，长石的这种作用称为助融作用。冷却后，以长石为主的低共融体，以玻璃态存在与陶瓷制品中，构成陶瓷的玻璃基质。供可塑性，长石为助熔剂。应该指出的是：真正不可以缺少的组分只有骨架成分，其余两个组分的存在，破坏了骨架成分所需要的耐高温、耐腐蚀、高硬度等特性。1.3陶瓷材料的分类常用的陶瓷主要有以下几类：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷。1.31氧化物陶瓷常用的陶瓷包括：A、Zr、MgO、CaO、BeO、Th等，其熔点大多在2000以上，烧成温度在1800左右。1）氧化铝陶瓷：氧化铝陶瓷是高熔点（熔点2050）氧化物中被研究和应用最成熟、最多、最广泛的一种，原料来源丰富。A中的构成密排六方结构，A占据间隙位置，三氧化二铝陶瓷按氧化铝的含量可以分为75瓷、95瓷和99瓷。由于氧化铝熔点高，热强度大，抗氧化，故耐热性好。常温硬度仅次于金刚石，而且具有高的电阻率，低的热导率，所以氧化铝除了用作高温结构材料、绝热、绝缘材料以外，重要的应用就是制作切削刀具。2）氧化铍陶瓷除了具备一般陶瓷的特性外，其最大的特点是导热性极好，因而具有很高的热稳定性。虽然其强度不高，但是抗热冲击性较高。由于氧化铍陶瓷消散高能辐射的能力强，热中子阻尼系数较大等，所以经常用于制造坩埚，还可以做真空陶瓷和原子反应堆陶瓷等。另外，气体激光管、晶体管散热片和集成电路的基片和外壳等也多用该种陶瓷。3）氧化锆陶瓷熔点在2700以上，能耐2300的高温，其推荐使用温度为2000~2500。由于它还能抗熔融金属的侵蚀，所以多用作铂、锗等金属的冶炼坩埚和1800以上的发热体及炉子、反应堆绝热材料等。氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料的强度达1200MPa、断裂韧性为15MPa.，分别比原氧化铝提高了近3倍。氧化锆增韧陶瓷可以替代金属制造模具、泵叶轮等，还可以制造汽车零件。增韧氧化锆制成的剪刀既不生锈，也不导电。4）氧化镁/钙陶瓷通常是通过加热白云石矿石，除去CO2而制成的。其特点是能抗各种金属碱性渣的作用，因而常用作炉衬的耐火砖。但是这种陶瓷的缺点是热稳定性差，MGO在高温下易挥发，CAO甚至在空气中氧化。5）氧化钍/铀陶瓷这是具有放射性的一类陶瓷，具有极高的熔点和密度，多用于制造熔化铂、银和其他金属的坩埚以及核动力反应堆中的放热元件等。氧化钍陶瓷还多用于制造电炉构件。1.32碳化物陶瓷最常见的碳化物陶瓷包括SiC、BC、CeC、Mo2C、NbC、TiC、WC、TaC、VC等。该类陶瓷的突出特点是具有很高的熔点、硬度（接近于金刚石）和耐磨性（特别是在侵蚀性介质中），缺点是耐高温能力差（900~1000℃）1）碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷的密度为3.2ɡ/cm3，弯曲强度和抗压强度分别为200~250MPa，硬度为莫氏9.2。该材料热导率很高，而热膨胀系数很小，但在900~1300℃时会慢慢氧化，碳化硅陶瓷在碳化物陶瓷中应用最广泛。碳化硅通常用于加热元件、石墨面保护层及砂轮和磨料等。将用有机黏接剂黏接的碳化硅陶瓷在1700℃热压成形，可得到高强度、高硬度、高耐磨性和高抗化学侵蚀对的耐火材料。2）碳化硼（BC）碳化硼硬度极高，抗磨粒磨损能力很强；熔点高达2450℃左右，但在高温下会迅速氧化，并且与热或熔融黑色金属发生反应，因此其使用温度限定在980℃以下。其主要用途是做磨料，有时用作超硬质工具材料。1.33氮化物陶瓷1)氮化硅（Si3N4）和氮化硼(BN)是最常见的氮化物陶瓷。键能高而稳定的共价键晶体，晶体内无正离子，也无自由电子。其性能特点是硬度高，摩擦系数低，有自润滑作用，是优良的耐磨材料。在1400℃以下，热强度和化学稳点性高，热膨胀系数小而且抗热冲击，是优良的高温结构材料。Si3N4陶瓷的应用与制造方法和她的晶体类型有关。用反应烧结法得到α-Si3N4，用热压烧结法得到β-Si3N4。采用热压烧结的材料，其密度和弯曲强度要比用反应烧结法制得的陶瓷陶瓷高得多。这是由于热压烧结陶瓷气相数量少，但热压烧结法只适用于形状简单的零件。近年来，在Si3N4中添加一定比列（如50%）的Al2O3，可实现常压下的烧结，得到和热压烧结相近似的陶瓷，而且抗氧化性更高。这种添加Al2O3的Si3N4陶瓷又称为赛伦隆陶瓷（Sailon），可制作柴油机气缸、活塞及燃汽轮机转子叶片等零件。2）氮化硼(BN)氮化硼有六方氮化硼和立方氮化硼。六方氮化硼结构与石墨相似，故又称“白石墨”。六方氮化硼具有良好的耐热性，导热系数与不锈钢相当，热稳定性好。在2000℃仍然是绝缘体，是理想的高温绝缘材料和散热材料。与石墨相似，六方氮化硼硬度低，。故可以用来进行由于氮化硼具有高温绝缘性，故常用来制作热电偶套管和半导体散热绝缘零件。由于它有优良的热稳定性和化学稳定性，因此被用作熔炼半导体的单晶坩埚，以及一般冶金的高温容器和管道。六方氮化硼硬度低，可进行车、铣、刨等切削加工，制品精度可以达到1/1000mm，又因为有自润滑性，高温轴承和玻璃制品成型模具。立方氮化硼晶体的硬度与金刚石相近，是优良的耐磨材料，常用作磨料和金属切削刀具。1.34硼化物陶瓷常见的硼化物陶瓷包括硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化锆等，其特点是高硬度，同时具有较好的耐化学侵蚀能力。熔点范围1800~2500℃。与碳化物陶瓷相比，硼化物陶瓷具有较高的抗高温氧化性能，使用温度高达1400℃。硼化物陶瓷主要用于高温轴承。内燃机喷嘴、各种高温器件、处理熔融非铁金属的器件等。此外，还可用作电触材料。2、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，统称为水泥。在无机非金属材料中，水泥占有突出的地位。水泥是水硬性胶凝材料，具有良好的粘结性，凝结硬化后有很高的机械强度，是基本建设中不可缺少的建筑材料。广泛应用于工业建筑、民用建筑、道路、桥梁、水利工程、地下工程以及国防工程中。2.1水泥的生产过程水泥的生产过程是将粘土、石灰石和氧化铁粉等按一定比例混合磨细，制成水泥生料，送进回转窑里进行煅烧。回转窑为倾斜的金属圆塔，内衬耐火砖。制备时，由上端放进生料，从下端喷入燃料，温度自上而下逐渐升高。随着回转窑的转动，生料从顶端逐渐下移，回转窑中各部分温度不同，最高温度约在1400~1500℃。在不同的温度带发生不同的反应。生料烧结成块，从窑中出来的产品就是熟料。将熟料磨成细粉，加入少量石膏，即成硅酸盐水泥。水泥加水调和后具有可塑性，硅酸盐水泥和水反应后，形成四个主要化合物：氢氧化钙、含水硅酸盐、含水铝酸钙、含水贴酸钙。水泥硬化过程分为三个阶段：溶解期、胶化期、结晶期。溶解期：水泥遇水后，在颗粒表面进行化学反应，生成氢氧化钙、含水硅酸盐、哈水铝酸钙、含水铁酸钙。前两个化合物在水中易溶解，随着他们的溶解，水泥颗粒的新表面又曝露出来，再与水作用，使周围水溶液很快成为他们的饱和溶液。胶化期：当溶液以达到饱和时，水分继续深入颗粒内部，颗粒内部作用的新生成物不能在被溶解，只能以分散状态的胶体析出，并包围中颗粒的表面形成一层凝胶薄膜，是水泥浆具有良好的塑性。随着化学反应的继续进行，新生成物不断增加，凝胶体逐渐变稠，是水泥浆失去塑性。结晶期：水泥浆凝结后，凝胶体中水泥颗粒未水化部分将继续吸收水分进行水化、水解作用，因此，凝胶体逐渐脱水，转变为稳定的结晶状态。2.2水泥的分类水泥的种类繁多，主要有硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐快硬水泥、氟铝酸盐快硬水泥。硅酸盐水泥：凡以适当成分的生料烧至部分熔融得到以硅酸盐为主要成分的硅酸盐水泥熟料，加以适量的石膏，磨细制成的水硬性凝胶材料，成为硅酸盐水泥。铝酸盐水泥：铝酸盐水泥以铝酸盐为基础制成。其中主要矿物组成为铝酸一钙和二铝酸一钙等铝酸盐，通常将高铝水泥称为铝酸盐水泥。具有良好的抗硫酸盐以及海水腐蚀性能，甚至比抗硫酸盐水泥还好，此外，高铝水泥具有一定的耐高温性，在高温下仍能保持相对较高的强度。高铝水泥的这些性能使得这种水硬性胶凝材料适用于军事工程、紧急抢修工程、冬季施工等要求的特殊工程中。硫酸铝盐快硬水泥：以铝制原料、石灰质原料和石膏，经适当配合后，煅烧成含有适量无水硫酸铝钙的熟料，再掺适量石膏，共同磨细，即得硫酸铝盐快硬水泥。F氟酸铝盐快硬水泥：以铝制原料、石灰质原料、萤虫再加石膏，适当配合烧制而成。由于它受热后易于溃散，因此在铸造工业中用做型砂胶凝剂。三、结语材料是人类生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础，也是人类社会现代文明的重要支柱。纵观人类利用材料的历史可以清楚看到，每一种重要的新材料的发展和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。材料科学技术的每一次重大突破，都会引起生产技术的革命，大大加速社会发展的进程，并给社会和人们生活带来巨大的变化。因此，材料成为人类历史发展过程的重要标志。材料是人类赖以生存的重要物质之一，当今国际公认，材料、能源、信息技术是现代文明的三大支柱。新材料使新技术得以产生和应用，而新技术又促进新工业的出现和发展，从而促进人类社会文明的进步。参考文献1.张联盟，黄学辉，宋晓岚.材料科学基础.武汉：武汉理工大学出版社，2004.2.刘韩星，袁润章.金属—陶瓷界面结构的研究[J].化学通报，1994（6）：20-28.3.邱关明.新型陶瓷材料.北京：兵器工业出版社，1993.4.李建保主编.先进陶瓷及无机非金属材料.北京：科学出版，.2007.5.杜宗寿.无机非金属材料工学[M].武汉：武汉工业大学出版社，1999.6.周敬思，金志浩.非金属工程材料.西安交通大学，19977.徐光亮，刘莉.无机非金属材料的现状[J].西南工学院报，1998.8.赵文元，王亦军.功能高分子材料.北京：化学工业出版社，2008.9.吴进明.应用材料基础.杭州：浙江大学出版社，200410.杨华明，宋晓岚，金胜明.新型无机非金属材料[M].北京：化学工业出版社，2002._1234567890.unknown