1 《无机非金属材料》 2 复习 3 考试有关事宜安排： 4 时间：第十七周周四（11月29日）9:50—11:40 5 地点：S-1531 6 考试题型： 7 一、填空题(每空1分，共30分) 8 二、判断改错题（对的打“√”，错的打“×”， 9 每小题1分，共10分） 10 三、名词解释（共12分） 11 四、简答题（共48分） 12 《无机非金属材料》 13 0 14 绪论 15 第1章无机非金属材料的结构基础 16 第2章无机非金属材料的性能 17 第3章陶瓷 18 第4章玻璃 19 第5章水泥 20 第6章耐火材料 21 第7章无机非金属基复合材料 22 第8章功能无机非金属材料 23 绪论 24 1材料的重要性 25 2材料的分类 26 3无机非金属材料 27 4新型无机非金属材料 28 2.材料的分类 29 无机材料 30 有机材料 31 金属材料 32 无机非金属材料 33 无机材料 34 或硅酸盐材料 35 或陶瓷材料 36 陶瓷 37 玻璃 38 水泥 39 耐火材料 40 复合材料、功能材料等 41 3.无机非金属材料 42 （1）定义 43 无机非金属材料是指非金属单质以及由金属和非金属 44 元素组成的化合物中，能使人们生活更加富裕、丰富 45 而可以利用的物质。 46 （铝矾土，把其粉末作成单晶→宝石或激光材料； 47 质地细密的多晶体→高温电炉用的炉管和切削用的工具材料； 48 多孔的多晶体→可用作催化剂载体或敏感材料； 49 纤维状→可用作具有高强度性能的优质绝热材料。） 50 （2）无机非金属材料的特点 51 在晶体结构上，无机非金属材料的结合力主要为： 52 离子键、共价键或离子-共价混合键。 53 高熔点、高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、 54 导电性、导热性、透光性、铁电性、压电性、铁磁性等。 55 4新型无机非金属材料 56 （1）定义 57 新型无机非金属材料（简称新型无机材料，或称先进无机 58 非金属材料或无机新材料）是指那些正在发展的或将要发 59 展的，具有优异性能或特殊功能，在不久的将来可能达到 60 实用化阶段的无机非金属材料。 61 （2）新型无机材料的特点 62 品种多、式样多、更新换代快；对其性能的要求越来 63 越趋向功能化、复合化和精细化。 64 （3）新型无机材料与传统无机材料的区别 65 ①材料的组成已远超出了硅酸盐的范围； 66 ②在用途上，由主要利用材料的静态物理性状 67 →利用各种物理效应和微观现象的功能性； 68 电光效应→全固态电致变色窗； 69 磁致伸缩效应→换能器、传感器、驱动器、精密控制器等。 70 ③制备的工艺方法、制品的形态。 71 成型工艺：可塑成型、注浆成型、压制成型→等静压成型、注射成型等; 72 烧结工艺：室温下加压成型后再烧结→热压烧结、热等静压烧结等； 73 形态：块状→复合材料、薄膜、纤维，单晶和非晶材料。 74 第1章无机非金属材料的结构基础 75 1.1结合键 76 1.2晶体结构 77 1.3非晶体结构 78 1.4表面结构 79 1.5准晶体 80 1.1结合键 81 依靠电子相互作用的结合键。 82 化学键结合键中相互作用力强，为主价键，如：离子键、 83 共价键和金属键等。 84 物理键键合较弱，为次价键，如氢键、范德华键等。 85 在无机非金属材料结构中，主要含有离子键、共价键 86 和离子-共价混合键。 87 无机非金属材料也就包括了离子晶体、共价晶体、 88 离子共价混合晶体以及非晶体几种类型。 89 1.3非晶体结构 90 非晶态物质由无机玻璃(传统氧化物、重金属氧化物及氯化物玻璃等)、凝胶、 91 非晶态半导体(硫系化合物及元素)、无定形炭以及金属玻璃等组成。 92 1.3.1非晶态材料的种类 93 表1-5非晶态材料的种类 94 又称非晶态合金,它既有 95 金属和玻璃的优点,又克 96 服了它们各自的弊病。 97 金属玻璃强度高，硬度 98 大，且具有一定的韧性和 99 刚性。所以,人们赞扬金 100 属玻璃为“敲不碎、砸不 101 烂”的“玻璃之王”。 102 金属玻璃水果盘 103 1.3.2非晶态的X射线散射特征 104 非晶态物质呈现出非常宽的散射峰 105 1.3.3非晶态结构 106 非晶态结构的特征是原子排列是不规则的， 107 即近程有序而长程无序，表现为各向同性， 108 又称玻璃态， 109 属于亚稳相。 110 1.5准晶体 111 准晶的发现，是一个划时代的发现 112 准晶体对称性 113 准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。 114 准晶具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移 115 对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。 116 十分高的电阻值，磁性较强，在高温下比晶体更有弹性， 117 十分坚硬，抗变形能力也很强，低摩擦、耐腐蚀、耐热性和 118 非粘性，以及特殊的光学性能和足够的热稳定性。 119 第2章无机非金属材料的性能 120 使用性能 121 工艺性能 122 热学性能 123 力学性能 124 物理和化学性能 125 可塑性 126 成型性 127 干燥收缩性等 128 2.1热学性能 129 热容 130 蓄热材料要求比热大，而用于加热的材料要求比热小。 131 热膨胀 132 热传导 133 线膨胀系数 134 体积膨胀系数 135 热传导系数 136 热膨胀系数小的材 137 料能耐温度的剧变 138 与比热成正比 139 λ固体=λ晶格+λ电子 140 λ无机材料≈λ晶格 141 无机材料的热传导性比金属差 142 材料气孔的多少，原子排列的有序性等都影响其热导性。 143 热传导性好的材料耐温度的急变性强，适用于制造热交换器、蓄热器等； 144 而对需要保温的部位，则要用热传导性低的材料。 145 2.2力学性能 146 弹性变形 147 硬度 148 强度 149 弹性是指材料在外力作用下产生变形，当外力取消后， 150 材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质。 151 这种可恢复的变形称为弹性变形。 152 工程上常用刚度来表征材料弹性变形抵抗力的大小。 153 刚度愈大，材料在一定应力下产生的弹性变形愈小。 154 硬度是指材料抵抗硬物压入其表面的能力，即压入硬度。 155 一般无机非金属材料的硬度随温度升高而降低。 156 强度是指在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。 157 无机非金属材料强度主要是指抗拉、抗压和抗弯强度。 158 导电性 159 介电性能 160 2.3物理和化学性能 161 2.3.1导电性能导体：电阻率<10-4Ω·cm 162 绝缘体：电阻率>109Ω·cm 163 磁性 164 光学性能 165 化学性能 166 1.离子导电 167 半导体：10-4~109Ω·cm 168 当固体中存在离子扩散运动时，就有可能产生离子导电。 169 2.电子导电 170 导体中主要的载流子为电子的导电过程 171 导带 172 导体：禁带宽度<0.5eV 173 半导体：0.5（0.1）~2.5eV 174 绝缘体：禁带宽度>2.5(3或4)eV 175 禁 176 带 177 能隙 178 带隙 179 价带 180 2.3.2介电性能 181 介电性能是指在电场作用下，表现出对静电能的储蓄和损耗的性质。 182 相对介电常数：介电质引起电容量增加的比例，即 183 是表征绝缘能力特性的一个系数。 184 介质损耗：指电介质在交变电场中，由于消耗部分电能而使电解质 185 本身发热的现象。 186 介电损耗愈小，绝缘材料的质量愈好，绝缘性能也愈好。 187 2.3.3磁性 188 具有正磁化率的物质称为顺磁质，磁化率与温度成反比； 189 具有负磁化率的物质为抗磁质，磁化率不随温度变化； 190 磁化率超过一般物质许多倍的为铁磁质，T>居里温度TC→顺磁性； 191 反铁磁性:磁畴是无磁性的，磁化率是正的，T>尼尔温度TN→顺磁性； 192 铁氧体磁性：两种磁矩呈相反方向排列，有磁畴结构以及磁滞回线。 193 2.3.4光学性能 194 物质的光学性质来源于它与光线的相互作用，这种相互作 195 用可以在整个物体上或只在物体表面上发生，与光的波长 196 有紧密的联系。 197 光的吸收率A、透过率T和反射率R有如下关系： 198 A+T+R=1 199 物质吸收光时，外层电子从基态跃迁到激发态，只要基态与 200 激发态的能量差大于可见光的能量，物质就显示出颜色。 201 能量差愈小，颜色愈深。 202 呈现的颜色与物质吸收光的波长有关，利用这一原理可设计 203 制造不同颜色的材料。 204 2.3.5化学性能 205 耐蚀性或化学稳定性是指材料抵抗外部物质侵蚀的能力。 206 对于常温下使用的材料，其化学稳定性通常指的是抵抗周 207 围介质中水、酸、碱的各种化学作用的能力，这种能力与 208 材料化学组成、结构的稳定性等因素有关。 209 对于高温下使用的材料的化学稳定性来说，除了受材料组 210 成、结构、侵蚀介质影响外，还与温度关系密切。 211 第3章陶瓷 212 3.1陶瓷材料的分类和制备工艺 213 3.2陶瓷的组织结构与性能 214 3.3传统陶瓷材料 215 3.4新型陶瓷 216 众多学者认为我国陶瓷的发展历程，经历了三次 217 重大的飞跃： 218 第一次飞跃：陶器→瓷器（汉代以后） 219 第二次飞跃：传统陶瓷→特种陶瓷（20世纪50~70年代） 220 第三次飞跃：特种陶瓷→纳米陶瓷（20世纪80年代中期） 221 具有超塑性、高强度和高韧性的特点。 222 三、陶瓷的定义 223 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， 224 是多晶、多相（晶相、玻璃相和气相）的聚集体。 225 传统上，陶瓷是指所有以粘土为主要原料，与其他天然矿物 226 原料经过粉碎混炼、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。 227 广义的陶瓷是用陶瓷生产方法（原料处理-成型-煅烧） 228 制造的无机非金属固体材料和制品的通称。 229 3.1陶瓷材料的分类和制备工艺 230 3.1.1陶瓷的分类 231 1、按陶瓷概念和用途来分类 232 日用陶瓷、建筑陶瓷 233 传统陶瓷（普通陶瓷、粘土陶瓷） 234 氧化物陶瓷 235 新型陶瓷（特种陶瓷、精密陶瓷） 236 2、按坯体的物理性能特征来分类 237 坯体结构较疏松，致密度较差，没有半透明性， 238 陶器 239 瓷器 240 有一定的吸水率，断面粗糙无光，敲之声音粗哑。 241 重度较小，很少变形，易于制造大件器物，脆性相对 242 较小，原料易得，烧成温度低，工艺技术要求不高。 243 坯体致密，有一定的半透明性， 244 基本上不吸水，断面呈石状或贝壳状。 245 3.1.2陶瓷的制备工艺 246 原料（坯料）的制备 247 坯料的成形 248 坯料的干燥 249 制品的烧成或烧结 250 （表面加工） 251 具有很好的可塑性和烧结性， 252 是成型能够进行的基础， 253 也是粘土质陶瓷成瓷的基础。 254 粘土 255 主要天然原料 256 石英 257 是减塑剂；是耐熔的骨架成分。 258 长石 259 是助熔剂，促使烧结时玻璃相的形成。 260 2.坯料的成型和干燥 261 Ⅰ.坯料的定义及其制备 262 定义：坯料是指将陶瓷原料经拣选、破碎等工序后， 263 进行配料，再经混合、细磨等工序后得到的具有成型 264 性能的多组分混合物。 265 注浆坯料（泥浆）：含水量约28％~35％。 266 可塑坯料（可塑泥料）：含水量约18％~25％。 267 粉料：含水量约3％~l5％。 268 原料处理 269 坯 270 料 271 制配料 272 备 273 帮助碎化原料 274 减少坯料收缩,提高纯度：尤其是可塑性强的粘土→熟料。 275 预烧改变结构形态：片状结构的滑石→偏硅酸镁。 276 稳定晶型：避免具有同质异构转变的多晶型原料在晶型转变 277 时的体积效应。 278 物理方法：有分级法、磁选、超声波选等。 279 化学方法：有溶解法和升华法（×）等。 280 电化学方法：分解含铁杂质。 281 表面电化学方法：浮选剂（捕集剂）。 282 增加颗粒比表面，有利于坯料的成型，降低 283 细粉碎烧结温度、提高致密度。湿磨>干磨。 284 泥浆的脱水：机械脱水(20~25%)、热风脱水(喷雾干燥，<8%)等。 285 混合制备 286 造粒:细碎后的粉料→具有一定粒度的坯料。 287 ①水分分布更均匀； 288 陈腐（陈化、困料）②使非塑性矿物水解为粘土物质； 289 ③提高泥坯的可塑性，降低坯件 290 在成型及干燥时的破损率。 291 使泥料中的各组分混合均匀。 292 通过真空练泥机捏练、排除空气→强度可提高15~20%。 293 Ⅱ.坯料的成型 294 成型的目的是将坯料加工成一定形状和尺寸的半成品， 295 使坯料具有必要的机械强度和一定的致密度。 296 生产中成型方法的选择可按下列几方面来考虑： 297 （1）产品的形状、大小、薄厚等； 298 （2）坯料的性能； 299 （3）产品的产量和质量要求。 300 可塑成型 301 注浆成型 302 陶瓷常用的成型工艺 303 压制成型 304 注射成型、爆炸成型 305 薄膜成型、反应成型 306 雕塑与拉坯 307 旋压成型 308 滚压成型 309 （1）可塑成型 310 （在传统陶瓷中应用最多） 311 挤压与车坯成型 312 塑压成型 313 注塑成型 314 轧模成型 315 可塑成型是在可塑坯料中加入水或塑化剂，制成 316 塑性泥料，然后通过手工、挤压或机加工成型。 317 1、雕塑与拉坯 318 雕塑是雕、刻、塑三种创制方法的总称。指用各种可塑材料或可雕、可刻 319 的硬质材料，创造出具有一定空间的可视、可触的艺术形象，借以反映社 320 会生活、表达艺术家的审美感受、审美情感、审美理想的艺术。 321 雕塑技术要求高，效率低，仅用于某些工艺品制作。 322 拉坯是一种古老的制坯方法，是将坯料段放在转动的 323 辘轳上，借旋转之力，用手工拉制出坯体的方法。 324 此工艺纯系手工操作，不用模型，劳动强度大， 325 要求操作工有熟练的技术。 326 适用于生产批量较小、器形简单的陶瓷器。 327 2、旋压成型 328 阴模成型 329 旋压成型是指用样板刀使放置在旋转石膏模型中的可塑性坯料 330 受到挤压、刮削和剪切的作用而形成坯体的方法。 331 旋压成型——阴模成型 332 阴模成型的石膏模内凹，模内放坯 333 旋压成型——阳膜成型 334 阳模成型的石膏模凸起,模上放坯料, 335 料，模型内壁决定坯体外形，样板 336 模型的凸面决定坯体的内表面, 337 样板 338 刀决定坯体内部形状，阴模成型可 339 在器物外部压制花纹。 340 多用于杯、碗等器形较大、内孔较 341 深、口径小的产品的成型。 342 刀旋转决定其外表面,可在器物内部压 343 制出各种花纹。 344 多用于盘、碟等器形较浅、口径较大 345 的产品的成型。 346 3、滚压成型 347 阴模成型 348 滚压成型是指用旋转 349 的滚压头对同方向旋 350 转的模型中的可塑坯 351 料进行滚压，使坯料 352 均匀展开而形成坯体 353 的方法。 354 陶瓷滚压成型机 355 由滚压头形成坯体内表面的称阴模滚压(或内滚压)，适于 356 口小而深的制品成型。多用于杯、碗等产品的成型。 357 由滚压头决定坯体外形的称阳模滚压(或外滚压)，适于扁平状宽口 358 器皿和内表面有花纹的坯体成型。多用于盘、碟等产品的成型。 359 4、挤压与车坯成型 360 挤压成型是由真空挤泥机等将坯泥挤压成各 361 种管状、棒状，及断面和中孔一致的产品。 362 具有产量大，操作简单、可连续化生产的特 363 点，但坯体形状简单，有些尚需经车坯成 364 型，且形体较软易变形。 365 挤压成型的陶瓷制品 366 车坯成型是在车床上将挤压成型的泥段再加工成外形复杂的柱状制品。 367 可分干车和湿车，干车时泥段含水6％~11％；湿车时泥段含水16％~18％。 368 干车坯体尺寸精确，但粉尘大，效率低，刀具磨损大，已逐渐由湿车替代； 369 但湿车精度低，有变形。 370 5、塑压成型 371 亦称兰姆成型，是将泥料放在模型内，常温下压制成坯。 372 塑压成型适于生产非旋转对称的花盆、盘、碟类制品， 373 坯体致密，自动化程度高。但模寿命短、成本高。 374 6、注塑成型 375 又称注射成型，是瘠性物料与有 376 机添加剂混合加压挤制成型的方 377 法，由塑料工业移植而来。 378 可用于复杂形状的大型制品的成型。 379 成本高，多用于特种陶瓷。 380 直立式注塑机 381 7、轧模成型 382 轧模成型是将坯料（多由瘠性物料和有机粘合剂构成）在轧 383 模机上反复混练反复粗轧，以保证坯料均匀并排除气泡；然 384 后逐渐减小轧辊间距进行精轧，直至轧成所需薄膜的厚度。 385 特点：工艺简单，练泥与成型同时进行，膜片表面光滑、 386 均匀、致密，适于电容器坯片等薄片状制品。 387 空心注浆 388 实心注浆 389 强化注浆 390 注浆成型是指泥浆注入具有吸水性能的模具中而得到坯体 391 的一种成型方法。 392 传统的注浆成型是利用石膏的毛细作用，吸去泥浆中粘土 393 的水分而形坯的过程。 394 现在的注浆成型泛指具有流动性的坯料成型过程。 395 注浆成型适于形状复杂、薄的、体积较大且尺寸要求不严的制品。 396 坯体结构较均匀，不需专用设备，易投产。 397 但含水量大，干燥与烧成收缩较大。 398 ①空心注浆 399 空心注浆是指将泥浆注入多孔模型内，当附着于模壁的泥 400 浆失水形成泥层达到要求的厚度时，倾倒出多余的泥浆而 401 形成空心注件的注浆法。其外形取决于模的工作面。由于 402 采用的石膏模没有型芯，故亦称单面注浆。 403 适于薄壁类小型坯件的成型。一般日用陶瓷中的花瓶、 404 茶壶、糖缸等都可用空心注浆法成型。 405 ②实心注浆 406 实心注浆是指将泥浆注入有内外两层模的夹缝中，泥浆中的 407 水分被模型从两面吸收，在两模之间形成注件，而没有多余 408 的泥浆排出的注浆法。亦称双面注浆。 409 适于内外表面形状、花纹不同的厚壁、大件的成型。 410 实际生产中，可根据产品结构的要求，将空心注浆和 411 实心注浆结合起来。 412 空心注浆和实心注浆均属传统工艺，成型周期长， 413 劳动强度大的缺点，不适于连续化、自动化生产。 414 ? 415 强化注浆是指在注浆过程中，人为地对料浆施加外力，以加速 416 注浆过程进行，提高注浆速度，使坯体致密度与强度得到提高。 417 ? 418 真空注浆 419 离心注浆 420 压力注浆 421 （3）压制成型 422 主要用于特种陶瓷和金属陶瓷的制备 423 压制成型是指在坯料中加入少量水分或塑化剂，然后 424 再在金属模具中经较高压力被压制成型的工艺过程。 425 生产过程简单、坯体收缩小、致密度高、产品尺寸精确。 426 （4）其他成型 427 注射成型 428 爆炸成型 429 反应成型 430 薄膜成型 431 注射成形是将粉末和有机粘结剂混合后，用注射成形机将 432 混合料在130~300℃下注射入金属模内，冷却后粘结剂固 433 化，取出毛坯经脱脂处理就可按常规工艺进行烧结。 434 爆炸成形是利用炸药爆炸后在瞬间产生的巨大冲击压力作用在 435 粉末体上，使粉体压坯获得接近理论值的密度和很高的强度。 436 反应成形则是通过多孔坯体同气相或液相发生化学反应， 437 使坯体质量增加，孔隙减小，并烧结成具有一定强度和精 438 确尺寸的产品，用这种方法可使成形和烧结同时完成。 439 Ⅲ.坯料的干燥 440 ①制取符合水分要求的物料； 441 ②使生坯具有一定的强度便于运输和加工； 442 ③提高烧成窑的效率； 443 ④缩短烧成周期。 444 干燥：用加热蒸发的方法除去物料中部分水分的过程。 445 干燥的必要条件：物料表面的水气压强必须 446 大于干燥介质中水气的分压。 447 a.物料中水分类型 448 存在于物料表面的润湿水份、孔隙中的水份以及直径>10-5cm毛细管中的水份。 449 干燥时容易除去。体积收缩≈自由水排出体积。 450 自由水（机械结合水、收缩水） 451 吸附水（物理化学结合水、平衡水） 452 化学结合水 453 指包含在物料分子结构内的水 454 分，如结晶水、结构水等。 455 化学结合水的排出属烧成问题。 456 存在于物料内直径<10-5cm毛细管中、胶体颗粒 457 表面及纤维皮壁所含的水份。取决于外界条件 458 的温度和相对湿度。是物料在一定的空气状态 459 下干燥的极限。干燥时较难除去。 460 干燥时不能除去。 461 坯体干燥过程的实质是排除自由水。 462 b.干燥过程 463 坯体表面的水分以蒸汽形式从表面扩散到周围介质中 464 ? 465 外扩散（或表面蒸发） 466 热扩散：内部存在温度梯度，坯体外部→坯体内部。 467 内扩散 468 ：内部存在湿度梯度，坯体内部→坯体外部。 469 当表面水分蒸发后，坯体内部和表面形成湿度梯度， 470 使坯体内部水分沿着毛细管迁移至表面。 471 坯体在干燥过程变化的主要特征是：随干燥时间的延长，坯体 472 温度升高，含水率降低，体积收缩；气孔率提高，强度增加。 473 坯体的干燥经历了三个阶段： 474 排除自由水； 475 干燥速度下降； 476 坯体已具有一定的机械强度，可以被运输及修坯和施釉。 477 第一干燥阶段→第二干燥阶段→第三干燥阶段 478 干燥初始阶段，水分能不受 479 阻碍地进入周围空气中； 480 干燥速度恒定。 481 排除毛细孔中残余的水分 482 及坯体原料中的结合水。 483 需要较高的干燥温度。 484 c.影响干燥速度的因素 485 坯料的性质 486 坯体形状、大小和厚度 487 坯体温度 488 干燥介质的性质 489 使热扩散与湿扩散的方向一致 490 d.干燥方法 491 对流干燥 492 工频电干燥 493 远红外干燥 494 微波干燥 495 e.干燥缺陷及原因分析 496 坯体的变形和开裂 497 A.干燥缺陷产生原因 498 原料制备 499 成型 500 干燥 501 (a)原料制备方面 502 （1）坯料配方中塑性粘土用量太多或太少，并且分布不均匀； 503 （2）原料颗粒大小相差过大，混合不均； 504 （3）坯体含水量太大或水分分布不均。 505 (b)成型方面 506 （1）成型时受压不均，以致坯体各部位紧密程度不同； 507 （2）压制操作不正确，坯体中气体不能很好排除； 508 （3）练泥或成型时坯体所产生的应力未能完全消除； 509 （4）泥料在练泥机处理时，已发生层裂，而又未能消除； 510 （5）注浆时石膏模过干或模型构造有缺点； 511 （6）脱模过早，坯体在精修、镶接时操作不当； 512 （7）石膏模各部位干湿程度不一致，吸水不同，造成密度不一致。 513 (c)干燥方面 514 （1）干燥速度过快，使坯体表面收缩过大； 515 （2）坯体各部位在干燥时受热不均，或气流流动不均； 516 （3）坯体放置的不平稳或放置方法不适当； 517 （4）坯体本身传热传质的条件不同； 518 （5）干燥时气流中的水气凝在冷坯上，再干燥时易使坯体开裂。 519 B.解决措施 520 1、坯料配方应稳定，粒度级配应合理，并注意混合均匀； 521 2、严格控制成型水分，水分应均匀一致； 522 3、成型应严格按操作规程进行，加强检查以防止有微细裂纹 523 和层裂的坯体进入干燥器； 524 4、器型设计要合理，避免厚薄相差过大； 525 5、为防止边缘部位干燥过快，可在边缘部位作隔湿处理； 526 6、设法变单面干燥为双面干燥； 527 7、严格控制干燥过程，使外扩散与内扩散趋向平衡； 528 8、加强干燥制度和干燥质量的监测， 529 并根据不同的产品，制定合理的干燥制度。 530 Ⅳ.坯料的烧结或烧成 531 烧结或烧成是指将陶瓷坯体加热至高温，发生一系列物理、化学或 532 物理化学反应，然后冷却至室温，坯体的矿物组成与显微结构发生 533 显著变化，外形尺寸得以固定，强度得以提高，最终获得某种特定 534 使用性能的陶瓷制品的工艺过程。包括固相烧结和液相烧结。 535 烧结并不依赖化学反应的发生。——烧结区别于固相反应 536 伴随烧结发生的主要变化是颗粒间接触界面扩大并逐渐 537 形成晶界；气孔从连通逐渐变成孤立状态并缩小，最后 538 大部分甚至全部从坯体中排除，使成形体的致密度和强 539 度增加，成为具有一定性能和几何外形的整体。 540 烧成就是加热坯体使之发生质变成瓷的过程。 541 传统烧结 542 热等静压 543 粉末在室温下加压成型后再进行烧结。 544 烧 545 结 546 方 547 法 548 水热烧结 549 热挤压烧结 550 电火花烧结 551 爆炸烧结 552 等离子体烧结 553 自蔓延高温合成 554 又称为燃烧合成技术，是利用反应物 555 之间高的化学反应热的自加热和自传 556 导作用来合成材料的一种技术，当反 557 应物一旦被引燃，便会自动向尚未反 558 应的区域传播，直至反应完全，是制 559 备无机化合物高温材料的一种新方法。 560 通过烧成，坯体在原料加工、成型、施釉、 561 干燥各工序中的隐患都可能暴露出来； 562 不适当的烧成将造成难以回收的废品。 563 开裂 564 变形 565 瓷 566 器 567 的 568 烧 569 成 570 缺 571 陷 572 起泡 573 毛孔 574 色黄、火刺、落渣、斑点（黑斑）、烟薰（吸烟） 575 生烧和过烧 576 釉裂 577 釉缕与缺釉 578 （1）开裂 579 开裂是指当坯体在干燥、烧成和冷却过程中受到的 580 应力大于其本身的结合强度时出现的断裂现象。 581 ①练泥时，练泥机真空度不足、偏心； 582 ②泥料水分不均，颗粒级配不合理等； 583 ③上釉后，搬运过程中被碰伤、引起碰裂； 584 ④干燥时速度过快．坯壁较厚部位出现“鸡爪”裂口； 585 ⑤入窑生坯含水分大,升温快,水分剧烈汽化或有机物剧烈氧化； 586 ⑥高温阶段，升温过快，收缩过大，形成应力而烧裂； 587 ⑦冷却阶段,降温过快,出窑温度过高,或晶型转变时控制不当。 588 （2）变形 589 制品失去所要求的规则形状称为变形。 590 变形是陶瓷生产中最常见的缺陷。 591 是由于坯体所受重力和应力的作用超过坯体弹性限度所致。 592 ①原料方面：塑性粘土用量过多，挤泥质量差，配方不当； 593 ②成型方面：器型设计不合理，成型操作不当，强制脱膜； 594 ③烧成方面：烧成时装钵不当，烧成温度过高，保温时间过长， 595 窑内温差大，局部温度过高，受热不均等。 596 （3）起泡 597 起泡是由于釉面气孔封闭或釉的粘度过大， 598 氧化分解放出的气体无法排除而引起的。 599 氧化泡（小米泡）：氧化不彻底造成的。发生在窑的低温部位。 600 ：还原不足造成的。发生在高温靠近喷火口部位。 601 釉泡：细小，鼓在釉层表面（“水边泡”—在制品边缘或棱角处聚集） 602 （4）毛孔（针孔或棕眼） 603 降低釉面光泽 604 制品釉面出现的凹痕或小孔称毛孔、针孔或棕眼。 605 若针孔密集，外观似桔皮时称桔釉。 606 原因：坯体表面质量差，气孔率高或有积灰，釉层有 607 凹痕，或者釉泡破裂后，当釉的粘度和表面张力较大 608 时，不能填平釉面。 609 （5）色黄、落渣、斑点（黑斑）、火刺、烟薰（吸烟） 610 瓷器表面发黄是因升温太快,釉的熔融过早,使Fe2O3未能充分还 611 原成FeO,或在还原后利用氧化气氛或冷却过慢又造成再次氧化. 612 落渣是由于装钵的坯体表面不清洁或沾有匣钵碎屑，而使制品表 613 面有凸起的小颗粒。 614 斑点（黑斑）,主要由于原料中含铁量高且粒度粗在烧成的高温 615 阶段会产生熔洞、鼓泡和黑斑。 616 火刺是由于匣钵密封不严，火焰直接侵蚀制品或火焰温度太高， 617 使制品边缘局部呈黄色或褐色而形成的，同时釉面粗糙。 618 烟薰（吸烟），制品表面呈灰黑色。是由于碳素、有机物等沉积 619 于坯釉中未被氧化而成。 620 （6）生烧和过烧 621 未达到成瓷玻化温度的产品为生烧。 622 （生烧的瓷质吸水率偏高，釉面光泽度差而粗糙，敲击时声音不脆。） 623 烧成温度超过成瓷温度，制品发生肿胀变形称为过烧。 624 原因：坯釉料的配方不适当，烧成温度不是偏低就是偏高， 625 保温时间控制不当，装窑密度不合理或烧成带温差太大。 626 （7）釉裂与剥釉 627 釉裂的特征是釉面有微细如发丝状的裂纹，而不深入到坯体内。 628 原因：坯釉膨胀系数不适应，釉的热膨胀系数比坯的大时，釉层处 629 于张应力，超过一定限度，即造成釉层开裂；急冷不够，缓冷阶段 630 降温过快；釉层过厚；或生成有害的坯釉中间层，均会引起釉裂。 631 剥釉即釉层剥脱。 632 原因：当釉的热膨胀系数比坯的小时，釉层处于压应力，若压应力 633 太大或釉层弹性差，强度低时，易产生釉层剥脱。 634 （8）釉缕与缺釉 635 釉缕的特征是釉面出现厚釉条痕或滴状釉痕。 636 原因：烧成温度过高或釉的熔点过低，立装烧成时釉向下流淌呈 637 现缕状；施釉不均或釉层太厚。 638 缺釉的特征是局部表面呈现无釉的现象。 639 原因：施釉前坯体上有灰尘、油污；装烧时釉层被擦碰而剥落； 640 坯体施釉太湿，坯与釉之间分层；坯釉配方不适应；釉的高温粘 641 度和表面张力过大造成缩釉性质的缺釉等。 642 烧成设备 643 窑炉 644 （戴金辉.无机非金属材料概论（第十二章）(P144~146).哈尔滨工业大学出版社,2004.） 645 根据所用燃 646 料的不同分 647 烧固体燃料的窑炉 648 烧液体燃料的窑炉 649 烧气体燃料的窑炉 650 以电为能源的窑炉 651 根据制品 652 与火焰分 653 ? 654 明焰窑 655 隔焰窑 656 半隔焰窑 657 根据烧成 658 的作用分 659 ? 660 素烧窑 661 釉烧窑 662 烤花窑 663 根据烧成过程 664 的连续与否分 665 ? 666 间歇式窑 667 连续式窑 668 Ⅴ.釉 669 硅酸盐玻璃 670 釉是指覆盖在陶瓷坯体表面上的一层玻璃态物质。 671 它是根据瓷坯的成分和性能要求，采用陶瓷原料和 672 某些化工原料按一定比例配方、加工、施覆在坯体 673 表面，经高温熔融而成。 674 ①改善陶瓷制品的表面性能； 675 ②提高制品的机械强度、电学性能、化学稳定性和热稳定性。 676 3.2陶瓷材料的组织结构与性能 677 3.2.1陶瓷的组织结构 678 陶瓷和金属不同，总是得到未达到平衡的组织， 679 组织很不均匀、很复杂。 680 陶瓷的主要组成成分，决定陶瓷的主要特点和应用。 681 陶 682 晶相 683 主晶相：如日用陶瓷的主晶相为莫来石。 684 次晶相：主要有硅酸盐、氧化物和非氧化物。 685 瓷 686 ①将晶相颗粒粘结起来，填充晶相之间的空隙， 687 的 688 提高材料的致密度； 689 组 690 织 691 玻璃相 692 ②降低烧成温度，加速烧结过程； 693 ③阻止晶体转变，抑制晶体长大； 694 ④获得一定程度的玻璃特性。 695 结 696 构 697 致密陶瓷 698 气相无开孔陶瓷 699 多孔陶瓷 700 但对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热性 701 等不利，不能成为陶瓷的主导组成部分， 702 含量约20％~40％。 703 陶瓷组织内部残留下 704 来而末排除的气体， 705 常以气孔形式出现。 706 气孔是不利的，能降低陶瓷的 707 强度和导热性能，易造成裂纹。 708 在加热和冷却过程中，坯体相继发生以下四个阶段的变化： 709 低温阶段 710 中温阶段 711 烧成 712 高温阶段 713 冷却阶段 714 （1）低温阶段（室温~300℃） 715 （坯体水分蒸发期） 716 排除在干燥过程中没有除掉的残余水分 717 ①正常烧成时入窑坯体水分一般控制在2％； 718 ②加强通风，以提高干燥速度； 719 ③烟气温度应高于露点，防止坯体表面出现冷凝水(“白霜”)。 720 （2）中温阶段（300~950℃） 721 （氧化分解及晶型转化期） 722 粘土等矿物中结构水排除；有机物、碳素、无机物氧化及碳酸盐、硫化物 723 等分解；晶型转变（如石英由低温型晶型转变为高温型晶型）。 724 （3）高温阶段（950℃~最高烧成温度） 725 （玻化成瓷期） 726 坯体开始烧结，釉层开始熔化，氧化分解反应继续进行。坯体体积收 727 缩、致密度提高，产生机械强度，实现由坯体到陶瓷体的转变。 728 （4）冷却阶段（烧成温度~室温） 729 急冷阶段 730 （最高烧成温度~850℃） 731 缓冷阶段 732 （850℃~400℃） 733 最终冷却阶段 734 （400℃~室温） 735 快冷可以缩短烧成周期； 736 有效防止液相析晶和晶粒长大； 737 有效防止低价铁的再度氧化； 738 可以提高坯体的机械强度、白度和釉面光泽度。 739 850℃以下液相开始凝固； 740 有石英晶型转变引起的体积收缩，应缓冷。 741 一般采用快冷；但对于含大量方石英的 742 坯体在晶型转化区间仍应缓冷。 743 3.2.2陶瓷的性能 744 1.陶瓷的力学性能 745 （1）刚度——弹性模量 746 陶瓷都有很高的弹性模量。 747 （2）硬度 748 陶瓷材料是各类材料中硬度最高的。 749 消除晶界的不良作用，是提高陶瓷强度的基本途径 750 ①组织中存在着晶界； 751 陶瓷的实际强度比理论强度低很多②陶瓷的实际强度受致密度、 752 杂质和各种缺陷的影响很大。 753 陶瓷对应力状态特别敏感 754 抗拉强度很低，抗弯强度较高，抗压强度则非常高。 755 （4）塑性 756 陶瓷在室温下几乎没有塑性； 757 但是当组织中存在玻璃相时，陶瓷也能表现出一定的塑性； 758 陶瓷具有较高的高温强度。 759 （5）韧性或脆性（最大缺点） 760 陶瓷的韧性极低或脆性很高，是典型的脆性材料。 761 陶瓷的脆性对表面状态特别敏感。 762 →纳米陶瓷 763 （超塑性、高强度和高韧性） 764 2.陶瓷的热学性能 765 （1）热膨胀 766 陶瓷热膨胀系数的大小与晶体结构和结合键强度密切相关。 767 键强度高的材料其热膨胀系数很低； 768 氧离子紧密堆积结构的氧化物，一般线膨胀系数较大。 769 （2）导热性 770 陶瓷的导热性比金属差，多为较好的绝热材料。 771 （3）热稳定性（另一个主要缺点） 772 ◆即抗热震性，可衡量陶瓷在不同温度范围波动时的寿命， 773 一般用试样急冷到水中不破裂所能承受的最高温度来表示。 774 ◆陶瓷材料的热稳定性比金属的低得多。 775 3.其他性能 776 （1）导电性 777 大多数陶瓷是良好的绝缘体，但也有一些陶瓷是重要的半导体材料。 778 （2）耐火性及化学稳定性 779 陶瓷具有很好的耐火性，也是化学稳定性很高的材料。 780 陶瓷材料的性能特点如下： 781 陶瓷材料具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、 782 高的硬度和良好的抗压能力；但脆性很高，热稳定性差， 783 抗拉强度较低。 784 3.3传统陶瓷材料 785 是助熔剂，促使烧结时玻璃相的形成。 786 具有很好的可塑性和烧结性， 787 是成型能够进行的基础， 788 也是粘土质陶瓷成瓷的基础。 789 粗陶瓷制品：不均一的坯体。 790 是减塑剂；是耐熔的骨架成分。 791 致密材料 792 3.3.1不致密陶瓷材料 793 泥料中含助熔剂少及烧成温度低时制成的制品是不致密陶瓷。 794 以当地有的粘土或黄土为原料 795 粗陶瓷：砖瓦制品、熟料粘土砖等。 796 细陶瓷 797 陶器 798 精陶 799 原料类似于制砖瓦的泥料 800 由高岭石、烧成为白色的粘土、石英及助熔剂制成， 801 有时还添加些方石英或粘土熟料。 802 3.3.2致密陶瓷材料 803 炻器 804 瓷器 805 是一种介于陶器和瓷器之间的制品； 806 带色且不透明，质地致密坚硬。 807 是致密烧结的白色坯体； 808 硬质瓷、软质瓷、骨灰质瓷、滑石质瓷、绢云母质瓷等。 809 软瓷相对硬瓷而言，胎体内含有更多的玻璃相， 810 半透明性好，机械强度较硬质瓷差。 811 3.3.3传统陶瓷的用途 812 主要为瓷器。一般要求有良好的白度、光泽度、热稳定性和机械强度。 813 包括长石质瓷、绢云母质瓷、骨灰质瓷和滑石质瓷等。 814 工业用主要为炻器和精陶。包括建筑瓷、卫生瓷、电瓷和化学化工瓷等。 815 3.4新型陶瓷 816 新型陶瓷是指以精制高纯、超细人工合成的无机粉末为原料， 817 采用精密控制烧结工艺而制备的具有高强、耐温、耐蚀特性或 818 具有各种敏感特性的陶瓷。又称先进陶瓷、特种陶瓷、高性能 819 陶瓷、高技术陶资、精细陶瓷。 820 新型陶瓷与传统陶瓷的主要区别 821 是指具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷。 822 具有耐高温、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、低膨胀系数、 823 高导热性和质轻等优点。 824 氧化物陶瓷 825 非氧化物陶瓷 826 （工程陶瓷）氧化物与非金属氧化物的复合系统 827 特种陶瓷 828 功能陶瓷敏感陶瓷 829 铁电陶瓷 830 磁性陶瓷 831 具有电、光、磁、化学和生物体特性，且具有相互转换功能的陶瓷。 832 3.4.1氧化物陶瓷 833 氧化物陶瓷材料可以一种元素的氧化物(如Al2O3、MgO等)为 834 原料，也可在它们的晶格中除氧离子外还含几种元素的阳离 835 子(如BaTiO3、ZnFe2O4等)。 836 用途最广泛的氧化物陶瓷材料 837 高纯型 838 普通型 839 氧化铝陶瓷 840 氧化铍陶瓷 841 氧化镁陶瓷 842 氧化钙陶瓷 843 氧化锆陶瓷 844 耐高温、抗蚀、耐磨、绝缘等。 845 很高的导热性、抗热震性极好；是现有材料中最好的绝缘材料； 846 化学性质稳定，抗腐蚀能力很强。但粉末有剧毒。 847 抗热震性能不是很好；但高温下抗压强度较高； 848 耐碱蚀，但不耐酸蚀(HF除外)；良好的绝缘体；典型的碱性耐火材料。 849 缺点：易水化；熔渣化作用。 850 优点：热力学性质稳定；抵抗金属侵蚀性优良。 851 高韧性、高抗弯强度、高耐磨性、优异的隔热性能； 852 耐高温、有较高的折射率。 853 钛酸钙陶瓷广泛应用的电容器陶瓷材料之一。 854 钛酸镁陶瓷 855 广泛用于制造热稳定陶瓷电容器和微波介质谐振器等。 856 应用最广泛的压电陶瓷。 857 x1-x3 858 3.4.2非氧化物陶瓷 859 高温强度大 860 硬度高 861 化学稳定性好 862 非氧化物陶瓷是由金属的碳化物、氮化物、硅化物和硼化物等制造的陶瓷总称。 863 金属陶瓷或硬质合金 864 非金属非氧化物陶瓷 865 第四族到第六族的过渡金属元素Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、 866 Cr、Mo、W等的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物 867 金刚石、石墨、SiC、Si3N4、B4C、BN等非氧化物 868 金刚石:目前所知的最硬和抗划痕能力最强的材料(工具材料)； 869 金刚石和石墨 870 石墨:具有良好的导电、导热性能，且具有金属光泽， 871 具有很高的熔点、很好的高温稳定性。(电极材料，高温材料) 872 属于最重要的非氧化物特种陶瓷 873 碳化硅 874 氮化硅 875 硬度大、导热性好、高温强度大、高温抗氧化性能好等。 876 可用作磨料、耐火材料、隔热材料、电热元件等。 877 具有较高硬度，耐磨，具有自润滑性，但仍属于脆性材料； 878 热膨胀系数低、导热率高及抗热震性优良； 879 耐高温，具有高温抗氧化性，化学稳定性好； 880 在烧结过程中几乎不发生收缩，可制成精密度高的产品。 881 六方结构(“白石墨”)，抗氧化能力优于石墨，有化学“惰性”，热稳定性 882 氮化硼陶瓷 883 优良，又是电的优良绝缘体。可作为介电体和耐火润滑剂。 884 立方氮化硼的硬度与金刚石接近，为金刚石的代用品；且比金刚石耐高 885 温、抗氧化。 886 碳化硼 887 硬度、强度较高，仅次于金刚石和立方氮化硼； 888 热膨胀系数较低，热导率较高，与一般酸碱不起反应，密度低。 889 （高温材料） 890 压电陶瓷 891 3.4.3铁电陶瓷热释电陶瓷 892 透明铁电陶瓷 893 在一定温度范围内，某些材料的极化强度和施加电场间显示出 894 非线性特性，形成电滞回线，材料的这种性质称为铁电性。 895 这类材料叫铁电体（或强电介质）。 896 具有铁电性 897 热敏陶瓷 898 压敏陶瓷 899 3.4.4敏感陶瓷 900 气敏陶瓷 901 湿敏陶瓷 902 光敏陶瓷 903 敏感性陶瓷材料是指当作用于用这些材料制造的元件上的外界条件如 904 温度、压力、湿度、气氛、电场、光及射线等改变时，能引起该材料 905 某种物理性能（如电阻率、电动势等）的变化，从而可从这种元件上 906 准确迅速地获得某种有用的信号，起到自诊断、自修复的功能。 907 常用作敏感元件。 908 软磁铁氧体 909 硬磁铁氧体 910 矩磁铁氧体 911 3.4.5磁性陶瓷 912 旋磁铁氧体 913 压磁铁氧体 914 磁泡材料 915 磁光材料 916 磁性材料是指具有强磁性的材料。具有能量转换、存储或 917 改变能量状态的功能。 918 广泛应用于计算机、通讯、自动化、音像、电视、仪器和 919 仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。 920 3.4.6发展中的新型陶瓷 921 纳米陶瓷材料 922 梯度功能材料 923 智能材料 924 环境调和材料 925 （1）纳米陶瓷材料 926 在陶瓷基体中引入纳米分散相并进行复合，不仅可大幅度提高 927 其断裂强度和断裂韧性，明显改善其耐高温性能，而且也能提 928 高材料的硬度、弹性模量和抗热震、抗高温蠕变等性能。 929 纳米陶瓷是指在陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及 930 它们之间的结合都处在纳米尺寸水平（<100nm）。 931 ①表面效应：纳米微粒尺寸小，表面积大，表面能高，导致表面极不 932 稳定，很容易与其它原子结合。 933 ②小尺寸效应：当纳米微粒的尺寸与光波的波长相当或更小时，在不 934 改变化学成分的条件下，声、光、电、磁、热、力学等物理特性均发 935 生变化。故可用于制造各种过滤器、热交换器。 936 ③量子尺寸效应：当纳米微粒的尺寸下降到一定值时，费米能级附近 937 的电子能级由连续能级变成分立能级的现象。这就使纳米粒子具有高 938 的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。 939 ④宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力，称为隧道效应。 940 对于纳米粒子，它们的磁化强度和量子相干器件的磁通量等也具有隧 941 道效应，称为宏观量子隧道效应。这就使其物化反应需消耗的能量和 942 催化剂减少，反应速度与效果递增。 943 纳米复合陶瓷与普通陶瓷材料相比，由于晶粒的细化，晶界 944 数量大幅度增加，使材料在力学性能、表面光洁度、耐磨性 945 以及高温性能等方面都有明显改善。 946 应用：可作为储氢材料、热交换器、微孔过滤器以及检测温 947 度气体的多功能传感器等。 948 （2）梯度功能材料(Function-gradedmaterial,FGM) 949 梯度功能材料是由两种或多种材料复合成组分和结构呈连续梯度 950 变化的一种新型复合材料；它要求功能、性能随内部位置的变化 951 而变化，实现功能梯度的材料。（简称梯度材料）。 952 成分设计： 953 表层：陶瓷类结构材料，耐热、抗氧化； 954 内层：金属材料，高热导率、机械强度； 955 表 956 层 957 内 958 层 959 中间：通过成分、结构、性能上的梯度变化， 960 释放其热应力。 961 特点： 962 ①组分、结构和性能均呈连续梯度变化； 963 ②内部无明显的界面。 964 （3）智能材料（IM） 965 智能材料是指同时具备自检查功能(传感器功能)、信息处理 966 功能以及指令和执行功能的材料。 967 具有自诊断、自监控、自调节、自修复及自适应等功能。 968 具备传感、驱动和控制三个基本要素。 969 智能陶瓷 970 无机非金属智能材料智能玻璃 971 智能混凝土等 972 金属系智能材料 973 高分子系智能材料 974 压电智能陶瓷 975 智能陶瓷 976 形状记忆智能陶瓷 977 敏感智能陶瓷 978 指在材料上施加机械力时，材料的 979 （1）压电智能陶瓷 980 某些表面会产生电荷的现象。 981 压电智能陶瓷具有压电效应，可适应不同应用范围对材料 982 的不同要求，而且其耐热性、耐湿性和化学稳定性均好。 983 既可做传感材料，又可做执行材料。如用作汽车减震装置、 984 智能雨刷等。 985 加长林肯轿车 986 （2）形状记忆智能陶瓷 987 在高温下处理成一定形状的金属急冷下来，在低温状态下经塑性 988 变形为另一种形状，当再加热至高温稳定状态时，材料通过马氏 989 体相变恢复到低温塑性变形前的形状，这就是形状记忆效应。 990 主要用在空间光学望远镜如哈伯望远镜、日冕仪等的自适应调整 991 上，另外还有望用作能量储存执行元件。 992 热敏陶瓷 993 压敏陶瓷 994 （3）敏感智能陶瓷 995 气敏陶瓷 996 湿敏陶瓷 997 光敏陶瓷 998 敏感智能陶瓷是指当作用于用这些材料制造的元件上的外界条 999 件如温度、压力、湿度、气氛、电场、光及射线等改变时，能 1000 引起该材料某种物理性能的变化，从而可从这种元件上准确迅 1001 速地获得某种有用的信号，起到自诊断、自修复的功能。 1002 可用作候补保护元件，也可用于感知和检测各种气体或湿度的 1003 传感器。 1004 （4）环境调和材料（“绿色材料”） 1005 在1988年第一届IUMRS国际会议（东京）上首先提出“绿色材料”的概念。 1006 环境调和材料（简称环境材料）是指在原料采取、产品制造、 1007 使用或者再循环以及废料处理等环节中，对地球环境负荷最 1008 小、而再循环利用率最高的材料。 1009 也指与生态环境和谐或能共存的材料。 1010 节能材料 1011 材料生产过程中产生污染少，所需能源少， 1012 资源消耗少的材料。 1013 再循环材料 1014 净化材料 1015 调节环境材料 1016 使用后可再循环利用的材料。 1017 可净化或吸附有害物质的材料或物质,如陶瓷吸附材料。 1018 调光、调温、调湿材料，防射线及吸波材料。 1019 绿 1020 色 1021 材 1022 料 1023 增进健康材料（红色材料） 1024 有益健康或抗菌的材料或物质。 1025 如常温远红外陶瓷、抗菌材料(TiO2)。 1026 能源材料 1027 利用太阳能、地能、氢能、核能、 1028 燃料电池等新型能源的材料。 1029 第4章玻璃 1030 4.1玻璃的概念和通性 1031 4.2玻璃的形成 1032 4.3玻璃的结构理论 1033 4.4常见玻璃简介 1034 4.1玻璃的概念和通性 1035 4.1.1玻璃的定义 1036 存在热膨胀系数和比热的突变温度，即存在玻璃转变温度Tg。 1037 科学定义：若某种材料显示出典型的经典玻璃所具有的各种特征 1038 性质，那么，不管其组成如何，都可以称之为玻璃。 1039 具有Tg的非晶态材料都是玻璃。 1040 4.1.2玻璃的通性 1041 各向同性 1042 介稳性 1043 无固定熔点 1044 随冷却速度变 1045 化的温度范围 1046 物理化学性质的渐变性 1047 （熔融状态→固体状态） 1048 Tg 1049 Tg是区分玻璃与其他非晶态固体的重要特征温度。 1050 4.2玻璃的形成 1051 4.2.1形成玻璃的物质 1052 只要冷却速度足够快，几乎任何物质都能形成玻璃。 1053 获得玻璃的两条途径： 1054 一是将液体或气体的无序状态在环境温度下保存下来； 1055 二是破坏晶体的有序结构，使之非晶化。 1056 几乎所有物质都可以借助特定的 1057 条件形成玻璃或非晶态材料。 1058 4.2.3形成玻璃的条件 1059 热力学条件 1060 动力学条件 1061 结晶化学条件 1062 1.热力学条件 1063 熔融体是物质在液相温度以上存在的一种高能量状态。随着温度降低， 1064 熔体释放能量大小不同，可以有三种冷却途径： 1065 ①结晶化，即有序度不断增加，直到释放全部多余能量而使整个熔体晶化为止。 1066 ②玻璃化，即过冷熔体在转变温度Tg硬化为固态玻璃的过程。 1067 ③分相，即质点迁移使熔体内某些组成偏聚，从而形成互不混溶的组成不同的 1068 两个玻璃相。 1069 玻璃处于介稳态，有自发转变为稳定晶态的趋势。 1070 若同组成的玻璃体与晶体的内能差别大，则晶化倾向大， 1071 形成玻璃倾向小。 1072 2.动力学条件 1073 熔体玻璃化或结晶化是矛盾的两个方面，凡是对熔体结晶作用不利的因 1074 素，恰恰是玻璃形成的有利因素。而熔体能否结晶主要取决于熔体过冷后能 1075 否形成新相晶核以及晶核能否长大成晶体。 1076 均态核化熔体内部自发成核 1077 晶核生成 1078 各种因素支配的成核过程。 1079 晶体长大 1080 玻璃的形成可以通过控制晶核生成速率(Iν) 1081 和晶体生长速度(ν)来实现，这两个速率均 1082 与过冷度(T=Tm-T)有关。 1083 3.玻璃形成的结晶化学条件 1084 （1）熔体中质点的聚合程度 1085 如果熔体中阴离子团是高聚合的，其位移、转动、重排都困难， 1086 因而不易调整成为晶体，容易形成玻璃。 1087 （2）键强 1088 孙光汉首先于1947年提出可用元素与氧结合的单键强度大小来判断 1089 氧化物能否形成玻璃。他首先计算出各种化合物的分解能，并以该 1090 化合物的配位数除之，得出的商即为单键能。——孙光汉单键能理论 1091 网络形成体氧化物 1092 氧化物网络变性体氧化物 1093 网络中间体氧化物 1094 能单独形成玻璃。在玻璃中能构成各自特有的网络体系的氧化物， 1095 如B2O3、SiO2、GeO2、P2O5、V2O5、As2O5等。这类氧化物参与 1096 形成玻璃结构，一般不会从玻璃的网络骨架中析出。 1097 网络形成体氧化物 1098 玻璃 1099 结构 1100 不具有玻璃形成倾向。不进入结构网络，而是 1101 处于网络之外，对玻璃起调整性质作用的氧化 1102 中的 1103 氧化 1104 网络变性体氧化物 1105 （网络修饰体） 1106 物。如MgO、Li2O、BaO、CaO、SrO、Na2O、 1107 K2O等。这类离子的化学键容易断裂，形成游 1108 离的金属离子从网络结构中析出。 1109 物 1110 网络中间体氧化物 1111 一般不能单独形成玻璃。性质介于网络形成体和网络外体之间的氧化物。 1112 如Al2O3、Sb2O3、ZrO2、TiO2、PbO、BeO、ZnO等。这类金属氧化物 1113 一般以一定强度的化学键与网络生成体氧化物结合，不易从玻璃的网络 1114 结构中析出，在功能上起着改善玻璃结构的作用。 1115 （3）键型 1116 金属键、离子键化合物和纯粹的共价键化合物都不易形成玻璃 1117 只有当离子键和金属键向共价键过渡，或极性过渡键具有离子键 1118 和共价键的双重性质时，极性键的共价性成分有利于促进生成具 1119 有固定结构的低配位（3或4）多面体，构成近程有序性；而极性 1120 键的离子性成分，促进配位多面体不按一定方向连接，产生不对 1121 称变形，构成远程无序的网络结构，在能量上有利于形成一种低 1122 配位数结构，所以形成玻璃的倾向大。 1123 形成玻璃必须具有离子键或金属键向共价键过渡的混合键型 1124 4.3玻璃的结构理论 1125 无序密堆硬球模型 1126 无规则线团模型 1127 晶子模型 1128 玻璃的结构可以看成是由原子 1129 或多面体经无序堆积而成的。 1130 适用于描述以有机高分子为基础的 1131 非晶态固体结构。 1132 玻璃由无数“晶子”所组成，“晶子”不同于微晶， 1133 是带有晶格变形的有序区域；这些“晶子”分散在 1134 无定形介质中；从“晶子”部分到无定形部分的过 1135 渡是逐步完成的，两者之间无明显界线。 1136 晶子学说揭示了玻璃具有微不均匀性和有序性。 1137 无规则网络模型 1138 强调了玻璃中离子与氧多面体相互间排列的均 1139 匀性、连续性及无序性等特征，即承认了玻璃 1140 近程有序论 1141 结构的近程有序、远程无序和微观不均匀性。 1142 长期以来是玻璃结构学说的主要学派。 1143 近程有序和远程无序是玻璃物质的结构特点。 1144 即：从宏观上看玻璃主要表现为无序、均匀和连续性； 1145 从微观上看，则呈现出有序、微不均匀和不连续性。 1146 玻璃是具有近程有序区域的无定形透明物质。 1147 4.4常见玻璃简介 1148 4.4.1传统氧化物玻璃 1149 1、硅酸盐玻璃（应用最广，以SiO2为主要成分） 1150 具有一定的化学稳定性、热稳定性、机械强度和硬度，但可溶解于氢氟酸。 1151 石英玻璃，结构是无序而均匀的，连续的。 1152 由硅氧四面体[SiO4]以顶角相连而形成三维网络结构。 1153 建筑玻璃 1154 日用玻璃 1155 平板玻璃 1156 玻璃纤维 1157 大部分光学玻璃 1158 钠钙硅酸盐 1159 钠铝硅酸盐 1160 钠硼硅酸盐玻璃 1161 2、硼酸盐玻璃 1162 硼硅酸盐玻璃：热膨胀系数小、热稳定性和化学稳定性良好 1163 B2O3玻璃由硼氧三角体[BO3]组成。B3+以[BO3]三角体形式存在， 1164 由B和O交替排列的平面六角环通过B-O-B链连成向两度空间发展的层状网络。 1165 碱金属氧化物 1166 碱土金属氧化物 1167 碱硼酸盐玻璃，[BO3]三角体+硼氧四面体[BO4]，三度空间的架状结构， 1168 加强了网络。 1169 “硼氧反常性”：其物理性质与同条件下的硅酸盐玻 1170 璃相比，相应地向着相反的方向变化。 1171 α 1172 Y 1173 平均 1174 桥氧数 1175 16.7% 1176 硅酸盐玻璃 1177 3、磷酸盐玻璃 1178 纯P2O5玻璃由[PO4]四面体组成。磷酸盐玻璃具有较低的软化 1179 温度和较差的化学稳定性，而且其热膨胀系数往往也比较高， 1180 因此，只有少量磷酸盐玻璃及含P2O5玻璃具有实用价值。 1181 具有透紫外线、低色散等特点，可用作低色散光学玻璃或其他 1182 特种玻璃。 1183 4、锗酸盐玻璃 1184 具有较长的红外截止波长和较宽的透过波段，是一类理想的 1185 红外光学窗口材料。 1186 4.4.2非传统氧化物玻璃 1187 重金属阳离子 1188 含量大于50％ 1189 非传统氧化物玻璃指不是以传统网络形成体氧化物(如SiO2、 1190 B2O3、P2O5、GeO2等)为主要成分而形成的玻璃。 1191 如铝酸盐玻璃、钨酸盐玻璃、钼酸盐玻璃、重金属氧化物 1192 玻璃(heavy-metaloxide，简称HMO)等。 1193 周期表中形成玻璃的氧化物的元素 1194 4.4.3非氧化物玻璃 1195 周期表中形成玻璃的氧化物的元素 1196 1、硫属化合物玻璃（非氧玻璃） 1197 主要是以砷为主族的硫化物、硒化物和碲化物为基础制成的。 1198 是重要的半导体材料、远红外光材料、易熔封接材料。 1199 2、卤化物玻璃 1200 由金属卤化物（主要是氟化物）组成的 1201 氟化物玻璃： 1202 光学材料：具有超低折射和色散的特性； 1203 易熔封接材料：熔制温度低； 1204 远距离通讯：氟化物光导纤维（ZrF4）损耗极小； 1205 国防、医学等领域：测温计，呼吸气体分析仪，治疗癌症。 1206 一相为玻璃质； 1207 混合型氧化物-氟化物玻璃（氧氟玻璃）同时具备氧化物的高强度、正温度 1208 折射系数和氟化物的低声子能量、易析晶、负温度折射率系数的特点。 1209 应用：红外光学材料、高能激光窗口材料、以及具有雷达隐身功能的中红 1210 外光功能材料。 1211 4.4.4特种玻璃 1212 特种玻璃指除平板玻璃及日用器皿玻璃以外的，采用精制、 1213 高纯和新型原料、采用新工艺在特殊条件下或严格控制形成 1214 过程制成的具有特殊功能或特殊用途的玻璃，包括经玻璃晶化 1215 获得的微晶玻璃。 1216 它们是在普通玻璃所具有的透光性、耐久性、气密性、形状不变性、 1217 耐热性、电绝缘性、组成多样性、易成型性和可加工性等优异性能的基础 1218 上，通过使玻璃具有特殊的功能，或将上述某项特性发挥至极点，或将上 1219 述某项特性置换为另一种特性，或牺牲上述某些性能而赋予某项有用的特 1220 性之后获得的。 1221 1、特种玻璃的特点 1222 近数十年来，特种玻璃的不断发展，使它在以下几个方面与传统的 1223 玻璃有了明显差别。 1224 (1)成分的变化：从纯硅酸盐系统发展至以硅酸盐、硼酸盐及磷酸盐为主的 1225 玻璃系统，并进一步出现了一系列新的非硅酸盐氧化物玻璃系统。从纯氧 1226 化物玻璃发展至卤化物、硫族化物和合金化合物等非氧化物玻璃以及上述 1227 不同类型混合而成的混合玻璃。从纯无机化合物玻璃发展至ORMOSIL复 1228 合玻璃。从成分单纯的Na2O-CaO-SiO2系统发展至元素周期表中大部分元 1229 素为成分的多形式的特种玻璃。 1230 (2)形状的变化：从传统的板状、块体发展至薄膜和纤维，即从三维发展到 1231 二维和一维。另外，还有空心和实心及各种粒径范围的玻璃微球。 1232 (3)玻璃态的变化：随着特种玻璃的发展，首先出现了微分相的玻璃，继而 1233 出现乳浊玻璃和泡沫玻璃。为了减少玻璃的表面反射，近年来研究成功了 1234 空气薄膜玻璃。 1235 (4)玻璃功能的变化：玻璃已从单纯的透光材料和包装材料发展成具有光、 1236 电、磁和声等特性的材料。由于生物玻璃的研究成功，玻璃已从一种无生 1237 命的材料发展成为有机体的修补或替换材料。 1238 (5)玻璃制备工艺的变化：制备玻璃的传统方法是采用坩埚窑和池窑工艺的 1239 高温熔融法，而特种玻璃的高温熔融法制备已发展为电加热、高频感应加 1240 热、多层坩埚熔炼、高压真空熔炼、太阳炉融化、等离子火焰融化以及激 1241 光融化等多种手段。此外，制备玻璃的方法已经有气相合成、真空蒸发和 1242 溅射、CVD和MOCVD等气相沉积、低温合成、高能射线辐照以及溶液-凝 1243 胶法等多种制备工艺。 1244 2、特种玻璃的分类 1245 光学功能玻璃 1246 电磁功能玻璃 1247 热学功能玻璃 1248 具有光传输功能、激光发射功能、光记忆功能、光控制功能、 1249 非线性光学功能或感光及光调节功能等。 1250 导电功能玻璃、光电转换功能玻璃、声波延迟功能玻璃、 1251 电子发射功能玻璃、电磁波防护功能玻璃、磁性玻璃等。 1252 主要包括耐热性玻璃、低膨胀系数玻璃、导热性玻璃以及 1253 加热软化性玻璃等。 1254 力学与机械功能玻璃 1255 生物及化学功能玻璃 1256 具有比普通玻璃更高的杨氏模量，或具有高的强度和 1257 高的韧性，或可以像加工木材一样进行机械加工。 1258 主要包括具有熔融固化、耐腐蚀、水溶性、杀菌、光 1259 化学反应、化学分离精制、生物活性、生物相容性以 1260 及疾病治疗等功能的特种玻璃。 1261 3、特种玻璃举例 1262 21世纪新型装饰材料 1263 （1）微晶玻璃 1264 微晶玻璃最初(1953年)是由感光玻璃发展而来的。 1265 紫外线照射并 1266 在析晶温度下热处理 1267 光敏微晶玻璃 1268 将加有成核剂(个别可不加)的特定组成的基础玻璃在一定温度 1269 (>1000℃)下进行热处理时，可变成具有微晶体和玻璃相均匀分 1270 布的材料，此为微晶玻璃。也称为陶瓷玻璃、结晶化玻璃、微 1271 晶玉石，学名叫做玻璃水晶。 1272 微晶玻璃集中了玻璃、陶瓷及天然石材的三重优点 1273 微晶玻璃的特性： 1274 ①它属于玻璃制品，但受热不胀、遇冷不缩、高温不裂； 1275 而且比天然石材更坚硬，不易受损，砸不碎、碰不破； 1276 ②表面具有天然石材的质感，却毫无光污染； 1277 ③其耐酸性和耐碱性甚至比花岗岩、大理石都要优良； 1278 ④吸水率接近零，因此不必担心冻结破坏及铁锈、混凝土泥浆、 1279 灰色污染物渗透内部，所以没有石材吐汁的现象； 1280 ⑤像大规格抛光砖一样密实，可铺地，可挂墙，却没有瓷砖釉石 1281 褪色的弱点； 1282 ⑥像铝塑复合板一样，可任意着色，外表华丽，却不像铝塑板那 1283 样怕氢化、不耐腐蚀； 1284 ⑦不含任何放射性物质，是一种绿色环保材料； 1285 ⑧易加工成型。 1286 （2）金属玻璃 1287 大部分的金属在冷却时都会结晶，原子排列成有规则的图案， 1288 叫做格构(lattice)。但如果结晶不出现，原子便会随机排列， 1289 成为金属玻璃，又称非晶态合金。 1290 金属玻璃并不透明，它拥有独特的机械和磁性特质（强度高， 1291 硬度大，且具有一定的韧性和刚性），不易破碎和不易变形， 1292 被人们赞扬为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。 1293 是制造变压器、高尔夫球棒和其他产品的理想物料。 1294 （3）激光玻璃 1295 激光玻璃由基质玻璃掺入激活离子形成。 1296 激光玻璃的各种物理化学性质主要由基质玻璃决定， 1297 而它的光谱性质则主要由激活离子决定。 1298 透明度高、光学均匀性好、化学稳定性高、有一定的机械强度和 1299 良好的光照稳定性及热导性等。 1300 广泛应用于各类型固体激光器中，并成为高功率和高能量激光器 1301 的主要激光材料。 1302 （4）光致变色玻璃 1303 光致变色玻璃受蓝紫、紫外等短波长光和日光照射后，玻璃能 1304 够在可见光区产生光吸收而自动着色，着色深度会随光照的强弱 1305 而改变；光照一旦停止又可逆的自动恢复到初始的透明状态。 1306 （5）电致变色玻璃 1307 透过率+吸收率+反射率=1 1308 电致变色玻璃是指在电场作用下引起颜色变化的玻璃，这种变化 1309 为可逆的，连续可调的。 1310 因此可实现由人的意愿调节光照度的目的；同时，电致变色系统 1311 通过选择性地吸收或反射外界热辐射和阻止内部热扩散，可减少 1312 建筑物在夏季保持凉爽和冬季保持温暖而必须耗费的大量能源。 1313 （6）防弹玻璃 1314 防弹玻璃是在夹层玻璃的基础上，经过工艺和结构的改进，制造 1315 成具有防弹、防爆等特性的玻璃。 1316 防弹玻璃是由玻璃（或有机玻璃）和优质工程塑料经特殊加工得到 1317 的一种复合型材料，它通常是透明的材料，是将聚碳酸酯纤维层夹 1318 在普通玻璃层之中。 1319 在炸弹攻击和意外爆炸事件中，防炸弹玻璃可以最大限度地减少爆 1320 炸冲击波超高荷载和高速飞溅的玻璃碎片所造成的直接伤害，减少 1321 受攻击设施或爆炸中心周围设施的修复费用。 1322 防护原理： 1323 防炸弹玻璃在爆炸冲击波能量形成的荷载剧增，增大几倍甚至几十倍条件 1324 下保持不穿透，玻璃保持性值RET≈1。 1325 而单片玻璃(包括浮法玻璃，钢化玻璃，中空玻璃)一旦破碎，只要稍超过 1326 临界破碎压力RET很快就跌到0.3以下，玻璃碎片散落，出现穿透性破坏。 1327 （7）生物玻璃 1328 主要以Na2O-CaO-SiO2-P2O5体系为基础。 1329 生物玻璃是利用玻璃或玻璃陶瓷制成的人工骨、人工牙齿 1330 等，将其植入人体内，玻璃中的磷酸钙在骨骼与玻璃连接的 1331 骨胶层中形成羟基磷灰石晶体，从而使骨质细胞长入玻璃内 1332 与生物体牢固结合，起到修复骨组织、恢复其功能的作用。 1333 4.4.5未来的玻璃 1334 智能玻璃 1335 冬暖夏凉的玻璃（VO2+2%W的镀膜玻璃） 1336 能自我清洁的玻璃（“Lotus”） 1337 不沾水的玻璃 1338 纳米涂层(二氧化硅+磷酸钛化合物+氧化锡)。 1339 具有超亲水、防静电、防雾、防结露等特性。 1340 可代替窗帘的玻璃（电致变色窗） 1341 第5章水泥 1342 5.1硅酸盐水泥概述 1343 5.2硅酸盐水泥熟料矿物的结构特征 1344 5.3硅酸盐水泥的水化与硬化 1345 5.4其他品种水泥 1346 一、胶凝材料概述 1347 胶凝材料是指那些通过物理、化学作用，能从浆体 1348 变成坚固的固体，并能胶结其他物料，形成具有一 1349 定机械强度的固体物质，如石膏、石灰、水泥等。 1350 既能在空气中硬化，又能在水中硬化， 1351 并保持和发展其强度。 1352 耐水性好，可用于潮湿环境或水中。 1353 有机胶凝材料：沥青、树脂、橡胶等 1354 无机胶凝材料 1355 ? 1356 水硬性胶凝材料 1357 气硬性胶凝材料 1358 各种硅酸盐水泥 1359 水硬性石灰 1360 石膏、气硬性石灰、 1361 水玻璃等 1362 只能在空气中凝结硬化，也只能 1363 在空气中保持和发展其强度。 1364 耐水性差，不宜用于潮湿环境。 1365 凡细磨成粉末状，加入适量水后，可成为塑性浆体，既能在空气 1366 中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石、钢筋等材料牢固地胶 1367 结在一起的水硬性胶凝材料，通称为水硬性水泥，简称水泥。 1368 气硬性水泥（镁氧水泥） 1369 应用最广泛、研究最深入的一种。 1370 硅酸盐水泥 1371 铝酸盐水泥 1372 水硬性水泥 1373 硫铝酸盐水泥 1374 氟铝酸盐水泥 1375 铁铝酸盐水泥 1376 5.1硅酸盐水泥概述 1377 凡以适当成分的生料烧至部分熔融得到的以硅酸钙为主要成分 1378 的硅酸盐水泥熟料，加入适量的石膏，磨细制成的水硬性胶凝 1379 材料，称为硅酸盐水泥，也称为纯熟料水泥，又名波特兰水泥 1380 (Portlandcement)。 1381 5.1.2水泥的制备工艺 1382 “两磨一烧” 1383 石灰质原料 1384 石膏 1385 粘土质原料 1386 配料 1387 磨细 1388 生料 1389 煅烧 1390 温度达1450℃ 1391 熟料 1392 粉磨 1393 水泥 1394 校正性原料 1395 混合材料 1396 水泥的制备工艺示意图 1397 5.1.3硅酸盐水泥的技术性能 1398 1.细度 1399 水泥的细度是表示水泥磨细的程度或水泥分散度的指标， 1400 它对水泥的水化硬化速度、水泥的需水量和易性、放热速 1401 度以及强度都有影响。 1402 我国水泥标准规定：0.08mm方孔筛筛余不超过15％。 1403 2.需水量 1404 是水泥为获得一定稠度时所需的水量 1405 硅酸盐水泥的标准稠度需水量一般为25%~28%。 1406 (1)水泥细度：水泥越细，需水量越大。 1407 (2)水泥的矿物组成：C3A需水量最大，C2S需水量最小。 1408 3.泌水性 1409 在拌制混凝土时，为保证必要的和易性，往往要加入比 1410 水泥标准稠度需水量更多的水分。这些多余的水分在混凝土 1411 成形后如能均匀地分布在其中，则对混凝土性能影响较小。 1412 如果经一段时间后水分离析出来，则会产生混凝土的分层， 1413 削弱水泥浆与砂、石等骨料的胶结作用，使混凝土的性能变 1414 坏。这种水分的离析现象称为泌水性。 1415 矿物组成熟料矿物中C3A含量愈多，泌水性愈小； 1416 细度细度小，泌水性小。 1417 4.凝结时间 1418 从加水时算起，开始凝结的时间称为初凝时间； 1419 浆体流动性完全消失的时间称为终凝时间。 1420 硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min， 1421 终凝时间不得迟于12h。 1422 熟料矿物组成与结构(如C3A水化最为迅速) 1423 细度和水灰比 1424 温度 1425 外加剂等 1426 假凝现象 1427 假凝是水泥的一种不正常的早期固化或过早变硬现象。 1428 室温下能够稳定存在，当其数量增加到一定程度时，就足以阻碍粒子的相 1429 对移动，使浆体产生瞬时凝结。所以，在水泥粉磨时通常都掺有石膏。 1430 熟料中C3A含量偏高（→C4AH13） 1431 石膏掺入量较多 1432 水泥粉磨时受到高温（二水石膏脱水→半水石膏 1433 水泥调水后 1434 →形成针状结晶网状结构，从而引起浆体固化） 1435 含碱较高的水泥（硫酸钾+石膏→钾石膏结晶，迅速长大） 1436 5.强度 1437 水泥的强度随着时间的增长而增加， 1438 所以必须说明养护年龄！！！ 1439 28天以前的强度称为早期强度； 1440 28天及其后的强度称为后期强度； 1441 3个月、6个月或更长时间的强度称为长期强度。 1442 C3S具有较高的早期强度， 1443 而C2S的早期强度较低， 1444 但后期强度较高。 1445 6.水化热 1446 水泥的水化热是由各类熟料矿物水化作用所产生的。 1447 对大体积的混凝土来说，水泥的放热量大、放热速度快是有害的。 1448 用于建造大坝的水泥常用低热水泥，或采用人工冷却等措施。 1449 水化热大小：C3A>C3S、C4AF>C2S 1450 7.体积安定性 1451 水泥体积安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。 1452 如果水泥硬化后产生不均匀的体积变化，即为体积安定性不良，会 1453 使水泥制品或混凝土构件产生膨胀性裂缝，甚至引起严重事故。 1454 熟料中所含的f-CaO或f-MgO都 1455 是过烧的，熟化很慢，在水泥硬 1456 化后才进行熟化，这是一个体积 1457 膨胀的化学反应，会引起不均匀 1458 的体积变化，使水泥石开裂。 1459 掺入的石膏过多 1460 水泥硬化后，过多的石膏会继续与固态的水化 1461 铝酸钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙，体积约 1462 增大1.5倍，从而引起水泥石开裂。 1463 抗渗性 1464 8.耐久性抗冻性 1465 抗侵蚀性 1466 （1）抗渗性 1467 抗渗性是指抵抗各种有害介质进入内部的能力。 1468 渗透系数K??C?? 1469 ?r2 1470 ? 1471 C：常数；ε：总孔隙率；η：流体的粘度 1472 r：孔的水力半径（孔隙体积/孔隙表面积） 1473 凝胶孔对抗渗性实际上无影响， 1474 K主要决定于毛细孔(<1μm)率的大小。 1475 当水灰比提高时，大尺寸毛细孔增多， 1476 渗透系数K也增大。 1477 图5-2硬化水泥浆体与混凝土的渗透系数与水灰比的关系 1478 （2）抗冻性 1479 抗冻性是指水泥抵抗冻融循环的能力。 1480 水在结冰时，体积将增加9%，因此硬化水泥浆体中的水结冰会使孔壁承受一 1481 定的膨胀应力，如这种应力超过浆体的抗拉强度，就会引起微裂纹等不可逆 1482 的结构变化，冰融化后，不能完全复原。再次冻结时，原先形成的裂缝又由 1483 于水结冰而扩大，如此反复循环，裂缝越来越大，导致更为严重的破坏。 1484 硅酸盐水泥比掺混合材料水泥的抗冻性要好一些； 1485 增加C3S含量，控制C3A与碱含量，可改善抗冻性； 1486 将水灰比控制在0.4以下，可制得高度抗冻的硬化浆体。 1487 图15-24水灰比对一次冻融后 1488 浆体长度变化的影响 1489 （3）抗侵蚀性 1490 环境介质（淡水、酸和酸性水、硫酸盐溶液和碱溶液等）对水泥的 1491 侵蚀作用有：溶解浸析、离子交换以及形成膨胀性产物三种形式。 1492 ①溶解浸析 1493 硬化浆体如不断受到淡水的侵蚀时，其中一些组成如Ca(OH)2、Mg(OH)2 1494 等将按照溶解度的大小，依次被水溶解，产生溶出性侵蚀，从而导致毁坏。 1495 当无机或有机酸(pH<6)存在时，硬化水泥浆体将受到溶析与化学溶解双重作用。 1496 形成可溶性钙盐无机或有机酸、CO2等。 1497 形成不溶性钙盐提高孔隙率，增加渗透性。 1498 镁盐侵蚀MgSO4+Ca(OH)2+2H2O=CaSO4·2H2O+Mg(OH)2↓ 1499 =MgO·2SiO2·aq（胶结性能下降） 1500 硫酸盐侵蚀 1501 盐类结晶膨胀 1502 硫酸钠、硫酸钾等 1503 +水泥浆体中的氢氧化钙 1504 →硫酸钙 1505 +浆体中的水化铝酸钙 1506 →钙矾石 1507 主要是外界侵蚀性介质与水泥浆体组分通过化学反应形成膨胀性产物。 1508 此外，某些盐类溶液渗入浆体或混凝土内部后，如果再经干燥，盐类在过饱 1509 和孔液中的结晶长大，也会产生一定的膨胀应力。 1510 反应速度极慢，其危害需几年或十几年才 1511 9.碱-集料反应 1512 能逐渐表现出来，发生在混凝土的内部且 1513 难以阻止和修复，被称为混凝土工程的 1514 “癌症”，目前已成为全球性灾害。 1515 碱-集料反应(Alkaliaggregatereaction,AAR)是指混凝土中的 1516 碱（KOH和NaOH）与集料中的某些活性矿物（SiO2等）发生 1517 化学反应，生成膨胀物质使混凝土内部产生自膨胀应力，造成 1518 混凝土开裂破坏，从而大大缩短混凝土建筑物的使用寿命。 1519 集料又称骨料，是混凝土的主要组成材料之一，一般占体积的70～80％， 1520 分为粗骨料（石）和细骨料（砂）。主要起骨架作用和减小由于胶凝材料 1521 在凝结硬化过程中干缩湿胀所引起的体积变化，同时还作为胶凝材料的廉 1522 价填充料。集料对混凝土的性能和技术经济指标都有很大的影响。 1523 有天然集料（如碎石、卵石、浮石、天然砂等）和人造集料（如煤渣、矿 1524 渣、陶粒、膨胀珍珠岩等）。 1525 （1）碱-硅酸反应（ASR） 1526 活性SiO2??2mNaOH??KOH????mNa2O?K2O??SiO2??nH2O 1527 碱-硅酸凝胶 1528 吸水 1529 体积膨胀→混凝土开裂 1530 （表面出现网状裂纹） 1531 该反应发生必须具备三个条件： 1532 水泥中具有足够的碱(以Na2O计，>0.60％)，集料中含有相当 1533 数量的活性SiO2，并且在有水存在或处于潮湿环境中。 1534 5.3.2硅酸盐水泥的水化反应过程 1535 1.水泥熟料矿物的水化 1536 （1）硅酸钙矿物的水化 1537 ①β-CS在一般条件下不具有水化反应能力。 1538 ②γ-C2S在一般条件下具有很小的水化反应能力，以致 1539 认为它在常温下也不具有水化反应能力。 1540 ③β-C2S具有明显的水化反应能力，但水化反应较慢。 1541 ④C3S具有比较强烈的水化反应能力。 1542 铝酸钙矿物（C3A）的水化 1543 （迅速） 1544 常温 1545 常温 1546 ???C3AH6 1547 当液相的CaO浓度达到饱和时，则： 1548 3CaO??Al2O3??Ca??OH??2??12H2O??4CaO??Al2O3??13H2O 1549 或：C3A??CH??12H??C4AH13 1550 （室温下稳定） 1551 当其数量增加到一定程度时，就 1552 足以阻碍粒子的相对移动，使浆 1553 体产生瞬时凝结。所以，在水泥 1554 粉磨时通常都掺有石膏。 1555 2.硅酸盐水泥的水化 1556 是熟料中各种矿物水化的综合结果 1557 钙矾石形成期 1558 ↑ 1559 C3A率先水化，在石膏存在的条件下，迅速形成钙矾石； 1560 C3S、C4AF也很快水化，生成相应的水化产物；→C3S水化期 1561 C2S及其它矿物水化较慢，随着水化过程的不断进行，水化产物 1562 增多，由于水化产物的溶解度小于熟料矿物，所以就结晶沉淀 1563 出来，沉淀出来的水化产物晶体互相交叉连生而形成网络结 1564 构，使水泥浆体硬化并具有强度。→结构形成和发展期 1565 5.3.3水泥的凝结与硬化过程 1566 水泥加水拌成的浆体起初具有可塑性和流动性。随着水化反应的 1567 不断进行，浆体逐渐失去流动性，转变为具有一定强度的固体， 1568 这个过程称为水泥的凝结和硬化。 1569 水化是水泥产生凝结硬化的前提。 1570 水泥硬化并形成人造石的决定性条件是： 1571 ①水泥水化能否形成足够数量的稳定的水化物； 1572 ②这些水化物能否彼此连生并形成网状结构。 1573 水泥的凝结与硬化是同一过程中的不同阶段， 1574 凝结标志着水泥浆体失去流动性而具有一定的塑性强度； 1575 硬化表示水泥固化后所建立的结构具有一定的机械强度。 1576 第6章耐火材料 1577 6.1耐火材料的分类 1578 6.2耐火材料的组成 1579 6.3耐火材料的宏观组织结构和性能 1580 6.4定形耐火材料 1581 6.5不定形耐火材料 1582 6.6耐火纤维 1583 二、耐火材料概述 1584 耐火材料是指耐火应不低于1580℃的无机非金属材料， 1585 是以铝矾土、硅石、菱镁矿、白云石等天然矿石为原料 1586 经加工后制造的非匀质耐高温结构材料。 1587 除天然原料外，现在，采用某些工业原料和人工合成莫来石、尖晶石、 1588 碳化硅等原料制造的耐火材料也日益增多。 1589 6.2耐火材料的组成 1590 6.2.1化学组成 1591 高熔点化合物 1592 （第二周期Ⅲ~Ⅵ主族的硼、碳、氮、氧的化合物） 1593 是构成耐火基体的成分。可以是元素、氧化物或其它化合物. 1594 主成分 1595 降低耐火性能； 1596 杂质成分 1597 副成分 1598 添加成分：结合剂、矿化剂、稳定剂、 1599 用量少、改性能力强， 1600 对主性能无严重影响。 1601 抗氧化剂、烧结剂等。 1602 6.2.2矿物组成 1603 取决于制品的化学组成和工艺条件 1604 矿物组成是指由材料中的氧化物或非氧化物形成 1605 的不同矿物相及其含量。 1606 结晶相 1607 耐火材料的矿物相 1608 微观结构 1609 主晶相是构成耐火材料的主体。 1610 指熔点较高起主导作用的结晶相， 1611 是填充在主晶相之间的其它不同成分的结晶相和玻璃相。 1612 既可是结晶相，也可是玻璃相，或结晶相和玻璃相的混合物。 1613 其含量不多，但对制品的某些性质影响极大。 1614 6.3耐火材料的宏观组织结构和性能 1615 6.3.1宏观组织结构 1616 从宏观上看，耐火材料是由固相(包括结晶相和玻璃相)和气孔两 1617 部分构成的非均匀体。其中各种形状和大小的气孔与固相之间的 1618 宏观关系(包括它们的数量、大小、外布和结合状况等)构成耐火 1619 材料的宏观组织结构，通常能用肉眼和物理方法测定。 1620 1621 气孔率 1622 体积密度 1623 真密度 1624 透气度 1625 1、气孔率 1626 封闭气孔 1627 封闭气孔（或闭口气孔） 1628 开口气孔 1629 开口气孔 1630 贯通气孔 1631 开口气孔 1632 贯通气孔 1633 图18-2耐火制品中的气孔类型 1634 显气孔率（或开口气孔率，B）是指开口气孔（包括 1635 开口气孔和贯通气孔）和总气孔体积的百分比。 1636 开口气孔体积 1637 V1??V2 1638 V0 1639 闭口气孔体积 1640 气孔总体积 1641 V1 1642 V0 1643 耐火材料中含有的气孔总是能降低材料的导热能力。 1644 热学性能 1645 6.3.2耐火材料的性能 1646 1.热学性能 1647 预留膨胀缝 1648 力学性能 1649 高温使用性能 1650 （1）热膨胀性 1651 热膨胀是指制品在加热过程中的 1652 长度或体积变化。 1653 线(体)膨胀率和线(体)膨胀系数。 1654 线膨胀系数是预留膨胀缝和砌体 1655 总尺寸结构设计计算的关键参数。 1656 温度/℃ 1657 图6-2耐火材料的热膨胀曲线 1658 1.镁砖；2.硅砖；3.铬镁砖；4.半硅砖； 1659 5.粘土砖；6.高铝砖；7.粘土砖 1660 （2）热导率 1661 反映耐火材料的保温效果 1662 热导率λt（或导热率、导热系数）是指单位时间内， 1663 单位温度梯度时，单位面积试样所通过的热量。 1664 耐火材料的热导率与其化学组成、组织结构及温度有密切关系。 1665 材料的化学组成越复杂、杂质越多、添加成分形成的固溶体越 1666 多，热导率降低越明显；晶体结构越复杂的材料，热导率越小。 1667 如：λt,MgAl2O4<λt,MgO,λt,Al2O3；λt,莫来石<λt,MgAl2O4 1668 大部分耐火材料因其中含有相当量玻璃质使其热导率随温度升高 1669 而增大(如粘土砖、硅砖等)；但有些耐火材料(如镁砖、碳化砖等) 1670 则随温度升高热导率反而降低。 1671 气孔总是降低材料的导热能力。 1672 决定了制品的使用范围，是耐火材料 1673 2.力学性能 1674 应用选择的重要依据。 1675 （1）高温耐压强度 1676 高温耐压强度是材料在高温下单位面积 1677 所能承受的极限压力。 1678 与温度变化呈复杂的关系。 1679 （2）高温断裂强度 1680 高温断裂强度是指材料在高温下单位截面积所能承受的极限弯曲应力, 1681 它表征材料在高温下抵抗弯曲的能力，也称为高温抗弯强度。 1682 抗弯强度愈大，制品在使用时不易产生剥落现象；同时也会提高制品 1683 对物料的抗撞击和耐磨性，增强化学稳定性。 1684 高温抗弯强度常作为表征制品强度的指标。 1685 3.高温使用性能 1686 （1）耐火度 1687 区别于熔点 1688 表示材料无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性能叫耐火度。 1689 材料的矿物组成和微观结构是影响耐火度的最基本因素， 1690 各种杂质成分特别是强熔剂杂质成分严重影响耐火度。 1691 因此，对原材料进行精选和高纯化十分必要。 1692 耐火度是合理选用耐火材料的重要依据，不是指耐火材料 1693 的使用温度。因为耐火材料在使用中受多方面因素的影 1694 响，使实际容许使用温度比耐火度低很多。 1695 （2）荷重软化温度 1696 荷重软化温度是指试样在连续升温条件下承受恒定载荷而 1697 产生变形的温度。 1698 主要取决于制品的化合物组成和组织结构： 1699 如，晶体形成网状骨架，其变形温度高， 1700 而晶体以孤立状态分散于液相中，其变形温度低。 1701 （3）抗热震稳定性 1702 耐火材料抵抗温度急剧变化而不被破坏的性能称为 1703 抗热震稳定性，也称为抗热震性或温度急变抵抗性。 1704 材料的热膨胀率小，热导率越高，抗热震稳定性越好。 1705 耐火制品的形状、组织结构等对抗热震性也有影响。实践表 1706 明，增大制品物料颗粒，或在制品中预制微裂纹，可以减小热 1707 应力，阻止裂纹扩展，由此可以提高制品的抗热震能力。 1708 包括：冶金炉渣、燃料灰分、飞尘、各种材料(包括固 1709 态、液态材料如烧结水泥块、假烧石灰、铁屑、熔融金属、玻璃液 1710 （4）抗蚀性 1711 等)和气体物质(如煤气、一氧化碳、硫、碱等气体)等。 1712 抗蚀性（也称抗渣性）是指耐火材料在高温下抵抗外来物质侵蚀 1713 作用而不被破坏的能力。 1714 熔渣对耐火材料的侵蚀包括： 1715 提高措施：①提高耐火制品致密度； 1716 ②使耐火材料不易被润湿。 1717 ①耐火材料在熔渣中的溶解过程； 1718 ②熔渣向耐火材料内部的侵入过程。 1719 侵入的程度大致与气孔率成正比，耐火材料的开口气孔率愈高， 1720 熔渣侵入速度也愈快。 1721 6.4耐火材料的生产工艺过程 1722 原料加工→坯料的制备→成型→坯体干燥→烧成 1723 6.5定形耐火材料 1724 6.5.1硅质耐火材料 1725 6.5.2硅酸铝质耐火材料 1726 6.5.3碱性耐火材料 1727 6.5.4特种耐火材料 1728 6.6不定形耐火材料 1729 6.6.1定义与分类 1730 1.定义 1731 不定形耐火材料是由耐火骨料和粉料、结合剂或另掺外加剂 1732 以一定比例组合的混合料，在使用地点才制成所需要的形状 1733 并进行热处理。 1734 不定形耐火材料无固定的外形，可制成浆状、泥膏状和松散 1735 状，因而也通称为散状耐火材料或散装料。 1736 6.7耐火纤维 1737 耐火纤维（陶瓷纤维）通常是指使用温度在1000~1100℃ 1738 以上的纤维状的新型耐火材料，使用时可制成各种形式 1739 （如纸、线、带、绳、毯和毡等）的制品。 1740 具有一般纤维的特性，如柔软、有弹性、有一定的抗拉强度；又 1741 具有一般纤维所没有的耐高温、耐腐蚀性能；还是良好的红外辐 1742 射材料，具有良好的热能力和红外加热效应，使用耐火纤维制品 1743 可有效节约能源，是理想的节能增效材料；也是理想的密封材 1744 料，由于具有绝缘、消音、抗氧化、耐油和耐水性能，施工方便。 1745 广泛应用于冶金、化工、机械、建材、造船、航空、航天等领域。 1746 尽管石棉、矿渣棉等多用在600℃以下的场合，但从广义上讲也应 1747 视为耐火纤维。 1748 6.8新型耐火材料 1749 更长寿、无污染、功能化 1750 总体发展趋势： 1751 （1）定形耐火材料的高级化； 1752 （2）不定形化。 1753 当今耐火材料正朝着高纯化、精密化、致密化、大型化和不定形化 1754 的方向发展，并着重开发氧化物和非氧化物复合的耐火材料。 1755 第7章无机非金属基复合材料 1756 7.1概论 1757 7.2复合理论 1758 7.3纤维增强无机非金属基复合材料 1759 7.4颗粒增强无机非金属基复合材料 1760 复合材料是指由两种或两种以上不同化学性质或不同组织相或 1761 不同功能的材料，以微观或宏观的形式组合而成的材料。 1762 复合材料可以由颗粒、晶片、晶须、纤维或功能性组分与金属、 1763 无机非金属、有机高分子等基体以不同方式组合而获得。 1764 金属基复合材料 1765 无机非金属基复合材料 1766 有机高分子基复合材料 1767 复合的目的是为了使材料的性能达到最佳效果，或实现材料 1768 功能的转换或使功能更趋齐全，获得具有特殊电、磁、光、热 1769 等特性的材料，甚至可以获得能通过外界环境（电、磁、光、 1770 热、力等）的作用而改变自身状态的新型功能材料。 1771 7.1概论 1772 无机非金属基复合材料以无机非金属类物质为基体，包括 1773 单质、氧化物及复合氧化物、非氧化物，也包括上述各基 1774 体的复合物，还包括由上述基体复合而成的材料。 1775 相容是指各组元能以离子键、共价键及其他 1776 形式键键合。相容是材料复合的基本前提。 1777 组成复合材料的各组元是相容和互补的 1778 互补的一个含义是指各组元复合后可以相互补充或弥补各自 1779 的弱点(正混杂效应)，但复合也有相抵效应(负混杂效应)； 1780 另一个含义是指功能性互补。 1781 7.2复合理论 1782 7.2.1增强原理 1783 ①分散粒子阻碍基体中的位错运动或分子链运动。阻碍能力越大，强化效果越好； 1784 ②使晶体内部原子行列间相互滑移终止或减弱; 1785 ③造成结构不完整而产生缺陷，缺陷可能成为微裂纹的沉没处。 1786 颗粒增强型 1787 基体材料承载 1788 弥散强化型 1789 纤维增强型纤维承载 1790 基体几乎只作传递和 1791 分散纤维载荷的媒质。 1792 通常用颗粒或纤维增强材料的平均屈服强度与未增强基体的 1793 屈服强度之比（增强率，F）来表征复合材料的增强效果。 1794 7.2.2弹性模量复合法则 1795 材料中原子间的键合愈强，则使 1796 其间距加大所需的应力越大，因 1797 而弹性模量的数值越高。 1798 弹性模量E是弹性应力与弹性应变之间的比例常数， 1799 可简单地看成产生单位应变所需应力的大小，E=σ/ε。 1800 可利用混合物法则复合出具有一定弹性模量值的材料： 1801 E??EAVA??EBVB 1802 极端情况，即气孔存在时，则： 1803 VB??P??气孔率 1804 VA??1?P,EB??0 1805 E??EA(1?P) 1806 气孔的存在使弹性模量降低 1807 7.3颗粒增强无机非金属基复合材料 1808 颗粒增强复合材料是指用金属或高分子聚合物为粘接剂，把具 1809 有耐热性、硬度高但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物 1810 粘结在一起而形成的材料。 1811 既具有陶瓷的高硬度和耐热性，又具有脆性小、耐冲击等优点。 1812 由于强化相颗粒较大（1~50μm，体积分数>20%），对位错的滑移（金属 1813 基）或分子链运动（聚合物基）没有多大的阻碍作用，强化效果不显著。 1814 颗粒增强复合主要不是提高强度，而是改善耐磨性或综合力学性能。 1815 7.4弥散强化型复合材料 1816 弥散强化复合材料是将颗粒(0.1~0.01μm，体积分数约1%~15%) 1817 高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动 1818 (金属基体)或分子链运动(聚合物基体)，增强强度。 1819 强化效果与颗粒直径、体积分数有关。 1820 质点尺寸越小，体积分数越高，强化效果越好。 1821 弥散强化CuAl2O3复合材料 1822 为了使陶瓷既可以耐高温又不容易破碎，人们在制作陶瓷的粘土里加 1823 了些金属粉，制成了金属陶瓷（cermet）。 1824 因此，金属陶瓷既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、 1825 抗氧化和化学稳定性等特性，又具有较好的金属韧性和可塑性。 1826 7.5纤维增强型复合材料 1827 纤维增强复合材料是以非金属为基体，以各种纤维（玻璃纤维、碳 1828 纤维、碳化硅纤维、金属纤维等）作为增强材料的复合材料。 1829 其中，纤维是材料的主要承载组分，其增强效果主要取决于纤维的 1830 特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。 1831 纤维增强无机非金属基复合材料的一般准则是： 1832 ①为使载荷从基体向纤维传递，应选用高强度高模量纤维， 1833 即Ef>Em，最好Ef>2Em； 1834 ②为给基体预加压应力，应选用热膨胀系数相匹配的系列， 1835 通常纤维的热膨胀系数应大于基体的热膨胀系数，αf>αm； 1836 ③为了阻止裂纹扩展，应选用断裂韧性大于基体断裂韧性的 1837 纤维，纤维成为裂纹扩展的障碍物； 1838 ④为了使扩展着的裂纹弯曲，应考虑适当弱的纤维基体界面或 1839 控制适当的纤维直径(小于基体中典型裂纹尺寸)； 1840 ⑤从相变韧化考虑，通过剪切变形后应使体积膨胀，即△V>0； 1841 ⑥纤维与基体在制备条件下不发生有害反应，纤维性能不降低。 1842 第8章功能无机非金属材料 1843 8.1物理效应与功能无机非金属材料 1844 8.2功能无机非金属材料的分类 1845 8.3功能无机非金属材料举例 1846 功能材料指的是在力、声、热、电、磁、光等外场作用下， 1847 其性能会发生改变的材料。 1848 功能金属材料 1849 功能无机非金属材料 1850 功能高分子材料 1851 复合材料 1852 8.1物理效应与功能无机非金属材料 1853 8.1.1电光效应与材料 1854 在电场作用下，材料的光学性质(如吸收、透过、折射、反射等) 1855 随电场的变化而变化，这种效应即电光效应。 1856 全固态电致变色窗或智能窗 1857 非线性光学材料 1858 非线性光学材料就是指那些光学性质依赖于入射光强度的材料。 1859 由于这些性质只有在激光这样的强相干光作用下才能表现出来， 1860 所以非线性光学性质又被称为强光作用下的光学性质。 1861 8.1.2电致流变效应与材料 1862 电致流变现象：当所加电场强度增大时，体系的表观粘度 1863 随之增大，体系从液体向凝胶状固态转变；而当去除所加电 1864 场后，体系可以在瞬间重新回复到原始状态的现象。 1865 电致流变液体也称机敏液体（分散相颗粒+分散介质）的主要 1866 特征表现在内部结构和表观粘度及屈服应力等流变学性质随 1867 外加电场强度的变化而发生快速、可逆的变化。 1868 产生原因：施加电场时，液体中的分散相粒子发生极化、电偶 1869 极作用，导致粒子上正负电荷中心分开，使其一端带正电，一端 1870 带负电，于是带电粒子间就会依靠静电引力作用而结合成链状或 1871 网络结构，使得流变特性发生急剧改变；而当去掉电场后，粒子 1872 间相互吸引作用消失，恢复原有液体结构和性质。 1873 电致流变材料结构和性能的瞬间可逆变化特性，使它很 1874 有希望被用作机电一体化和智能机械的理想材料； 1875 此外，它可作为主动控制材料用于飞机机翼振动控制、 1876 卫星太阳帆板振动控制、空间站对接过程中的低频振动 1877 控制、减振器、阀门及汽车的传动离合器等方面。 1878 8.1.3铁电性与材料 1879 某些材料的极化强度与施加电场间显示出非线性特性， 1880 形成电滞回线，其性质类似于磁滞回线。这一现象称为 1881 铁电现象，这类材料叫铁电体(其实材料中并不含铁)。 1882 用作铁电体的材料主要有钛酸盐、锆酸盐和铌酸盐，如 1883 BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3、LiNbO3及它们的固溶体等。 1884 铁电材料的一个重要应用是用于制作永久半导体存贮器。 1885 这种存贮器具有高存取速度、高密度、抗辐照及低操作电 1886 压等特性，可用作微传动器、光学波导装置、立体光学调 1887 制器、动态随机存取存贮器、薄膜电容器、压电传动器、 1888 热电探测器及表面声波装置等。 1889 8.1.4铁磁性与材料 1890 软磁材料：铁芯 1891 硬磁材料：永久磁铁、 1892 “磁记录”材料 1893 硬磁材料 1894 软磁材料 1895 矩磁材料 1896 矩磁材料：存贮元件 1897 铁磁性材料在生物医学领域也有重要应用。 1898 如含铁磁性微晶体LiFe5O8的Al2O3-SiO2-P2O5系统微晶玻璃可 1899 作为癌肿块人工热处理的热种子。 1900 其原理是：在交变磁场作用下，因微晶体的磁滞回损失而导 1901 致发热。如将这种铁磁性微晶体导入肿块内，就可以对癌肿 1902 块进行局部加热，癌细胞结构在43℃以上温度将被破坏。 1903 具有类似功能的微晶玻璃还有含Fe2O3的CaO-SiO2系材料。 1904 8.1.5压电效应与材料 1905 在外界应力作用下，某些晶体的结构发生变形，好像电场施加在 1906 铁电体一样，有偶极矩形成，在相应晶体表面产生极化电荷；如 1907 果施加相反电压，则电位符号改变。这些材料还具有相反效应， 1908 如将其置于电场中，会发生弹性变形。总之，这些材料具有使机 1909 械能和电能相互转换的特征，这一现象即压电效应。 1910 一般所有铁电材料都具有压电性，然而具有压电性的材料不一 1911 定是铁电体，如BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3等既是铁电材料，又是 1912 压电材料；但α-石英、ZnS等是压电材料，但没有铁电性。 1913 压电材料可用于点火装置、压电变压器、微音扩大器、振动器、 1914 超声波器件、各种频率的滤波器、具有正温度系数的非线性电阻 1915 器、信息领域中的各种传感器等。 1916 8.1.6压敏效应与材料 1917 一些材料受到机械压应力时，其理化性能会发生变化。 1918 利用这一特性可制备出用于大型混凝土结构安全性能诊断的智能 1919 型混凝土复合材料。其方法是在混凝土中加入一定量的碳纤维或 1920 碳纤维与玻璃纤维，一方面增加强凝土的强度，另一方面利用纤 1921 维的电阻随压力变化的特点，来判断混凝土构件的安全期、损伤 1922 期和破坏期，达到诊断目的。 1923 据报道，日本已将这种纤维增强的混凝土智能材料成功地应用于 1924 银行等重要结构设施的防盗报警墙体，当然亦可用于大坝的防洪 1925 报警设施。 1926 光弹性效应：对材料施加机械应力时，材料产生变形，导致 1927 晶格内部的变化，并同时改变了弱连接的电子轨道形状的大小， 1928 因此引起极化率和折射率的变化。 1929 在工程中常利用此效应分析复杂形状材料的应力分布，亦可用于 1930 声光器件、光开关、光调制和扫描器等方面。 1931 8.1.7电磁屏蔽效应与材料 1932 电磁屏蔽有两个目的： 1933 ①控制内部辐射区域的电磁场，不使其越出某一区域； 1934 ②防止外来的辐射进入某一区域。 1935 包括电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场的屏蔽。 1936 据文献报导，对大量使用的工程塑料进行屏蔽，最有效的办 1937 法是使其表面金属化，利用塑料外壳上的金属涂层反射或吸 1938 收外来的电磁波。 1939 8.1.8磁致伸缩效应与材料 1940 磁致伸缩效应是指在一定磁场作用下，材料产生 1941 体积或长度变化的现象。 1942 磁致伸缩用的材料较多，主要有镍、铁、钴类合金与镍铜钴铁氧 1943 陶瓷等，其磁致伸缩系数为10-5。高磁致伸缩系数（≥10-3）的材 1944 料也被开发出了，如TbFe2、TbFe3和金属玻璃等。 1945 可用作声纳（是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测 1946 和通讯任务的电子设备）和换能器、传感器、驱动器和精密控制器等，可 1947 以大功率、高效率地实现电磁能和机械能或电磁信息与机械位移 1948 信息之间的相互转换。 1949 8.1.9微波介电加热效应与材料 1950 微波具有选择性加热的特点。 1951 利用这一特点，可以使陶瓷材料内部损伤得到愈合。 1952 将微波吸收性强的TiC颗粒加到氮化硅陶瓷中，经过混合并 1953 制成致密的块状材料，用压痕法或热震法使材料内部形成裂 1954 纹，使材料性能因裂纹的形成而降低。然后，对材料进行微 1955 波照射，使表面裂纹得到一定的弥合，内部损伤也得到一定 1956 愈合，下降的材料的强度恢复到原有强度的70%以上。 1957 8.1.10弹性与金属橡胶材料 1958 金属橡胶材料是一种由金属丝经过螺旋成形拉长、缠绕毛 1959 坯、模压而成的结构件。 1960 由于其内部是金属丝相互交错勾连而成的空间网状结构， 1961 类似于橡胶的大分子结构。这种材料具有良好的弹性和阻 1962 尼特性。在受到振动力作用时，由于金属螺旋丝之间的摩 1963 擦、滑移、挤压和变形，可以耗散大量能量而起到大阻尼 1964 弹性材料作用。在航空航天领域是其他材料无法代替的。