1、无机材料科学基础无机材料科学基础第一章第一章 无机材料概论无机材料概论无机材料科学基础无机材料科学基础课程简介课程简介n 形成形成 硅酸盐物理化学硅酸盐物理化学 无机材料物理化学无机材料物理化学 无机材料科学基础无机材料科学基础n 地位地位 物理化学物理化学、结晶学结晶学 无机材料科学基础无机材料科学基础 无机材料工艺学无机材料工艺学、无机材料性能无机材料性能n理论基础理论基础 物理化学、结晶学、晶体化学、缺陷化学、熔体化学、物理化学、结晶学、晶体化学、缺陷化学、熔体化学、材料热力学、过程动力学、结构化学、固体物理材料热力学、过程动力学、结构化学、固体物理n 教学内容教学内容 无机材料科学基础
2、无机材料科学基础是无机材料科学与工程专业重要的是无机材料科学与工程专业重要的学科基础课程之一，主要介绍无机材料研究、制备和应用过学科基础课程之一，主要介绍无机材料研究、制备和应用过程中的共性规律，即无机材料的程中的共性规律，即无机材料的组成结构形成（工艺）条组成结构形成（工艺）条件性能用途件性能用途之间相互关系及制约规律。之间相互关系及制约规律。内容主要包括：内容主要包括：晶体结构及其缺陷、熔体及非晶态结构、晶体结构及其缺陷、熔体及非晶态结构、固体表面与界面、相图、扩散、相变、固相反应及烧结固体表面与界面、相图、扩散、相变、固相反应及烧结等基等基础知识及其应用。础知识及其应用。n第第1章：无机
3、材料概论章：无机材料概论n第第25章：物质聚集状态的结构和性质章：物质聚集状态的结构和性质应用有关物质结构的应用有关物质结构的基本理论，介绍无机材料不同聚集状态（如：基本理论，介绍无机材料不同聚集状态（如：晶体晶体、非晶体非晶体、熔熔体体、粉体粉体、胶体胶体、固体表面固体表面等）的微观结构、结构缺陷以及用结等）的微观结构、结构缺陷以及用结构的规律性来分析化学现象的本质，重点讨论无机材料构的规律性来分析化学现象的本质，重点讨论无机材料组成结组成结构性能构性能三者之间的关系；三者之间的关系；n第第6章：凝聚多相系统相平衡章：凝聚多相系统相平衡从相平衡的观点，介绍凝聚单从相平衡的观点，介绍凝聚单元系
4、统到四元系统相图的基本知识、基本类型和有关实际相图，元系统到四元系统相图的基本知识、基本类型和有关实际相图，重点讨论凝聚重点讨论凝聚三元系统相图三元系统相图的规律性及其在无机材料研究和生产的规律性及其在无机材料研究和生产等方面的应用；等方面的应用；n第第710章：过程动力学章：过程动力学重点介绍无机材料研究和制备重点介绍无机材料研究和制备中物理化学变化过程（中物理化学变化过程（扩散扩散、固相反应固相反应、相变相变、烧结烧结）的）的机理、过程的动力学以及影响因素机理、过程的动力学以及影响因素n第第11章：章：无机材料的环境效应无机材料的环境效应重点介绍重点介绍无机材料加工无机材料加工和使用过程中
5、的性能变化及环境行为效应，以调控无机材和使用过程中的性能变化及环境行为效应，以调控无机材料开发料开发-使用使用-消亡的整个循环过程。消亡的整个循环过程。n课程特点课程特点1.死记硬背内容少，综合分析结论多；死记硬背内容少，综合分析结论多；2.实验数据、图表多，分析方法实用性强；实验数据、图表多，分析方法实用性强；3.各章节之间既相对独立又有有机的联系。各章节之间既相对独立又有有机的联系。n学习方法学习方法1.多分析，多思考，举一反三，理论联系实际；多分析，多思考，举一反三，理论联系实际；2.学习分析问题方法，这一点比记住结论更重要；学习分析问题方法，这一点比记住结论更重要；3.认真完成布置的作
6、业及思考题认真完成布置的作业及思考题。n参考书目参考书目 1.浙江大学等浙江大学等硅酸盐物理化学硅酸盐物理化学北京：中国建筑工业北京：中国建筑工业出版社，出版社，1980年年 2.叶瑞伦等叶瑞伦等无机材料物理化学无机材料物理化学北京：中国建北京：中国建 筑工业出版社，筑工业出版社，1986年年 3.陆佩文陆佩文无机材料科学基础（硅酸盐物理化学）无机材料科学基础（硅酸盐物理化学）南南京：东南大学出京：东南大学出 版社，版社，1996年年 4.周亚栋周亚栋无机材料物理化学无机材料物理化学武汉：武汉工业大学出武汉：武汉工业大学出版社，版社，1994年年5.美美WD金格瑞等著清华大学无机非金属材料教研
7、金格瑞等著清华大学无机非金属材料教研组译组译陶瓷导论陶瓷导论.北京：中国建筑工业出版社，北京：中国建筑工业出版社，1982年年6.中国建筑工业出版社、中国硅酸盐学会中国建筑工业出版社、中国硅酸盐学会.硅酸盐辞典硅酸盐辞典.北京：中国建筑工业出版社，北京：中国建筑工业出版社，19847.宓锦校宓锦校.无机材料晶体结构无机材料晶体结构（光盘版）（光盘版）.武汉：武汉工武汉：武汉工业大学出版社，业大学出版社，20008.郭丽萍等郭丽萍等.晶体结构基础晶体结构基础（光盘版）（光盘版）.武汉：武汉工业武汉：武汉工业大学出版社，大学出版社，2000 Chapter 1 Introduction of In
8、organic Materials What is Materials?q Materials and human civilizationq What is Materials science?n1.1 Category of Materials n1.2 Relationship between Composition-Structure-property-technics processWhat is Materials?世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等
9、物品的物质。件、工具、装置等物品的物质。材料存在于我们周围，与我们的生活、我们的材料存在于我们周围，与我们的生活、我们的生命息息相关。生命息息相关。Materials and human civilization 材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的物质材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的物质基础和技术先导。基础和技术先导。历史上，人们将石器、青铜器、铁器等当时的主历史上，人们将石器、青铜器、铁器等当时的主导材料作为时代的标志，称其为石器时代、青铜器时导材料作为时代的标志，称其为石器时代、青铜器时代、铁器时代。代、铁器时代。在近代，材料的种类及其繁多，各种新材料不断在近代，材料的种类及
10、其繁多，各种新材料不断涌现，很难用一种材料来代表当今时代的特征。涌现，很难用一种材料来代表当今时代的特征。第一次产业革命的突破口是推广应用蒸汽机，第一次产业革命的突破口是推广应用蒸汽机，但只有在开发了铁和铜等新材料以后，蒸汽机才得但只有在开发了铁和铜等新材料以后，蒸汽机才得以使用并逐步推广。以使用并逐步推广。第二次产业革命一直延续到第二次产业革命一直延续到20世纪中叶，以石世纪中叶，以石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力发展飞机、油开发和新能源广泛使用为突破口，大力发展飞机、汽车和其他工业，支持这个时期产业革命的仍然是汽车和其他工业，支持这个时期产业革命的仍然是新材料开发。如合金钢、铝合金以
11、及各种非金属材新材料开发。如合金钢、铝合金以及各种非金属材料的发展。料的发展。n材料是当代文明的材料是当代文明的三大支柱三大支柱之一之一材料、能源、信息材料、能源、信息是当代社会文明和国民经是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。的物质基础和技术先导。n 材料是全球新技术革命的材料是全球新技术革命的四大标志四大标志之一之一新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术What is Materials Science?材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、材料
12、科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉基础应用学科交叉基础应用学科 材料科学运用电子显微镜、材料科学运用电子显微镜、X射线衍射、热谱、电子离射线衍射、热谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间的规备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。n1.1.1 按化学
13、组成（或基本组成）分类按化学组成（或基本组成）分类n1.1.2 按材料性能分类按材料性能分类 n1.1.3 按服役领域分类按服役领域分类 n1.1.4 按结晶状态分类按结晶状态分类n1.1.5 按材料尺寸及形态分类按材料尺寸及形态分类 1.1 Category of Materials 1.1.1 按化学组成（或基本组成）分类按化学组成（或基本组成）分类1.金属材料（金属材料（metallic materials）2.无机非金属材料（无机非金属材料（inorganic nonmetallic materials）3.高分子材料（聚合物）（高分子材料（聚合物）（organic polymer m
14、aterials）4.复合材料（复合材料（complex materials）1.Metallic Materials 金属材料金属材料：由化学元素周期表：由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。中的金属元素组成的材料。金属材料可分为由一种金属元素金属材料可分为由一种金属元素构成的构成的单质（纯金属）单质（纯金属）；由两种或；由两种或两种以上的金属元素或金属与非金两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的属元素构成的合金合金。合金又可分为。合金又可分为固溶体和金属间化合物固溶体和金属间化合物。2.Inorganic Nonmetallic Materials 无机非金属材料无机非金属材料（简称
15、（简称无机材料无机材料）：由硅酸盐、铝酸盐、）：由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料，是除金属材料、高分子材料以外所有工艺制备而成的材料，是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称，与广义的陶瓷材料有等同的含义。材料的总称，与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前无统一完善的无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前无统一完善的分类方法，一般分为分类方法，一般分为传
16、统的（普通的）传统的（普通的）和和新型的（先进的）新型的（先进的）无机非金属材料两大类。无机非金属材料两大类。3.Organic Polymer Materials高聚物高聚物：由一种或几种简单低分子：由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。合物。高聚物的种类繁多，性能各异，其高聚物的种类繁多，性能各异，其分类方法多种多样。分类方法多种多样。按高分子材料按高分子材料来源来源分为天然高分子分为天然高分子材料和合成高分子材料；按材料材料和合成高分子材料；按材料性能和性能和用途用途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶
17、粘剂等。和胶粘剂等。4.Complex Materials复合材料复合材料：由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料：由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。组合而成。复合材料是多相材料，主要包括：复合材料是多相材料，主要包括：基本相基本相和和增强相增强相。基体相：基体相：为连续相材料，将改善性能的增强相材料固结成一体，为连续相材料，将改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；并起传递应力的作用；增强相：增强相：起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色
18、，又通过复合效应使复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。复合材料种类繁多，目前无统一分类方法，一般可根据复复合材料种类繁多，目前无统一分类方法，一般可根据复合材料三要素分类。合材料三要素分类。按按基体材料基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料，分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等；等；按按增强剂形状增强剂形状可分为粒子、纤维及层状增强复合材料；可分为粒
19、子、纤维及层状增强复合材料；按按性能性能可分为结构复合材料和功能复合材料。可分为结构复合材料和功能复合材料。1.1.2 按材料性能分类按材料性能分类 根据材料在外场作用下其性质或根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同，可分为：性能对外场的响应不同，可分为：结构材料结构材料功能材料功能材料 n结构材料结构材料：指具有抵抗外场作用而保持自己形状和：指具有抵抗外场作用而保持自己形状和结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材料。结构目的的材料。n通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、桥梁、通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、桥
20、梁、铁路等，包括机械制造材料、建筑材料，如结构钢、铁路等，包括机械制造材料、建筑材料，如结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构材料（一般结构材料）以及高温合金、传统的结构材料（一般结构材料）以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料结构陶瓷等高级结构材料。n功能材料功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、热是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、化学和生物学功能及其相互转化的学、声学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。功能，被用于非结构目的的高技术材料。1.1.3 按服役领域分类按服役领域分类 根据材
21、料服役的技术领域可分为根据材料服役的技术领域可分为信信息材料息材料、航空航天材料航空航天材料、能源材料能源材料、生生物医用材料物医用材料等。等。n信息材料信息材料：指用于信息的探测、传输、显示、：指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电信息材料。主要包括信息运算和处理的光电信息材料。主要包括信息的监测和传感（获取）材料、信息的传输材的监测和传感（获取）材料、信息的传输材料、信息的存储材料、信息的运算和处理材料、信息的存储材料、信息的运算和处理材料。料。n航空航天材料：航空航天材料：主要包括新型金属材料（如先进铝主要包括新型金属材料（如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及合金
22、、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料。此外，其合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料。此外，还包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、透还包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料等。这些材料大部分属于高分子材料和陶瓷材材料等。这些材料大部分属于高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金属材料。料，也有少量是阻尼合金等金属材料。n能源材料能源材料：指能源工业和能源技术所使用的材料，按使用：指能源工业和能源技术所使用的材料，按使用目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢
23、材料等。目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料等。新能新能源材料源材料包括增值堆用核材料、聚变堆材料、太阳能电池包括增值堆用核材料、聚变堆材料、太阳能电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅等）；（单晶硅、多晶硅、非晶硅等）；节能材料节能材料包括非晶体金包括非晶体金属磁性材料（用作变压器铁芯的属磁性材料（用作变压器铁芯的Fe-Mn-B-Si合金）和超导合金）和超导材料（材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁体用材料）；储氢材料以及高巨型磁体用材料）；储氢材料以及高比能电池（如钠硫电池）等。目前钠硫电池的比能量达比能电池（如钠硫电池）等。目前钠硫电池的比能量达137W.h/kg，而铅蓄电池的比能量只有，而铅
24、蓄电池的比能量只有30W.h/kg。n 生物医用材料：生物医用材料：是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合，是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合，能作用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或替换能作用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或替换机体的组织、器官或功能。机体的组织、器官或功能。医用金属及合金医用金属及合金 医用高分子材料：医用高分子材料：包括合成和天然高分子，已被广泛用于韧带、包括合成和天然高分子，已被广泛用于韧带、肌腱、皮肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织肌腱、皮肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织及器官的修复和制造。及器官的修复和
25、制造。医用生物陶瓷：医用生物陶瓷：包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化铝瓷、氧化锆瓷、生物碳以及羟基磷灰石、磷酸三钙陶瓷等。化铝瓷、氧化锆瓷、生物碳以及羟基磷灰石、磷酸三钙陶瓷等。医用复合材料医用复合材料：表面涂层生物活性人工牙根、人工心脏瓣膜、：表面涂层生物活性人工牙根、人工心脏瓣膜、人造血管等。人造血管等。1.1.4 按结晶状态分类按结晶状态分类 q单晶材料单晶材料：由一个较完整晶粒构成的材料，如单晶纤维、：由一个较完整晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅；单晶硅；q多晶材料多晶材料：由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、：由许多晶粒组成的材料
26、，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。晶界的性质有密切的关系。q非晶态材料非晶态材料：由原子或分子排列无明显规律的固体材料，：由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。如玻璃、高分子材料。q准晶材料准晶材料：指准周期性晶体材料的简称，准晶仍然：指准周期性晶体材料的简称，准晶仍然是晶体，准晶中的原子分布有严格的位置序，但位是晶体，准晶中的原子分布有严格的位置序，但位置序无周期性，即没有周期性平移对称关系，在准置序无周期性，即没有周期性平移对称关系，在准晶材料中存在不符合传统晶体学的五次、八次、十晶材料中存在不符合传统晶体学的五次、八次、十二次对称轴。二次对称轴。准晶从结构角
27、度看是一种新的物质形态，但实准晶从结构角度看是一种新的物质形态，但实际上它们仅在特定的金属合金中形成，是成分范围际上它们仅在特定的金属合金中形成，是成分范围较窄的金属间化合物。较窄的金属间化合物。1.1.5 按材料尺寸及形态分类按材料尺寸及形态分类 零维（纳米）材料零维（纳米）材料一维（纤维）材料一维（纤维）材料二维（薄膜）材料二维（薄膜）材料三维（块体）材料三维（块体）材料 n零维材料：零维材料：即超微粒子，通过即超微粒子，通过Sol-gel法、多相沉积或激光法、多相沉积或激光等方法，可以制备出亚微米级的陶瓷或金属粉末，大小等方法，可以制备出亚微米级的陶瓷或金属粉末，大小1100nm的超微粒
28、比表面积大（可作为高效催化剂）、比的超微粒比表面积大（可作为高效催化剂）、比表面能高、熔点低、烧结温度下降、扩散速度快、强度高表面能高、熔点低、烧结温度下降、扩散速度快、强度高而塑性下降慢、电子态由连续能带变为不连续、光吸收也而塑性下降慢、电子态由连续能带变为不连续、光吸收也发生异常现象（可以成为高效微波吸收材料）。发生异常现象（可以成为高效微波吸收材料）。n一维材料一维材料：光导纤维光导纤维，由于其信息传输量远比铜、铅的同，由于其信息传输量远比铜、铅的同轴电缆大，且有很强保密性，所以发展很快。轴电缆大，且有很强保密性，所以发展很快。增强纤维增强纤维：脆性块状材料变成细丝后便增加了：脆性块状材
29、料变成细丝后便增加了韧性，可用来增强其它的块状。实用增强纤维有碳韧性，可用来增强其它的块状。实用增强纤维有碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。纤维、硼纤维、陶瓷纤维。纤维中强度和刚度最高的为晶须。纤维中强度和刚度最高的为晶须。n二维材料（薄膜）：二维材料（薄膜）：如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响，可表现由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响，可表现出不同的电子迁移规律，完成特定的电学、光学或电子学出不同的电子迁移规律，完成特定的电学、光学或电子学功能，如成为绝缘体、铁电体、导体或半导体等，从而有功能，如成为绝缘体、铁电
30、体、导体或半导体等，从而有可能作为光学薄膜用于非线性光学、光开关、放大或调幅、可能作为光学薄膜用于非线性光学、光开关、放大或调幅、敏感与传感元件，用于显示或探测器，用于环保或表面改敏感与传感元件，用于显示或探测器，用于环保或表面改性的保护膜。性的保护膜。n三维材料：三维材料：即块状材料。即块状材料。1.2 Relationship between Composition-Structure-Property-Technics Process 材料科学与工程的四个基本要素：材料科学与工程的四个基本要素：合成与制备合成与制备、组成与结构组成与结构、性能性能、使用效能使用效能 探索四要素之间的关系，
31、覆盖从基础学科到工程的探索四要素之间的关系，覆盖从基础学科到工程的全部内容，它们之间的密切关系确定了材料科学与工程全部内容，它们之间的密切关系确定了材料科学与工程学科领域。学科领域。组成组成-结构结构-性质性质-工艺过程之间关系示意图工艺过程之间关系示意图合成与制备合成与制备使用效能使用效能性能性能组组成成与与结结构构（化学）（化学）（工程）（工程）（物理学）（物理学）合成与制备合成与制备：包括传统的制粉、煅烧、冶炼、压力加：包括传统的制粉、煅烧、冶炼、压力加工、焊接等，也包括真空溅射、气相沉积等新工艺，使人工、焊接等，也包括真空溅射、气相沉积等新工艺，使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成为可能
32、。工合成材料如超晶格、薄膜材料成为可能。组成：组成：指构成材料物质的原子、分子及其数量关系；指构成材料物质的原子、分子及其数量关系；结构结构：指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形：指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布，包括原子与电子结构、分子结构、式、状态和空间分布，包括原子与电子结构、分子结构、晶体结构、相结构、晶粒结构、表面与晶界结构、缺陷结晶体结构、相结构、晶粒结构、表面与晶界结构、缺陷结构等构等。材料性质：材料性质：指材料对电、磁、光、热、机械载指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，主要取决于材料的荷的反应，主要取决于材料的组成与结构组成与结构。使用效能：使
33、用效能：材料在使用状态下表现的行为，它材料在使用状态下表现的行为，它与材料设计、工程环境密切相关，包括可靠性、耐与材料设计、工程环境密切相关，包括可靠性、耐用性、寿命预测及延寿措施等。用性、寿命预测及延寿措施等。Introduction of Inorganic Materials1.1 Category of Inorganic Materials n 1.1.1 Silicon Materialsn 1.1.2 Advanced Inorganic Materials 传统无机材料传统无机材料主要是指由主要是指由SiO2及其硅酸盐化合物为主要成及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，包括陶瓷
34、、玻璃、分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、铸石（辉绿岩、玄武岩磨料、铸石（辉绿岩、玄武岩等）、碳素材料、非金属矿（石等）、碳素材料、非金属矿（石棉、云母、大理石等）也属于传棉、云母、大理石等）也属于传统的无机材料。统的无机材料。1.1.1 传统无机材料（传统无机材料（Silicon Materials）陶瓷按其概念和用途不同，陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即可分为两大类，即普通陶瓷普通陶瓷和和特种陶瓷特种陶瓷。根据陶瓷坯体结构及其基根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品本物理性能的差异，陶瓷制品可分为可分为陶器陶器
35、和和瓷器瓷器。传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之一：陶瓷（之一：陶瓷（ceramic）n普通陶瓷：普通陶瓷：即传统陶瓷，指以粘土为主要原料即传统陶瓷，指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。它工业用陶瓷。普通陶瓷的分类方法普通陶瓷的分类方法 吸水率吸水率（%）特征特征陶器陶器粗陶器粗陶器15不时施釉，制作粗糙不时施釉，制作粗糙普通陶器普通陶器15断面颗粒较
36、粗，气孔较大，表面施釉，断面颗粒较粗，气孔较大，表面施釉，制作不够精细制作不够精细细陶器细陶器12断面颗粒较细，气孔较小，施釉或不施断面颗粒较细，气孔较小，施釉或不施釉，制作不够精细釉，制作不够精细瓷器瓷器炻瓷器炻瓷器3透光性差，通常胎体较厚，呈色，断口透光性差，通常胎体较厚，呈色，断口呈石状，制作精细呈石状，制作精细普通瓷器普通瓷器1有一定透光性，断而呈石状或贝壳状，有一定透光性，断而呈石状或贝壳状，制作精细制作精细细瓷器细瓷器0.5透光性好，断面细腻，呈贝壳状，制作透光性好，断面细腻，呈贝壳状，制作精细精细性性质质及及特特征征类类别别中国日用瓷分类标准中国日用瓷分类标准相比于瓷器，陶器的坯
37、体结构较疏松，致相比于瓷器，陶器的坯体结构较疏松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙无光，没密度较低，有一定吸水率，断口粗糙无光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。有半透明性，断面成面状或贝壳状。传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之二：玻璃之二：玻璃（glass）玻璃是由熔体过冷所制得的玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料非晶态材料（noncrystal materials）。根据其形成网络的组分不。根据其形成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成体分为其网络形成体分为SiO2、B2O3和和P2O5。习惯上玻璃态
38、。习惯上玻璃态材料可分为材料可分为普通玻璃普通玻璃和和特种玻璃特种玻璃两大类。两大类。普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等。璃、光学玻璃和玻璃纤维等。传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之三：水泥（之三：水泥（cement）水泥：水泥：是指加入适量是指加入适量水后可成塑性浆体，既能水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的材料牢固地胶结在一起
39、的细粉状水硬性材料。细粉状水硬性材料。水泥的种类很多，按其用途和性能可分为：水泥的种类很多，按其用途和性能可分为：通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目前以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目前水泥品种已达一百多种。水泥品种已达一百多种。n通用水泥：通用水泥：为大量土木工程所使用的一般用途的水泥，为大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅
40、酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。盐水泥等。n专用水泥：专用水泥：指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。水泥等。n特性水泥：特性水泥：则是某种性能较突出的一类水泥，如快硬则是某种性能较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。传统的无机非金属材料传统
41、的无机非金属材料 之四：耐火材料之四：耐火材料 （refractory materials）耐火材料：指专门为高温技术服务的耐火度耐火材料：指专门为高温技术服务的耐火度不低于不低于1580的无机非金属材料，是用作高温窑的无机非金属材料，是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及用作工业高温容炉等热工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。及机械作用。大部分耐火材料以天然矿石（如耐火粘土、硅石、大部分耐火材料以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云石等）为原料制造。菱镁矿、白云石等）为原料制造。采用工业原料
42、和人工合成原料（如工业氧化铝、采用工业原料和人工合成原料（如工业氧化铝、碳化硅、合成莫来石、合成尖晶石等）制备耐火材料碳化硅、合成莫来石、合成尖晶石等）制备耐火材料也日益也日益增多。增多。按按矿物组成矿物组成可分为：氧化硅质、硅酸铝质、镁质、可分为：氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火白云石质、橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊耐火材料材料及特殊耐火材料（常用分类方法）（常用分类方法）；按按制造方法制造方法可分为：天然矿石、人造制品；可分为：天然矿石、人造制品；按按热处理方式热处理方式可分为：不烧制品、烧成制品、熔铸可分为：不烧制品、烧成制品
43、、熔铸制品；制品；按按外观外观分为：耐火砖、不定形耐火材料分为：耐火砖、不定形耐火材料耐火材料的矿物组成分类耐火材料的矿物组成分类按按耐火度耐火度分为：普通（分为：普通（15801770）、高级（）、高级（1770 2000）、特级（）、特级（2000以上）耐火制品；以上）耐火制品；按按化学性质化学性质分为：酸性、中性、碱性耐火材料；分为：酸性、中性、碱性耐火材料；按按密度密度分为：轻质、重质耐火材料；分为：轻质、重质耐火材料；按按制品的形状和尺寸制品的形状和尺寸分为：标准砖、异型砖、特异型砖、耐火分为：标准砖、异型砖、特异型砖、耐火 管、耐火器皿等；管、耐火器皿等；按按应用应用分为：高炉用、
44、水泥窑用、玻璃窑用、分为：高炉用、水泥窑用、玻璃窑用、陶瓷窑用耐火材料等。陶瓷窑用耐火材料等。1.1.2 新型无机材料新型无机材料 （advanced inorganic materials）先进（或新型）无机材料是用氧化物、氮化物、碳先进（或新型）无机材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的具有优异性能和特殊功能合物经特殊的先进工艺制成的具有优异性能和特殊功能的材料。主要包括特种陶瓷、特种玻璃、人工晶体、半的材料。主要包括特种陶瓷、特种玻璃、人工晶体、半导体材料、无机涂层（薄膜材料）导
45、体材料、无机涂层（薄膜材料）、无机纤维、介孔材、无机纤维、介孔材料等。料等。1.特种特种陶瓷陶瓷（advanced ceramic）n特种陶瓷（亦称为新型陶瓷）是指以精制的高纯天然无特种陶瓷（亦称为新型陶瓷）是指以精制的高纯天然无机物或人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制的机物或人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制的制造加工工艺烧结，具有优异特性，主要用于各种现代制造加工工艺烧结，具有优异特性，主要用于各种现代工业及尖端科学技术领域的高性能陶瓷，包括：工业及尖端科学技术领域的高性能陶瓷，包括：结构陶瓷（结构陶瓷（structure ceramic）功能陶瓷（功能陶瓷（function
46、ceramic）结构陶瓷（结构陶瓷（structure ceramic）指以具有优良的指以具有优良的力学性能（高强度、高硬度、耐磨损）力学性能（高强度、高硬度、耐磨损）、热学性能、热学性能（抗热冲击、抗蠕变）和化学性能（抗氧化、抗腐蚀）（抗热冲击、抗蠕变）和化学性能（抗氧化、抗腐蚀）的陶瓷材料，主要应用于高强度、高硬度、高刚性的的陶瓷材料，主要应用于高强度、高硬度、高刚性的切削刀具和要求耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐热冲击切削刀具和要求耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐热冲击等的结构部件，包括氮化硅系统、碳化硅系统和氧化等的结构部件，包括氮化硅系统、碳化硅系统和氧化锆系统、氧化铝系统的高温结构陶瓷等。锆系
47、统、氧化铝系统的高温结构陶瓷等。功能陶瓷（功能陶瓷（function ceramic）指利用其电、磁、声、指利用其电、磁、声、光、热等直接效应和耦合效应所提供的一种或多种性质光、热等直接效应和耦合效应所提供的一种或多种性质来实现某种使用功能的陶瓷材料，主要包括装置瓷（即来实现某种使用功能的陶瓷材料，主要包括装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称电绝缘瓷）、电容器陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为铁氧体）、导电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、为敏感陶瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、
48、导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、化学功能陶瓷（多孔低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功能陶瓷等陶瓷载体等）、生物功能陶瓷等。特种玻璃特种玻璃（亦称为亦称为非晶态材料非晶态材料）是指采用精制、高纯或新型是指采用精制、高纯或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的一些原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。具有特殊功能或特殊用途的玻璃。特种玻璃包括特种玻璃包括SiO2含量在含量在85%以上或以上或55%以下的硅酸盐玻璃、以下的硅酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐、铝酸非硅
49、酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、金属玻璃等）以及光学纤维等。硫化物、硫卤化物、金属玻璃等）以及光学纤维等。根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、生物根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。2.特种玻璃特种玻璃（special glass）3.人工晶体人工晶体（synthetic crystal）人工晶体人工晶体指采用精密控制的人工方法
50、合成和生长的具有多种独指采用精密控制的人工方法合成和生长的具有多种独特物理性能的无机功能单晶材料，主要用于实现电、光、声、热、特物理性能的无机功能单晶材料，主要用于实现电、光、声、热、磁、力等不同能量形式的交互作用的转换。磁、力等不同能量形式的交互作用的转换。人工晶体的分类人工晶体的分类：按化学分类可分为无机晶体和有机晶体（包括：按化学分类可分为无机晶体和有机晶体（包括有机有机-无机复合晶体）等；按生长方法分类可分为水溶性晶体和高温无机复合晶体）等；按生长方法分类可分为水溶性晶体和高温晶体等；按形态（或维度）分类可分为体块晶体、薄膜晶体、超薄晶体等；按形态（或维度）分类可分为体块晶体、薄膜晶体
