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5.2 化学与无机非金属材料
5.2.1 无机非金属材料概论
5.2.2 硅酸盐材料
5.2.3 半导体材料
5.2.4 新型无机非金属材料
5.2.1 无机非金属材料概论
无机非金属材料(inorganic non-metallic material)简称无机材料。可分为:
硅酸盐材料:陶瓷、玻璃、水泥、耐火材
料、搪瓷等以天然硅酸盐为原料的制品。
新型无机材料:用人工合成方法制成的不
含硅或少含SiO2的材料,如一些氧化物、氮化
物、碳化物、硼化物、卤化物、硫化物和碳素
材料等。
无机材料的特点:耐高温、抗氧化、耐磨、耐腐蚀和硬度大。而脆性差:经不起碰撞摔打,即抗机械冲击性能差;经不起冷热冲击,即抗热震动性能差。
其中的无机工程结构材料主要是利用其强度,特别是耐高温强度。而无机功能材料还有诸如热、声、光、电、磁学等方面的特殊性能,已成为许多科学技术领域中的关键性材料。
5.2.2 硅酸盐材料
1.天然硅酸盐(silicate)
正长石 K2O.Al2O3.6SiO2或K2Al2Si6O16
白云母 K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O或K2H4Al6(SiO4)6
高岭土 Al2O3.2SiO2.2H2O或Al2H4Si2O9
石 棉 CaO.3MgO.4SiO2或Mg3Ca(SiO3)4
滑 石 3MgO.4SiO2.H2O或Mg3H2(SiO3)4
泡沸石 Na2O.Al2O3.2SiO2. nH2O
或Na2Al2(SiO4)2. nH2O
天然硅酸盐在自然界中分布很广,是构成地壳的主要组分。其化学式很复杂,可看成是二氧化硅和金属氧化物的复合氧化物。
石棉片
黄玉
正长石
水晶
白云母
滑石
粘土
天然硅酸盐不论组成多么复杂,在其晶体内部,基本结构单元都是SiO4四面体。硅占据四面体的中心,4个氧则占据4个顶角。
天然硅酸盐的用途很广,是工业上的重要材料,也是制造陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等的原料。
O
Si
2.水泥(cement)
按组成可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等。
硅酸盐水泥又称波特兰(Portland)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。
硅酸盐水泥熟料的矿物组成及含量
组 分 化 学 式 符号 质量分数
硅酸三钙 3CaO.SiO2 C3S 0.37~0.60
硅酸二钙 2CaO.SiO2 C2S 0.15~0.37
铝酸三钙 3CaO.Al2O3 C3A 0.07~0.15
铁铝酸四钙 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF 0.10~0.18
符号C表示CaO,S表示SiO2 ,A表示Al2O3 ,
F表示Fe2O3。
3. 玻璃(glass)
(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。
如加入CoO,玻璃呈蓝色;
加入Mn2O3,呈紫色;加入
Cu2O,呈红色;加入Cr2O3,
呈绿色。
(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
(3) 微晶玻璃
在玻璃中加入晶核形成剂(如金、银、铜的盐类),经过热处理,可制成各种性能的微晶玻璃(又称玻璃陶瓷)。
(4) 钢化玻璃
将玻璃进行淬火处理或用化学方法处理可制成钢化玻璃。它的抗弯强度比普通玻璃大5~7倍,只有受到强烈冲击时才会破坏,而且碎片棱角圆滑,不易飞溅,不易伤人,是很好的安全玻璃。
4. 耐火材料(refractory material)
耐火材料是指耐火温度不低于1580℃,并在高温下能耐气体、熔融金属、熔融炉渣等物质侵蚀,而且有一定机械强度的无机非金属材料。
常用耐火材料的主要组分是一些高熔点氧化物,按其化学性质可分为酸性、碱性和中性。酸性耐火材料的主要组分是SiO2等,如硅砖;碱性耐火材料的主要组分是MgO、C
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