材料化学第7章-无机非金属材料课件.ppt

1、材料化学第材料化学第7 7章章 无机非金属材料无机非金属材料2/15/2023 4:20 AM本章内容本章内容7.1无机非金属材料的分类和特点无机非金属材料的分类和特点7.2 水泥与玻璃水泥与玻璃7.3 陶瓷陶瓷7.4 半导体材料半导体材料7.5 超导材料超导材料2/15/2023 4:20 AM学习目的学习目的v结合前面所学内容，理解无机非结合前面所学内容，理解无机非金属材料结构与性金属材料结构与性能特点；能特点；v了解常用无机非金属材料的合成和工艺。了解常用无机非金属材料的合成和工艺。v了解各种新型无机非金属材料的特殊性能、作用原了解各种新型无机非金属材料的特殊性能、作用原理、结构及用途。

2、理、结构及用途。2/15/2023 4:20 AM学习参考书目学习参考书目1.杨兴钰.材料化学导论.武汉：湖北科学技术出版社，20032.戴金辉，葛兆明 主编。无机非金属材料概论，哈尔滨工业大学出版社，1999 3.H.F.W.Taylor.Cement Chemistry,Academic Press,19904.M.W.Barsoum.Fundamentals of Ceramics,IOP,20035.J.G.P.Binner.Advanced Ceramic Processing and Technology,Vol.1,Noyes,19902/15/2023 4:20 AM7.1 无

3、机非金属材料的分类及特点无机非金属材料的分类及特点无机非金属材料无机非金属材料以氧化物、碳化物、以氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物（包括硫氮化物、硼化物、硫系化合物（包括硫化物、硒化物及碲化物）和硅酸盐、钛化物、硒化物及碲化物）和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。要组成的无机材料。传统（普通）无机非金属材料传统（普通）无机非金属材料新型（特种）无机非金属材料新型（特种）无机非金属材料2/15/2023 4:20 AM传统（普通）无机非金属材料传统（普通）无机非金属材料品种品种品种示例品种示例水泥等胶凝材料水泥等胶凝材料硅酸

4、盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、石膏等硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、石膏等陶陶 瓷瓷粘土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等粘土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等耐火材料耐火材料硅质、硅酸铝质、高铝质、镁质、铬镁质等硅质、硅酸铝质、高铝质、镁质、铬镁质等玻玻 璃璃硅酸盐硅酸盐搪搪 瓷瓷钢片、铸铁、铝和铜胎等钢片、铸铁、铝和铜胎等铸铸 石石辉绿岩、玄武岩、铸石等辉绿岩、玄武岩、铸石等研磨材料研磨材料氧化锆、氧化铝、碳化硅等氧化锆、氧化铝、碳化硅等多孔材料多孔材料硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸盐和硅酸铝等硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸盐和硅酸铝等碳素材料碳素材料石墨、焦炭和各种碳素制品等石墨、焦炭和各种碳素制品等

5、非金属矿非金属矿粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金刚粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金刚石等石等2/15/2023 4:20 AM新型（特种）无机非金属材料新型（特种）无机非金属材料品种品种品种示例品种示例绝缘材料绝缘材料氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等和微晶玻璃等铁电和压电材料铁电和压电材料钛酸钡系、锆钛酸铅系材料等钛酸钡系、锆钛酸铅系材料等磁性材料磁性材料锰锰锌、镍锌、镍锌、锰锌、锰镁、锂镁、锂锰等铁氧体、磁记录锰等铁氧体、磁记录和磁泡材料等和磁泡材料等导体陶瓷导体陶瓷钠、锂、氧离子的快离子导体和碳化硅等钠

6、、锂、氧离子的快离子导体和碳化硅等半导体陶瓷半导体陶瓷钛酸钡、氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化锆等过滤金钛酸钡、氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化锆等过滤金属元素氧化物系材料等属元素氧化物系材料等光学材料光学材料钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透明材料和石钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透明材料和石英系或多组分玻璃的光导纤维等英系或多组分玻璃的光导纤维等高温结构陶瓷高温结构陶瓷高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等难熔化合物高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等难熔化合物超硬材料超硬材料碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等人工晶体人工晶体铝酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等铝酸

7、锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等生物陶瓷生物陶瓷长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的载体材料等长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的载体材料等无机复合材料无机复合材料陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料2/15/2023 4:20 AM结构特征结构特征v离子键：无方向性、无饱和性离子键：无方向性、无饱和性紧密堆积；键强较高密度大，高强度、高硬度、高脆性、耐热v共价键：具有方向性与饱和性共价键：具有方向性与饱和性键强度较高，具有稳定化学结构密度较小，熔点高，硬度大，脆性大，热膨胀系数小，绝缘性好。v离子键与共价键混合离子键与共价键混合2/15/2023 4:20 AM部分

8、陶瓷化合物化学键混合特征部分陶瓷化合物化学键混合特征陶瓷化合陶瓷化合物物结合原子结合原子电负性差电负性差离子键比例离子键比例(%)共价键比例共价键比例(%)MgOMg-O2.136832Al2O3Al-O1.835743SiO2Si-O1.544555Si3N4Si-N1.142872SiCSi-C0.6510902/15/2023 4:20 AM7.2 水泥与玻璃水泥与玻璃硅酸盐水泥铝酸盐类水泥硫铝酸盐水泥氟铝酸盐水泥铁铝酸盐水泥7.2.1 水泥（水泥（cement）按矿物按矿物组成组成分类分类-一种水硬性胶凝材料，通过水化过程发生凝结一种水硬性胶凝材料，通过水化过程发生凝结和硬化，硬化后甚

9、至在水中也可保持强度和稳定和硬化，硬化后甚至在水中也可保持强度和稳定性。性。2/15/2023 4:20 AMv山水集团熟料生产线v山东山水水泥集团有限公司（简称山水集团）是以水泥为主导的大型企业集团，也是国家重点支持的12户全国性重点水泥企业之一；2008年7月4日山水集团在香港上市，成为中国水泥行业第一支红筹股；目前，下属企业主要集中在山东和辽宁，是山东省和辽宁省最大、全国第二大水泥生产商。2010年，熟料产能将达到5000万吨，水泥产能将达到8000万吨。-山水集团网站 2/15/2023 4:20 AMv预应力钢筒混凝土输水管预应力钢筒混凝土输水管 v内衬式预应力钢筒混凝土管内衬式预应

10、力钢筒混凝土管(PCCPL):在钢筒内壁成型混凝土层后在 钢筒外表面上缠绕环向预应力钢丝并制作水泥砂浆保护层而制成的管子。v埋置式预应力钢筒混凝土管埋置式预应力钢筒混凝土管(PCCPE):在钢筒内、外壁成型混凝土层后，在管芯混凝土外表面缠绕环向预应力钢丝并制作水泥砂浆保护层而制成的管子。v 性能特点性能特点:抗渗性能好，承受内压和外压能力强。PCCP采用经水压检验的钢筒，解决了渗水问题；可承受很高的内水压力，最高可达2.5Mpa；设计上充分利用混凝土的抗压强度，可承受较高的外压荷载。接头采用钢制承插口，插口是带有凹槽的特制异型钢，密封胶圈放置在凹槽内，确保接头极好的水密性。耐腐性能强，使用寿命

11、长。构成PCCP的所有钢材都被密实的混凝土包裹，高碱性环境阻止其腐蚀，使用寿命可达百年。通水能力强，管材内表面光滑，没有瘤节，不会结垢，没有二次污染。适应地基能力和抗震性能强，PCCP的刚性接头和柔性接口使其刚柔皆有，可转动一定角度，适应地基变化的能力较其他管材强。管道运行经济安全，社会综合效益好。安装时沟槽开挖窄，接口工作坑较浅，综合造价低，单位工程造价比钢管有较大节省。-山水集团网站2/15/2023 4:20 AM硅酸盐水泥硅酸盐水泥v熟料成分：熟料成分：硅酸三钙（3CaOSiO2），C3S硅酸二钙（2CaOSiO2），C2S铝酸三钙（3CaOAl2O3），C3A铁铝酸四钙（4CaOAl

12、2O3Fe2O3），C4AF2/15/2023 4:20 AM硅酸盐水泥硅酸盐水泥v熟料比例对水泥性质的影响熟料比例对水泥性质的影响提高提高C3S的含量的含量,可得到高强硅酸盐水泥可得到高强硅酸盐水泥提高提高C3S和和C3A的含量的含量,即可制得快硬硅酸盐即可制得快硬硅酸盐水泥水泥降低降低C3S和和C3A的含量的含量,提高提高C2S的含量可得的含量可得低热或中热硅酸盐水泥低热或中热硅酸盐水泥.2/15/2023 4:20 AM硅酸盐水泥生产硅酸盐水泥生产CaCO3CaO+CO2750 10002CaCO32CaO1000 1300+SiO2SiO23CaCO33CaO1000 1300+Al2

13、O3Al2O3Fe2O3Fe2O32CaO3CaO1300 1400+SiO2CaO SiO24CaCO34CaO1000 1300+Al2O3Al2O3+（硅 酸 二 钙）（铝 酸 三 钙）（铁铝酸四钙）（硅酸三钙）所得熟料经碾磨成细粉，加少量石膏，用以调节水所得熟料经碾磨成细粉，加少量石膏，用以调节水泥的水硬化时间，即得水泥成品。泥的水硬化时间，即得水泥成品。熟料制备的化学过程：熟料制备的化学过程：2/15/2023 4:20 AM2/15/2023 4:20 AM硅酸盐水泥的水化、凝结硬化硅酸盐水泥的水化、凝结硬化v水化水化物质由无水状态变为有水状态，由低物质由无水状态变为有水状态，由低

14、含水变为高含水，统称为水化。含水变为高含水，统称为水化。v凝结凝结水泥加水拌和初期形成具有可塑性的水泥加水拌和初期形成具有可塑性的浆体，然后逐渐变稠并失去可塑性的过程浆体，然后逐渐变稠并失去可塑性的过程v硬化硬化浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的石浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的石状固体（水泥石）状固体（水泥石）。2/15/2023 4:20 AM凝结、硬化过程凝结、硬化过程3CaOSiO2 nH2O 2CaOSiO2(n-1)H2O Ca(OH)22CaOSiO2 mH2O 2CaOSiO2mH2O3CaOAl2O3 6H2O 3CaOAl2O36H2O4CaOAl2O3Fe2O3 7H2O 3C

15、aOAl2O36H2O CaOAl2O3Fe2O3H2O 2/15/2023 4:20 AM7.2.2 玻璃玻璃玻璃瓶玻璃瓶玻璃工艺烛台玻璃工艺烛台建筑玻璃建筑玻璃艺术玻璃艺术玻璃玻璃玻璃熔体冷却后呈坚硬熔体冷却后呈坚硬无定无定形状态形状态的无机物的无机物2/15/2023 4:20 AMvGlass in lab2/15/2023 4:20 AM普通玻璃的化学结构普通玻璃的化学结构2/15/2023 4:20 AM 玻璃中的组分构成：玻璃中的组分构成：1.形成体：形成体：能够独立形成网络的氧化物能够独立形成网络的氧化物SiO2，B2O3，GeO22.中间体：中间体：不能独立形成网络的氧化物，

16、但能够不能独立形成网络的氧化物，但能够与形成体共同形成网络与形成体共同形成网络Al2O3，V2O5，SeO23.改性剂：改性剂：不仅不能形成网络，随着添加量的增不仅不能形成网络，随着添加量的增大还会逐渐破坏网络，最终导致体系结晶。一大还会逐渐破坏网络，最终导致体系结晶。一般为碱金属与碱土金属的氧化物般为碱金属与碱土金属的氧化物Na2O，K2O，CaO，MgO，BaO等。等。2/15/2023 4:20 AMNa2O的加入对的加入对SiO2网络的影响网络的影响2/15/2023 4:20 AM方石英方石英鳞石英鳞石英Mole percent Na2OSiO2-Na2O相图相图Na2O加入加入Si

17、O2中，因形中，因形成低共熔混合成低共熔混合物而使其熔融物而使其熔融温度显著降低温度显著降低2/15/2023 4:20 AM7.2.2.1 玻璃的制造玻璃的制造1)硅酸盐形成阶段硅酸盐形成阶段2)玻璃形成阶段玻璃形成阶段4)玻璃液的均化阶段玻璃液的均化阶段3)玻璃液澄清阶段玻璃液澄清阶段5)玻璃液冷却阶段玻璃液冷却阶段2/15/2023 4:20 AMProcess11)硅酸盐形成阶段硅酸盐形成阶段温度温度8001000 C 在固相或液相反应中形成易熔的中间体，如：Na2Ca(CO3)2(Na2O)0.52(CaO)12(SiO2)32/15/2023 4:20 AMProcess2CO2,

18、O2,SO2,NO2等2)玻璃形成阶段玻璃形成阶段温度温度 12001250 C低共熔混合物熔化硅酸盐和剩余石英砂粒的互熔熔体中有大量气泡、条纹2/15/2023 4:20 AM温度温度 14001500 C除气泡 加入澄清剂，如Na2SO4，放出SO3并带出气泡 其它澄清剂：NaNO3/KNO3+As2O5适于高温熔体14001500CNaNO3/KNO3+Sb2O3适于低温熔体13001400C熔体中还有条纹，温度不均匀熔体中还有条纹，温度不均匀Process33)玻璃液澄清阶段玻璃液澄清阶段2/15/2023 4:20 AMProcess4&54)玻璃液的均化阶段玻璃液的均化阶段保持较高

19、温度保持较高温度通过扩散、对流、搅拌作用，消除条纹、成分不均匀和热不均匀性5)玻璃液冷却阶段玻璃液冷却阶段冷却降温200300C，达到成型所要求粘度2/15/2023 4:20 AM大量连续生产各熔制阶段在窑的不同部位进行各部位温度恒定各熔制阶段均在同一坩埚内随时间推移依次进行，炉膛温度随时间变化，适用于产量小或经常更换料种的玻璃，如特种玻璃小型，间歇式生产,生产周期24小时小型，连续生产熔窑池窑坩埚窑间歇式池窑单元式熔窑2/15/2023 4:20 AM 玻璃成型工艺：（a）压制，（b）压吹，（c）拉纤(a)pressing,(b)press and blow process,(c)draw

20、ing of fibers.2/15/2023 4:20 AM连续平板玻璃生产设备连续平板玻璃生产设备(the latter being float law glass)2/15/2023 4:20 AM7.2.2.2 玻璃分类玻璃分类v氧化物玻璃氧化物玻璃石英玻璃硅酸盐玻璃钠钙玻璃氟化物玻璃v非氧化物玻璃非氧化物玻璃硫系玻璃卤化物玻璃2/15/2023 4:20 AM v硅酸盐玻璃硅酸盐玻璃基本成分为基本成分为SiO2石英玻璃SiO2含量大于99.5高硅氧玻璃SiO2含量约96钠钙玻璃（又名钠玻璃）含有15的Na2O和16的CaO铅硅酸盐玻璃主要成分有SiO2 和PbO铝硅酸盐玻璃主要成分有

21、SiO2 和Al2O3硼硼硅酸盐玻璃（耐热耐热玻璃）以SiO2和B2O3为主要成分钾玻璃（硬玻璃）以K2O代替钠玻璃中的部分Na2O，适当提高SiO2含量2/15/2023 4:20 AM7.2.2.3 特种玻璃特种玻璃v钢化玻璃钢化玻璃淬火产生内应力，导致表面增强v无色光学玻璃无色光学玻璃可见光波长范围内吸光性极低高纯度高折射率增加氧化钡、氧化铅含量v导电玻璃导电玻璃ITO（Indium Tin Oxide）玻璃导电2/15/2023 4:20 AMvLCD专用平板玻璃专用平板玻璃TFT-LCD(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display)使用无碱

22、玻璃，避免钠离子迁移对半导体的破坏使用无碱玻璃，避免钠离子迁移对半导体的破坏v光纤玻璃光纤玻璃高纯度石英高纯度石英避免出现羟基结构，因硅羟基吸收近红外光信号避免出现羟基结构，因硅羟基吸收近红外光信号v彩色玻璃彩色玻璃通过添加着色剂实现彩色通过添加着色剂实现彩色着色剂能对投射到玻璃上的白光进行选择性的吸收着色剂能对投射到玻璃上的白光进行选择性的吸收 2/15/2023 4:20 AM不同玻璃颜色所使用着色剂不同玻璃颜色所使用着色剂着色剂着色剂玻璃颜色玻璃颜色氧化铁氧化铁绿、棕绿、棕氧化锰氧化锰深琥珀色、紫水晶、脱色剂深琥珀色、紫水晶、脱色剂氧化钴氧化钴深蓝深蓝氯化金氯化金宝石红宝石红硒化合物硒化

23、合物红红碳氧化物碳氧化物琥珀色琥珀色锰、钴、铁混合物锰、钴、铁混合物黑色黑色氧化锑氧化锑白色白色氧化铀氧化铀黄绿黄绿表面化合物表面化合物琥珀琥珀/棕色棕色铜化合物铜化合物浅蓝、红浅蓝、红锡化合物锡化合物白色白色铅铅-锑化合物锑化合物黄黄2/15/2023 4:20 AM无色光学玻璃ITO导电玻璃彩色玻璃钢化玻璃光纤玻璃2/15/2023 4:20 AM种种 类类特特 性性用用 途途普通玻璃普通玻璃在高温下易软化在高温下易软化窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯等窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯等石英玻璃石英玻璃膨胀系数小，耐酸碱，膨胀系数小，耐酸碱，强度大，滤光强度大，滤光化学仪器、高压水银灯、紫外化学仪器、高压水银

24、灯、紫外灯、光导纤维、压电晶体等灯、光导纤维、压电晶体等光学玻璃光学玻璃透光性能好，有折光透光性能好，有折光和色散性和色散性眼镜片，照相机，显微镜，望眼镜片，照相机，显微镜，望远镜用凸凹透镜等光学仪器远镜用凸凹透镜等光学仪器玻璃纤维玻璃纤维耐腐蚀，不怕烧，不耐腐蚀，不怕烧，不导电，不吸水，隔热，导电，不吸水，隔热，吸声，防蛀虫吸声，防蛀虫太空飞行员的服装、玻璃钢等太空飞行员的服装、玻璃钢等钢化玻璃钢化玻璃耐高温，耐腐蚀，强耐高温，耐腐蚀，强度大，质轻，抗震裂度大，质轻，抗震裂运动器材，微波通讯器材，汽运动器材，微波通讯器材，汽车，火车窗玻璃等车，火车窗玻璃等几种玻璃的特性和用途几种玻璃的特性和

25、用途2/15/2023 4:20 AM422232252SiCl+O=SiO+2Cl4POCl+3O=2P O+6Cl（附）石英光纤制备（附）石英光纤制备CVD法法2/15/2023 4:20 AMMCVDA.光纤预制棒制造光纤预制棒制造 MCVD改进的化学汽相沉积改进的化学汽相沉积 2/15/2023 4:20 AM vMCVD系内部汽相沉积的一种。系内部汽相沉积的一种。v一支超纯石英管装载于一台装有氢氧喷灯玻璃车床上。氯一支超纯石英管装载于一台装有氢氧喷灯玻璃车床上。氯化物和氧气从石英管的一端馈入管中，在喷灯提供的高温化物和氧气从石英管的一端馈入管中，在喷灯提供的高温下反应，在喷灯的下游所

26、生成的烟灰状下反应，在喷灯的下游所生成的烟灰状SiO2和和GeO2亚微亚微米颗粒沉积于石英管的内壁上。当喷灯经过沉积物时，它米颗粒沉积于石英管的内壁上。当喷灯经过沉积物时，它们就被凝固为固态的玻璃。借助改变硅、锗氯化物的比例，们就被凝固为固态的玻璃。借助改变硅、锗氯化物的比例，从外部包层到芯层，一层跟着一层形成了所要求的折射率从外部包层到芯层，一层跟着一层形成了所要求的折射率剖面（更多的锗，更高的折射率）。剖面（更多的锗，更高的折射率）。v优点：优点：沉积和溶缩一步完成，避免了可能的污染沉积和溶缩一步完成，避免了可能的污染v缺点缺点：生产效率不高。有的制造商采用高频等离子喷灯来：生产效率不高。

27、有的制造商采用高频等离子喷灯来提高生产效率，同时减少氢氧燃烧生成物水的影响。为提提高生产效率，同时减少氢氧燃烧生成物水的影响。为提高效率，在拉丝之前，预制棒还要装在一支石英套管内，高效率，在拉丝之前，预制棒还要装在一支石英套管内，以满足纤芯和包层的规范。以满足纤芯和包层的规范。2/15/2023 4:20 AMOVDOVD外部汽相沉积外部汽相沉积 2/15/2023 4:20 AMOVD是一种外部沉积工艺方法，是一种外部沉积工艺方法，其高温是由一个氢氧喷其高温是由一个氢氧喷灯提供的。在这个工艺过程中，四氯化硅和四氯化锗的混灯提供的。在这个工艺过程中，四氯化硅和四氯化锗的混合汽以及氧被馈送到火焰

28、中。合汽以及氧被馈送到火焰中。反应生成的二氧化硅和二氧化锗烟灰状颗粒被沉积在一反应生成的二氧化硅和二氧化锗烟灰状颗粒被沉积在一支氧化铝芯棒上以形成烟灰状颗粒预制棒，当芯层沉积完支氧化铝芯棒上以形成烟灰状颗粒预制棒，当芯层沉积完成后，接着必须沉积包层，为此，仅仅混合汽反应物的组成后，接着必须沉积包层，为此，仅仅混合汽反应物的组分是不同的。分是不同的。在足够的芯层和包层沉积之后并移去芯棒后，烟灰颗粒在足够的芯层和包层沉积之后并移去芯棒后，烟灰颗粒状预制棒被置于烧结炉中脱水、烧结和熔缩以闭合芯棒留状预制棒被置于烧结炉中脱水、烧结和熔缩以闭合芯棒留下的孔。一个透明、固态的预制棒就可以进入拉丝工序了。下

29、的孔。一个透明、固态的预制棒就可以进入拉丝工序了。2/15/2023 4:20 AMVADVAD垂直轴向汽相沉积垂直轴向汽相沉积 2/15/2023 4:20 AM轴向气相沉积工艺允许在轴向上沉积烟灰状颗粒。轴向气相沉积工艺允许在轴向上沉积烟灰状颗粒。在这个工艺方法中预制棒是在长度方面生长而不象在这个工艺方法中预制棒是在长度方面生长而不象OVD在直径方面生长。在沉积开始时采用了一个芯棒。在直径方面生长。在沉积开始时采用了一个芯棒。在轴向生长的预制棒沉积到足够大后，它仍然是多孔在轴向生长的预制棒沉积到足够大后，它仍然是多孔的，需要在一个温度为的，需要在一个温度为1500C 至至1600C的电炉中

30、脱水和的电炉中脱水和烧结。烧结。烧结后的预制棒仍然较短和粗，它们需要进一步的拉烧结后的预制棒仍然较短和粗，它们需要进一步的拉伸以符合随后工序的要求。伸以符合随后工序的要求。应用专门的干燥工艺应用专门的干燥工艺VAD现在可以生产非常低水峰的现在可以生产非常低水峰的光纤供全带应用。光纤供全带应用。2/15/2023 4:20 AMPCVDPCVD等离子化学汽相沉积等离子化学汽相沉积 2/15/2023 4:20 AM等离子激活化学汽相沉积等离子激活化学汽相沉积PCVD系菲利浦开发的一种内部汽相系菲利浦开发的一种内部汽相沉积工艺方法。沉积工艺方法。四氯化硅和四氯化锗以及氧的混合物馈入一个超纯石英管，

31、在四氯化硅和四氯化锗以及氧的混合物馈入一个超纯石英管，在反应区内，反应区内，SiO2和和GeO2直接被沉积为一层透明玻璃。没有烟灰直接被沉积为一层透明玻璃。没有烟灰状颗粒形成或沉积，所以无须应用固态工序。状颗粒形成或沉积，所以无须应用固态工序。由于它的沉积层非常薄，于是可以按照设计实现精密的折射率由于它的沉积层非常薄，于是可以按照设计实现精密的折射率剖面。因此能生产世界上顶级的多模光纤和复杂折射率剖面的光剖面。因此能生产世界上顶级的多模光纤和复杂折射率剖面的光纤。纤。因为因为PCVD工艺方法反应温度是如此之高以至需要更高纯度的工艺方法反应温度是如此之高以至需要更高纯度的原料。然而，其原料的利用

32、率非常高，几乎是原料。然而，其原料的利用率非常高，几乎是100%为其它工艺为其它工艺方法的两倍。方法的两倍。2/15/2023 4:20 AM熔缩熔缩熔缩2/15/2023 4:20 AM具有沉积层的衬管需要熔缩成一个实心的棒。这个工艺过程是具有沉积层的衬管需要熔缩成一个实心的棒。这个工艺过程是在刚结束沉积后立即于同一台车床上进行的。或者在一台专用的在刚结束沉积后立即于同一台车床上进行的。或者在一台专用的熔缩车床上进行。熔缩车床上进行。在熔缩过程中，由于二氧化锗在高温下蒸发，在折射率剖面的在熔缩过程中，由于二氧化锗在高温下蒸发，在折射率剖面的中央回出现一个凹陷。为消除这个降低光纤质量的凹陷，在

33、管子中央回出现一个凹陷。为消除这个降低光纤质量的凹陷，在管子还没闭合前的熔缩最后阶段，采用氟利昂腐蚀工艺。还没闭合前的熔缩最后阶段，采用氟利昂腐蚀工艺。某些制造商应用感应高频电炉来代替氢氧喷灯以降低预制棒中某些制造商应用感应高频电炉来代替氢氧喷灯以降低预制棒中的水含量从而降低光纤的水峰衰减值。的水含量从而降低光纤的水峰衰减值。2/15/2023 4:20 AM套管套管套管2/15/2023 4:20 AM为了提高效率，预制棒装入一作为机械包层的石英为了提高效率，预制棒装入一作为机械包层的石英套管内后，再拉制光纤。套管内后，再拉制光纤。有些制造商使用有些制造商使用OVD工艺来制作机械包层，工艺来

34、制作机械包层，阿尔卡特则采用高频等离子来沉积机械包层。阿尔卡特则采用高频等离子来沉积机械包层。2/15/2023 4:20 AM等离子包层沉积等离子包层沉积等离子包层沉积2/15/2023 4:20 AM过滤的空气被馈入一个等离子喷灯，一个高频感应线圈将其过滤的空气被馈入一个等离子喷灯，一个高频感应线圈将其加热到高温。在氩气流中以电火花激发并使其达到导电状态，加热到高温。在氩气流中以电火花激发并使其达到导电状态，然后由感应电流加温，然后将气流切换到该工艺所用的空气流。然后由感应电流加温，然后将气流切换到该工艺所用的空气流。高度纯化的石英颗粒被馈送至等离子高温火焰区，许多层被沉高度纯化的石英颗粒

35、被馈送至等离子高温火焰区，许多层被沉积于预制棒上，直到所要求的直径为止。一个可视系统按要求积于预制棒上，直到所要求的直径为止。一个可视系统按要求的直径自动地调整包层的外径。的直径自动地调整包层的外径。此工艺方法的优点是：此工艺方法的优点是：使用廉价的原材料；使用廉价的原材料；没有腐蚀性和危险性的副产品，免除了装备污染处理装置。没有腐蚀性和危险性的副产品，免除了装备污染处理装置。而且，所达到的高温而且，所达到的高温(1000C)，进一步纯化了石英颗粒，进一步纯化了石英颗粒，其结果是使这种玻璃具有优秀的机械特性。其结果是使这种玻璃具有优秀的机械特性。2/15/2023 4:20 AM拉丝B.拉丝拉

36、丝2/15/2023 4:20 AM其一端加工成圆锥形并接上一小段石英棒的预制其一端加工成圆锥形并接上一小段石英棒的预制棒固定于预制棒馈入器上，当锥形端馈入至温度约棒固定于预制棒馈入器上，当锥形端馈入至温度约2200C的拉丝炉中一定时间后，一个溶化的垂体形的拉丝炉中一定时间后，一个溶化的垂体形成并下落，随着下落，一根细的光纤就形成了。成并下落，随着下落，一根细的光纤就形成了。加热元件由氩气保护以防止元件在空气中烧毁。加热元件由氩气保护以防止元件在空气中烧毁。采用了氦气流以保护预制棒免受污染，采用了氦气流以保护预制棒免受污染，2/15/2023 4:20 AM2000左右左右加热熔化预型件加热熔

37、化预型件拉丝过程最重要的是拉丝过程最重要的是控制纤维直径的恒定。控制纤维直径的恒定。为此必须严格稳定为此必须严格稳定炉温和控制气氛的变化。炉温和控制气氛的变化。拉丝装置拉丝装置2/15/2023 4:20 AM筛选C.筛选筛选张张力力筛筛选选2/15/2023 4:20 AM光纤着色光纤着色光纤着色2/15/2023 4:20 AM7.3 陶陶 瓷瓷 Ceramicsv龙凤呈祥龙凤呈祥vDaily-use ceramicsvProducts from SICER2/15/2023 4:20 AMv养源盅养源盅vDaily-use ceramicsvProducts from SICER2/15

38、/2023 4:20 AMvDaily-use ceramicsvProducts from SICER2/15/2023 4:20 AMv泡沫陶瓷过滤器泡沫陶瓷过滤器vAdvanced ceramicsvProducts from SICER-daily2/15/2023 4:20 AMv陶瓷球阀陶瓷球阀vAdvanced ceramicsvProducts from SICER-daily2/15/2023 4:20 AMv黑陶黑陶vArt ceramicsvProducts from SICER2/15/2023 4:20 AMvArt ceramicsvProducts from SI

39、CER鸡血红釉艺术瓷 黑陶 鱼子蓝釉艺术瓷 淄博红釉 2/15/2023 4:20 AM陶器（Pottery）与瓷器（China）比较性能及特征性能及特征陶器陶器瓷器瓷器吸水性/%一般大于3一般不大于3透光性不透光透光胎体特征未 玻 化 或 玻化 程 度 差、断面粗糙玻化程度高、结构致密、细腻，断面呈石状或贝壳状敲击声沉浊清脆陶瓷陶瓷=陶器陶器+瓷器瓷器2/15/2023 4:20 AM7.3.1 陶瓷的定义陶瓷的定义Definition of CeramicsvTraditional：陶瓷-所有以粘土(陶土、瓷土)为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程而制成的各种制品v

40、General：陶瓷-陶瓷是天然或人工合成的粉状化合物经过成型和高温烧结而成的，由金属和非金属元素或非金属元素与非金属元素的无机化合物构成的多晶固体材料。2/15/2023 4:20 AM v德国陶瓷协会：德国陶瓷协会：“陶瓷是化学工业或化学生产工艺的一个分支，包括陶瓷材料和器物的制造或进一步加工成陶瓷制品(元件)。陶瓷材料属于无机非金属材料，最少含30结晶体。一般是在室温中将原料成型，通过800以上的高温处理，以获得这种材料的典型性质。有时也在高温下成型，甚至可经过熔化及析晶等过程。”v美国和日本等国：美国和日本等国：Ceramics是包括各种硅酸盐材料和制品在内的无机非金属材料的通称，不仅

41、指陶瓷，还包括水泥、玻璃、搪瓷等材料。2/15/2023 4:20 AM7.3.2 陶瓷一般结构与基本性质陶瓷一般结构与基本性质v微结构特征：多相结构微结构特征：多相结构由晶相、玻璃相和气孔组成由晶相、玻璃相和气孔组成各相的组成结构、数量、几何形态及分布不同，使不同的各相的组成结构、数量、几何形态及分布不同，使不同的陶瓷材料性能各异。陶瓷材料性能各异。v晶相：陶瓷中最重要的组成相晶相：陶瓷中最重要的组成相主晶相的性能常常就决定着陶瓷的物化性能。主晶相的性能常常就决定着陶瓷的物化性能。v玻璃相：非晶态结构的低熔点固体组织玻璃相：非晶态结构的低熔点固体组织其作用是填充晶粒间隙，粘结晶粒，提高致密程

42、度，适当其作用是填充晶粒间隙，粘结晶粒，提高致密程度，适当降低烧结温度，改善工艺，抑制晶粒生长过大。降低烧结温度，改善工艺，抑制晶粒生长过大。v气孔：也对控制陶瓷材料性能、质量有重要作用气孔：也对控制陶瓷材料性能、质量有重要作用陶瓷的许多电气性能与热性能随气孔率、气孔尺寸及分布陶瓷的许多电气性能与热性能随气孔率、气孔尺寸及分布不同可在较大范围内变化。不同可在较大范围内变化。2/15/2023 4:20 AM7.3.3 陶瓷分类陶瓷分类2/15/2023 4:20 AM陶瓷分类及特点陶瓷分类及特点分分 类类概概 念念 特特 点点应应 用用 范范 围围特特 种种 陶陶 瓷瓷用于现代工业和尖端科学技

43、术所需的陶瓷制品结构陶瓷耐磨耐热耐冲击功能陶瓷光、声、电、磁、热、生物、化学等性能陶瓷普普通通陶陶瓷瓷陶 器坯体结构较疏松,致密度较差的陶瓷制品。日用器皿，缸器，建筑卫生装饰用品。瓷 器坯体致密，基本上不吸水，半透明，断面呈石状或贝壳状。瓷质细腻，玻化程度高。日用餐茶具，陈设瓷及部份工业瓷炻 器介于陶器和瓷器之间的制品，如水缸、砂锅等，质地致密坚硬日用器皿，建筑卫生用品，工业用品。2/15/2023 4:20 AM氧化物陶瓷（Al2O3、ZrO2、MgO等）碳化物陶瓷（SiC、B4C、WC等）氮化物陶瓷（Si3N4、TiN、BN等）新型碳化物陶瓷（C3N4等）硼化物陶瓷（TiB2、ZrB2等）

44、复合陶瓷（3Al2O32SiO2莫来石等）特种特种陶瓷陶瓷特种陶瓷（按成分分类特种陶瓷（按成分分类）2/15/2023 4:20 AM普通普通陶瓷陶瓷vs特种陶瓷特种陶瓷普通普通陶瓷陶瓷特种陶瓷特种陶瓷原料原料天然矿物原料天然矿物原料人工精制合成原料人工精制合成原料纯度纯度纯度较低纯度较低纯度较高纯度较高成型成型注浆、可塑成型为主注浆、可塑成型为主压制、热压铸、注射、压制、热压铸、注射、扎膜、流延等静压成型扎膜、流延等静压成型为主为主功能功能容器或艺术品容器或艺术品工业材料、科技材料工业材料、科技材料2/15/2023 4:20 AM7.3.4 陶瓷合成化学陶瓷合成化学工艺流程v普通陶瓷：普通

45、陶瓷：材料精选（矿物精选）化学处理原料粉化制备陶瓷粉生坯（成型）烧结机械加工陶瓷成品。v特种陶瓷：特种陶瓷：2/15/2023 4:20 AM7.3.4.1 陶瓷合成原材料及粉体制备陶瓷合成原材料及粉体制备v普通陶瓷：以天然矿物为原料普通陶瓷：以天然矿物为原料三大主要原材料：粘土、长石、石英矿三大主要原材料：粘土、长石、石英矿辅料矿物：磁石、铝土矿、滑石、硅灰石、锂云母、方辅料矿物：磁石、铝土矿、滑石、硅灰石、锂云母、方解石、菱镁矿、白云石等解石、菱镁矿、白云石等水化、机械混合，直接形成生坯水化、机械混合，直接形成生坯v特种陶瓷：人工合成的原料特种陶瓷：人工合成的原料2/15/2023 4:2

46、0 AMA、Clay粘土粘土 Clay形成黄土高原的厚粘土层2/15/2023 4:20 AMStructure of clay粘土Al2O3SiO2片层结构片层结构硅氧四面体硅氧四面体铝氧八面体铝氧八面体2/15/2023 4:20 AMThe Kaolinite Group高岭石族高岭石族Kaolinite Group四面体片与八面四面体片与八面体片通过共用氧体片通过共用氧原子结合成一个原子结合成一个晶片，晶片间以晶片，晶片间以氢键相连，水化氢键相连，水化时基本不膨胀。时基本不膨胀。2/15/2023 4:20 AMThe Montmorillonite Group蒙脱石族蒙脱石族Mont

47、morillonite/Smectite Group两个四面体片两个四面体片夹一八面体片夹一八面体片组成一个晶片，组成一个晶片，八面体片中，八面体片中，部分部分Mg取代取代Al而使层片带负电，而使层片带负电，多余电荷多余电荷由层间阳离子中和。由层间阳离子中和。2/15/2023 4:20 AMExamples2/15/2023 4:20 AMThe Illite Group伊利石族伊利石族The Illite Group/The Clay-mica四面体中的四面体中的Si部分被部分被Al取代，取代，层间阳离子层间阳离子K+嵌入四面体层嵌入四面体层的六角孔隙，的六角孔隙，由于强烈的静由于强烈的静

48、电作用使相邻电作用使相邻晶片紧密结合。晶片紧密结合。2/15/2023 4:20 AMC、FeldsparFeldspar 长石长石钾、钠、钙、钡等钾、钠、钙、钡等碱金属或碱土金属的铝硅酸盐矿物碱金属或碱土金属的铝硅酸盐矿物SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、CaO架状结构架状结构2/15/2023 4:20 AM钠长石钠长石 钾长石钾长石 Examples2/15/2023 4:20 AMUse of feldspar长石的主要用途长石的主要用途领域领域主要用途主要用途质量要求质量要求玻璃及玻璃及玻璃制玻璃制品品碱长石作为各种玻璃制品的原料，可降低玻璃熔化温度，节约纯碱。钠长石作为玻璃纤

49、维原料，可改善其质量及取代叶腊石等Al2O3 15%Fe2O3 10%陶瓷陶瓷是生产各种陶瓷、搪瓷、电瓷的坯料(配入2040%)和釉料(配入2070%)的主要原料Fe2O3 0.31.0水泥水泥 是生产白水泥的原料之一 化工化工化学工业上，磨碎的长石适于作乳胶，涂料和氨基甲酸乙酯、丙烯类物质的填充料作填料，可含较多游离石英；作皮肤化妆粉，28m 碱长石磨料磨料 粉状长石可用于磨具磨料工业 2/15/2023 4:20 AMB、QuartzQuartz石英砂石英砂石英砂岩石英砂岩石英岩石英岩脉石英脉石英粉石英粉石英主要成分：主要成分：SiO22/15/2023 4:20 AMExamples2/

50、15/2023 4:20 AMD、Carbonate白云石白云石DolomiteCaCO3MgCO3 晶体属三方晶系2/15/2023 4:20 AMCalcite方解石方解石CalciteCaCO3 晶体属三方晶系2/15/2023 4:20 AMMagnesite菱镁矿菱镁矿MagnesiteMgCO32/15/2023 4:20 AMLime stone石灰岩石灰岩Lime stoneCaCO3三方晶系2/15/2023 4:20 AME、Others滑石滑石Talc3MgO?4SiO2?H2O三斜晶系三斜晶系2/15/2023 4:20 AMSerpentine蛇纹石蛇纹石Serpen