第七章 硅和硅酸盐工业第三节第三节 无机非金属材料无机非金属材料第三节 无机非金属材料材料材料指为人类社会所需要并能用于指为人类社会所需要并能用于 制造有用器物的物质。制造有用器物的物质。材材 料料传统无机传统无机 非金属材料非金属材料新型无机新型无机 非金属材料非金属材料无机无机 非金属非金属 材料材料金属材料金属材料高分子材料高分子材料石器燧石取火硅酸盐水泥、玻璃、陶瓷二氧化硅光导纤维单晶硅集成电路传 统 材 料人 类 文 明 发 展 史新 型 材 料信 息 材 料无机非金属材料的发展传统无机 非金属材料水泥 玻璃 陶瓷无机非 金属材 料新型无机 非金属材料新型陶瓷光导纤维1. 概念:以含硅物质为原料，经加工制得硅酸盐产品的工 业称为硅酸盐工业。常见如水泥、玻璃、陶瓷等工业都属硅酸盐工业。 2. 硅酸盐工业的特点：(1)原料： （2）反应条件：(3)反应原理：(4)生成物：硅酸盐工业硅酸盐工业含硅的物质、碳酸盐等。 高温高温复杂的物理、化学变化 硅酸盐产品3. 硅酸盐产品分类：陶瓷。水泥、水泥、玻璃、玻璃、按组成可分为硅 酸盐水泥、铝酸盐水 泥、铁铝酸盐水泥等硅酸盐水泥是由 粘土和石灰石按比例 在旋转窑中于1450 以上温度煅烧成熟料 ，再混入少量石膏， 磨粉后制成。1、水泥（cement）1、水泥主要 原料主要 设备主要 成分性 质应 用黏土 石灰石 石膏水 硬 性水 泥 回 转 窑3CaOSiO22CaOSiO2 3CaOAl2O3水泥砂浆混凝土钢筋混凝土 石膏作用是调节水泥硬化速度1.建筑用粘合剂水泥砂浆的 成分是 什么？2.混凝土又是什么做成的？水泥 沙子 和水 的 混合物水泥 沙子 和 碎石混合而成水 泥水泥是最常用的建筑材料下图是1949 1998年我国水泥产量示意图硅酸盐水泥熟料 、矿物组成及含量组 分 化 学 式 符号 质量分数 硅酸三钙 3CaO.SiO2 C3S 0.370.60 硅酸二钙 2CaO.SiO2 C2S 0.150.37 铝酸三钙 3CaO.Al2O3 C3A 0.070.15 铁铝酸四钙 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF 0.100.18符号C表示CaO，S表示SiO2 ，A表示Al2O3 ，F表示Fe2O3。二、玻璃（glass）(1)普通玻璃(钠玻璃)是用石英砂、纯碱和石灰石共熔而制得的一种无色透明的熔体：Na2CO3+CaCO3+6SiO2=Na2O.CaO.6SiO2+2CO2(2) 有色玻璃 在玻璃原料中加入某些 金属氧化物,可制成有 色玻璃。如玻璃中加入 CoO 呈蓝色 加入Mn2O3 呈紫色 加入Cr2O3 呈绿色 加入Cu2O 呈红色（3）钢化玻璃玻璃 聚乙烯醇丁醛 玻璃 (4)防弹玻璃又称为夹层玻璃。当受 到外部撞击的时候，夹 层可将受到的力发散开 来，减少了子弹等武器 的冲击力，进而保护了 受保护者的安全！1、普通玻璃加热到一定温度后急剧冷却，就可以得到钢化玻璃。2、氢氟酸(HF)对玻璃具有腐蚀作用，可用于在 玻璃上雕刻各种精美图案，也可用于在玻璃仪 器(量筒、滴定管等)上标注刻度及文字。 SiO2+4HF=SiF4+2H2O在玻璃中加入适量的溴化银(AgBr)和氧化铜 的微小晶粒，经过适当的热处理，可以制成变色 玻璃。当强光照射到玻璃上，溴化银分解为银和 溴单质，分解出的银原子聚集成银的微小晶粒， 使玻璃呈现暗棕色，能挡住大部分光线。光线变暗，银和溴在氧化铜的催化作用下，重 新生成溴化银。于是玻璃的颜色自动变浅，透光 性增强。种类特性用途普通玻璃 高温下易软化窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯钢化玻璃耐高温、耐腐蚀、强度大 、质轻、抗震裂运动器材，微波通讯器材， 汽车、火车的窗玻璃等玻璃纤维耐腐蚀、不怕烧、不导电 、不吸水、隔热、吸声、 防虫蛀太空飞行员的衣服、玻璃钢 等光学玻璃透光性能好，有折光性和 色散性眼镜片，照相机、显微镜、 望远镜等中的凹凸透镜石英玻璃膨胀系数小、耐酸碱、强 度大、滤光化学仪器，高压水银灯、紫 外灯等的灯壳，光导纤维， 压电晶体等几种玻璃的特性及比较玻璃态物质 玻璃的结构特点玻璃态物质 玻璃是无定形硅酸盐的混合物，属于玻璃态 物质。 玻璃态物质没有固定的熔点，可以在某一温 度范围内逐渐软化变成液态。在软化状态时 ，玻璃可吹制或轧成一定形状的制品。2玻 璃主要 原料主要 设备主要 成分玻璃窑中发生 的主要反应纯 碱石灰石石 英 玻璃窑 Na2SiO3CaSiO3SiO2 Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2高温 CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2高温 水泥：Na2O.CaO.6SiO2陶瓷在我国历史悠久 唐朝时的”唐三彩“ 宋朝时的”钧 瓷“ 中国的英文名China就是源于陶瓷。 中国的”瓷都“是江西景德镇 中国的”陶都“是江苏宜兴3、陶 瓷（china）古代重庆 一带被称 为巴国， 由于当时 的食盐多 产于巴国 ，因此食 盐也叫做 盐巴！3、陶瓷主原料要 生产过产过 程 反应应条件 种类类性能黏土混合 成型 干燥 烧结烧结 冷却高温土器 陶器 炻器 瓷器抗氧化、 抗酸碱腐 蚀蚀、耐高 温、绝缘绝缘 、易成型 陶瓷是由黏土在高温下烧制而成，根据原料和烧制温度的不同主要分为：土器、陶器、炻器、瓷器。 土器：含杂质比较高的粘土在适当的温度下而成的，如常见的砖、瓦。 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。主要种类：土器：砖瓦(自然冷却，Fe2O3含量较多)(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 ：碗盘茶具收藏珍品炻器： 水缸、砂锅景德镇陶瓷红瓦红瓦青瓦水泥玻璃陶瓷主要原料石灰石.粘土石英. 纯纯碱 石灰石 粘土主要设备设备回转转炉玻璃熔炉陶瓷窑 反应应条件高温高温高温反应应原理复杂杂的物理、 化学变变化Na2CO3+SiO2= Na2SiO3+CO2 CaCO3+SiO2= CaSiO3+CO2复杂杂的物理 化学变变化主要成分3CaOSiO2 2CaOSiO2 3CaOAl2O3Na2SiO3 CaSiO3SiO2成分复杂杂特性水硬性玻璃态态物质质抗氧化.酸碱.腐蚀蚀 耐高温.绝缘绝缘水泥、玻璃、陶瓷生产比较新型无机非金属材料传统无机非金属材料与新型材料的比较传统无机非金属材料与新型材料的比较传统的硅酸盐材料优、缺点优点：抗腐蚀、耐高温； 缺点：质脆、经不起热冲击。 新型无机非金属材料特性承受高温，强度高。 具有光学特性。 具有电学特性。 具有生物功能。 新型无机非金属材料的特性新型无机非金属材料的特性 1.能承受高温、强度高。 例如：氮化硅陶瓷在1200左右的高温下， 仍具有很高的强度，可用来制造汽轮机叶片 、轴承、永久性模具等。 2.具有电学特性，一些新型无机非金属材料可 以作为半导体、导体、超导体等，一些绝缘性 材料常被用于集成电路的基板。 3.具有光学特性。有些新型无机非金属材料 能发出各色的光，有的能透过可见光，有的 能使红外线、雷达射线穿过。 4. 具有生物特性。有些新型无机非金属材料强 度高、无毒、不溶于水，对人体组织有较好的 适应性，可直接植入人体内，用这类材料制成 的人造牙齿、人造骨骼，已被应用在医疗上。光 导 纤 维 optical waveguide fibre 简称光纤，是用来传递光线和图象的纤维。制造光导纤维用的光学材料，必须高度纯 净、成分均匀。一般无水石英（SiO2）是常用 的光导纤维材料。光导纤维的用途：近年来，光导纤维用于 光通信的技术迅速发展。此外，在农业、国防 、医疗、电视、传真、电话、科研等方面都有 广泛的用途。 、光 导 纤 维光纤通信较之普通电缆通信有许多突出的优点 。首先，光纤通信有巨大的信息容量，一根头发丝 那么细的光导纤维可以通几万路电话或2 000路电 视。如果用许多根光导纤维组合成光缆，它的通信 容量更大得惊人。而且，光纤通信不受外界电磁场 的干扰，工作稳定可靠，保密程度高。光纤通信损 耗低，目前无中继传送距离一般为3070 km(而同 轴电缆每隔15 km就需设立一个中继站，来补偿 电信号在传输中的损耗)，很适合远距离信息传输 。目前，人们已建成大西洋海底光缆(全长约7 000 km)。计划中的南太平洋光缆(全长约16 000 km)也 正在紧锣密鼓的准备之中。进一步降低光纤损耗， 减少中继站数目，甚至不用中继站，是人们的下一 步目标。光 学 纤 维 胃 镜光纤纤光缆缆 普通电缆电缆 信息量大，每根光缆缆上理论论 上可同时时通过过10亿亿路电话电话 8管同轴电缆轴电缆 每条通话话1800 路 原料来源广（石英玻璃）， 节约节约 有色金属 资资源较较少 质质量小，每km27g，不怕腐 蚀蚀，铺设铺设 方便 每km1.6t 成本低，每km 10 000元左右 普通光缆缆每km 200 000元左 右 性能好，抗电电磁干扰扰保密性 强 ，能防窃听，不发发生电电 辐辐射 、新 型 陶 瓷 材 料习惯上把陶瓷(ceramics)分为传统陶瓷和特 种陶瓷。传统陶瓷是以粘土、长石、石英等天然矿 物为原料经烧结而成的。特种陶瓷是以人工合成的氧化物、氮化物 、碳化物、硅化物、硼化物超细微粒为原料特 制而成。又称精细陶瓷、精密陶瓷。氧化铝陶瓷二氧化锆结 构 陶 瓷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 用 途 熔点高 坩埚、高温炉管 硬度大 刚玉球磨机 透明、耐高温 高压钠灯灯管 高纯氧化铝透明陶瓷管高压钠灯氮化硅（Si3N4）是由共价键形成的原子 晶体。用途：硬度高、耐磨系数低、有自润滑作 用，所以是优良的耐磨材料。热强度和化学稳 定性高，热膨胀系数小，是优良的高温结构材 料。耐腐蚀，可作高温轴承、 转子、叶片、燃烧室喷嘴等 高温零件以及高温下使用的 模具和夹具。（2）氮化硅陶瓷碳化硅（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。（3）碳化硅陶瓷功能陶瓷(functional ceramics)材料是以特 定的性能或通过各种物理因素（如声、光、电 、磁）作用而显示出独特功能的材料。功能陶瓷TiO2、 ZrO2 、 LaCrO3 等高温电子陶 瓷，用于制造电容器和电子工业中的高温高 频器件。如BaTiO3类陶瓷用于制造温度传感 材料；CdS、PbTiO3系陶瓷用于制造光敏传 感材料；ZnO系陶瓷，SiC 、BaTiO3系陶瓷 用于制造压力和振动传感材料等。功能陶瓷的用途：生物陶瓷是用于人体器官替换、修补，及 外科矫形的陶瓷材料。主要包括羟基磷灰石、 氧化铝、生物活性玻璃陶瓷等。生物陶瓷材料羟基磷灰石（Ca10(PO4) 6(OH) 2）陶瓷的 用途：它具有良好的生物活性，能与人骨紧密结 合。主要用于不承载的小型种植体（如耳骨） ，用金属支撑加强的牙科种植体。生物陶瓷人工听 小骨假体由羟基 磷灰石(HA)陶瓷 制成，表面具有 微孔，可使患者 听力平均高2030dB，适用于慢性化脓