第二部分非金屬材料的制備1精選課件非金屬材料的分類按照制備方法分天然材料人造材料按照化學組成分無機非金屬材料有機高分子材料

22精選課件第一章無機非金屬材料的制備3精選課件包括：傳統無機非金屬材料陶瓷、水泥、玻璃耐火材料搪瓷、磚瓦、琉璃鑄石碳素材料非金屬礦等先進無機非金屬材料先進陶瓷材料先進炭材料4精選課件現代工程材料三大支柱a.金屬材料b.陶瓷材料c.高聚物第一節、陶瓷的概念:

傳統陶瓷：陶器和瓷器（狹義：用火燒成的制品）。泛指整個硅酸鹽礦物（含SiO2的化合物），其代表性結構：高嶺石結構Al2(Si2O5)(OH)4，原料配制、坯料成型、窯爐燒成。（含粉末冶金制品）近代陶瓷：經高溫處理工藝所合成的無機非金屬材料。55精選課件第二節、陶瓷的分類陶瓷材料分兩大類：(除玻璃、水泥、磚瓦及耐火材料外)

1、傳統陶瓷（普通陶瓷）主要指粘土制品。天然的硅酸鹽礦物為原料，經

制坯、成型、燒結制成的產品。6日用陶瓷

建筑陶瓷

電器絕緣陶瓷

化工陶瓷

多孔陶瓷等包括2、特種陶瓷以高純度的化工原料和合成礦物為原料，沿用傳統的工藝

流程制備的陶瓷。6精選課件第三節、傳統陶瓷的制備生產工藝流程：原料配制、坯料成型、制品燒成1、原料配制（主要原料：粘土、石英、長石）（1）粘土：高嶺土結構（Al2O3.2SiO2.2H2O)為基礎的礦物（多種含水的鋁硅酸鹽的混合體）。加水混合有好的可塑性，在坯料中起塑化和粘接作用，并

保證干坯強度和燒結后使用性能。是燒成時莫來

石的主要成分來源。（2）石英：是無水的SiO2或硅酸鹽。在燒成中與長石等易熔物形成玻璃相，增液相粘度，減少制品變形還與粘土中的Al2O3形成莫來石；殘余石英構成

坯體的骨架。77精選課件（3）長石：助熔劑原料，如鉀長石（K2O.Al2O3.6SiO2）燒結時促進玻璃相的形成。高溫下具有一定粘度，起到高溫熱塑性作用和膠結作用。冷卻后的長石熔體構成了陶瓷的玻璃基質，增加了透明度，提高釉面光澤和使用性能。（4）外加劑：如腐植酸鈉、水玻璃、石膏等。2、坯料的成型：將坯料加工成一定形狀和尺寸的半成品，使坯料具有必要的機械強度和一定的致密度。（1）可塑成型：在坯料中加入水或塑化劑，捏制成可塑泥料，經手工、擠壓或機械加工成型。普通陶瓷常用。88精選課件（2）注漿成型：將漿料澆鑄到石膏模中成型，常用于制造形狀復雜、精度要求不高的建筑陶瓷等。（3）壓制成型：在粉料中加入少量水分或塑化劑，在金屬模具中加較高壓力成型。主要用于特種陶瓷或金屬陶瓷。由于成型的坯體含水較多，強度不高，為適應后面工序如修坯、施釉等的需要，須進行干燥。3、制品的燒成或燒結4、普通陶瓷的分類和應用（1）日用陶瓷（見下頁表）9日用陶瓷普通工業陶瓷分類9精選課件類型長石質瓷絹云母質瓷骨灰質瓷日用滑石質瓷主要成分長石絹云母K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O磷石灰，含大量Ca(PO4)2日用滑石3MgO.4SiO2.H2O原料配比%長石20-30石英25-35粘土40-50絹云母30-50高嶺土30-50石英9-20其它礦物5-10骨灰20-60長石8-22高嶺土25-45石英9-20滑石約73長石約12高嶺土約11粘土約4性能特點瓷質潔白半透明，斷面呈貝殼狀，不透氣，吸水率低，堅硬強度高，化學穩定性高同長石質瓷，但透明度、外觀色調好白度高、透光性好，光澤柔和、吸水率小但熱穩定性較差，瓷質較脆白度、色調、吸水率、機械強度、熱穩定性等均已達到或超過一般日用陶瓷的水平主要應用餐具、茶具陳設陶瓷，裝飾美術瓷一般工業制品餐具、茶具，工藝美術制品高級餐具、茶具，高級工藝美術瓷器高級日用瓷，

一般電工陶瓷1010精選課件（2）普通工業陶瓷按用途分：建筑陶瓷、衛生陶瓷、電器絕緣陶瓷和化工陶瓷。a.建筑陶瓷粗陶器：以難熔粘土為主要原料。瓦、盆罐等精陶器：以瓷土或高嶺土等為主要原料。釉面磚、化學工業用品等。b.衛生陶瓷：用于衛生設施的帶釉陶瓷制品。以高嶺土為主要原料。c.電器絕緣陶瓷：作為隔電、機械支持及連接用瓷質絕緣器件。所用釉料主要是高溫長石釉。d.化工陶瓷：生化制藥食品工業用的重要材料。要求坯料中鉀、鈉含量盡量少。1111精選課件第四節、特種陶瓷1、名稱

先進陶瓷（AdvancedCeramics)

精細陶瓷(FineCeramics)

工程陶瓷(EngineeringCeramics)

新型陶瓷(NewCeramics)

近代陶瓷(ModernCeramics)

高技術陶瓷(HighTechnologyCeramics)

高性能陶瓷(HighPerformanceCeramics)1212精選課件2、特種陶瓷分類功能陶瓷：以電、磁、光、聲、熱力、化學和生物學信息的檢測、轉換、耦合、傳輸及存儲功能為主要特征，這類介質材料通常具有一種或多種功能。結構陶瓷：指在應用時主要利用其力學性能的材料。

1313精選課件3、功能陶瓷的分類a.機械材料：耐磨損、高比強度、高硬度、抗沖擊、高精度尺寸自潤滑性等。b.熱學材料：耐熱、導熱、隔熱、蓄熱與散熱、熱膨脹等。c.化學材料：耐腐蝕性、耐氣候性、催化性、離子交換性、反應性、化學敏感性等。d.光學材料：發光性、光變換性、感光性、分光性、光敏感性等。e.電氣材料：磁性、接介電性、壓電性、絕緣性、導電性、存儲性、半導性、熱電性等。1414精選課件4、功能陶瓷制備過程中應具備的技術要素：（1）原材料：高純、超細、粒度分布均勻。（2）化學組成：可以精確調整和控制。（3）精密加工：精密可靠，而且尺寸和形狀可根據需要進行設計。（4）燒結：可根據需要進行溫度、濕度、氣氛和壓力控制。1515精選課件5、功能陶瓷超微細粉料的制備固相法：把金屬氧化物或其鹽按照配方充分混合、后研磨進行煅燒。粉碎方法：（1）化學法

a.氧化還原法b.固體熱解法c.固相反應法（2）機械法液相法（1）沉淀法：利用生成沉淀的液相反應來進行

a.直接沉淀法b.共沉淀法c.均勻沉淀法（2）水解法：

a.醇鹽水解法b.金屬鹽水解法

1616精選課件（3）溶膠-凝膠法（Sol-gel法）將金屬氧化物或氫氧化物濃的溶膠轉變為凝膠，再將凝膠干燥后進行煅燒，然后制備氧化物的方法。如：ZrO2超微粉，采用此法制備后，其成型體可在1500℃燒成（溫度降低200℃）

（4）溶劑蒸發法：把金屬鹽混合溶液化成很小的液滴，使鹽迅速呈微細顆粒，并且均勻析出。如：噴霧干燥法，冷凍干燥法等。1717精選課件氣相法（1）蒸發凝聚法：將原料汽化并急冷，即獲得超微細粉（粒徑為5-100nm)。適于制備單一或復合氧化物、碳化物或金屬的超微細粉。使金屬在惰性氣體中蒸發-凝聚通過調節氣壓以控制生成的顆粒尺寸。（2）氣相反應法

a.氣相合成法b.氣相氧化法c.氣相熱分解法優點：a.容易精制提純、生成物純度高，不需粉碎，粒徑分布均勻；

b.生成顆粒彌散性好；

c.容易控制氣氛

1818精選課件6、較常見的功能陶瓷包括（1）高溫超導陶瓷，如Ba-La-Cu-O超導體。（2）敏感陶瓷，如熱敏陶瓷，濕敏陶瓷。（3）壓電陶瓷，如BaTiO3陶瓷。（4）半導體陶瓷，如TiO2、SiO2等金屬氧化物壓坯燒結的陶瓷。（5）磁性陶瓷，如鐵氧體陶瓷。1919精選課件7、結構陶瓷指具有力學性能及部分熱學和化學功能的高技術陶瓷。特別適合于在高溫下應用的則稱高溫結構陶瓷。高溫結構陶瓷：氧化物系統非氧化物系統氧化物和非氧化物復合系統它們主要體系：Si-O-N-C-B-Me系元素構成（Me：堿金屬、堿土金屬和稀土）目前研究最多的是：Si3N4、SiC和ZrO22020精選課件8、結構陶瓷超微粉的結構特點粉粒大小篩目，附著力大，>100m——粉粒；10-0.1m——微粒；1-100nm——納米微粒尺寸介于原子、分子和膠態之間的納米微粒特點：（1）非常大的比表面積。

表面的原子數在構成微粒的原子總數中所占的比率越大。（2）很高的比表面自由能。（3）小體積效應。

熱學、電學、光學性質和大塊物質有很大不同。

2121精選課件9、結構陶瓷超微粉料的制備方法（1）化學共沉積法：在含有多種可溶性陽離子的鹽溶液中加入沉淀劑（OH-

、CO32-

、C2O42-SO42-等）形成不溶性的氫氧化物、碳酸鹽或草酸鹽的沉淀，將溶劑和溶液中原有的陽離子濾出，沉淀物經熱分解后即可制得高純度超微粉料。例如：Zr、Y的鹽類溶液和NH4OH粉等氫氧化物共沉淀。該法設備設施簡單，較經濟，便于工業化生產，因此發展很快，成為許多氧化物陶瓷超細粉的一個主要來源。

2222精選課件（2）溶膠-凝膠法（Sol-gel)將所需組成的前驅體配置成混合溶液，再經凝膠化和熱處理（把金屬氧化物或氫氧化物的凝膠干燥后煅燒）。此法廣泛用于Al2O3、ZrO2等氧化物粉末制備，由于膠體混合時可使反應物質獲得最直接的接觸，使反應物達到最徹底的均勻化，制得的原料性能均勻，具有非常窄的顆粒分布，團聚性小，同時此法易在制備過程中控制粉末顆粒尺度。（3）激光合成法2323精選課件CVD法：SiH4+CH4+H2

(CH3)2SiCl2+H2

Si(CH3)4

Si(OC2H5)4以激光氣相合成SiC納米陶瓷粉為例：PVD法：SiH4+CH4

CH3SiCl3(orSiCl4+CH4)LICVD法：SiH4+CH4(orC2H2)

SiH2Cl2+C2H4(C2H5O)2Si(CH3)2

2424精選課件第五節碳材料的制備25精選課件1.一種熱解碳球的制備、

微結構與電池性能26精選課件相關碳結構石墨烯

碳原子數30~1000，碳

層面具有懸鍵；為減少懸鍵數石墨烯碎

片會卷起形成彎曲結

構，邊緣六元環有收縮

成五元環趨勢；應變能增加，消除懸

鍵，總能量降低。富勒烯C36,C60,C70,C180的結構示意圖27精選課件球形碳的分類Serpet.al.(sizes)

(1)carbononions

well-G2-20nm

(2)nano-sizedspheres

less-G50nm-1m

(3)carbonbeads

1-severalmicronsInagaki(nanometrictexture)

(1)concentric

(2)radial

(3)randomarrangement(carbonlayers)

28精選課件SummaryofthesynthesismethodsofcarbonspheresSynthesismethodsCarbonsourcesCatalystsSpherediametersReferencesCVDMethaneMetalliciron100nm~300nm[7]Cobalt80nm~200nm[19]MetaloxideAverage210nm[20-22]CamphorFerrocene250nm~850nm[23]PentaneFe(CO)5500nm~1m[24]KeroseneFe,Ni600nm~900nm[25]HydrothermalpyrolysisSugarNo250nm~5m[26]HydrothermalChemicalDryice(CO2)Li300nm~780nm[27]ChemicalAnewpolymerNo500nm~2m[28]CVDTolueneNo60nm~1m[29]29精選課件碳球制備工藝參數

四氫呋喃

,970~1000C,5~240min

石墨化：2100C、2900C,20~120min30精選課件碳球的(a)SEM像和(b)TEM像（插圖一個碳球心部的SAED照片）31精選課件HRTEMimageofthegraphiticlatticenearthesurfaceofasphere.

TheinsetshowstheSAEDpatternfromthenear-surfaceofasphere.3~6層彎曲近平行的2~4nm長弧形圖案測算，d=0.343nm,

對應(002)晶面弧形－曲率造成的32精選課件2900C石墨化處理后碳球發生多面體轉變(a)SEM像,(b)TEM像結果與分析33050nm33精選課件同一多面體粒子不同部位石墨烯層平行于入射電子束0.340~0.344nm0.3354nm“脊梁區”高角晶界越心部越薄34精選課件Thermogravimetricanalysisofthecarbonspheresheatedinairat10C/min結果與分析35精選課件XRDpatternofthecarbonspheresafterheattreatmentat2100C結果與分析Qiuet.al,Carbon,2003,41:767-772(10)(004)(10)(11)(004)(002)36精選課件Cycletimesversuscapacityof(a)theas-synthesizedcarbonspheresand(b)thegraphitizedcarbonspheres碳球的電池性能37精選課件2.納米碳管內填充一維鐵

單晶納米線38精選課件

CarbonNanotubesEncapsulateMetals39精選課件磁記錄介質:在碳管內包覆鐵磁性金屬可提高磁矯頑力，制成磁記錄介質可增加有效記錄密度；電子工業：由于金屬被限制在一維納米尺度范圍，按照能量降低的要求，金屬原子重排，可能發生金屬向半導體的轉變。納米溫度計：測納電器件的局部溫度納米尺度催化劑的載體，延遲作用時間。應用前景40精選課件各種制備方法毛細作用誘導填充濕化學法石墨電弧法電解法催化熱解法開口氣相氧化劑氧化性酸缺點（1）填充率低；（2）可被填充物種類受限；（3）對碳管有不可恢復的損傷。兩步法一步法碳源和金屬化合物共升華（電弧法）41精選課件H2Ar陰極陽極PreparationofCarbonNanotubes42精選課件存在問題管內填充長度不足、不連續，影響傳導性能；鐵