本章内容
7.1 无机非金属材料的分类和特点 7.2 水泥与玻璃 7.3 陶瓷 7.4 半导体材料 7.5 超导材料
Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials
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学习目的
• 结合前面所学内容，理解无机非金属材料结构 与性能特点；
• 了解常用无机非金属材料的合成和工艺。 • 了解各种新型无机非金属材料的特殊性能、作
CaO SiO2 + 2CaO 1300－ 1400℃ 3CaO SiO2 （硅酸三钙）
所得熟料经碾磨成细粉，加少量石膏，用以调节水 泥的水硬化时间，即得水泥成品。
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传统（普通）无机非金属材料
品种 水泥等胶凝材料 陶瓷 耐火材料 玻璃 搪瓷 铸石 研磨材料 多孔材料 碳素材料 非金属矿
品种示例 硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、石膏等 粘土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等 硅质、硅酸铝质、高铝质、镁质、铬镁质等 硅酸盐 钢片、铸铁、铝和铜胎等 辉绿岩、玄武岩、铸石等 氧化锆、氧化铝、碳化硅等 硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸盐和硅酸铝等 石墨、焦炭和各种碳素制品等 粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金刚 石等
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7.1 无机非金属材料的分类及特点
• 无机非金属材料——以氧化物、碳化物、 氮化物、硼化物、硫系化合物（包括硫 化物、硒化物及碲化物）和硅酸盐、钛 酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主 要组成的无机材料。
传统（普通）无机非金属材料 新型（特种）无机非金属材料
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– 硅酸三钙（3CaO·SiO2），C3S – 硅酸二钙（2CaO·SiO2），C2S – 铝酸三钙（3CaO·Al2O3），C3A – 铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3），C4AF
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硅酸盐水泥
• 熟料比例对水泥性质的影响
钛酸钡系、锆钛酸铅系材料等
锰—锌、镍—锌、锰—镁、锂—锰等铁氧体、磁记录 和磁泡材料等 钠、锂、氧离子的快离子导体和碳化硅等 钛酸钡、氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化锆等过滤金 属元素氧化物系材料等 钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透明材料和石 英系或多组分玻璃的光导纤维等 高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等难熔化合物 碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等 铝酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等 长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的载体材料等 陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料
–提高C3S的含量,可得到高强硅酸盐水泥 –提高C3S和C3A的含量,即可制得快硬硅酸盐
水泥 –降低C3S和C3A的含量,提高C2S的含量可得低
热或中热硅酸盐水泥.
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硅酸盐水泥生产
熟料制备的化学过程：
750－ 1000 ℃
• 离子键与共价键混合
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部分陶瓷化合物化学键混合特征
陶瓷化合物 结合原子 电负性差
MgO Al2O3 SiO2 Si3N4 SiC
Mg-O Al-O Si-O Si-N Si-C
2.13 1.83 1.54 1.14 0.65
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新型（特种）无机非金属材料
品种 绝缘材料
铁电和压电材ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 磁性材料
导体陶瓷 半导体陶瓷
光学材料
高温结构陶瓷 超硬材料 人工晶体 生物陶瓷 无机复合材料
品种示例 氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃 和微晶玻璃等
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结构特征
• 离子键：无方向性、无饱和性
– 紧密堆积；键强较高 – 密度大，高强度、高硬度、高脆性、耐热
• 共价键：具有方向性与饱和性
– 键强度较高，具有稳定化学结构 – 密度较小，熔点高，硬度大，脆性大，热膨胀
系数小，绝缘性好。
• 硅酸盐水泥 • 铝酸盐类水泥 • 硫铝酸盐水泥 • 氟铝酸盐水泥 • 铁铝酸盐水泥
按矿物 组成 分类
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硅酸盐水泥
• 熟料成分：
CaCO3
CaO + CO2
2CaCO3 + SiO2 1000－ 1300℃ 2CaO SiO2 （ 硅 酸 二 钙 ） 3CaCO3 + Al2O3 1000－ 1300℃ 3CaO Al2O3 （ 铝 酸 三 钙 ）
4CaCO3 + Al2O3 + Fe2O3 1000－ 1300℃ 4CaO Al2O3 Fe2O3 （铁铝酸四钙）
4. M. W. Barsoum, Fundamentals of Ceramics, IOP, 2003 5. J. G. P.Binner, Advanced Ceramic Processing and
Technology, Vol. 1, Noyes, 1990
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用原理、结构及用途。
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学习参考书目
1. 杨兴钰. 材料化学导论. 武汉：湖北科学技术出版社， 2003
2. 戴金辉，葛兆明 主编，无机非金属材料概论，哈尔滨 工业大学出版社，1999
3. H. F.W. Taylor, Cement Chemistry, Academic Press, 1990
离子键比例 (%)
68 57 45 28 10
共价键比例 (%)
32 43 55 72 90
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7.2 水泥与玻璃
7.2.1 水泥（cement）
——一种水硬性胶凝材料，通过水化过程发生凝 结和硬化，硬化后甚至在水中也可保持强度和稳 定性。