无机非金属材料的制备

第二部分非金属材料的制备1精选课件非金属材料的分类按照制备方法分天然材料人造材料按照化学组成分无机非金属材料有机高分子材料

22精选课件第一章无机非金属材料的制备3精选课件包括：传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃耐火材料搪瓷、砖瓦、琉璃铸石碳素材料非金属矿等先进无机非金属材料先进陶瓷材料先进炭材料4精选课件现代工程材料三大支柱a.金属材料b.陶瓷材料c.高聚物第一节、陶瓷的概念:

传统陶瓷：陶器和瓷器（狭义：用火烧成的制品）。泛指整个硅酸盐矿物（含SiO2的化合物），其代表性结构：高岭石结构Al2(Si2O5)(OH)4，原料配制、坯料成型、窑炉烧成。（含粉末冶金制品）近代陶瓷：经高温处理工艺所合成的无机非金属材料。55精选课件第二节、陶瓷的分类陶瓷材料分两大类：(除玻璃、水泥、砖瓦及耐火材料外)

1、传统陶瓷（普通陶瓷）主要指粘土制品。天然的硅酸盐矿物为原料，经

制坯、成型、烧结制成的产品。6日用陶瓷

建筑陶瓷

电器绝缘陶瓷

化工陶瓷

多孔陶瓷等包括2、特种陶瓷以高纯度的化工原料和合成矿物为原料，沿用传统的工艺

流程制备的陶瓷。6精选课件第三节、传统陶瓷的制备生产工艺流程：原料配制、坯料成型、制品烧成1、原料配制（主要原料：粘土、石英、长石）（1）粘土：高岭土结构（Al2O3.2SiO2.2H2O)为基础的矿物（多种含水的铝硅酸盐的混合体）。加水混合有好的可塑性，在坯料中起塑化和粘接作用，并

保证干坯强度和烧结后使用性能。是烧成时莫来

石的主要成分来源。（2）石英：是无水的SiO2或硅酸盐。在烧成中与长石等易熔物形成玻璃相，增液相粘度，减少制品变形还与粘土中的Al2O3形成莫来石；残余石英构成

坯体的骨架。77精选课件（3）长石：助熔剂原料，如钾长石（K2O.Al2O3.6SiO2）烧结时促进玻璃相的形成。高温下具有一定粘度，起到高温热塑性作用和胶结作用。冷却后的长石熔体构成了陶瓷的玻璃基质，增加了透明度，提高釉面光泽和使用性能。（4）外加剂：如腐植酸钠、水玻璃、石膏等。2、坯料的成型：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。（1）可塑成型：在坯料中加入水或塑化剂，捏制成可塑泥料，经手工、挤压或机械加工成型。普通陶瓷常用。88精选课件（2）注浆成型：将浆料浇铸到石膏模中成型，常用于制造形状复杂、精度要求不高的建筑陶瓷等。（3）压制成型：在粉料中加入少量水分或塑化剂，在金属模具中加较高压力成型。主要用于特种陶瓷或金属陶瓷。由于成型的坯体含水较多，强度不高，为适应后面工序如修坯、施釉等的需要，须进行干燥。3、制品的烧成或烧结4、普通陶瓷的分类和应用（1）日用陶瓷（见下页表）9日用陶瓷普通工业陶瓷分类9精选课件类型长石质瓷绢云母质瓷骨灰质瓷日用滑石质瓷主要成分长石绢云母K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O磷石灰，含大量Ca(PO4)2日用滑石3MgO.4SiO2.H2O原料配比%长石20-30石英25-35粘土40-50绢云母30-50高岭土30-50石英9-20其它矿物5-10骨灰20-60长石8-22高岭土25-45石英9-20滑石约73长石约12高岭土约11粘土约4性能特点瓷质洁白半透明，断面呈贝壳状，不透气，吸水率低，坚硬强度高，化学稳定性高同长石质瓷，但透明度、外观色调好白度高、透光性好，光泽柔和、吸水率小但热稳定性较差，瓷质较脆白度、色调、吸水率、机械强度、热稳定性等均已达到或超过一般日用陶瓷的水平主要应用餐具、茶具陈设陶瓷，装饰美术瓷一般工业制品餐具、茶具，工艺美术制品高级餐具、茶具，高级工艺美术瓷器高级日用瓷，

一般电工陶瓷1010精选课件（2）普通工业陶瓷按用途分：建筑陶瓷、卫生陶瓷、电器绝缘陶瓷和化工陶瓷。a.建筑陶瓷粗陶器：以难熔粘土为主要原料。瓦、盆罐等精陶器：以瓷土或高岭土等为主要原料。釉面砖、化学工业用品等。b.卫生陶瓷：用于卫生设施的带釉陶瓷制品。以高岭土为主要原料。c.电器绝缘陶瓷：作为隔电、机械支持及连接用瓷质绝缘器件。所用釉料主要是高温长石釉。d.化工陶瓷：生化制药食品工业用的重要材料。要求坯料中钾、钠含量尽量少。1111精选课件第四节、特种陶瓷1、名称

先进陶瓷（AdvancedCeramics)

精细陶瓷(FineCeramics)

工程陶瓷(EngineeringCeramics)

新型陶瓷(NewCeramics)

近代陶瓷(ModernCeramics)

高技术陶瓷(HighTechnologyCeramics)

高性能陶瓷(HighPerformanceCeramics)1212精选课件2、特种陶瓷分类功能陶瓷：以电、磁、光、声、热力、化学和生物学信息的检测、转换、耦合、传输及存储功能为主要特征，这类介质材料通常具有一种或多种功能。结构陶瓷：指在应用时主要利用其力学性能的材料。

1313精选课件3、功能陶瓷的分类a.机械材料：耐磨损、高比强度、高硬度、抗冲击、高精度尺寸自润滑性等。b.热学材料：耐热、导热、隔热、蓄热与散热、热膨胀等。c.化学材料：耐腐蚀性、耐气候性、催化性、离子交换性、反应性、化学敏感性等。d.光学材料：发光性、光变换性、感光性、分光性、光敏感性等。e.电气材料：磁性、接介电性、压电性、绝缘性、导电性、存储性、半导性、热电性等。1414精选课件4、功能陶瓷制备过程中应具备的技术要素：（1）原材料：高纯、超细、粒度分布均匀。（2）化学组成：可以精确调整和控制。（3）精密加工：精密可靠，而且尺寸和形状可根据需要进行设计。（4）烧结：可根据需要进行温度、湿度、气氛和压力控制。1515精选课件5、功能陶瓷超微细粉料的制备固相法：把金属氧化物或其盐按照配方充分混合、后研磨进行煅烧。粉碎方法：（1）化学法

a.氧化还原法b.固体热解法c.固相反应法（2）机械法液相法（1）沉淀法：利用生成沉淀的液相反应来进行

a.直接沉淀法b.共沉淀法c.均匀沉淀法（2）水解法：

a.醇盐水解法b.金属盐水解法

1616精选课件（3）溶胶-凝胶法（Sol-gel法）将金属氧化物或氢氧化物浓的溶胶转变为凝胶，再将凝胶干燥后进行煅烧，然后制备氧化物的方法。如：ZrO2超微粉，采用此法制备后，其成型体可在1500℃烧成（温度降低200℃）

（4）溶剂蒸发法：把金属盐混合溶液化成很小的液滴，使盐迅速呈微细颗粒，并且均匀析出。如：喷雾干燥法，冷冻干燥法等。1717精选课件气相法（1）蒸发凝聚法：将原料汽化并急冷，即获得超微细粉（粒径为5-100nm)。适于制备单一或复合氧化物、碳化物或金属的超微细粉。使金属在惰性气体中蒸发-凝聚通过调节气压以控制生成的颗粒尺寸。（2）气相反应法

a.气相合成法b.气相氧化法c.气相热分解法优点：a.容易精制提纯、生成物纯度高，不需粉碎，粒径分布均匀；

b.生成颗粒弥散性好；

c.容易控制气氛

1818精选课件6、较常见的功能陶瓷包括（1）高温超导陶瓷，如Ba-La-Cu-O超导体。（2）敏感陶瓷，如热敏陶瓷，湿敏陶瓷。（3）压电陶瓷，如BaTiO3陶瓷。（4）半导体陶瓷，如TiO2、SiO2等金属氧化物压坯烧结的陶瓷。（5）磁性陶瓷，如铁氧体陶瓷。1919精选课件7、结构陶瓷指具有力学性能及部分热学和化学功能的高技术陶瓷。特别适合于在高温下应用的则称高温结构陶瓷。高温结构陶瓷：氧化物系统非氧化物系统氧化物和非氧化物复合系统它们主要体系：Si-O-N-C-B-Me系元素构成（Me：碱金属、碱土金属和稀土）目前研究最多的是：Si3N4、SiC和ZrO22020精选课件8、结构陶瓷超微粉的结构特点粉粒大小筛目，附着力大，>100m——粉粒；10-0.1m——微粒；1-100nm——纳米微粒尺寸介于原子、分子和胶态之间的纳米微粒特点：（1）非常大的比表面积。

表面的原子数在构成微粒的原子总数中所占的比率越大。（2）很高的比表面自由能。（3）小体积效应。

热学、电学、光学性质和大块物质有很大不同。

2121精选课件9、结构陶瓷超微粉料的制备方法（1）化学共沉积法：在含有多种可溶性阳离子的盐溶液中加入沉淀剂（OH-

、CO32-

、C2O42-SO42-等）形成不溶性的氢氧化物、碳酸盐或草酸盐的沉淀，将溶剂和溶液中原有的阳离子滤出，沉淀物经热分解后即可制得高纯度超微粉料。例如：Zr、Y的盐类溶液和NH4OH粉等氢氧化物共沉淀。该法设备设施简单，较经济，便于工业化生产，因此发展很快，成为许多氧化物陶瓷超细粉的一个主要来源。

2222精选课件（2）溶胶-凝胶法（Sol-gel)将所需组成的前驱体配置成混合溶液，再经凝胶化和热处理（把金属氧化物或氢氧化物的凝胶干燥后煅烧）。此法广泛用于Al2O3、ZrO2等氧化物粉末制备，由于胶体混合时可使反应物质获得最直接的接触，使反应物达到最彻底的均匀化，制得的原料性能均匀，具有非常窄的颗粒分布，团聚性小，同时此法易在制备过程中控制粉末颗粒尺度。（3）激光合成法2323精选课件CVD法：SiH4+CH4+H2

(CH3)2SiCl2+H2

Si(CH3)4

Si(OC2H5)4以激光气相合成SiC纳米陶瓷粉为例：PVD法：SiH4+CH4

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

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

2424精选课件第五节碳材料的制备25精选课件1.一种热解碳球的制备、

微结构与电池性能26精选课件相关碳结构石墨烯

碳原子数30~1000，碳

层面具有悬键；为减少悬键数石墨烯碎

片会卷起形成弯曲结

构，边缘六元环有收缩

成五元环趋势；应变能增加，消除悬

键，总能量降低。富勒烯C36,C60,C70,C180的结构示意图27精选课件球形碳的分类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精选课件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精选课件碳球制备工艺参数

四氢呋喃

,970~1000C,5~240min

石墨化：2100C、2900C,20~120min30精选课件碳球的(a)SEM像和(b)TEM像（插图一个碳球心部的SAED照片）31精选课件HRTEMimageofthegraphiticlatticenearthesurfaceofasphere.

TheinsetshowstheSAEDpatternfromthenear-surfaceofasphere.3~6层弯曲近平行的2~4nm长弧形图案测算，d=0.343nm,

对应(002)晶面弧形－曲率造成的32精选课件2900C石墨化处理后碳球发生多面体转变(a)SEM像,(b)TEM像结果与分析33050nm33精选课件同一多面体粒子不同部位石墨烯层平行于入射电子束0.340~0.344nm0.3354nm“脊梁区”高角晶界越心部越薄34精选课件Thermogravimetricanalysisofthecarbonspheresheatedinairat10C/min结果与分析35精选课件XRDpatternofthecarbonspheresafterheattreatmentat2100C结果与分析Qiuet.al,Carbon,2003,41:767-772(10)(004)(10)(11)(004)(002)36精选课件Cycletimesversuscapacityof(a)theas-synthesizedcarbonspheresand(b)thegraphitizedcarbonspheres碳球的电池性能37精选课件2.纳米碳管内填充一维铁

单晶纳米线38精选课件

CarbonNanotubesEncapsulateMetals39精选课件磁记录介质:在碳管内包覆铁磁性金属可提高磁矫顽力，制成磁记录介质可增加有效记录密度；电子工业：由于金属被限制在一维纳米尺度范围，按照能量降低的要求，金属原子重排，可能发生金属向半导体的转变。纳米温度计：测纳电器件的局部温度纳米尺度催化剂的载体，延迟作用时间。应用前景40精选课件各种制备方法毛细作用诱导填充湿化学法石墨电弧法电解法催化热解法开口气相氧化剂氧化性酸缺点（1）填充率低；（2）可被填充物种类受限；（3）对碳管有不可恢复的损伤。两步法一步法碳源和金属化合物共升华（电弧法）41精选课件H2Ar阴极阳极PreparationofCarbonNanotubes42精选课件存在问题管内填充长度不足、不连续，影响传导性能；铁