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史上最全——无机非金属材料知识汇总

基础知识 mse_material 7300阅读 扫描二维码

1重要概念

无机非金属材料

①是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。

②包括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、硼酸盐等物质组成的材料。

陶瓷

①从制备上开看,陶瓷是由粉状原料成型后在高温作用下硬化而形成的制品。

②从组分上来看,陶瓷是多晶、多相(晶相、玻璃相和气相)的聚集体。

玻璃

①狭义:熔融物在冷却过程中不发生结晶的无机非金属物质。

②一般:若某种材料显示出典型的经典玻璃所具有的各种特征性质,则不管其组成如何都可称为玻璃(具有玻璃转变温度 Tg)。

玻璃转变温度:玻璃态物质在玻璃态和高弹态之间相互转化的温度。

具有Tg的非晶态无机非金属材料都是玻璃。

水泥

凡细磨成粉末状,加入适量水后,可成为塑性浆体,能在空气或水中硬化,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,通称为水泥。

耐火材料

耐火度不低于1580℃的无机非金属材料

复合材料

由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观(微观)上组成具有新性能的材料。

通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联,从而获得更优秀的性能。

 

2陶瓷知识点

1.陶瓷制备的工艺步骤

原材料的制备→ 坯料的成型 → 坯料的干燥 → 制品的烧成或烧结

2.陶瓷的天然原料

①可塑性原料:黏土质陶瓷成瓷的基础(高岭石、伊利石、蒙脱石)

②弱塑性原料:叶蜡石、滑石

③非塑性原料:减塑剂——石英;助熔剂——长石

3.坯料的成型的目的

将坯料加工成一定形状和尺寸的半成品,使坯料具有必要的机械强度和一定的致密度。

4.陶瓷的成型方法

①可塑成型:在坯料中加入水或塑化剂,制成塑性泥料,然后通过手工、挤压或机加工成型;(传统陶瓷)

②注浆成型:将浆料浇注到石膏模中成型

③压制成型:在金属模具中加较高压力成型;(特种陶瓷)

5.烧结

将初步定型密集的粉块(生坯)高温烧成具有一定机械强度的致密体。

固相烧结:烧结发生在单纯的固体之间

液相烧结:有液相参与,加助溶剂产生液相

好处:降低烧结温度,促进烧结

6.陶瓷的组织结构:晶相、玻璃相、气相

①晶相:陶瓷的主要组成;分为主晶相和次晶相

②玻璃相:玻璃相对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热性等不利,不能成为陶瓷的主导组成部分。

玻璃相在陶瓷中的作用:粘结;粘结晶粒,填充空隙,提高致密度

降低烧成温度,促进烧结

③气相:气孔;降低强度,造成裂纹。

7.陶瓷力学性能的特点

硬度:高

强度:抗拉强度很低、抗压强度非常高

塑性:塑性极差

韧性:韧性差、脆性大

8.陶瓷热学性能的特点

①导热性:差,良好的绝热材料

②热稳定性(抗热震性):概念:材料承受温度的急剧变化而不至于被破坏的能力。 陶瓷抗热震性一般较差

9.结构陶瓷

①概念:能作为工程结构材料使用的陶瓷,一般具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等优异性能,可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境。

②常见种类:Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4……陶瓷

10.陶瓷增韧技术:【机理:阻碍裂纹的扩展】

①相变增韧:相变可吸收能量; 体积膨胀可松弛裂纹尖端的拉应力,甚至产生压应力。

②微裂纹增韧:温度变化引起的热膨胀差或相变引起的体积差,均会产生弥散分布的微裂纹;

微裂纹与主裂纹联结,使主裂纹分叉,改变主裂纹尖端应力场,吸收其能量,阻碍其扩展。

③第二相颗粒弥散增韧:在基体中弥散分布的第二相颗粒阻碍裂纹的扩展。

④与金属复合增韧:金属是一种韧性相,通过其自身的塑性变形,可松弛裂纹尖端应力,并吸收裂纹能量。

⑤增强纤维或晶须增韧阻碍裂纹扩展。

11.功能陶瓷

概念:具有光、电、磁、声、力、生物、化学等功能的陶瓷材料。

12.透明陶瓷

①概念:能透过可见光的陶瓷材料

②使陶瓷透明的方法:

不透明原因:杂质、气孔、晶界使光线吸收和散射

透明的手段:采用高纯度、高细度的原料,同时掺入添加物或采取其他工艺上得措施,把气孔充分排除,适当控制晶粒尺寸,使制品接近于理论密度,尽可能减少陶瓷材料对光的吸收和散射

13.压电陶瓷

①压电效应:机械力→应变↔表面荷电

②压电陶瓷是一种多晶烧结体

③压电陶瓷的压电效应机理:材料内部自发极化产生电畴。

极化处理前:电畴分布无序,宏观极化强度为零。

极化处理后:电畴在一定程度上按外电场取向排列,宏观极化强度不为零,表现为束缚电荷。

机械作用导致电畴转向,束缚电荷发生变化。

压电陶瓷只有经极化处理后才具有压电效应。

14.热释电陶瓷

①热释电效应:温度变化→应变↔表面荷电

②机理:跟压电陶瓷类似

15.半导体陶瓷

PTC半导体陶瓷:①PTC效应:正电阻温度系数效应

②应用:限流、恒温发热、过热保护……

 

3玻璃知识点

1.可形成玻璃的物质

①硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐 ②重金属氧化物 ③硫化物、卤化物,等

2.玻璃制备方法的通性

使材料不发生结晶、或破坏晶体的有序结构使其非晶化

①熔体冷却法:冷却速度必须大于原子调整成晶体的速度。

②非熔融法:气相沉积法、水解法、高能射线辐照法、冲击波法、溅射法等。

3.玻璃性能上的通性

①各向同性:玻璃态物质的质点排列无规则,满足统计均匀分布,因此其物理、化学性质在任何方向都是相同的

②介稳性:玻璃介于熔融态和晶态之间,属于介稳态

③无固定熔点

④物理化学性质的渐变性:玻璃态物质从熔融状态冷却(或加热)过程中,其物理化学性质产生逐渐、连续地变。

4.形成玻璃的手段

①冷却速度足够快

冷却速度快到足够使熔体中原子来不及重组成有序的点阵,从而使液态或气态的无定形结构得以被保留。

②使原子无序堆积,不形成晶格。

③破坏晶体的有序结构,使之非晶化机械研磨;高能辐照、强冲击波。

5.传统玻璃熔制

玻璃液的澄清:排除液中的可见气泡。

玻璃液的均化:消除尚未熔化的砂粒、条纹等不均匀相,以保证玻璃液中化学组分的均匀,温度较高,为1200~1400℃,此时玻璃液粘度极小。

6.玻璃形成的热力学条件

同组成的晶体与玻璃体的内能差别越大,玻璃越容易结晶,即越难形成玻璃。

7.玻璃形成的动力学条件

形成玻璃的关键是熔体的冷却速度(粘度增大的速度)大于质点排列成晶体的速度。

8、玻璃形成的结晶化学条件

①熔体中阴离子团的聚合程度

阴离子团低聚合:位移、转动、重排容易,易调整成晶体,不易形成玻璃。

阴离子团高聚合:位移、转动、重排困难,难调整成晶体,容易形成玻璃。

②化学键的性质

只有当离子键和金属键向共价键过渡时,形成由离子—共价、金属—共价混合键所组成的大阴离子时,就最容易形成玻璃。

③化学键的强度

网络形成体氧化物:能单独形成玻璃,如SiO2、B2O3、P2O5、GeO2。

网络变性体氧化物:不能单独形成玻璃,但能改变网络结构,一般使结构变弱,如Na2O、K2O、CaO。

网络中间体:两者之间,能改善玻璃性能,如Al2O3、TiO2、ZnO、BeO。

9.氧化物玻璃的无规网络模型

结构单元:金属离子——氧多面体

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正离子在多面体中央;氧在顶角,为公共氧,一个氧最多与两个形成网络的正离子相连。

多面体顶角无规则相连,通过公共氧(桥氧)搭成无规则网络。

R2O或RO(如Na2O、CaO),氧桥被切断出现非桥氧。

10.氧化物玻璃的晶子模型

晶子:晶格极不完整、有序区域极小的晶体。

晶子模型:晶子分散在无定形介质中,晶子与无定形区域无明显界限。

玻璃有近程有序,远程无序的结构特点。

11.高分子玻璃的结构模型

无规线团模型:分子链成无规线团状,各线互相交织、互相穿插。

12.金属玻璃的结构模型

无规硬球堆积模型:把原子视为硬球,尽可能地紧密堆积,球的排列是无规则的(金属键无方向性,原子具有密堆倾向)。

13.硼反常

在B2O3中加入加R2O,刚开始加时,和硅酸盐相反,非但不会破坏桥氧,反而加固网络。这是因为刚开始加R2O时,R2O给出了游离氧,使一部分硼由三角体[BO3]变成四面体[BO4]。

14.微晶玻璃

将加有成核剂的特定组成的基础玻璃,在一定温度下热处理后,就会变成具有微晶体和玻璃相均匀分布的复合材料,又称玻璃陶瓷。

 

4水泥知识点

1.硅酸盐水泥

熟料 + 石膏;也称为纯熟料水泥,又叫波特兰水泥。

2.普通硅酸盐水泥(普通水泥)

熟料 + 石膏 + 5%~20%的混合材料

3.矿渣硅酸盐水泥(矿渣水泥)

熟料 + 石膏 + 20%~70%的粒化高炉矿渣

4.火山灰质硅酸盐水泥(火山灰水泥)

熟料 + 石膏 + 20%~40%的火山灰质材料

5.粉煤灰硅酸盐水泥(粉煤灰水泥)

熟料 + 石膏 + 20%~40%的粉煤灰

6.硅酸盐水泥熟料的化学成分

氧化钙(CaO)、氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)和氧化铁(Fe2O3)

7.硅酸盐水泥熟料的矿物组成

硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁酸铝四钙、玻璃相

8.生成硅酸盐水泥熟料所用的工业原料

石灰质原料、粘土质原料和校正性原料

9.石膏在水泥中的作用

石膏的作用主要是调节凝结时间;适量的石膏对提高水泥强度有利,尤其是早期强度;但石膏也不宜过多,否则会使水泥产生体积膨胀而使强度降低,甚至影响水泥的安定性。

10.硅酸盐水泥的生产工艺:两磨一烧

生料的配制与磨细 → 将生料煅烧使之部分熔融形成以硅酸钙为主要成分的熟料矿物 → 将熟料与适量石膏或适量混合材料共同磨细为水泥。

11.水泥的强度等级

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5耐火材料知识点

1.耐火材料按其主成分的化学性质可分为

酸性:含较多SiO2;硅质、半硅质、黏土质

中性:碳质、高铝质、铬质

碱性:含大量的MgO和CaO;镁质和白云石质耐火材料(强碱性);铬镁系、镁橄榄石质、尖晶石耐火材料(弱碱性)

2.几个指标

气孔率 = 气孔气体/制品总体积(表观体积)

体积密度:试样烘干后的质量与其体积之比值,即制品单位体积(表观体积)的质量。

真密度:耐火材料的质量与其真体积(即不包括气孔体积)之比。

3.耐火材料热导率 ~ 气孔

耐火材料中所含气孔对其热导率的影响最大。一般说来,气孔率越大,热导率越低。

4.耐火度

耐火材料在无荷重条件下,抵抗高温作用而不熔化的性质。

 

来源:新材料在线

 

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