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3、精细控制下的煅烧以获得微细陶瓷粒子。 溶胶－凝胶法可用来制备陶瓷和玻璃，其产物可以是纤维、也可以是粉末。蒸馏提纯的醇盐（由金属氧化物与酒精反应形成）的水解也是溶胶－凝胶法的一个变量。从溶体中沉淀出的氢氧化物是形状统一的球形亚微米粒子，而烧结不会明显改变这些人们期望的特征。尽管溶胶－凝胶法的处理成本较高、生产周期也很长，但因溶体制备、成型和烧结工艺简便，形成的陶瓷性能突出，对于氧化物粉末，诸如氧化铝、氧化锆和氧化钛等，它仍不失为一种颇具吸引力的制备方法。近来，关于溶胶蒸发相的方法成为研究热点，它可以获得粒径小至10~20nm 的微细陶瓷粉末(如氧化物、碳化物、氮化物、硅化物和硼化物等)，这种方法需要一个具有高能量输出的蒸发热源，如电弧、等离子射流或者激光束等，而粉末在载气中致密化后被碰撞过滤器或静电收集器从气流中分离出来，有时在化学气相沉积（CVD ）工艺中，会直接在基体上致密化成膜。 先进陶瓷材料的制备往往分为多个步骤或数段操作，每个操作由若干交互作用的变量(时间、温度、压力等)决定，这些变量通过对材料宏观和微观组织的特殊作用机制影响最终产品的质量。当延性良好的金属材料通过塑性变形成型时，每一步的加工都会对材料施加载荷并可以暴露材料的缺陷(例如：奥氏体不锈钢具有冷拔加工到细小皮下注射针头尺寸的能力，就强有力地证明了其组织结构的完整性)。单个陶瓷粒子通常是脆性不可变形的，因此，陶瓷材料的制备流程一般会避免塑性变形加工；同时，因缺陷会在加工后继续存在，但变得不可见或会导致实际上的局部破坏，也存在巨大的固有风险。先进陶瓷的最终性能对各种形式的结构性异质是高度敏感的，特种陶瓷和高新产品技术的进步使得无损监测技术在陶瓷制备的关键阶段得到长足的应用。 在先进陶瓷的设计阶段，应特别强调对整个产品制备计划应用下列指导方针： 1、先驱体材料，特别是超细粉末，应科学地确定其特征参数； 2、每一步工艺操作都应该精确地研究和控制； 3、应将整个操作流程与无损检测技术有机结合。
2.4 典型工程陶瓷材料
2.4.1 氧化铝
2.4.1.1 氧化铝的一般性能和应用 氧化铝是二十余种氧化物陶瓷中应用最广的，通常被认为是现代工程陶瓷的历史性先驱。氧化铝陶瓷中氧化铝(Al 2O 3)的含量由其使用要求决定，一般在85%~99.9范围。 粒度较粗的氧化铝基耐火材料以形状尺寸较大、如厚板、型材和砖块之类的形态，被用于建造工业窑炉。氧化铝的熔点高达2050℃，其耐热能力，或者叫耐火度长久以来一直为窑炉设计者们所看好。事实上，基于粘土的铝硅酸盐耐火材料大有被更昂贵的高纯氧化铝陶瓷所取代的趋势。氧化铝的原子间结合半是离子键，半是共价键形式，具有超强的结合力；其晶体结构在1500~1700℃的高温下仍保持物理稳定。它被用于需要抵御炽热和侵蚀性环境的测温热电偶护套，以及从浇铸前快速运动的熔融铝液流中去除外来颗粒和氧化浮渣的过滤导管；用熔融氧化铝浇铸成的大型耐火砖被用于熔化玻璃的连续炉中。然而，尽管氧化铝是一种具备有效的化学稳定性的耐热材料，其热冲击敏感性也高于碳化硅和氮化硅。对热震抗力有贡献的一个主要因素是，后两者具有更高的线性热膨
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胀系数（α）：碳化硅、氮化硅和氧化铝的α 值 / ×10-6 K -1分别是8，4.5和3.5。
当用作较低温度下服役的工程零件时，氧化铝陶瓷通常具有很细的晶粒度（0.5~20μm ）和实际
上的零孔隙率。为了满足越来越苛刻的使用需求，氧化铝陶瓷的研发多年以来一直在不断地进行，
并主要集中于化学成分和晶粒组织的控制。氧化铝的化学惰性和其对人体组织的生物相容性使其得
以用在臀修补术中。如图2.1所示，氧化铝被用作汽油机引擎的火花塞绝缘体，是一个常常被用来印
证其绝缘能力的例子。
图2.1 汽油机引擎火花塞
从1900年代开始，火花塞的设计和制造方法不断地进步。在现代汽油机引擎中，火花塞的无故
障运行首先取决于其等静压氧化铝绝缘体的绝缘能力。每个火花塞都被期望在长期运行过程中，在
每秒钟精确地点火50~100次时，还可以经受住高达1000℃的高温、瞬间机械压力、腐蚀性尾气和
约30kV 电势差的考验。商品火花塞有着光滑的玻璃化表面层，以便更容易去除表面附着污染物形成
的导电膜。
氧化铝陶瓷不寻常的绝缘性能和应用范围早就被电气和电子工业熟知(如：电子线路基板、半导
体集成电路封装等等)。不像金属材料，在氧化铝晶体结构中不存在形成电流的自由电子，其介电强
度（用以衡量材料抵受电位梯度而不发生击穿和放电的性能）非常高。甚至在接近1000℃的高温下，
当原子已变得具有运动能力并可传输一些电荷时，氧化铝的电阻系数仍然极高；而提高其纯度通常
有利于改善其电气绝缘性能。
很多大批量生产的工程零件是利用氧化铝卓越的抗压强度、硬度和磨损抗力制得的(如：洗衣机
旋转密封件、汽车发动机水泵、机加工夹具和刀具、农业机械的破土犁刀、钟表和磁带式录音机轴
承、高速纺织机械导纱轮、工业磨料等等)。著名的刚玉砂磨料，就是氧化铝的一种掺杂无水形式，
含有多达20%的SiO 2+Fe 2O 3而无需进行预处理。由于氧化铝的组成原子－铝和氧的质量都比较小，
导致氧化铝的密度较低，这通常是一个有利因素。不过，和大多数陶瓷材料相似，氧化铝也是脆性
材料，在服役时应尽量避免冲击载荷和过高的拉应力。
氧化铝零件一般都很小，但其机能正常与否对大得多的工程系统而言，却往往是至关重要的。
火花塞绝缘子和内燃机水泵密封圈就是该法则起作用的明显例证。
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2.4.1.2 氧化铝粉末的制备和成形 对氧化铝陶瓷材料，了解其由矿石到最终成品生产流程的一般形式，可以更深入地理解陶瓷技术的主要影响因素、工作原理，并作为了解陶瓷材料专业成形方法的指南。如前所述，其制备流程每一阶段对产品最终性能都有独特的作用，必须仔细进行控制。氧化铝制品的主要原料是铝土矿[Al 2O(OH)4]——一种在世界不同地域都有丰富储量的水合物岩矿。在拜尔工艺中，预制的铝土矿在压力作用下被溶于热氢氧化钠水溶液中，然后在形核剂诱发下沉淀出Al(OH)3晶体(矿物学术语称为三水铝石)。在此过程中，时间、温度、搅拌等工艺条件对拜尔工艺的产物质量有很大影响。三水铝石在1200℃被加热而产生化学分解。含α-氧化铝(>99% Al 2O 3)的拜尔石灰根据其性质和杂质含量被分为不同级别。因为影响拜尔石灰的烧结行为和电阻值，氧化钠(Na 2O)的作用显得非常重要，其含量可以高达0.6%。拜尔石灰由不同粒径的α-氧化铝微晶团聚物构成，这些微晶的尺寸可以通过悉心选择煅烧工艺参数进行控制，一般可以在0.5~100μm 范围内变动。 拜尔石灰一般即可用于制备高纯氧化铝，也可以用于Al 2O 3含量在85~95%之间的低档氧化铝制件的生产。对于后者，石灰的成分因其它氧化物如SiO 2, CaO 和MgO 的引入而变差，这些氧化物被作为“焊剂”加入，其作用是在烧结时，在α-氧化铝的晶粒边界处形成具有流动性的玻璃相。 筛选分级后的氧化铝和需要加入的添加剂一起被放入湿式球磨机中研磨到所需的粒度范围。通过将含水悬浮液喷入加热气流达到除去水分的目的(喷射－干燥法)，然后用旋流分离单元分离出氧化铝。具有自流性的粉末可通过多种方法成形，如干燥处理、等静压、热压、粉浆浇铸、带状浇铸、卷滚成形、挤出成形、压铸等等，其生产率可以非常高，如：某种采用压缩空气在柔性橡胶模具(“橡胶袋”)中等静压压制粉末的机器，每小时可以生产300~400个火花塞陶瓷壳体。在某些工艺中，粘接剂与陶瓷粉末被混在一起，如：可以将热塑性塑料与氧化铝粉末进行热混，以改善粉末压铸性能；在完成压铸后，再通过加热分离去除。在生产超薄微电子线路基板的带状浇铸工艺中，氧化铝粉末在有机溶液中形成悬浮液。 2.4.1.3 烧结致密化 多孔而易碎的预制坯体最后在烧结炉中进行连续或分段式烧制。烧制是成本很高的过程，如果可能，应尽可能地缩短小零件的烧制周期。经验表明，在最高温度充分热透之后快速冷却可获得期望的更细小晶粒结构。 如前所述，低档氧化铝中会加入一些氧化物作为熔剂以形成晶间相。尽管流态的晶间材料使烧制时的致密化更易进行，其存在却会损害最终产品的强度和化学侵蚀抗力。因此，苛刻应用环境下往往选择高氧化铝含量粉末。通常，随着氧化铝含量从88%增加到99.8%，需要将烧结温度相应地从1450℃提高到1750℃。更猛烈的烧结在导致更高能耗的同时，也使具有极小粒子尺寸(1μm)和高比表面积的活性氧化铝得以形成，该级别的氧化铝也可以采用较“柔和”的烧制温度和加入更多添加剂降低其性能。 预制陶瓷坯体烧制时发生的最明显变化是其“收缩”现象。氧化铝的线性烧结收缩率大约为20%，其颗粒尺寸则只可能有最高±1%的变化。当需要很高尺寸精度时，氧化铝陶瓷可以采用金刚石切削加工，但因可能造成表面损伤和引入弱化性能的裂纹，需要小心进行。
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2.4.2 从氮化硅到Sialon
2.4.2.1 反应烧结氮化硅(RBSN)
氮化硅陶瓷可以用数种方法制得，现已被用于各种苛刻服役条件下，如：切削工具、轴承、发
动机、铸造设备、窑炉部件、焊接夹具和金属加工模具等等场合。最初RBSN 很大程度上是在改进
燃气轮机用材料时发展起来的，在1950年代氮化硅陶瓷发展起来之前，可供选择的陶瓷制备技术非
常有限，也很难生产出满足精密尺寸公差的复杂形状陶瓷件，尽管当时可供选择的材料性能各异，
但却不能满足一些特殊服役要求，如：良好的热震抗力和抵抗熔融金属与熔渣侵蚀的能力等，氮化
硅材料在最大限度上为这些问题提供了解决方案，同时对陶瓷的工程设计理念和生产实践产生了深
远的影响。
氮化硅以两种晶体结构形式存在：α 相和 β 相，两者都属于六方晶系，原子间结合主要以共价
键为主。氮化硅最初是用一种创新的无压烧结方法制得的：首先，需要制备易碎的预成型粉末坯料(主
要成分是Si)，其成型方法可以多种多样(如：模压、等静压、浆料浇铸、火焰喷涂、聚合物辅助压铸、
挤压成型等等)，在反应烧结的最初阶段，预制体在氮气气氛下加热发生如下化学反应：
3Si + 2N 2 = Si 3N 4
反应产物在预制坯块内形成交错网络，产生非液化的粒子间结合。在块内的孔洞空间内，还会
产生α-氮化硅单晶晶须的形核和长大。由于反应放热强烈，为了阻止Si 的降解，还需要对温度进行
精确控制。反应形成的氮化物密结块体具有足够强度，可以直接进行常规机加工。在反应的第二(最
后)阶段，零件在氮气中被加热至1400℃，从而形成更多的原位氮化硅、同时坯料尺寸产生小于1%
的轻微附加变化(烧制时氧化铝制件则可能变化10%)，最终材料的微观组织由α-Si 3N 4(60–90%)、β-Si 3N 4(10–40%)和未反应Si 及孔洞(15–30%)组成，如同大多数陶瓷材料一样，烧制是其生产过程中
成本最高的阶段。
最终产物－反应烧结氮化硅(RBSN)－拥有2400~2600 kg ?m -3的体积密度。RBSN 强韧而坚固，
对磨损、热震和多种破坏性液体(熔盐、熔渣、铝、铅、锡、锌等等)均有极佳的抗力，其弹性模量也
很高。 2.4.2.2 热压氮化硅(HPSN, HIPSN)
在1960年代初期，随着英国Plessey 公司的G . G . Deeley 及其同事成功制得热压氮化硅(HPSN)
产品，更高的致密化程度得以实现。在此工艺中，无法通过固态烧结实现致密化的氮化硅粉末，被
混以一种或多种助熔氧化物(氧化镁、氧化钇、氧化铝)后，在射频感应加热石墨型腔内被施以
23MN/m 2的压力；与此同时，在高达1850℃的温度下被加热约1小时。碳化硅粒子表面通常会形成
的二氧化硅薄膜和添加剂一起形成熔化相，在典型的液相烧结过程中，致密化过程和质量输运随后
在高温下进行，当这种晶间相冷却时，形成类硅酸盐的玻璃相，而这些玻璃相可以通过缓冷或分段
热处理发生晶化转变。热压工艺有意产生一定数量(可高至3%体积分数)的第二相，作为粘结耐高温
粒子的手段；然而，这些粘结相具有和氮化硅不同的性质而可能产生弱化作用，特别是在服役温度
较高的情况下。因此，当被加入3~5%的氧化镁后，在残留玻璃相的软化温度(1000℃)以下，氮化硅
表现为一种脆性硬质材料；高于此温度时，其强度(以破裂模量MoR 表示)有一突降，同时，应力作
用下的缓慢变形（蠕变）现象也开始明显起来。基于上述原因，晶间残留相组织结构的可控变化更
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为科技界所关注。 作为致密化添加剂，氧化钇可作为氧化镁的代用品，其在提高晶间相软化温度方面的作用非常显著。更为特殊的是，它可以形成能溶解杂质（如CaO ）的晶态氮氧化物（如Y 2Si 3O 3N 4）从而形成耐高温固溶体（‘mixed crystals’）。不幸的是，在高温下，含钇氮化硅具有以灾难性爆发方式氧化的倾向。 尽管热压模腔对零件形状有严格的限制，热压仍可提高材料的体积密度、改善其强度和腐蚀抗力。热压氮化硅高强度和低热膨胀系数（在25~1000℃范围内约3.2×10-6 °C -1）的有机结合赋予其极佳的热震抗力，小型HPSN 工件具有在交替浸入熔融钢液（1600℃）－水淬循环100周次以上不失效的能力。 在此后的发展中，其它研究者采用热等静压(HIPing)方法进一步提高了氮化硅材料的密度，获得了更高的材料性能。在此方法中，同样以氮化硅粉末作为原始材料，与相对（热压工艺）更少量的氧化物添加剂（用于改善液相烧结性能）一起被压制成坯料，该坯料被封装于玻璃（石英玻璃或光学玻璃）外套内。封装体在高温下排气密封后，采用气体加压介质在300 MN ?m -2的压力下进行1小时的热等静压处理，最后，采用喷砂法去掉各向同性热等静压氮化硅（HIPSN ）外的玻璃封套。和热压氮化硅类似，HIPSN 的微观组织由β-Si 3N 4 (>90%)和少量的晶间残留物(主要是硅酸盐玻璃)组成。 HPSN 和HIPSN 工艺采用的生产流程涉及极高温度和压力下的变形过程，在形成所期望的闭合内部孔洞效果的同时，也不可避免会引起相当可观的收缩(20~30%)。(与HPSN 和HIPSN 相比，RBSN 在1400℃的较低工艺温度下烧结时，其收缩可以忽略不计；但也因此含有更多导致性能恶化的孔洞，比如说15-30%的体积分数。) 到了1970年代初期，通过反应烧结、热压和其它工艺制备氮化硅的技术取得了长足的进步，然而那时已经明确，进一步显著改善氮化硅陶瓷的质量性能是不大可能实现的，值此关头，科技界将注意力转向了硅铝氧氮复合陶瓷材料(Sialons)。 2.4.2.3 Sialon 的基础知识 尽管氮化硅有极为有用的性能，其工程应用却受阻于以精确尺寸公差制得完全致密工件的困难，热压提供了解决这个问题的一个途径，但其工艺成本很高，而且只能限于形状简单工件的制备。Sialon 陶瓷材料的发展为这些问题提供了一个颇具吸引力的、可行的解决方案。 Sialon 是氮化硅的派生物，因此也被归于氮系陶瓷的范畴。Sialon 是一个缩略词，表示该材料基于Si –Al –O –N 四元系。1968年，基于对氮化硅晶体结构的分析，K H Jack 等预言：如果氮化硅四面体中的四价硅(Si 4+)可以被三价铝(Al 3+)或者其它化合价低于硅的代位离子取代，则极有希望以二价氧(O 2-)替代四面体网格中的三价氮(N 3-)。此外，他们还预言：系统地以铝替代硅，还使得其它类型的金属正离子可为该结构接纳。这种在氮化硅的SiN 4晶格单元体内发生的替换，使模拟这些高度可变形式成为可能；而在这些形式中，SiO 4和AlO 4四面体以铝硅酸盐的形式进行排布。对于这个“类合金”陶瓷家族，其结构性能还被预期有一很宽的范围。这个重大预测发表仅2年后，英国和日本的研发团队分别独立地制得了 β'-氮化硅——一种后来成为Sialon 大家族原型的固溶体陶瓷材料。 在先驱体—β-氮化硅中，SiN 4四面体形成一种网状结构。每个四面体中心有一Si 4+离子被四个等距N 3-所环绕，每个角点处的N 3-为三个相邻四面体共有。在晶格单元体中，六个Si 4+离子和八个N 3-离子保持电荷平衡，形成初始成分分子式Si 6N 8。Si 4+离子和N 3-离子分别被Al 3+和O 2-代换后，形成β'-sialon 结构，该结构通常用化学式Si 6-z Al z O z N 8-z 表示，其中z 为被氧原子取代的氮原子数，变化范围为0~4。虽然理论上可在氮化硅中大量固溶代位原子，但实际上的代换度常常很小。随着代换的
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进行，四面体单元的分子式由SiN 4向(Si, Al)(O, N)4转变，而单元体的尺寸也变大。
尽管代位使化学成分向氧化铝靠拢，但固溶体中的晶体结构配位却保持四重模式(AlO 4)，
不同于氧化铝的六重模式(AlO 6)。Sialon 结构中的Al –O 键合强度大约比氧化铝中相同键合高50％；铝－
氧离子间的高结合力使sialon 的强度天然地高于氧化铝。
图2.2 β-Si 3N 4 和 β'-(Si,Al)3(O,N)4 的晶体结构
● 金属原子, ○ 非金属原子
以便捷的方式表征其中复杂相关系的问题，通过引入“双互补”相图的方法得以解决。该相图
若干年前由德国物理化学家提出，最初用于无机盐体系的相变表征。图2.3显示了由Si, Al, O, N 四
面体怎样得出对称的四种成分结构，通过使用以等效百分比(而不是常见的重量或原子百分比)校正的
线性比例，每种成分出现在四面体的中途部分，并形成一个正方形截面。
图2.3 Si–Al–O–N 四面体和正方Si 3O 6 –Al 4O 6 –Al 4N 4 –Si 3N 4平面
此类相图的等温模式版本如图2.4所示。“双互补”特性指N/O 及Si/Al 之间分别沿着纵轴和横
轴的等效交互影响作用。必须假定四种元素的价态是固定不变的(即：Si 4+, Al 3+, O 2-和N 3-)。
由于Si 3N 4
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化合物含有12个正离子和12个负离子，其余三种组分和沿着成分轴生成的各种中间相的表达式都以可维持类似电荷平衡的形式给出。
图2.4 1800℃的Si–Al–O–N 相图
在这些分子式中，某种特定元素的等效百分比可由下面的公式得到：
等效氧含量百分比 =
()()()322100×+×××氮原子百分数氧原子百分数氧原子百分数 等效氮含量百分比 = 100–等效氧含量百分比 等效铝含量百分比 = ()()()
433100×+×××硅原子百分数铝原子百分数铝原子百分数 等效硅含量百分比 = 100–等效铝含量百分比 因此，可表示为的3/2 (Si 2N 2O)的等效氧含量为25%，其成分点位于左侧纵轴向上约1/4处。 该相图的一个有趣的特色是氮化铝角点附近的平行相序列，也即27R ，21R ，12H ，15R 和8H 。这些相被称作氮化铝的“类多型体”或“多型体”。它们有着纤锌矿(六方ZnS)型晶体结构，通常化学稳定性、耐高温性和抗氧化特性都很好。 2.4.2.4 Sialon 陶瓷的制备 在1800℃的温度下，以氮化硅粉末为原料制备sialon 的开始点位于图2.4所示相图的左下角附
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近区域，O 对N 和Al 对Si 的同时代换形成所期望的 β'-相，该相在图2.4中用一个向Al 4O 6角点凸
出的窄斜交区域表示。这种陶瓷晶体结构的“合金化”通过改变共价键和离子键之间的平衡，使氮
化硅的晶体结构发生渐进式的微妙变化，而sialon 材料的最终性能有可能很不寻常。最重要的是，
sialon 陶瓷在1000℃以上温度的抗氧化能力和强度显著优于传统氮化硅材料。类似于氧化物陶瓷的
制备，它可以采用相对简单的工艺流程制得，采用无压烧结即可制得致密的中等尺寸复杂形状零件。
β-Si 3N 4是“合金化”用原始混合物的主要成分。(如前所述，这些粒子表面通常有一薄层二氧化
硅。) 尽管细氮化铝粉末看起来象是一个替换铝原子的合适原料，但其易于水解的特性却限制了它
在涉及水溶液或水合粘接剂场合的应用。一种用来制备 β'-sialon (z = 1)的专利方法，通过引入氮化硅
(及其附带的二氧化硅)与特制的“类多型”相之间的反应，解决了这个问题，其相变关系如图2.4所
示。
在初始混合物中加入钇氧化物导致无压烧结过程中晶间液态相的形成，从而加强了致密化效果。
通过工艺参数的控制，既可以玻璃态也可以晶态形式引入这种中间相。和很多其它陶瓷材料一样，
在sialon 材料中，中间相的最终特性强烈影响其高温强度。这种 β' 晶粒 + 玻璃相的组织非常坚固，
可以承受近1000℃高温下的热震。然而，在更高温度，其强度因玻璃相变成粘性形态而遭到破坏。
更高的稳定性和强度可以通过精细控制的热处理获得，主要是通过如下方程式表示的转变过程，将
玻璃相转变为钇铝石榴石(Y AG)晶体实现的：
β' 晶粒＋Y AG 的两相结构非常稳定，其性能不因熔融金属侵蚀而降低，在高至1400℃的温度下一直保持高的强度和蠕变抗力。
更多最近的研究工作开发出了由非 β-氮化硅先驱体制备sialon 材料的方法(如由 α-氮化硅获得
α'-sialon 和由氮氧化物制备O'-sialon 等)。K. H. Jack 认为：不像 β 晶型的氮化硅，α-氮化硅并非一
种二元化合物，应将之归于氮氧化物范畴，其有缺陷的晶体结构显示出一定数量的N 原子被O 原子
代换的现象。其近似的结构单元体可表示为：SiN 3.9O 0.1。研究者还获得了双相或复合相组织，其中
互相咬合的β'-, α'-和O'-相使材料的工程性能得以加强。有时，如在 α'/β' 复合相结构中，是没有玻
璃态或晶态晶间相出现的，这种原理可以拓展到以一些不常用的废弃原料进行sialon 的制备，例如
两种硅酸盐材料：火山灰和稻草灰分别被用来烧结成混合物后制备sialon 材料，尽管这些产品属于
低档sialon ，但却可用作难熔耐火材料。
2.4.2.5 Sialon 的工程应用
较易成型是Sialon 材料的突出特性之一，其成型方法多样，涵盖了压制法(单轴或等静压)、挤出
法、粉浆浇铸法和喷射成型法等，这种成型方法的多样化成为寻求其新的工程应用的强大推动力。
与之类似，因为sialon 在1800°C 量级的高温下，具备不加压烧结就获得完全致密化的能力，也有
利于复杂形状产品的生产。然而，在烧结过程中因为液相的形成而引发的大线性收缩量(20~25%)是
为此优点必须付出的代价。尽管可以用金刚石研磨、超声波加工或激光方法实现最终机加工，因其
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硬度极高而难以加工，还是应鼓励采用“近实际形状尺寸”的设计方法。和很多别的工程陶瓷材料一样，sialon 制件对形状高度敏感，以曲线或分段方式进行尺寸和形状的过渡，因为常可以改善其服役表现而被普遍认可。当然，sialon 的组织结构是其性能的决定性因素，幸运的是，sialon 材料对“合金化”反应明显，因此有可能研发获得兼具强度、高温稳定性、热震抗力、磨损抗力和抗熔融金属侵蚀能力等综合性能的材料，以承受各种极端苛刻的服役条件。 切削金属时，刀具刀头受到高度破坏性和复杂的服役条件影响，这包括局部高温和热震、高应力和冲击载荷、以及磨损失效等。如图2.5所示，在1000°C 的测试温度，β'-sialon (+玻璃)的硬度显著高于氧化铝或钴包碳化钨硬质合金。Sialon 刀具刀头的引入获得了令人瞩目的成功，其刃口寿命比传统的钨系硬质合金刀头更长，可采用大切深高速切削金属，在不连续切削时还具有良好的机械和热冲击抗力。
图2.5 Sialon 、Al 2O 3和WC/Co 切削工具刀头的高温硬度
Sialon 的高强度和高磨损抗力使之得以在（冷、热）挤压和拉拔管材等金属加工领域得到应用，在这些加工中，通过模具挤出孔的金属物料应在低摩擦系数、最小模具磨损的前提下尽可能地快，得到的精密尺寸棒/管状型材才会有光洁、完整的表面纹理。Sialon 模具镶块已被成功用于钢铁材料和有色金属及合金的压力加工，并对长期以来广为使用的钨系碳化钨硬质合金镶块发起有力的挑战。在特定的管材拉拔操作时，sialon 也被用作控制管径的固定式或浮动式柱塞。看起来由于sialon 不含有金属性组分，使其回避了模具/柱塞与被成型金属间发生瞬时“粘合”和“咬伤”的危险。Sialon 工模具使得减少加工难拉拔金属（如不锈钢）时常伴生的各种问题成为可能。
Sialon 在高温和熔融金属或熔渣侵蚀环境下的耐用性，使其也被用作窑炉和坩埚耐火材料。在更小的尺度上，sialon 还被用作焊接用电气装备（如：气体护套、工件定位销等）。这些应用要求其具有热震和磨损抗力、电气绝缘性能、高强度、以及抵抗金属熔渣侵袭的能力，事实证明，sialon 优于之前使用的材料（氧化铝，硬化钢等），大幅度提高了这些小型关键机械零件的服役寿命。 为了使汽油或柴油发动机引擎效率更高，人们一直关注需要在极其苛刻的热、磨损条件下服役的引擎领域的问题。Sialon 已被用作非直喷柴油引擎的预燃室材料，用陶瓷替代金属同时提高了引擎的功率/重量比。研发氮化硅和sialon 材料的最初目标——陶瓷燃气轮机——依然很有可能最终得
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以实现。
2.4.3 氧化锆陶瓷材料
氧化锆(ZrO 2)具有极高的熔点(2680℃)和化学耐久性、以及超硬坚固的特性；由于这些特性，它
长期以来一直被用作耐火容器和研磨介质，在1200℃以上温度，它变得具有导电性而被用作氧化环
境下运行的窑炉加热体。氧化锆基陶瓷具有和金属及合金相似的热膨胀特性，在发动机中可以和金
属材质零件有效集成在一起。除了上述成熟的应用领域，人们还发现：可以控制氧化锆的结构转变
达到降低材料缺口敏感性并提高其断裂韧性到15–20 MN ?m -3/2量级的目的，并最终获得一种坚韧的
新陶瓷材料。该方法有两种备选的途径提高陶瓷材料的韧性：(1) 加入纤维；(2) 引入可以钝化裂纹
扩展尖端的微裂纹。
氧化锆具有多形转变，可以三种晶体形式存在。以降温次序排列，其相互关系如下：
相变增韧技术的关键在于稳定高温四方相（t ）使之在常温下以亚稳态存在。这种稳定化处理，
无论是部分稳定还是完全稳定，都是通过在氧化锆中加入一定的氧化物（Y 2O 3, MgO, CaO ）实现的。
在亚稳状态下，列尖周围的组织结构阻止了其大范围地由四方相向单斜相转变，当扩展裂纹通过亚
稳区或其临近区域时，列尖高度集中的应力场使富含氧化锆固溶体的四方相晶粒转变为更稳定但密
度更小的单斜相氧化锆（如图2.6所示）
，这种相变具有马氏体相变特征，相变伴生的体积膨胀（3–5% v/v ）可使裂纹关闭，并释放列尖应力集中，这种相变机制是微观组织内部亚稳相具有有益韧
化效果的主要原因。
图2.6 裂纹向四方相氧化锆晶粒内部扩展，使之发生向单斜相氧化锆的转变
如图2.7所示，使用ZrO 2-Y 2O 3二元系富氧化锆一侧相图，可以很方便地表示富氧化锆固溶体的
相对稳定性。相同原理也可以用于其它两个二元系：ZrO 2–MgO 和ZrO 2–CaO ，而氧化钇作为稳定
剂效果特别突出。三种类型的氧化锆基陶瓷在相图上分别表示为：CSZ ，TZP 和PSZ ，CSZ 表示具
有完全稳定立方晶体结构（非四方相）材料，它不具有相变增韧的优点，通常被用作窑炉耐火材料
和坩埚材料。人们熟知的四方相多晶氧化锆（TZP ）含有最少的氧化物添加剂成分(如：2–4 mol%
Y 2O 3)，它一般通过将超细粉末在1350–1500°C 的温度区间内进行烧结和致密化获得细晶组织，而
这样的温度恰好在形成四方相固溶体的相区(如图2.7)。
冷却至室温后，其本质上呈现出由四方晶体结构t-ZrO 2超细晶粒组成的单相组织，这使得其强
韧度数倍于其它类型的氧化锆增韧陶瓷。典型的TZP 微观组织如图2.8的电镜照片所示，加入的氧
新兴材料 15 化物和硅酸盐杂质形成了一种可以在致密化过程中改善液相烧结效果的晶间相(类似于制备氮化硅
陶瓷时的作用。
图
2.7 ZrO
2
–Y
2
O
3
二元系相图示意图：涉及的所有相均为固溶体TZP＝四方相氧化锆多晶体；PSZ＝部分稳定氧化锆；CSZ＝完全稳定立方相氧化锆。
图
2.8
用
3%
摩尔分数氧化钇稳定的四方相氧化锆多晶的电镜照片在部分稳定氧化锆组织中，四方相微晶作为析出相弥散分布于粗大的立方相晶粒基体上，如图2.7所示，此时氧化锆被加入8~10%摩尔分数的添加剂（MgO, CaO or Y2O3），并被分两步进行热处理，在1650–1850℃温度区间的烧结产生出具有立方相结构的“父”固溶体，然后再在1100–1450℃温度范围内被加热改性处理，第二阶段的热处理在立方相晶粒内诱发共格四方相微晶（尺寸约200 nm）的析出，析出相的形貌取决于所加入溶质的特性（如：ZrO2–MgO、ZrO2–CaO和ZrO2–Y2O3
Advanced Materials 16
固溶体分别产生透镜状、立方体状和片状微晶）
。析出微晶的平均大小由在相图所示的‘
t+c
’两相
区内热处理的温度和时间等参数决定。在相变增韧的第三个例子中，四方相氧化锆晶粒散布于不同的陶瓷基体上，如：在
ZT(A)
或
ZT(Al
2
O
3
)
中，他们散布在氧化铝晶粒内（图
2.9
）
。当采用传统制备工艺时，得到的是亚稳相的晶间
分布形态；但也发现此时亦可能产生晶内分布的亚稳相。和
PSZ
材料一样，亚稳粒子和基体晶粒的
大小必须精心控制并保持平衡。
图
2.9
含有氧化铝和四方相氧化锆晶粒的
ZT(Al
2
O
3
)
的双相组织
(
背散射电子像
) 上述讨论集中于氧化锆陶瓷在室温下或低于室温时的机械性能，如果氧化锆增韧材料被加热到接近于t-m转变温度的900~1000℃范围，前述的增韧机制就开始失效；此外，服役时进行热循环也会诱发t-m转变在温度区间800–900℃内发生，从而使材料逐渐丧失增韧能力。这种随着服役温度升高，断裂韧性不断下降的趋势自然地引发了具有更高相变温度二元系内其它形式增韧机制的研究(如ZT(HfO2))。类似TZP中的晶间残余物尽管对烧结有利，在服役温度升高后，因变得容易变形而使材料强度和蠕变抗力受损。2.4.4 玻璃陶瓷2.4.4.1 玻璃的受控晶化传统的玻璃态组织可以发生结晶化现象，尤其是在被加热处理时，这点很久以来就为人们认识到并从中受益。然而，这种结晶化过程一般是在少数形核地点开始发起，并具有垂直于玻璃自由表面优先生长的倾向，由此得到的组织因晶粒粗大、取向严重而性能极差，无工程实用价值。玻璃陶瓷产品的基本思路是：一定组分的玻璃，在受控的热处理作用下，在不发生扭曲变形和形状尺寸变化很小的前提下，可以由易于成形的玻璃，转变为具有有用工程性能的细晶陶瓷制品。简单的说，这种发生于玻璃整体内的结构转变（整体晶化）的关键，就在于成核剂或催化剂的出现。如图2.10所示，某种玻璃的受控晶化处理过程由2段或更多的热处理步骤组成。第一阶段可在玻璃从形成并完成成形后的冷却阶段开始，在此阶段玻璃在特定温度下保温一段时间，以使整个基体上在催化剂作用下发生大规模晶态核心的析出。当这些“种子”区域达到一定尺寸后，不同种类
新兴材料 17
的晶体即在其上开始生长，图
2.11
所示的电镜照片给出了在初生籽晶和后续生长晶体之间存在的外
延关系。
图
2.10
制备玻璃陶瓷的温度
-
时间工艺曲线示意图
图
2.11
在含有
P
2
O
5
催化剂的
SiO
2
-Li
2
O-Al
2
O
3
玻璃中，偏硅酸锂在正磷酸锂籽晶上的外延生长
最终，
在图
2.10
所示的第二个热处理阶段，
整个组织被加热到不同的温度以诱发进一步的晶化、
晶体生长、晶态转变和逐步完成的玻璃基体的几乎完全消失。基于热处理方法制备玻璃陶瓷时，加热时间和温度的控制是最关键的。图
2.12
给出了玻璃熔体形核、生长过程温度相关性的典型示例，无论其最终形成的是玻璃态还是晶态固体，该规律都普遍
成立。
图中曲线
N
表示均匀形核速率，
也即单位体积玻璃中每秒形成晶态核心的数目。
曲线
G
表示晶
体的生长速率（微米
/
秒）
。每条曲线都有一个峰值，对于粘稠的玻璃熔体，该峰值一般不是很明显。当需要形成玻璃陶瓷时，最重要的是选择一个接近形核曲线峰值的温度以激发大规模的形核过程；然后在第二阶段热处理时选择不会激发过度晶粒生长的温度。通常选择高于第一阶段的温度进行第二阶段的处理。热处理工艺参数的悉心平衡有助于获得期望得到的超细晶粒组织，因而，应追求尽可能高的形核率、形核地点的均匀分布以及适度的晶体生长速率，最终晶粒尺寸在1μm或更小，其相互间的咬合有助于提高材料的机械强度。
Advanced Materials 18 因为均匀玻璃态基体上形核及其后的晶态生长对不同类型的玻璃均有各自不同的特点，关于这
些过程详尽机制的基础研究工作非常复杂。然而，尽管亚稳分解可能偶有发生，它通常也被归于形核和生长过程。尽管早期形核阶段的实际情况仍不明确，一旦先驱核心得以形成，仍可促使主要晶体相的异质形核发生。在热处理过程中，还可能形成平衡相图中无法表示的亚稳相的形成，在某些毫无预期的温度仍可能出现人们熟知的晶体相，而所谓的亚稳相也可能在服役温度下表现得非常稳定。此外，特别是对催化剂而言，多组元特征和改性氧化物成分往往更有效，它可以对获得的晶态产物类型及其相变过程产生显著的影响，对于给定的催化剂，其在热处理过程中的变化可以引发主要晶态相产物的相应变化。图2.12 形核与生长过程的温度相关性采用氧化物作催化剂的玻璃形核时，常常表现出亚稳不混溶性，即通过分解为两种固态玻璃相的过程来进行，这些微观相的化学成分相异，因而被认为会通过产生高的形核密度及降低晶体生长速率而对最终晶粒尺寸具有非常有益的影响。这种相分离既可能发生在熔体的冷却过程中，也可能发生在再加热过程，因此假定在玻璃配方中存在两种网状结构形成物时它更容易发生是合理的。高硼硅酸玻璃(一种SiO2–B2O3–Na2O玻璃)的制备，也利用了相分离方法的优势。2.4.4.2 玻璃陶瓷的发展玻璃陶瓷的研究始于1950年代末期，是从S. D. Stookey
在美国康宁玻璃制品公司对感光玻璃的
研究衍生出的一个分支。在这些玻璃正常的生产过程中，经紫外光预照射后的玻璃可以通过后续热处理改变其组织结构，诸如铜、银或金之类的金属被用作有限晶化的形核剂。研究者们偶然发现，更高温度的热处理可以引发完全晶化，在康宁公司进行的后续研究揭示：特定的氧化物也可以作为形核剂使用，这也导致基于SiO2–Al2O3–LiO2三元系的第一代玻璃陶瓷的研发成功，其便利之处在于，这些材料并不需要事先的辐照，而可以改善晶化效果的氧化物包括氧化钛、氧化锆和五氧化二磷等。生产上的实用考虑极大地影响着玻璃陶瓷的研究和开发进程，作为一般法则，熔化和精炼温度不应超过1400~1500℃。幸运的是，某些形核介质，如氧化钛，对氧化硅具有强烈的渣化作用。此外，熔体的粘度也很重要，氧化铝可以提高玻璃的粘度并延缓其熔化和精炼过程。因为组分控制是
新兴材料 19
制备玻璃陶瓷至关重要的特征，保持熔体成分的可重复性就显得极为关键。组分的挥发和熔体与耐火炉衬间的交互作用可以使熔体组分发生异变，例如，熔体中氧化锂含量较高时，其对炉衬的侵蚀作用也增强。熔体的粘度取决于其温度，出炉时一般在1013泊水平(1泊＝0.1 牛?秒?米-1)；冷却熔体一直在其粘度降至108泊之前都可以进行加工和成形。尽管传统玻璃可以在很宽的温度区间内进行加工，但可转变为玻璃陶瓷的玻璃组分却使这个区间变窄，特别是当加入氧化铝时。因此，成型工艺的选择可能仅限于自由重力成型或离心铸造。 由于亚稳性是玻璃陶瓷的本质特征，发现一定组分的玻璃在加工中倾向于永久地转化为晶态并无值得惊奇之处。铝和磷的氧化物、苛性钠、苛性钾则抑制SiO 2–LiO 2玻璃中发生的晶化过程。另一方面，玻璃的结晶化既不应太快(在熔体冷却过程中)，也不应太慢(在热处理过程中)。这种倾向可以通过加入对玻璃网状结构具有特定影响的氧化物来排除，例如，氧化锂在SiO 4四面体网络中引入无结合的活性氧离子而使该网络弱化，从而有助于结晶化的进行。 2.4.4.3 玻璃陶瓷的典型应用 玻璃陶瓷的多样性和巨大潜能使之迅速应用于发动机、化工设备、电子线路、密封件、建筑物覆层材料、航空设备和核能工程等领域，它们可以提供优异的性能组合，例如，玻璃陶瓷厨具电热面板具有坚固、光洁、易清理的特点，既可以保持长时间加热后的稳定性，又对卤素钨灯加热体发出的红外辐射具有“透明”特性，同时相对可见光还是不透明的，可以降低加热体的刺目光线对人的刺激，而且具有良好的热震抗力。其良好的热震抗力主要源自这类特种玻璃陶瓷低的热膨胀系数
(α)，在多功能SiO 2–Al 2O 3–LiO 2系玻璃陶瓷中，其α值可以通过控制其组织结构精确地设定于0到12×10-6° C -1范围内。因而，在含有约10%氧化铝的此类玻璃陶瓷中，二硅酸锂和石英(或方石英)晶体的组合使获得的材料具有相对较高的热膨胀系数；增加氧化铝含量到20%促使两类铝硅酸锂：β-锂辉石和 β-锂霞石的形成，在20–1000℃温度范围，这两种化合物的α值分别是0.9×10-6 ℃-1和-6.4×10-6 ℃-1，悉心平衡这两种组分相对于其余玻璃组成体的含量，可以使整体玻璃材料的热膨胀系数降至零，这对具有高尺寸稳定性要求的望远镜用大型反射镜片基座是极为理想的。在内燃机（如铁路机车用的）中，被废气和爆燃气交替加热和冷却的对流换热器需要有很低的热膨胀系数，玻璃陶瓷热膨胀系数的可控性，使得玻璃－玻璃及玻璃－金属间的密封件可实现精确的膨胀特性匹配。批量生产彩色显像管时，基于PbO–ZnO–B 2O 3系的可晶化玻璃陶瓷焊剂具有很高的α值，在没有扭曲变形风险的前提下，它被用于在较低温度下密封玻璃椎管和显像面板，这些密封焊剂随后被加热以形成玻璃陶瓷。 互相嵌锁的微晶组织有利于提高玻璃陶瓷的机械强度，其破裂模量与致密氧化铝陶瓷相当。在可切削加工玻璃陶瓷中，互锁的片层状云母晶体使形成的裂纹发生偏折或钝化，从而使形状复杂的可切削加工制件的设计成为可能。和耐磨损特性一样，当服役涉及与液体接触的环境（如：阀门、泵、容器内衬等）时，化学稳定性也极为重要。众所周知，如氧化钠、氧化钾之类的造渣剂可降低石英玻璃的化学抗力而使之发生水解，对于玻璃陶瓷，可通过用氧化硼对残留玻璃相进行稳定化处理排除这种敏感性。人们还尝试开发新的耐火熔炼系统以扩展玻璃陶瓷在更高温度范围（如1300–
1700℃）的应用，例如，SiO 2–Al 2O 3–BaO 系玻璃陶瓷具有超过1750℃的液相线温度，但此类玻璃也极难熔化。 由玻璃态向晶态的转变促使组织中的活性离子与晶体结构相结合而“消失”，因此，甚至在高达
500–700℃的温度范围，玻璃陶瓷都有着很高的电阻率和介电击穿强度；同时，其介电损耗也很低。
Advanced Materials
20
使用供应充足而廉价的工业副产品与废料进行玻璃陶瓷的大规模生产也备受重视，尽管因化学
成分复杂（如冶金矿渣）而难以实现对成分的精确控制以及完全的结晶化，人们仍然用工业废料为
原料生产出了坚固耐磨的建筑和筑路材料（如：炉渣陶瓷、炉渣玻璃陶瓷等）。
2.4.5 碳化硅
2.4.5.1 碳化硅的组织性能
碳化硅这种人工合成化合物有两种主要的晶体结构类型：菱方晶系的α-SiC 和立方晶系的β-SiC 。
温度升至2100°C 以上时，立方β-晶型开始转变为α-SiC 。工艺参数决定了其具体的晶体结构，大量
的细微变化可以通过X 射线衍射分析方法鉴别，例如，在菱方晶型的α-SiC 中就可能有很多不同的
堆叠次序（如：4H ，6H 等）
，这些变化（多型体）采用的术语（如：15R ，3C ）指出了对应的堆叠次序、原子层数和晶体结构。围绕中心硅原子排布的碳原子四面体结构，是这些多型结构的普遍和
基本的特色，这种两个四价元素的共价键合使得碳化硅具有极高的强度和硬度，以及非常高的熔点
（>2700℃）
。 尽管含有碳元素，碳化硅仍有很好的抗氧化性，在高温下，碳化物晶粒上形成一个薄的氧化硅
（方石英）密封层，随后冷却时，方石英层因发生 α/β 相变而可能破坏，从而使氧原子得以侵入，
在高于1500℃时，氧化硅层不再有保护作用，碳化硅可能分解产生SiO 和CO 。
当服役于热震抗力很重要的场合时，习惯性地采用一个与材料性能影响相关的参数对候选陶瓷
材料的热震抗力进行比较评定，此参数有很多建议采用的版本，一个典型的用于突发热震的参数R
定义为R = σ?(1-ν)/E ?α，此处 σ 是破裂模量（N ?m -2）， ν 是材料的泊松比（REFEL SiC 的泊松比是
0.24），E 是弹性模量（N ?m -2）， α 是线膨胀系数（K -1）。对于碳化硅而言，由于其分母项乘积值很
大，最终的R 值较低，而氮化硅的R 值更高，联想到涉及热循环加载时，以Si 3N 4固结的SiC 更受
欢迎的事实，这是很容易理解的。热震的强烈程度会影响不同材料的热震抗力分级，因此，对于快
速热震，需要在上述参数公式的分子上再乘以热导率（k ）项。
2.4.5.2 碳化硅粉末和成品制备
由于耗能可观，碳化硅的制备成本较高，作为商品碳化硅的主要生产方法，阿奇森高温碳氧化
法每制备1公斤碳化硅需要耗能6-12 kWh ，因此，其合成工厂一般建于水电资源丰富的地区，如挪
威和加拿大的尼亚加拉瀑布附近区域。在此独特工艺中，纯净的石英砂、石油焦炭（或无烟煤）、氯
化钠和锯屑，围绕着一个15米长的石墨导体被装填好，该导体被通以大电流并升温到2600℃以上，
其中的食盐将杂质转化为挥发性氯化物，而锯屑则在加热容器内产生互连的空洞，使气体和蒸汽得
以逸出。其基本反应为：
SiO 2 + 3C ? α-SiC + 2CO
围绕加热电极获得的反应产物被磨碎后根据大小和纯度分级，产物的颜色可以从绿色（99.8%
SiC ）到灰色（90% SiC ）不等。
人们还开发出很多其他化学反应与气相合成方法，由于其工作温度一般比阿奇森工艺低得多，
因而可以制备出 β-晶形的碳化硅。化学气相沉积就被用来制备 β-SiC 纤维和超细粉末。
通用耐火碳化硅制件一般采用将碳化硅颗粒和粘土的混合物在1500℃烧结的方法制得，其烧结
产物为莫来石和一种吸收了碳化硅表层氧化硅而包裹着碳化硅晶粒的玻璃相。其它的烧结介质还有
新兴材料 21
硅酸乙酯、氧化硅和氮化硅等，后者是通过在氮气气氛中烧结SiC/Si 坯体原位形成的，其高温下的坚固结合有助于提高碳化硅材料的热震抗力。 对于工程应用需求，则采用专门的、常常是高成本的工艺方法制备超细致密的SiC 陶瓷，使碳化硅粉末形成结合的可用方法包括干压、热压、粉浆浇铸、挤出成型和喷射沉积，其中最后一种方法需要消耗性的高分子粘结剂，在大批量长期生产复杂形状制件时更受重视。烧结时的主要方法与生产氮化硅时类似，都是采用各自的方式使粒子间获得最佳的结合质量。具体的，可包括热压（HP
SiC ）、无压烧结（S SiC ）和反应烧结（Si SiC ）。 生产高密度 α-SiC 坯料的方法最早由美国Norton 公司提出：当碳化物颗粒在感应加热石墨模内加热（>2000℃）加压烧结时，少量的添加剂〔碳化硼（B 4C ）、或氧化铝与铝粉的混合物〕起着关键作用。据信在热压烧结或无压烧结SiC 时，硼可加强晶粒表面和界面的扩散，使碳得以突破污染晶粒表面的氧化硅层。这些添加物还会造成晶间残余物的生成，从而影响材料的高温服役极限。热压
坯体通常需要机加工（如金刚石切削加工）至最终尺寸，因此热压法制备复杂形状制件的成本很高。 制备S SiC 所用的无压烧结方法采用低氧含量的超细碳化硅粉末，该方法同样需要改善致密化效果的添加剂（B 4C 或Al+C ），粉末混合物经冷压后在约2000℃的惰性气氛中进行烧结。 生成硅化碳化硅（Si SiC ）的REFEL 工艺是UKAEA 公司研发的，它也是反应烧结（反应结合）
的一个示例：α-SiC 、石墨和增塑粘结剂被压实并通过挤出或压制等方法成型，预制坯料可被机加工，然后在炉内加热除去粘结剂，最后在1700℃的真空环境中被浸入硅熔液，石墨态的碳和硅发生反应形成坚固的 β-SiC 晶间结合物。由于过量硅会残留于组织中（如8–12%），其最高工作温度被设定于硅的熔点（即1400℃），超出此温度后材料强度下降很快。理想情况下，最终组织中既不应有未反应的石墨，也不应有未被填充的空洞，由于热压时工件尺寸变化很小，因此可以达到很精确的尺寸容差；其间1–2%的收缩量主要是由粘结剂的加热逸出所致。 2.4.5.2 SiC 陶瓷的应用
自从利用阿奇森方法第一次制备出SiC 材料后，SiC 就成为一个长盛不衰的研究领域，现在人们可以生产出从整体材料到单晶纤维（或晶须）等各种形态的SiC 陶瓷，它被用于金属切削、炉内耐火材料和加热体、化工设备、热交换器、发动机等领域。 超高的硬度（2500–2800 kgf ?mm -2，努氏压头）和在高接触温度下保持锐利切削锋刃的能力，使
SiC 磨料迅速成为重要的磨削介质；而其出色的高温强度、化学稳定性、磨损抗力以及高热震抗力也证明了SiC 耐火材料的高生产成本物有所值。在制备高纯锌的新泽西工艺中，SiC 被用于诸如蒸馏器、托盘和旋转凝固器叶片等需要承受熔融锌液和锌蒸汽作用的工件，在钢铁冶炼行业，SiC 被用于排布鼓风熔铁炉的水冷炉壁和炉底，此时其高热导率和磨损抗力就非常重要。然而，它也可能被一定的熔渣侵蚀，特别是富含氧化铁的熔渣，这个特性可以通过支撑再加热炉内钢坯的炉底滑道方面的经验予以说明：此类炉工作于1250℃，传统上曾采用水冷钢制滑道，但会产生扭曲变形、磨损过快、并在接触钢坯时形成“冷点（未热透区）”等一系列问题，无需冷却的SiC 滑道解决了上述问题，但是人们发现钢坯上掉落的氧化铁可能熔化于SiC 滑道表面并对其产生侵蚀。在炉底板上埋入式安装
SiC 滑道，一定程度上改善了滑道的使用效果。 SiC 近来还在燃气炉管状辐射加热体的设计中扮演着关键的角色。图2.13给出了一个60kW 回流换热炉和用Si 3N 4固结SiC 制造的辐射管的组合，这个大英燃气公司的设计使排出的燃烧产物可以对进入的空气进行预热，从而获得高的热效率；同时使这些气体与大气相隔离而在炉内循环，该加
Advanced Materials
22
热管的最高表面温度可达1350℃。
图2.13 陶瓷辐射管的工作原理示意图
SiC 具有导电性，
用在电气冶金设备耐火结构中时必须十分小心。不过，导电性和耐火性的结合也使其具有独特的优势，例如，从1930年代就开始在整个工业界的电阻加热炉中广泛采用SiC 材料
作电阻加热体，这些加热体作为换能器件通过辐射和对流方式对炉料产生加热作用，它们可以在空
气或惰性气氛下在高达1650℃的温度下工作，但特定的工况会缩短其使用寿命 (如：碳氢化合物气
体会还原其所含的碳、而水蒸气会引起其氧化等)，服役温度升高也会降低其使用寿命，在服役条件
不是太苛刻时，其寿命可达10000小时。除了标准的圆柱状加热体，它也可做成双螺线形式从而在
相同的长度上通过两路电流，这种加热体应有合适的长径比，使之既不易碎也不过重。
SiC 中杂质原子的存在使电子流动得以发生，
因此它被归入非本征半导体范畴，其阻抗具有强烈的温度依赖性，从室温到650℃先是降低，然后再随温度的升高而缓慢攀升。由于这个特性和冷态阻
抗对杂质含量的高度敏感性，生产SiC 加热器的一个典型步骤就是在空气中测定每个加热体的阻抗，
以每cm 2上特定电流负载下的阻抗，去等效典型工作温度下辐射面阻抗（如：15.5 W ?cm -2和1070°C
对应），然后再用名义阻抗计算出需要的加热元件数量和尺寸。随着使用时间增加，其阻抗缓慢增大，
因而一般通过提高加热元件所加电压来保持输入炉内的能量不变（如：采用多级变压器等）。
特种SiC 陶瓷已被广泛用于工程实践中。在室温下，它们被用于耐磨粒磨损的机械零件（如：
机械密封件、轴承、泥浆泵叶片、拉丝模具、纤维喷丝头等）；在高温工程场合，SiC 现在和氮化硅、
sialon 材料一起，被看做是需要在1000℃以上服役的发动机零件的最主要候选材料 (如：火花塞、涡
轮增压器马达、涡轮叶片和螺旋桨及火箭喷嘴等)。火花塞使航空发动机燃气引擎熄火的风险降至最
低，其作用是不断重新点燃燃料与空气的混合物，它们必须承受相当大的热震载荷，如：引擎启动
时温度在20s 内从室温升至1600℃；如果发生熄火的话，又在不到1s 内降至900℃，氮化硅固结SiC
在此应用场合表现很好。在燃气轮机和柴油机中大规模推广SiC 材料的应用，则受制于其固有的脆
性，在其组织中加入第二相以形成复合材料的方法，被认为是解决其断裂韧性过低问题的一个可能
途径。普遍认为，需要进一步推进无损检测理论方法、以及陶瓷材料安全试验方法的精细化。
新兴材料
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2.4.6 碳
2.4.6.1 碳的多形性 介于金属和非金属元素之间、位于元素周期表中心区域的碳，可以恰如其分地称之为材料元素中的“变色龙”。多年的开发尽管已确立了无数的应用，它仍有让人惊异的潜力有待发掘。最近，激动人心的全新结构－C 60的发现和生产，就很好地证明了这一点。因为长久以来就被用作耐火材料，碳材料通常被归入陶瓷范畴：时至今日，粘土/石墨坩埚作为熔融金属容器的应用和其在16世纪的相同用途遥相呼应。碳的高温性能极为优异，尽管传统上就是一种燃料，并且理想情况下只应在低氧气氛中作为绝热工程材料使用，但其被消耗的氧化速率常常能被工业界接受，并且优于多数金属材料。 材料科学往往要强调碳的两种形成鲜明对照的晶体结构 (同素异形体)：金刚石和石墨，尤其当它们分别表现出极致的硬度和柔软程度时。这两种晶体形式都可以自然形成，也都可人工合成。工业界很久以来就认识到它们的独特性能并成功开发出范围极为宽广、甚至让人眼花缭乱的特种碳材料产品。在此结构各异的产品范围内，碳的结晶度可能从超高一直到最小程度不等。为了说明其晶体结构的重要性和控制其晶体结构的可能方法，我们将考察下列碳材料类别：天然与合成金刚石、焙烧和石墨化碳、热解石墨、玻璃质碳、层状复合物、C 60等等。 2.4.6.2 天然钻石 立方晶形的碳以其高硬度、高强度和美丽著称，由于碳原子间键合长度完全相同（0.1555 nm ），因而从其四面体式排布、高度对称结构中取出一个部分时，需要切断大量的这种强键合而不存在易解理平面。按照商业术语，开采所得的钻石可分为三种质量级：宝石、工业钻石和金刚石碎粒。宝石级的原始钻石只能是自然界的产物，通过要求极高的切割工序（主要涉及在精心选择的平面上如
{111}面进行解理切开）、和以钻石研磨膏与橄榄油的混合物进行的锯切、研磨及抛光后，其成色进一步提高。在切割钻石过程中，至少一半的物质会损失掉。宝石商生产出的钻石具有的高对称性钻面（cuts ）使钻石的内部反射（'life'）及折射（'fire'）光学效果至臻佳境，这些钻面与数学确证的标准几何对称特征高度一致。目前被普遍喜爱的切割模式主要有多面型、绿柱石型或长条型。 具有接近宝石品质的单个工业级钻石被用作砂轮的平衡和磨料涂敷、雕刻、岩石钻孔和作为铜、钢、钨等金属的拉丝模具。在重要的平衡校准和磨料涂敷阶段，一个镶有一颗钻石的工具被对准旋转着的砂轮工作面，砂轮的轮廓被此工具修正，而且获得磨料磨粒稍微凸出砂轮基体的表面形态。天然单晶钻石还被用于拉拔直径很细的线材（比如小于0.2mm ），这些拉丝模具的开孔具有特定的晶体学取向，可以在尺寸容差超限前通过10000km 的线材。 金刚石压头被用于宏观和显微硬度计。机加工后的金属表面形貌常用表面轮廓仪进行测试表征，该仪器采用一个细小的金刚石笔尖划过一个特定的采样长度，对所获高分辨率轨迹数据的解读应该与表面形貌观察相互协调，因为移动的笔尖常常会在测试样品表面犁出沟槽。 金刚石碎粒的尺寸<1.5mm ，一般有严重的瑕疵和结晶缺陷，很多年来，它实际上没什么销路。到了1930年代，其在研磨砂或制备砂轮磨料粉末方面的应用才开始发展起来，这以后在锯削、钻削和其它机加工过程中的应用日益广泛，成为公认的对有色金属及合金、硬质合金、混凝土、石材、玻璃、塑料等进行研磨的介质。被推进到工件内的粘结式砂轮工作面是一种由粘结基体和嵌入其内的研磨颗粒（金刚石、钴包碳化钨、氧化铝或碳化硅）组成的复合材料，其基体可以是烧结金属、
Advanced Materials
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电镀板、玻璃或树脂，磨料和基体最佳组合的选择可以从丰富的实践经验得出，并且广泛地取决于
待加工材料和切削条件，假定每个金刚石磨料颗粒都是单个的切削工具是合理的。如果某些品质的
金刚石具有断裂形成新切削刃面的倾向，而不是被从基体中拔出，则对特定的机加工操作有利。金
刚石的高热导率（高于铜）和低摩擦系数使得这些工具中各个磨粒上热量的产生和耗散都非常小，
这些特性促进了采用更高进给速率和砂轮转速，对于提高加工生产率、尺寸精度和表面质量都很有
利。用简单的术语说，就是更高的切速意味着每个磨粒受到的应力和热影响周期也更短。（人工合成
磨料的出现也促进了磨削生产实践中这种特殊发展趋势。）
精细研磨和抛光工序也需要金刚石粉末；在这些精密切削工序中，发热通常不再是问题。对金
属和陶瓷样品进行金相抛光时，从粗砂纸到亚微米级细砂纸的过渡，在磨光样品表面的同时，也逐
渐减小了不希望发生的表面变形层的深度。
2.4.6.3 人工合成金刚石
寻求以碳质材料合成金刚石方法的努力可以一直上溯到19世纪。二战后，由于担心非洲政治不
稳会危及金刚石碎粒的供应，此类研究再度活跃起来。美国通用电气公司在1955年率先宣告了用石
墨合成金刚石的成功。（随后泄漏出的消息显示，瑞典斯德哥尔摩的ASEA 在距此两年前就获得了与
之相当的结果，但却没有公布。）这些非凡的方法将石墨同时置于极高静压和高温下。
合成所需要的物理条件通常根据图2.14所示的相图进行讨论。
图2.14 碳的压力－温度相图
GEC 工艺就满足了上述条件，
此外，还需要借助于金属添加剂（如：Ni, Cr, Mn, Fe, Co ）的加入。这些金属起到碳的助熔剂、以及金刚石结晶和生长催化剂的作用。C 和Ni 共晶混合物的液相线也画
在该相图中，以详细说明金刚石生长区（图中阴影区域）。最初，在较Berman-Simon 线高很多的温
度、压力条件下，合成的晶体常是棕色的，并含有较多堆叠缺陷和金属夹杂，其性能脆而不耐用。
当工艺温度和压力的测量方法得到改进后，实践证明，在略高于Berman-Simon 线的阴影区进行合成
可以获得更为缓慢但更可控的晶体生长。
后来，GEC 在高达200千巴的压力下进行的实验，成功地将结晶完好的石墨转变为小的金刚石
微晶，其尺寸大约为0.1mm 左右，具有六方对称的纤锌矿结构特征。随后在陨石中也发现了自然形
态的“六方”晶形金刚石；人们推测它是在陨星撞击地球时形成的。通过爆炸冲击加载技术也合成
新兴材料 27
后的PCD 可以在高至1200℃时保持良好的热稳定性，被用作开采硬质岩石的钻头。 2.4.6.6 炭精电极和石墨化碳 数百年来，以耐火粘土固结的天然石墨坩埚一直被用于金属熔炼过程，尽管其强度一般，但耐热温度却高达1200℃。天然石墨的其它用途还包括：润滑剂、刹车片内衬、轴承、铸造涂料和铅笔芯等。由于其结晶度很高，因而具有较好的化学稳定性。 制备碳材料的大多数需求可由合成方法满足，其应用则五花八门：发电机和电机马达电刷、航空器的火箭喷嘴与整流罩、耐火炉衬、金属铸造和热压模具、核反应堆的减速器和反射器、电弧焊电极等等。工业应用的大块碳材料产品主要有两类，其制备都既不涉及熔化、也不涉及烧结过程。第一类即炭精电极材料，是将碳质填料或粉料（如：石油焦炭、无烟煤、沥青焦炭等）与粘结剂（如：煤焦油沥青、热固性树脂等）的混合物通过挤出或模压方法实现制备。因为焦炭颗粒通常具有一个长轴，上述的成型方法就决定了最终产品一般具有各向异性特征。因此，挤出工艺使焦炭颗粒沿平行于挤出方向的方向排列；而模压则使颗粒垂直于压力方向排列（相应地，最终产物常常具有所谓的“纹理”。）。预制的坯料在还原气氛中被加热到1000~1200℃的温度进行焙烧，在此关键工序，沥青分解或“破裂”形成填料颗粒间的碳连接，同时大量挥发性物质在此阶段生成，导致产生20~30％的孔隙率。这些孔隙会使组织弱化并降低材料的电导率，由于其互连特征，还使得最终组织具有气相和液相透过能力。把所得的炭精浸入沥青并再次焙烧，有可能降低其孔隙率。随后在高得多的温度（2500~3000°C ）下进行的热处理导致组织结构的石墨化，为达到此目的需要采用一种电阻炉，因此产品有时也叫“electrographites ”（人工石墨）（大多数用于更大尺寸碳材料制品的电炉都是1895年Acheson 原始设计的改进型，该原型设计在碳材料工业的发展史上享有特殊的地位。）。 不管是焙烧后还是石墨化后的最终制品，都很容易地进行精确的机加工。碳材料制品的最终性能取决于诸如原始颗粒尺寸、填料或粘结剂的类型、纯度、炉温等变量间的相互影响，因此，在更高温度下进行人工石墨的制备，可以更好地去除内应变、促使缺陷愈合，并促进组织内部的石墨化进行；也因此，人工石墨具有比焙烧炭精更高的电导率和热导率，使得有可能降低电极横截面积，节省大量的材料，因而，大型金属熔炼炉更倾向于采用人工石墨。尽管如此，焙烧炭精和成本更高的人工石墨都在电炉领域实现了广泛的应用，它们的出现和持续发展，在钢铁、铝合金、碳化硅、碱金属及其氧化物、磷、镁合金、氯等工业原料大规模生产所需的电极材料领域，贡献极为突出。除了需要耐高温性能，电极材料还必须抵抗化学侵蚀、装炉时的机械损伤、高的温度梯度和热震，尤其是后者，碳电极材料具有难得的综合性能，即低的热膨胀度、低的弹性模量、良好的高温强度和高的热导率。而其低的电阻系数使电阻性发热最小化，因而有助于限制电极的温度。 化学工业则采用各种浸渗技术解决其固有空隙的问题，以便可以加工处理诸如苛性钠和亚硫酸盐溶液等腐蚀性液体。热固性树脂被用来对碳材料进行封孔处理以阻止液体的进入，不过由于有机化，处理后材料在服役温度高于170℃就开始分解。也可以用更稳定的化合物如碳化物、硅化物、硼化物和氮化物进行表面密封，例如，在2000℃将碳材料浸入硅熔液可以形成原位碳化硅使表面获得密封性。 2.4.6.7 热解石墨和玻璃质碳 如前所述，大多数工业石墨态碳材料都是多晶形式，常常因其成型工艺而呈现出整体各向异性。各向异性是单个石墨晶体的显著特征。事实上，与大多数其它类型的晶体相比，石墨在特定性能上表现出更明显的各向异性。对其多晶产品，通常有必要通过精心地随机化晶粒取向（如：核反应堆
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28
的石墨减速器）来抵消各向异性的危险影响，而相反的方法则导致具有强化各向异性特征的石墨制
品的成功开发（即：热解石墨（PG ）
）。与传统石墨制品相比，PG 具有更低的化学活性和更好的机械性能，它还可以被机加工到精密的尺寸容差水平。在1960年代，制备近乎完美的石墨片第一次成
为可能，这些石墨片可以用来更为详尽地研究其物理、化学各向异性。
其基本生产方法是，把碳氢气体（甲烷CH 4或丙烷C 3H 8）与惰性气体载气的混合物通入、并使
之与被加热至约2000℃的基体材料相接触，以沉积形成热解石墨。在基体表面的界面层内，碳氢气
体分子被热“裂解”（如：CH 4 = C gr + 2H 2）。如前所述，沉积物的物理特性由工艺参数决定，如：温
度、碳氢气体分压、基体材料和基体面积等，这些极为关键的工艺条件决定了沉积形成的碳是以单
个原子、平片还是三维原子团形式到达基体表面。因此，二维碎片就形成具有高度各向异性的层状
沉积，而更大尺度的三维原子团则形成各向异性很小、甚至无整体各向异性的各向同性沉积物，如
果基体是电阻加热的碳质心轴，则可获得管状沉积。
沉积所得的热解石墨由既有层状结构、又有一定无序度的微晶组成。为了解释其结构状态，把
它与更稳定形式的石墨作一比较是很有益的。理想的石墨晶体具有以ABABAB …次序规则堆叠的六
方{0002}层，其层间距约为0.335nm ，在热解石墨中，找不到以这种堆叠方式精准搭配的六面体层。
以化学气相沉积（CVD ）合成制备方法获得的是一种“乱层”排布，其中的六面体网格尽管局部仍
然相互平行，但层间却没有精准的相互搭配关系（如图2.15所示）
。这种错配可以比作一副胡乱码放的扑克牌，其长短边互相错开，这种既无序又分层的结构就被称为“乱层”（turbostratic ）。热解石墨
的每个微晶由很多的六面体层组成，而其层间距则大于理想的0.335nm 。为形成每个微晶的堆垛层
指定一个c 轴，并通过X 射线衍射分析确定其平均层间距（L c ）是非常有用的。笼统地讲，石墨的
“乱层”结构可以看作以基本稳定的碳原子过渡区分隔的微晶团块。如果在非常高的温度下，如3200
℃进行退火处理，则可消除“乱层”结构使之恢复稳定的ABABAB …排布形式。
图2.15 (a) 晶态石墨 和 (b) “乱层”石墨的结构
还有很多其它方法可以用来制备热解石墨。通过在碳纤维编织物上沉积热解石墨，成功制备出
航天器使用的碳－碳复合材料。在核反应堆领域，采用流化床技术在二氧化铀颗粒表面镀制出具有
不同各向异性特征的PG 分隔层，在流化床中，碳氢气体和惰性气体的上升气流带起装入的核燃料
颗粒；床温非常均匀而且可以实现精确的温控；在更低温度下运行的流化床还被用来在人工修复装
置表面镀制碳膜，如假牙和带有1mm 厚碳膜层的人工心脏瓣膜碟状翻板。
为了除去任何导致弱化的
新兴材料 29
缺陷，这些镀层在使用之前有必要进行抛光处理；通过在流化床的气氛中加入硅烷，可以提高其磨损抗力和强度。碳是人体内的主要化学元素之一，其对人体活性组织、血液和其它体液具有良好的兼容性（排异反应小），因而它成为一种有价值的人体修复和移植材料也许就没什么值得稀奇的了。 各种结构性无序，主要由合成工艺条件决定；因此，合成形成的微晶相互之间的相对取向关系可能是平行的（层片状结构）、随机的（各向同性）等等。因为L c 很小，层片状热解石墨和各向同性的热解石墨沉积物都有硬而坚固的特性（PG 的典型L c 值约为3-10nm ）。尽管可能获得高度各向异性的沉积物，其性能还可以通过应力诱发再结晶进一步强化，例如，可以通过将PG 沉积物装入商业化多晶石墨封套，在3000℃量级高温下热压制得热导率各向异性比高达200的接近理想状态石墨，随着热压封套的塑性变形，强大的压力迫使微晶产生取向性排布。在层片状热解石墨中，其各向异性表现为：材料在平行于六面体网络的方向上呈现出优良的导电性，而在c 轴方向则可以成为同样有效的绝缘体，因此在垂直于六面体网络的方向上，其温度梯度可能非常大（如300 °C ?mm -1）。实验表明：在PG 沉积物在加热心轴上生长过程中，当气体/沉积物界面处的温度逐渐降低时，这种梯度使沉积碳的结构也随之变化。（这也是PG 沉积层通常很薄的一个原因：最厚的沉积层通常也只有
30-40mm 。）另一方面，层状各向异性PG 也有工程应用上的优势，例如：Ubbelohde 大力倡导在运行温度2000-3000℃的感应加热炉中采用热解石墨作炉腔或坩埚，其炉腔因具有平行于a 层的内壁面而有利于横向热传导，并可在工作空间内形成均匀的温度分布，而通常这正是电炉设计者们所孜孜以求的特性；同时，其外壁面运行于低得多的温度；根据Stefan 辐射公式（T 4），其辐射热损失降至最低，从而有利于炉体系统热效率的提高。 玻璃状的低孔隙率碳材料，即通常所说的玻璃质碳，源自热固性树脂的高温分解，而不是源自碳氢气体的裂解（如苯酚甲醛树脂），在其典型的制备阶段，特制的树脂经模压成型、以及900℃惰性气氛下碳化处理，最后在真空中以1800℃温度烧制而成。由于大量气体逸出造成的分裂作用，产品的厚度必须限定在约5-8mm ，而报道的收缩量则在20-50%量级，这些特性要求对烧制工艺条件进行精准的控制。 玻璃质碳从其有机性先驱体继承了特定的结合特征，因此，其石墨化和有序化都受到一定程度的抑制，其微晶比制备热解石墨时获得的微晶要小得多，粒径一般为5nm 左右，微晶的层间距也比理想石墨的0.35nm 大得多。其层间交联似乎很坚固，从而有稳定和强化效果。此外，因为微晶随机取向，玻璃质碳是各向同性的。与石英玻璃类似，玻璃质碳硬而脆，其断口呈现贝壳状特征。 玻璃质碳的应用价值主要表现在，其具有抵御诸如高浓度氢氟酸、苛性碱和熔融金属（如：Al, Cu,
Pb, Sn. Zn ）等侵蚀性液体的渗透和侵蚀能力，其化学惰性主要是因其具有低的孔隙率和高的纯度。通常它对不形成碳化物的金属耐受性良好，然而，和石墨一样，它会受到碱金属的侵蚀。在化学实验室，玻璃质碳被用作坩埚、炉舟、过滤器、不粘滴管龙头等，在化学分析、晶体生长和区域熔炼等应用中显示出比铂、镍、玻璃、石英等传统材料更为优越的性能。在电子工业中，玻璃质碳则被用于光学/微波设备用磷化镓和砷化镓材料、锗晶体管和特种光纤用玻璃的制备，而事实上，正是对砷化镓用容器的急迫需求激发了玻璃质碳的开发。在化学工业中，它被用于难处理液体输送泵的旋转密封。除了比金刚石外所有其它形式的碳材料更硬和更坚固，它还在高达3000℃的温度具有导电性和耐火性，可以用来制作电阻加热和感应加热反应容器。可以采用超声波对其进行加工获得完好整齐的切面（石墨则由于其层状结构，在超声波加工后其边缘趋于圆钝化或干脆被破坏。）。
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30
2.4.6.8 石墨的化学活性和插入层
对于外来异质原子与石墨层状结构的相互作用及其渗透作用的研究收获颇丰。由于石墨的层间
距较大，层间作用力又相对比较弱，把每层看作一个巨型芳香族分子在化学意义上比较便利。（由于
石墨层内C －C 共价键0.1415nm 的长度与芳香族有机物－苯(C 6H 6)分子的键合特征相似，这种假设
是合理的。）在多数形式石墨的单层内，通常有形成“孔洞”的丛生空位，尽管在这些“孔洞”位置
就能发生与穿入层间的外来原子的化学反应，这些化学反应还是更倾向于在自由价键“凸出”的层
边缘处发生，例如，当层边缘接触到自由表面、空位或裂纹时，氧的侵入就更容易实现。如果与外
来原子在层内发生反应，则新形成的键合可能引起层的凸起。
如图2.16所示，与这些相当随机的异质原子入侵、反应形式相比，完全有可能在平行的巨型分
子间插入大量的异质原子或分子从而形成具有特定化学计量比的石墨化合物。（Ubbelohde 为这类新
材料起了一个名字叫“合成金属”。）这些夹层化合物通过将石墨置于气体相、化学溶液或电解质溶
液中制得。采用钾作为插入元素，已经制备出一个钾石墨系（如：C 60K, C 48K, C 36K, C 24K, C 8K ）
。随着插入的进行，这种满足化学计量比的规则排列开始出现，而被钾填充区域的间距则以系统的模式
逐步降低。插入物迫使巨型分子分开，有时还会使之通过剪切变形而互相重合，从而转变ABABAB...
的堆叠次序为AAAA...。可进行插入的元素包括碱金属元素、卤族元素、铯和銣以及硝酸根、硫酸
根和磷酸根。
图2.16 钾石墨（C 8K ）的结构示意图
(石墨的六边形层分离并滑移至非交错序列位置，从而允许钾原子插入)
插入对材料的电特性产生有趣的影响，一般与两种形式的电荷迁移有关。石墨本身就在低温下
具有适中的导电性，每10000个碳原子中大约有1个载荷子。（对于铜，这个比率为1：1。）随着碱
金属作为供电子体在石墨的“空”能级注入电子，插入钾形成的钾石墨（C 8K ）的载荷子数量提高到
1:10(-ve)。对应地，当溴被插入形成化合物C 8Br 时，由于卤族元素原子扮演了电子受体的角色并从
石墨的“满”电子价带夺去电子，其导电性也显著提高，这时，载荷子的数量也升高到约1：10（+ve ）。
新兴材料 31
与插入相伴的电子迁移能引起石墨惊人的颜色变化：C 24K （中间态）和C 8K （饱和态）的钾石墨分别是蓝色和金褐色的。这些独特的电荷转移过程对揭示化学键合内在机理是极有价值的。 原则上，接近理想状态的石墨比更具不完美形式的石墨容易插入，就是说，没有层间结合的阻碍作用，在巨型分子间更容易完成插入。作为插入催化剂的特定物质（如：一氯化碘），具有“释放”石墨层的能力，这些催化剂被用于“合成金属”的大规模化学生产。插入卤族元素（溴或氯）被用来强化高分子基碳纤维增强复合材料中纤维和树脂基体间的结合。插入还建立起广泛用于核工业的快速验证试验的基础，以模拟中子轰击对原型石墨的作用。插入的溴原子迫使石墨层沿着c 方向张开。 2.4.6.9 从C 60到C 60晶体 大约在1985年，基于对蒸发碳的实验检测，一种令人激动的、完全出乎意料的全新碳分子形式得以发现，质谱分析表明，具有相对分子量720的稳定碳原子集团大量出现，这些分子被假定是球形笼子形状，60个碳原子构成截顶二十面体的顶点，从而形成了让人联想起测地建筑和足球的C 60
球壳结构（如图2.17所示）。C60分子被命名为“Buckminsterfullerene ”。此后，人们还制备出每个球壳超过200个碳原子的更大“富勒体”分子。
图2.17 C 60球形分子示意图
对称特征与金刚石和石墨迥然不同的第三态碳分子的发现，有力地促进了对各种C 60合成方法的探索，以制备出宏观尺寸大到足以满足进一步科学研究和商业开发的固体C 60。随后，一种固态晶体形式的粉末和薄膜，也即C 60晶体，以克的数量级被制备出来。其基本方法是，在氦气气氛中的碳电极间点燃电弧，从而得到石墨、C 60和C 70的煤烟状混合沉积物。所形成的另一种富勒体C 70的数量较少，并具有明显拉长的分子特征。这种煤烟一般含有约5-10%的两种富勒体分子，用苯萃取后，就可得到C 60分子的微米级晶体。C 60分子的六边形堆叠阵列的某些部分有明显的无序特征，从已获得的C 60晶体单层STEM 图像，可以清楚地观察到六边形密排的球形分子阵列（即：六重对称）。 和对有机和高分子化学的影响同步，C 60也在材料科学领域激发了很多的构想，被提议的“巴基球”产品就包括了润滑剂、半导体和复合材料增强体纤维。单个分子的笼状结构暗示其可能适合于
Advanced Materials
32
封装金属或放射性同位素原子，形成分子尺度封装（如：La 3+）。此外人们还对在其外表面搭接离子
非常感兴趣。
2.5 玻璃技术概要
2.5.1 玻璃的粘性变形
粘性是玻璃的根本属性。尽管下面介绍的主要是玻璃的加工和退火，这些内容也与釉质材料和
存在于很多陶瓷中的玻璃质晶间相有关。玻璃内的粘性流动可以用两个数学表达式表述：首先是理
想液体的牛顿流公式：
ητφτδδγ//=?=t
此处，t δδγ/ 是剪切应变率，τ是施加的剪切应力，φ 是流度系数，η是粘性系数。在其熔化范围
内，典型的SiO 2–Na 2O–CaO 玻璃具有5–50 N ?s ?m -2的粘度（而液态金属的粘度接近于1 mN ?s ?m -2。）。热拔玻璃时，其截面积以一定速率减小，该速率只取决于拉拔力和其粘度，而与面积无关。因此，
玻璃均匀地拉长而不会产生“颈缩”。
第二个阿雷尼乌斯型表达式主要与粘性的温度相关性有关，可以写成如下形式：
()kT Q A /exp ?=η
此处，A 是常数，Q 是激活能，k 是玻尔兹曼常数，T 是绝对温度。相应地，通过画出log η 随
1/T 的线性变化趋势，并测出其斜率，就可以获得粘性流体的激活能。尽管上述两个公式对很多类型玻璃都成立，但特定的玻璃在特殊的温度和应力条件作用下，会表现出非牛顿流体和/或非阿雷尼乌
斯流体行为特征。
如前所述，氧化物玻璃的粘度主要由其成分和温度决定。一般地，改性阳离子浓度的升高和（或）
温度上升导致其粘度下降。图2.18给出了典型SiO 2–Na 2O –CaO 玻璃的粘度与温度关系曲线，图中
标示出了两个关键的粘度值，它们分别对应两个实用的温度，即人们熟知的（1）利特尔顿软化温度
（粘度＝106.6 N ?s ?m -2）
；和（2）退火温度（粘度＝1012.4 N ?s ?m -2）。 软化温度可通过标准化的测试流程确定，它表示玻璃不发生严重尺寸改变的最高操作温度。普
通石英玻璃的软化温度是1000K 左右。在退火温度处，离子具有足够的活动能力，从而在约15分钟
时间内使残余应力得以消除。在特殊玻璃系的比容积/温度曲线上，斜率最大的点与拐点对应（假定
的拐点或玻璃转变温度）。商用石英玻璃的可加工操作区间与103–107 N ?s ?m -2的粘度范围对应，其曲
线相当陡峭，说明在加工（即拉拔、吹制、轧制等）时必须把温度控制在很小的区间内，比如±10°C 。
图2.19给出了不同类型玻璃的粘度曲线对比，可以明显看到加工纯石英玻璃（熔融石英）的困难：
即使在1300℃的高温下，其粘度仍高达1012 N ?s ?m -2而难以加工。具有特殊化学和物理性能的玻璃常
常具有陡峭的粘度曲线并有晶化倾向，这对在传统的加工温度范围拉拔造成一定的困难。一个解决
的方法是，在石墨模具中对其进行热挤获得棒材或管材，通过采用极高的压力（高达10 GN ?m -2）
，有可能克服其107 N ?s ?m -2的高粘度，并采用较低的挤出温度（如950℃），这些温度可能比传统加工
新兴材料 33
温度低甚至
200
℃，
从而可在阻止晶化的同时，
通过抑制表面张力的影响，
有助于获得外廓整齐精准
的棒材和管材。
图
2.18
典型
SiO
2
–Na
2
O–CaO
玻璃的粘度随温度变化曲线
图
2.19
典型玻璃的粘度曲线
2.5.2
部分特种玻璃大多数商品玻璃是以二氧化硅为基、以碱金属氧化物作为助熔剂制得，其化学成分可根据不同用途进行相应的调整（如：瓶子、平板玻璃、灯泡等）。成分最纯的二氧化硅玻璃具有极低的线性热膨胀系数（α = 0.55×10-6℃-1），被应用于高温场合。熔融的沙子被用来制备“熔凝石英”玻璃，而高纯度的“熔凝二氧化硅”玻璃则通过在1500℃以上的温度下、使SiCl4和氧发生反应后的气相沉积获得。（这两种都是试行的定义。）窗玻璃（钠钙玻璃）的典型组分为72SiO2–14Na2O–10CaO–2MgO–1Al2O3，其方便可调的加工温度范围（700–1000°C）主要应归因于其两种分子网络改性剂Na2O和CaO的作用，其助熔作用效力可以通过以下事实证明：这种窗玻璃的软化温度（700℃）比高纯石英玻璃的软化温度至少要低800℃。玻璃的软化温度，按照美国材料试验学会测试方法的定义，就是玻璃纤维在其自身重力
Advanced Materials 34 作用下以一定速率伸长时的温度。而玻璃的化学组成则采用F. V. Tooley推荐的“系统”命名规则表
述。
（即氧化物组元按照重量百分比依次降低的次序写出。
）
硼硅耐热玻璃
（
81SiO
2
–
13B
2
O
3
–
4Na
2
O
–
2Al
2
O
3
）
含有两种分子网络改性剂，
并以其化学耐久
性著称，由于它具有较低的膨胀率（
α
= 3.3
×
10
-6
℃
-1
，
0~300
℃）和良好的热震抗力，被广泛用作
化学实验室用玻璃器皿和工业处理设备，有时它也被称作硼硅酸盐玻璃，但这种称谓不幸地暗示了其晶化倾向。在特定的玻璃中作为一种中间体，PbO实际上也可以形成网络结构，其作为熔剂不同于Na2O之处在于，它不会降低玻璃的电阻率，因此SiO2–PbO–Na2O–Al2O3
四元系被广泛用于制备电子和
电气元件，高的铅含量有利于玻璃对
X
和
γ
射线的吸收，使之适用于无线电波屏蔽（
65% PbO
）和
彩色显像管（
23% PbO
）。此外铅还提高了
SiO
2
-
基玻璃的折射率和散射，被用于改进光学透镜和被
世人熟知且误称为“铅水晶”的装饰性玻璃的光学性能，后者
20~30%
的
PbO
含量为制造工匠提供
了一种“长效”玻璃，即可供加工和处理的温度区间范围很大，在此区间内玻璃的粘性只有轻微的变化。氧化铝（Al2O3）作为一种媒质也在玻璃的组分设计时频繁发挥作用，用量较小（如1~2%重量分数）时，它可以改善SiO2-基玻璃抗水侵蚀的能力。然而，它的出现也导致熔体粘度升高，并使玻璃的熔化和除气更为困难（例如，更不容易分离出玻璃中的气泡。）
。玻璃成分对其粘性的影响一直
是玻璃技术的一个重要的方面。
Al
3+
阳离子进入玻璃离子网络中的四面体位置，替换掉四价硅阳离
子，结果降低了未形成连接的
O
2-
负离子数量，从而提高了玻璃的强度和刚度。通过大幅度提高氧
化铝含量到
15~25%
的重量百分数，有可能获得宝贵的高温稳定性，例如，
62SiO
2
–
17Al
2
O
3
–
8CaO
–
7MgO
–
5B
2
O
3
–
1Na
2
O
玻璃具有超过
900
℃的软化温度，
这比平板玻璃高约
100
℃，
这种铝硅酸盐玻璃主要用于制作燃烧管。2.5.3 钢化玻璃和夹层玻璃玻璃一般在弯曲时产生的拉应力载荷条件下强度较低；它也不耐冲击载荷作用。尽管如此，在压应力条件下其强度却极高，相应地，通常采用在其表面层产生高的残余压应力的方法使其强化和韧化。这些残余压应力抵消了施加在玻璃上的拉应力（比如说，在弯曲平板玻璃的凸起面上）。
在这些脆弱的表面开始形成危险的拉应力之前，必须先克服这些压应力的作用。在工业生产中，有各种各样的物理、化学方法可以用来改善玻璃的承载能力和在冲击条件下的服役行为。“钢化”这个术语通常既涉及热处理也涉及化学方法。在热淬工艺，也即汽车用前后窗玻璃广泛采用的一种钢化处理工艺过程中，玻璃板在切割和成型后，被均匀加热到高于T g（如700
℃）的
温度并保温
2-4
分钟后以空气射流进行急冷处理（淬火）
。由于玻璃具有低的热导率，其芯部区域的
最终收缩为其刚性外层所限制，
从而产生了如图
2.20a
所示的压应力
（
-ve
）
和拉应力
（
+ve
）
的平衡。
在此工艺中，玻璃板必须没有缺陷，以承受剧烈的急冷应力，同时其厚度必须在
2-3mm
以上，以便
形成期望的应力梯度。
这种方法可以获得高达
200 MN
?
m
-2
的表面压应力。
将这种钢化玻璃加热到
200
℃的温度将会消除这些应力。
当钢化玻璃在冲击作用下破裂时，
会产生小的、
具有钝化边缘的碎片。
钢化处理后的产品不能被切割或成型加工；开槽、钻孔等必须在热处理前完成。化学强韧化方法也可以用来获得保护性压应力，这种方法更为多样化，适用于玻璃不同薄厚的区域和特殊形状的零件（如：Chemcor），不过，因为涉及离子交换和扩散过程，它需要更长的处理
新兴材料 35 时间。其意图是改变玻璃的表面成分从而降低其热膨胀系数。从高温冷却时，炽热芯部更大的收缩被限制从而在改性处理后的表面层产生极高的压应力。在化学“钢化”处理方法的一种形式中，含钠的玻璃在水蒸气和二氧化硫气氛下被加热，在玻璃的表面发生了H+离子和Na+离子的交换（即'H代换Na'）。在另外一种高温形式中，当玻璃被浸入锂盐熔体中，则发生'Li代换Na'的离子交换。低温化学“钢化”处理时，来自熔盐的大离子置换了被浸没玻璃表面的较小离子，从而使玻璃表面产生膨胀（如：'K代换Na'，'Na代换Li'），在从较低温度冷却时，刚性的芯部以及表面层中吸收的更大离子的出现，使压应力得以形成。化学“钢化”处理方法常采用特殊成分的玻璃。图2.20 钢化玻璃板内的残余应力分布（应力单位：MN?m-2）制瓶工业就采用化学表面处理方法强化可回收使用的玻璃瓶（以提高复用次数），并使之在高速通过装瓶设备时具有有用的光洁特性（把两个玻璃瓶放在一起互相滑动摩擦就可以看到其是否具有润滑涂层。）。基于复合方法的上述“钢化”方法的替代途径，是在两块一样的浮法玻璃板间插入一个约1mm厚的塑料中间层，该中间层通常采用聚乙烯醇缩丁醛（PVB）树脂。在1960年代中期，由于车祸统计的结果表明，层合风档玻璃比钢化玻璃更不容易造成致命的人身伤害，这种成本较高的方法开始在汽车风档玻璃领域获得青睐，其碎裂被限制在撞击区域，PVB中间层在撞击时发生的弹性变形吸收了撞击能量，并使玻璃碎片保持在原位上，从而降低了面部划伤的危险，在撞击后还能保持一定的能见度。除冰风档玻璃在其玻璃层间还有埋入的加热钨丝（三层加热屏）。具有更厚塑料中间层的层合玻璃被用作飞机风档玻璃；它们必须承受从高纬度（-80℃）到飞行发热（150℃）的极端冷热工况，以及可能发生的、重约2kg的高速飞鸟撞击。制备层合玻璃对洁净度的要求很高，以便PVB可以和玻璃形成牢固的结合。通过分别在略高于600℃的温度，对成对的玻璃板进行弯曲成型，可以制备出曲面风档玻璃，冷却后，PVB在空调室内先与其中的一片结合，然后再加上另外一片，在此装配过程中，通过在玻璃副的边缘加上真空可以除去PVB/玻璃界面上的空气，最后将其在1.2–1.4 MN?m-2的压力和135–145°C的温度下施以高压以完成结合。1970年代中期爆发的石油危机强调了在汽车设计时的减重和提高燃料效率的需要，其直接的结
Advanced Materials 36
果是，层合风档玻璃的厚度从
3.0 mm/3.0 mm
降至
2.1 mm/2.1 mm
（钢化玻璃的厚度从
5
–
6 mm
降
至
3
–
4 mm
）。
玻璃技术的进步使现代汽车设计有可能增大玻璃的面积、
采用直接聚亚胺酯胶合安装
的车窗、并获得符合空气动力学的流线型外部轮廓。2.6 陶瓷和玻璃强度的时间相关性陶瓷材料的强度与时间和应变速率之间具有特殊的相关性。例如，放置一段时间后，从一组陶瓷试样中取出部分样品测得的强度会有明显的下降。在考察这种时间相关的失效机理时，首先需要区分快速和低速的裂纹长大。在常规弯曲试验时发生的快速裂纹长大，发生于裂纹达到临界尺寸时；低速或缓发的裂纹长大则发生在陶瓷在应力作用下相当长时间后，并且伴有亚临界尺寸裂纹的缓慢扩展，当这种裂纹达到临界状态时就会发生快速断裂。玻璃中的这种被称为“静态疲劳”或“缓发断裂”的渐进式性能弱化、退化现象，长期以来已为人们所熟知，目前在多种陶瓷中都发现了这种现象（如：氧化铝、氮化硅、玻璃质碳等等）。它在多晶氧化物陶瓷中的发生，通常与其中的玻璃态粘结相有关。
能够引起静态疲劳的应力可以是连续的、也可以是波动的：甚至在很低的应力水平下，仍有一定概率发生因这种“阴险”的过程引发的失效。有时，化学中介物具有决定性的影响，例如，当水雾能够扩散进入石英玻璃和氧化铝的裂纹间隙时，裂纹长大速率就会增大，这类行为可以理解为应力腐蚀。低速裂纹长大是热激活过程，环境温度的升高可能具有非常显著的影响。如图2.21所示，裂纹的缓发长大进程通常采用裂纹扩展速率（V）随应力场强度因子（K I）
的变化曲线来表述。该图为理想化曲线，但对诸如玻璃和氧化物等能够在环境温度作用下发生低速裂纹长大的陶瓷却是很典型的。在“静态疲劳极限”（K Io，低于此极限时裂纹不会长大）和应力场强度因子的临界值（K Ic）之间，有三个裂纹长大区域：在区域I内，裂纹长大速率是应力场强度因子的幂函数，可以写作V = A?(K I)n的形式。在区域II内，裂纹长大速率和K I无关。区域I和II
具有环境敏
感性，并与应力腐蚀条件对应。在区域
III
内，裂纹长大速率又开始取决于
K
I
，但不再与环境相关。
图
2.21
理想的裂纹扩展速率随应力场强度因子变化曲线从起裂到失效的时间主要取决于区域I的形态，其斜率(n)
－有时也以特殊材料的“应力腐蚀常
新兴材料 37
数”而闻名－的取值范围为约10-100。低的n 值，例如玻璃的（10-40），显示其具有较高的低速裂纹长大敏感性。图2.22给出了各种陶瓷材料的典型曲线。（温度、PH 值等）环境改变可能使这些曲线发生平移或改变其斜率。例如，在较高温度下，碳化物和氮化物的曲线升降变得更为和缓。
图2.22 各种陶瓷的裂纹扩展速率与应力场强度因子间的关系（25℃中性水中）
对陶瓷强度的时间相关性和寿命统计的研究，导致了如图2.23所示的强度－概率－时间（SPT ）图的发展，这些图基于特定的试验条件并被画在威布尔概率纸上。随着n 值（仅针对I 区的裂纹长大）的降低，材料显示出更高的环境敏感性，图中的斜线则趋于靠拢。这些图清楚地显示了应力、存活概率和断裂前的寿命之间的相互作用。
图2.23 由293K 氧化铝弯曲试验获得的强度-概率-时间图： （105s 的寿命τ 被作为试验性的应力腐蚀极限）
Advanced Materials
38
基于“对需要长期服役的陶瓷，显然没有绝对安全的应力”的认识激发了对于安全验证试验的
研究兴趣。通过排除较弱的子集，这些试验为通过测试的“幸存”试验对象提供了较原始母集更佳
（更窄）的强度分布。相应地，服役寿命的统计预测也从中获益。必须意识到，“幸存者”的比例反
映了试验条件的影响，很明显，试验时间周期是很重要的，时间越长，“幸存者”就越少。理想情况
下，安全验证试验应在不引发亚临界裂纹长大的条件下进行。
四年级上册科学《玻璃与塑料》教学设计 教材分析： 玻璃与塑料是生活中常见的材料，在生活中的应用非常广泛。借助这些常见材料，研究材料的各种性能，认识常见材料的基本性质和用途，使学生认识到人类为了改善生活和环境总在不断地改进材料的性能或是发明新材料。认识到材料的使用会给个人、社会、环境带来正面的积极作用，还会带来负面的消极影响。 学情分析： 在以前的学习生活过程中，学生经常使用各种材料制成的物品，对常见材料己有经验是极为丰富的。因此，本节课无论在教学方法还是在教学内容上，学生都有相应的基础，教师进行简单的指导后，就可以充分放手让学生自己去探究发现玻璃与塑料的特点。 教学目标： 知识目标： 1.能运用对比实验的方法来研究玻璃与塑料的特性。 2.知道材料的使用有益处的同时还存在着负面影响，乐于用学到的知识大胆想象来善我们的生活。 3.了解玻璃与塑料的特点。 能力目标：培养学生的观察能力，探究能力，想象能力。 情感目标：培养学生团结协作的精神及环保意识。 教学重点、难点：能运用对比实验的方法来研究玻璃与塑料的特性。
教具准备：各种玻璃与塑料制品、木锤、玻璃片、塑料片、剪刀等。 教学流程： 一、联系生活、激趣导入 （师生问好） 师：老师的桌子上有一些物品，请同学们看一看都有什么？ 生：略 师：谁能用喜欢的方法，按照一定的标准把它们分一分？ 生：略 师：你分的很准确。玻璃与塑料在我们的生活中应用很广泛，那么同学们想知道玻璃与塑料有什么特点吗？这节课我们就一起来研究玻璃与塑料（板书：13玻璃与塑料） 二、动手实践、探究新知 1.列举生活实例、丰富感性认识 师：玻璃和塑料这两种材料在生活中很常见，谁能说一说你发现生活中哪些地方用到了玻璃，哪些地方用到了塑料？ 生：略 师：玻璃和塑料在生活中的例子举不胜举，老师这里准备了一些玻璃与塑料制品的图片，一起来欣赏一下（多媒体演示） 2.大胆猜想、寻求方法 师：既然玻璃与塑料在我们的生活中随处可见，那么请同学们结合课本大胆猜想一下玻璃和塑料可能有什么特点？用什么方法来研
教学准备 1. 教学目标 知识与技能： 1.知道玻璃、陶瓷和水泥的主要化学成分、生产原料及用途。 2.了解光导纤维和高温结构陶瓷等新型材料的性能与用途。 过程与方法 了解玻璃陶瓷和水泥对生产生活的重要意义 情感态度与价值观 感受化学在生活生产中的重要地位，培养学生关注社会的意识和责任感。 2. 教学重点/难点 教学重点 玻璃、陶瓷和水泥的制备原料，主要反应及成分。 教学难点 玻璃、陶瓷和水泥的制备原料及成分 3. 教学用具 教学课件 4. 标签 教学过程 教学过程设计 一、新课引入 展示各种玻璃制品的图片：
二、新课教学 自学任务： 1、制造普通玻璃的主要原料是什么？普通玻璃的主要成分是什么？生产普通玻璃的简单流程是怎样的？ 2、了解不同性能的玻璃 3、制造陶瓷器的主要原料是什么？了解陶瓷器的制造过程极其性能 4、制造水泥的主要原料是什么？普通水泥的主要成分是什么？生产普通水泥的简单流程是怎样的？ 5、了解“水泥的水硬性”、“水泥砂浆”、“混凝土”及“钢筋混凝土”
6、了解“光纤”与“光缆”及“光纤”的用途；了解“高温结构陶瓷”的性能与用途 [板书] 第三节玻璃、陶瓷和水泥 （一）玻璃 1、普通玻璃是Na2SiO3、 Ca2SiO3、SiO2熔化在一起得到的物质，主要成分是SiO2。这种物质称作玻璃态物质，没有一定的熔点，而是在某个范围内逐渐软化 2、玻璃窑中发生的主要反应： 3、在生产过程中加入不同的物质，调整玻璃的化学组成，可制成具有不同性能和用途的玻璃。如：提高SiO2的含量或加入B2O3能提高玻璃的化学稳定性和降低它的热膨胀系数，从而使其更耐高温和抗化学腐蚀，可用于制造高级的化学器皿；加入 PbO后制得的光学玻璃折光率；加入某些金属氧化物可制成彩色玻璃：加入Co 2O3玻璃呈蓝色，加入Cu2O玻璃呈红色，加入Fe2+ 玻璃呈绿色。 4、
功能陶瓷材料总复习
功能陶瓷材料总复习 绪论 什么是功能陶瓷？常见的功能陶瓷的分类、特性与用途。 1、定义：指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷。 2、分类：电容器陶瓷、压电、铁电陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、导电、超导陶瓷、生物与抗菌陶瓷、发光与红外辐射陶瓷、多孔陶瓷。 3、特性：性能稳定性高、可靠性好、资源丰富、成本低、易于多功能转化和集成化等 4用途：在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作用。举例：电容器陶瓷、谐振器元器件基材料、压电式动态力传感器、压电式振动加速度传感器。 介电陶瓷 以感应的方式对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质 各种极化机制以及频率范围。 极化机制：电子极化、离子极化、偶极子极化、空间电荷极化 松弛极化 频率范围：
铁电体， 晶体在某温度范围内具有自发极化Ps,且自发极化Ps的方向能随外电场而取向，称为铁电体。材料的这种性质称为铁电性。 电畴:铁电体中自发极化方向一致的微小区域 铁电体的特性:铁电体特性包括电滞回线Hysteresis loop、电畴Domains、居里点Tc及居里点附近的临界特性。 电滞回线: 铁电体的P 滞后于外电场E而变化的轨迹（如图
居里点Tc:顺电相→铁电相的转变温度 T>Tc 顺电相 T
（青岛版五年制）四年级科学上册教案 玻璃与塑料 教学目标1.能利用对比实验的方法研究玻璃与塑料的特性；知道探究不同的问题要用不同的探究方法；能区分什么是假设，什么是事实；能对研究过程的结果进行评议，并与他人交换意见。 2.知道材料的使用可以为人类发展带来好处，也可能产生负面影响；乐于用学到知识改善生活；喜欢大胆想象。 3.了解玻璃与塑料的特点。 重、难点重点：比较玻璃与塑料的特点。 难点：充分认识到玻璃与塑料的特点 教具准备各种玻璃、塑料制品，玻璃片、塑料片、小锤、电池、小灯炮、导线、镊子、蜡烛 教学过程一、引入 你知道哪些材料？这些材料都是自然界里原来就有的吗？ 二、建立人造材料的概念 1．观察下列物品：玻璃器具、雨鞋、剪刀、棉衣、泡沫塑料盒、木凳子等，这些物品用什么材料做成的？ 2．你知道这些材料从哪里来的？（直接在自然界中找到或人类自己造出来） 3．教师小结：人造材料和天然材料。可给学生看看有关图片或课件演示人造材料的制作过程。 4．找找生活中的人造材料和天然材料。 5．理解人造材料的优越性。 三、布料的历程 1．从远古时期到现代，人们在穿着上有一个怎样的发展过程？ 2．以小组为单位，利用教师提供的图片和有关资料，研究下列问题： 原始人用什么材料做衣服？分析这种选择的原因。 古代人用什么做衣服？与原始人相比有什么进步？还有什么不满意的地方？ 现代人们做衣服的材料有哪些？这种衣服在功能上有什么优势。 人们对布料的展望。
3．报告小组研究结果，教师组织学生展开讨论，使学生清晰地感受到布料发展的原因和目的。 4．小结。 四、材料与生活 1．说说在生活中使用非常广泛的材料品种。讨论：这些材料对我们生活的影响。2．如果没有这些材料，我们的生活会怎样？ 板书设计 玻璃与塑料 轻重重轻软硬硬软脆度脆韧变形难易声音脆闷 课后反思学生是科学学习的主体，科学学习要以探究为核心。在整个的探究活动，学生经历了猜想－设计－操作－结论这个完整的探究过程，教师注意自始至终都是以一种启发者、引导者、帮助者、欣赏者的身份参与到学生的探究活动中。在设计实验的过程中，形象生动的提示同学们高低要有明显的差别，渗透对比试验的知识。注意了提醒学生选择自己的方式进行表达与交流，并让学生以小组为单位汇报，学生的汇报虽然有的不完整，但注意了能对学生的回答适时补充，并善于及时捕捉学生随时闪现的智慧火化，给他们以肯定，给他们以激励。
新型陶瓷材料的应用与 发展 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
新型陶瓷材料的应用与发展摘要：本文首先简单介绍了传统陶瓷材料向现代新型陶瓷材料转变的过程，新型陶瓷材料克服了传统陶瓷本身内部的缺陷，故使其性能大大提高，扩大了应用领域。然后论述了新型陶瓷材料分为结构陶瓷和功能陶瓷，以及它们耐高温、生物相容性能、电磁性、质量轻等特性及各自的应用领域，重点讨论了新型陶瓷材料在航空航天、军事、生物工程、电子工业等的应用，最后简单说明了新型陶瓷材料的近况和发展趋势。 关键字：新型陶瓷材料应用发展 引言：在当今科技高度发展的工业社会,每一项工业化的成就都与材料科学、材料的制造及实际使用有着密不可分的关联,它使得某些新的科学设想、构思及生产过程得以实现。离开了材料科学与材料工业,世界上的许多科学创造和发明都是难以实现或达到的。陶瓷材料是继金属材料,非金属高分子材料之后人们所关注的无机非金属材料中最重要的一种，因为它同时兼有金属和高分子材料两者的共同优点,此外在不断的改性过程中,已使它的易碎裂的性能有了很大的改善。因此,它的应用领域和各类产品都有一个十分明显的提高。 1.传统陶瓷材料到新型陶瓷材料的演变 陶瓷一词(Ceramics) 来源于古希腊Keramos 一词,意为地球之神。传统的陶瓷材料含意很广泛,它主要指铝、硅的氮化物,碳化物,玻璃及硅酸盐类。虽然传统陶瓷具有一定的耐化学腐蚀特性和较高的电阻率、熔点高,可耐高温,硬度高,耐磨损,化学稳定性高,不腐蚀等优点。但它也存在着塑料变形能力差,易发生脆性破坏和不易加工成型等缺点,这些原因大大地限制了在工业的应用范围，特别是在机械工业上的应用。而在电器上的应用也主要局限在高压电瓷瓶及其绝缘体部件等少数几个方面。 为此人们开展对传统的陶瓷材料进行改性研究和有关材料的人工合成开发,现代合成技术已经能够通过物理蒸发溅射(Vapor processing) 溶液法(Aqueous precipitation) 溶胶—凝胶技术(Solgel-technology) 及其它先进技术改造传统陶瓷或人工合成极少缺陷的陶瓷材料,其中较为重要的有Si3N4 ,A12O3 等。合成的陶瓷材料与传统陶瓷材料相比，它的性能大大提高,与其它材料相比,在同样强度下这些材料具有良好的化学、热、机械及摩擦学(tribology)特性。它质轻,可以耐高温,硬度高,抗压强度有时超过金属及合金,具有较强的抗磨性和化学隋性、电及热的绝缘性都相当好,特别是由于采用纯净材料,消除了缺陷( eliminate-defects) , 它的易脆性( brittleness) 得到了极大的改善,因此其应用,特在现代机械业的应用日益广泛。目前巳有大量的新型陶瓷材料被用于工业高温抗磨器件、机械基础元器件,除此之外,电子及电信行业,生物医疗器件乃至于陶瓷记忆材料,超导陶瓷等应用都与新型陶瓷材料的研制与开发有关。 2.新型陶瓷材料特性与分类 新型陶瓷材料按照人们目前的习惯可分为两大类，即结构陶瓷（Structural ceramics）（或工程陶 瓷）和功能陶瓷（ Functional ceramics），将具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷列为结构陶瓷， 而将具有电、光、磁、化学和生物体特性，且具有相互转换功能的陶瓷列为功能陶瓷。随着科学技术的发展， 各种超为基数和符合技术的运用，材料性能和功能相互交叉渗透，确切分类已经逐渐模糊和淡化。根据现代科 学技术发展的需要，通过对材料结构性能的设计，新型陶瓷材料的各种特性得到了充分的体现。 3.新型陶瓷的应用与发展 新型陶瓷是新型无机非金属材料, 也称先进陶瓷、高性能陶瓷、高技术陶瓷、精细陶瓷, 为什么能得到高 速发展, 归纳起来有四方面原因：①具有优良的物理力学性能、高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗热震 而且在热、光、声、电、磁、化学、生物等方面具有卓越的功能, 某些性能远远超过现代优质合金和高分子材料, 因而登上新材料革命的主角地位, 满足现代科学技术和经济建设的需要。②其原料取于矿土或经合成而得, 蕴藏量十分丰富。③产品附加值相当高, 而且未来市场仍将持续扩展。④应用十分广泛, 几乎可以渗透到各 行各业。 应用领域 功能陶瓷主要在绝缘、电磁、介电以经济光学等方面得到广泛应用；结构陶瓷除了耐低膨胀、耐磨、耐腐 蚀外，还有重量轻、高弹性、低膨胀、电绝缘性等特性。因而在很多领域得到应用应该是以陶瓷燃气轮机为代 表的耐高温陶瓷部件陶瓷广泛用于道具及模具等耐磨零件，这方面的应用主要是利用陶瓷的高硬度、低磨耗 性、低摩擦系数等特性。另一方面，陶瓷材料具有其他材料所没有的高刚性、重量轻、耐蚀性等特性，从而被 有效地应用在精密测量仪器和精密机床等上面。另外，因为陶瓷材料具有很好的化学稳定性和耐腐蚀性，在生 物工程以及医疗等方面也得到广泛的应用。下面将分几方面来介绍新型陶瓷材料的应用领域。 1)航空航天材料:陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites） 当前耐高温材料已经成为航天先进材料中的由此岸优先发展方向，材料在高温下的应用对航天技术特别 是固体火箭等领域具有极其重要的推动作用。随着航空技术的发展气体涡轮机燃烧室中燃气的温度要求越来越高，并更紧密地依赖于高温材料的研究开发，而先进陶瓷及其陶瓷基复合材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀质 量轻等优异性能，是最具有希望代替金属材料用于热端部件的候选材料[4]。为此世界各国开展对陶瓷发动机的 研究工作。美、欧、日等越来越多的人体涡轮机设计者们开始用陶瓷基复合材料来制作旋转件和固定件。当前 对高温结构陶瓷的研究主要集中于Sic、Si3N4、Al2O3和ZrO2等，尤其以Si3N4高温结构陶瓷最引人注目。这类 陶瓷的综合性能较突出，它们有良好的高温强度，已经在航空涡轮发动机等方面得到了应用，非常适用于制作
功能陶瓷材料概述 功能陶瓷由于其在电、磁、声、光、热、力等方面优异的性能，广泛应用于电子电力、汽车、计算机、通讯等领域，在科学技术发展和实际生产生活中发挥着越来越重要的作用。主要阐述了功能陶瓷电学、光学、磁学、声学、力学等基本性质，并介绍了功能陶瓷的种类和应用以及未来发展趋势。 标签： 功能陶瓷；性质;应用 1 前言 功能陶瓷是具有电、磁、声、光、热、力、化学或生物功能等的介质材料。它有别于我们所熟知的日用陶瓷、艺术陶瓷、建筑陶瓷等，而是指在电子、微电子、光电子信息和自动化技术以及能源、环保和生物医学领域中所使用的陶瓷材料。功能陶瓷以其独特的声、光、热、电、磁等物理特性和生物、化学以及适当的力学等特性，在相应的工程和技术中发挥着关键作用，如制造电子线路中电容器用的电介质瓷，制造集成电路基片和管壳用的高频绝缘瓷等。 2 功能陶瓷基本性质 功能陶瓷是利用其对电、光、磁、声、热等物理性质所具有的特殊功能而制造出的陶瓷材料。其电学、光学、磁学、声学、热学、力学等性质是研究和运用的重点。功能陶瓷的这些性质与其组成、结构和工艺等有着密切关系。 功能陶瓷电学性质可以用电导率、介电常数、击穿电场强度和介质损耗来表示，是功能陶瓷材料很重要的基本性质之一。光学性质指其在可见光、红外光、紫外光及各种射线作用时表现出的一些性质。表征磁学性质的参数有磁导率、磁化率、磁化强度、磁感应强度等。材料在外力作用下都会发生相应的形变甚至破坏，有必要研究材料的力学性能，功能陶瓷材料也具有弹性模量、机械强度、断裂韧度等表征力学性能的参数。 3 功能陶瓷种类及其应用 功能陶瓷的发展始于20世纪30年代，经历从电介质陶瓷→压电铁电陶瓷→半导体陶瓷→快离子导体陶瓷→高温超导陶瓷的发展过程，目前已发展成为性能多样、品种繁多、使用广泛、市场占有份额很高的一大类先进陶瓷材料。目前已经研究比较深入并大量使用的功能陶瓷有绝缘陶瓷、介电陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷和结构陶瓷等，下面将介绍几种主要的功能陶瓷及其应用。 3.1 绝缘陶瓷
青岛版小学五年级上册科学《玻璃与塑料》教学设计 【教学目标】 1.能独立利用对比实验的方法研究玻璃和塑料的特性并做实验记录，能用恰当的语言表述研究过程和结果。 2.在实验探究过程中，知道探究不同的问题需要运用不同的探究方法，体验合作的愉快。 3.知道玻璃和塑料的特点及用途；了解材料的使用可以为人类发展带来好处，也可能产生负面影响；能将所学知识应用到实际生活。 【教学重难点】 教学重点：知道玻璃和塑料的特点及用途。 教学难点：独立利用对比实验的方法研究玻璃和塑料的特性并做实验记录，能将所学知识应用到实际生活。 【教具、学具】 1.学生准备： 每组：生活中常见的一些玻璃、塑料制品、玻璃塑料的相关资料和信息等。 2.教师准备：一些玻璃、塑料制品、火机、锤子、物体导电实验材料、镊子，相关的视频或图片资料等。 【教学过程】 一、创设情景，提出问题 1.谈话导入：课前老师让同学们收集了一些材料，哪个小组来说一下你们都搜集到了哪些物品？ 小组交流搜集的物品。 2.这么多物品，同学们能给他们分分类吗？开始！ 哪个小组来说一说，你们的分类情况。你们的分类标准是什么？ 3.小结：同学们分得很准确，厉害。这节课我们一起来研究生活中的塑料和玻璃的有关问题。 板书课题：18、玻璃和塑料 二、小组学习，自主探究 (一)生活中的玻璃和塑料制品。
1.教师引导：请同学们说一下，我们的生活中哪些地方用到了玻璃与塑料？ 2.学生交流自己收集到的玻璃和塑料用品，进行举例说明。 3.小结：看来，玻璃与塑料在生活中的应用十分广泛，老师这儿还有两个物品，你认为他们是什么材料做成的？（生回答）要能准确的识别他们，我们还必须了解玻璃与塑料的特点（板书特点）（二）探究玻璃和塑料的特点。 1.猜想玻璃和塑料的特点。 （1）同学们，根据平时的生活经验，你们猜一猜玻璃、塑料它们各有什么特点呢？ （2）学生汇报自己的猜测结果。 2.制定实验方案。 （！）谈话：同学们猜想了玻璃和塑料的这么多特点，到底同学们猜想的对不对呢？想不想验证一下？要想验证他们的特点，还得借助一些实验材料。请组长拿出材料袋，谁来介绍一下实验材料？（火机、锤子、物体导电实验材料、镊子等）。 教师在学生质疑导体试验材料的时候，介绍实验材料的使用方法。 怎么做实验呢？请小组内进行讨论。 （2）汇报实验方案。 哪个小组先来说说你们的实验方案？哪个小组来补充？还有想说的吗？ （教师及时引导，参与小组的验证方案中。） 让学生说说本组的实验方案。 3.探究实验。 在实验过程中应该注意什么呢？谁来说一说？在实验前，老师也要给大家一点提示。 （1）折一折时，注意安全。小心不要划破手。 （2）敲击玻璃时，要轻一点，同学要远离，避免伤到自己。 （3）注意使用电路的方法。 （4）小组分工合作，认真操作，注意观察实验现象，及时总结，记录员及
功能陶瓷材料的分类及发展前景 功能陶瓷是指在应用时主要利用其非力学性能的材料，这类材料通常具有一种或多种功能。如电、磁、光、热、化学、生物等功能，以及耦合功能，如压电、压磁、热电、电光、声光、磁光等功能。功能陶瓷已在能源开发、空间技术、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等领域得到广泛应用。 1.电子陶瓷 电子陶瓷包括绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷、敏感陶瓷、磁性材料及导电、超导陶瓷。根据电容器陶瓷的介电特性将其分为６类：高频温度补偿型介电陶瓷、高频温度稳定型介电陶瓷、低频高介电系数型介电陶瓷、半导体型介电陶瓷、叠层电容器陶瓷、微波介电陶瓷。其中微波介电陶瓷具有高介电常数、低介电损耗、谐振频率系数小等特点，广泛应用于微波通信、移动通信、卫星通信、广播电视、雷达等领域。 2.热、光学功能陶瓷 耐热陶瓷、隔热陶瓷、导热陶瓷是陶瓷在热学方面的主要应用。其中，耐热陶瓷主要有Al2O3、MgO、SiC等，由于它们具有高温稳定性好，可作为耐火材料应用到冶金行业及其他行业。隔热陶瓷具有很好的隔热效果，被广泛应用于各个领域。 陶瓷材料在光学方面包括吸收陶瓷、陶瓷光信号发生器和光导纤维，利用陶瓷光系数特性在生活中随处可见，如涂料、陶瓷釉。核工业中，利用含铅、钡等重离子陶瓷吸收和固定核辐射波在核废料处理方面广泛应用。陶瓷还是固体激光发生器的重要材料，有红宝石激光器和钇榴石激光器。光导纤维是现代通信信号的主要传输媒介，具有信号损耗低、高保真性、容量大等特性优于金属信号运输线。 透明氧化铝陶瓷是光学陶瓷的典型代表，在透明氧化铝的制造过程中，关键是氧化铝的体积扩散为烧结机制的晶粒长大过程，在原料中加入适当的添加剂如氧化镁，可抑制晶粒的长大。其可用作熔制玻璃的坩埚，红外检测窗材料，照明灯具，还可用于制造电子工业中的集成电路基片等。 3.生物、抗菌陶瓷 生物陶瓷材料可分为生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷，生物陶瓷除了用于测量、诊断、治疗外，主要是用作生物硬质组织的代用品，可应用于骨科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼科及普通外科等方面。抗菌材料主要应用于家庭用品、家用电器、玩具及其他领域，
功能陶瓷材料总复习 绪论 什么是功能陶瓷？常见的功能陶瓷的分类、特性与用途。 1定义：指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷。 2、分类：电容器陶瓷、压电、铁电陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、导电、超导陶瓷、生物与抗菌陶瓷、发光与红外辐射陶瓷、多孔陶瓷。 3、特性：性能稳定性高、可靠性好、资源丰富、成本低、易于多功能转化和集成化等 4用途：在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作用。举例：电容器陶瓷、谐振器元器件基材料、压电式动态力传感器、压电式振动加速度传感器。 介电陶瓷 以感应的方式对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质 各种极化机制以及频率围。 极化机制：电子极化、离子极化、偶极子极化、空间电荷极化 频率围： 铁电体， 晶体在某温度围具有自发极化Ps,且自发极化Ps的方向能随外电场而取向，称为铁电体。 材料的这种性质称为铁电性。 电畴：铁电体中自发极化方向一致的微小区域 铁电体的特性:铁电体特性包括电滞回线Hysteresis loop、电畴Domains、居里点Tc及居 里点附近的临界特性。 电滞回线：铁电体的P滞后于外电场E而变化的轨迹（如图
居里点Tc:顺电相T铁电相的转变温度 T>Tc 顺电相T
第三节玻璃、陶瓷和水泥 教学目标： 1．知道水泥、玻璃和陶瓷的主要化学成分、生产原料及其用途。 2．激发学生学习化学的兴趣，使学生对化学与生产、生活实际的联系有进一步认识。 3．使学生认识到化学在现代社会、现代科技中的重要作用。 教学重点、难点: 水泥、玻璃和陶瓷的主要化学成分、生产原料 教学用具：高压钠灯、光导玩具、光导演示器、光缆实物、投影片、电影剪辑 教学方法：展示实、图片、谈话、讲述、讨论探究 课时划分：两课时 教学过程： 一课时 [投影]人工吹制玻璃器皿 [学与问] 玻璃中含有什么物质？玻璃器皿为何能通过人工吹制方法制得？ [板书]一、玻璃 ［自学］请大家阅读课本P59有关玻璃的内容，并填写下表 ［投影展示］玻璃 [学生阅读完课本后，由学生回答，教师填写上表］ [板书]1、生产玻璃原料：主要反应：成分： [讲述］在原料中SiO2用量较大，普通玻璃是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2熔化在一起得到的物质主要成分是SiO2。 ［提问］为什么制取氟化氢气体或盛放氢氟酸时不能用玻璃容器？ ［回答］因为玻璃中含有二氧化硅，而氢氟酸可以和二氧化硅发生化学反应。 ［演示实验］取一根玻璃管，置于燃着的酒精喷灯上，把玻璃管拉成两支尖嘴管。
［观察］大家看到了什么？ ［回答］玻璃受热、变软，可拉细。 ［讲述］实验室里的胶头滴管就是这样制出来的。这说明普通玻璃在高温时易软化、变形。但如果我们在玻璃容器中进行的是高温下的化学反应，普通的玻璃仪器显然是不能满足要求的，这时我们可以用能承受较高温度的石英玻璃容器。石英玻璃的主要成分是二氧化硅，它的膨胀系数小，不怕温度的骤然变化，而且具有很高的化学稳定性，所以是一种制作高温容器的良好材料。 ［思考］看起来晶莹透明的玻璃是不是晶体呢？请大家思考后回答，说出判断的依据。 ［讨论］（生甲）是。晶体都能反光，玻璃也能反光，所以是；（生乙）是。因为玻璃是一个规则的形体，看起来也是亮晶晶的；（生丙）不是。晶体都有规则的几何形状，玻璃没有；（生丁）不是。晶体都有固定的熔点，而玻璃没有。…… ［讲解］好。看来大家都很爱动脑思考。事实上，玻璃不是晶体。因为晶体的外表特征是有一定的、整齐的、有规则的几何外形(当然，构成晶体的那个最小的单元是我们肉眼看不见的)，它有固定的熔点。而玻璃是介于结晶态和无定形态之间的一种物质状态，我们把它叫做玻璃态。 它的结构特点是：它的粒子不像晶体那样有严格的空间排列，但又不像无定形体那样无规则排列，而是“短程有序、远程无序”。即从小范围来看，它有一定的晶型排列；从整体来看，却像无定形的物质那样是无晶形的排列规律。所以玻璃态物质没有一定的熔点，而是在某一温度范围内逐渐软化变为液态。 [板书]2、玻璃态物质：短程有序、远程无序，没有一定的熔点，而是在某一温度范围内逐渐软化变为液态。 [展示一小块普通玻璃] [提问］大家看，这是一块普通玻璃，当我们把若干块普通玻璃叠加，或从侧面看这块玻璃时，它都是绿色的。为什么？ ［回答］因为原料中混有二价铁的缘故。 ［展示一块红色玻璃，一块蓝色玻璃］ ［提问］它们和我刚才取的那块普通玻璃的颜色不一样，是什么造成了它们的这种差别呢？ ［回答］是因为在制造玻璃的过程当中，加入了金属氧化物。在红色玻璃中加的是氧化亚铜(Cu2O)，在蓝色玻璃中加的是氧化钴(Co2O3)。 ［总结］很好。也就是说在制造玻璃的过程中，当我们加入某些金属氧化物时(如二氧化锰、二氧化锡等)，会使玻璃呈现不同的颜色。 ［提问］请大家根据生活经验，说一下普通玻璃的优点和缺点是什么？ ［回答］玻璃的透光性能好，但易碎，并且易伤人。用玻璃制成的物品美观，但就是不结实，如窗户上的玻璃，很容易被打破。玻璃不耐热，开水都能把它炸裂…… ［讲述］大家说得都很好。也正是为了让玻璃“弃恶扬善”，玻璃专家们进行了深入的研究，并不断地制成有各种各样性能的特种玻璃。如石英玻璃、光学玻璃、玻璃纤维、钢化玻璃
2020年小学科学五年级上册《玻璃与塑 料》精编版
青岛版小学科学五年级上册精品教案《玻璃与塑料》 认知目标： 1、能利用对比实验的方法研究玻璃与塑料的特性；知道探究不同的问题要用不同的探究方法；能区分什么是假设，什么是事实；能对研究过程的结果进行评议，并与他人交换意见。 2、知道材料的使用可以为人类发展带来好处，也可能产生负面影响；乐于用学到的知识改善生活；喜欢大胆想象。 3、了解玻璃与塑料的特点。 拓展性目标： 畅想玻璃与塑料的未来，发展学生的创新思维。 活动准备： 1、学生自己搜集的各种玻璃与塑料物品。 2、分组材料：玻璃片、塑料片、玻璃塑料制品、镊子、锤头、酒精灯、同样大小的塑料与玻璃杯、电池、导线、小电珠。 3、多媒体课件。 活动过程： 一、创设情境，提出问题： 1、谈话：同学们，课前老师布置回家搜集一些常见生活物品，带来了吗？现在我们根据材料将它们进行分类，好吗？请注意要轻拿轻放。 2、生分类，汇报各小组的分类情况。 3、导入：刚才大家把这些生活物品都分成了玻璃和塑料两大类。这节课，我们就来研究生活中的玻璃与塑料。（板书：玻璃与塑料） 二、活动探究： 活动一：生活感知 谈话：观察大家搜集的生活中的物品是哪些用玻璃做成的？哪些是用塑料做成的？ 1、学生交流搜集的信息，进行列举。 2、教师出示搜集的的图片。（课件） 活动二：探究玻璃和塑料的特点 （一）筛选信息，确定研究重点
谈话：通过刚才的交流与观察，我们知道玻璃和塑料在生活中随处可见。有的物品可以用不同的材料做成，象有的同学说杯子既可以用塑料做成，也可以用玻璃做成，这说明玻璃和塑料之间有什么关系？（相同之处）那你们想过没有，它们各自又有什么特点，有什么不同之处呢？这也是本节课我们将要探究的主要问题。 （二）猜想玻璃和塑料的特点 1、猜想 谈话：下面，请同学们先来猜一猜，玻璃和塑料都各有哪些特点呢？ 2、交流结果（根据学生交流，教师相机板书特点） 重轻 易碎不易碎 透明模糊 传热快传热慢 …… （三）验证猜想 谈话：刚才同学们猜出了玻璃和塑料这么多特点，是不是真的这样？你们想不想自己动手验证一下？那么先来制订实验方案，确定你们小组的研究方法和需要的器材吧。 1、制定并交流实验方案。 （1）小组讨论，制定实验方案。 （2）交流实验方案。 （3）提出注意问题。（出示课件） 2、操作验证。 谈话：下面各小组根据自己设定的实验方案，利用桌上的材料动手实验吧，不要忘记填写实验记录单。 （1）小组同学合作探究玻璃与塑料的特点。教师参与其中，与同学们一起合作、探究。 （2）整理器材及探究的结果，准备交流各组的发现。
生活中的陶瓷材料及其应用 【摘要】陶瓷材料在我们的生活中早已应用到了各个方面，比如塑料、木材、水泥三大传统基本材料，陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。随着社会的进步，人们对材料的要求也越来越高，这种表现不仅表现在对科学研究领域，也表现在人们的日常生活当中。材料的进步很大程度上推动了社会的进步，而社会的需求反过来也有力的推进了材料科学的发展。拿陶瓷材料来说，陶瓷材料已经贯穿了人类的历史，并且随着历史不停的发展，在材料科学领域崭露头角。 【关键字】陶瓷材料应用发展 陶瓷材料分为普通陶瓷材料和特种陶瓷材料，普通陶瓷材料采用天然原料如长石、粘土和石英等烧结而成，是典型的硅酸盐材料，主要组成元素是硅、铝、氧，这三种元素占地壳元素总量的90%，普通陶瓷来源丰富、成本低、工艺成熟。这类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等。特种陶瓷材料采用高纯度人工合成的原料，利用精密控制工艺成形烧结制成，一般具有某些特殊性能，以适应各种需要。根据其主要成分，有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等；特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能。其特点有力学性能、热性能、电性能、化学性能、光学性能，根据用途不同，特种陶瓷材料可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷。 而我们专业是地理信息系统与其陶瓷材料的联系真的不多，所以在这里就不详细的指出了。陶瓷材料在工程上的应用要数工程塑料了目前，主要的工程塑料制品已有10多种，其中聚酸胺、聚甲醛、聚磷酸酯、改性聚苯酸和热塑性聚酯被称为五大工程塑料．它们的产量较大．价格一般为传统通用塑料的2—6倍．而聚摧硫酸等特种工程塑料的价格为通用塑料的5一10倍。以塑料代替钢铁、木材、水泥三大传统基本材料，可以节省大量能源、人力和物力。陶瓷材料也可合成橡胶的开发利用，由于生产合成橡胶的原料丰富，其良好的性能又可以满足当代科技发展对材料提出的某些特殊要求，所以合成橡胶出现几十年来，品种已很丰富，一般可将其分为通用合成橡胶和特种合成橡胶两类。通用合成橡胶性能与天然橡胶相似，用于制造一般的橡胶制品，如各种轮胎、传动带、胶管等工业用品和雨衣、胶鞋等生活用品。特种合成橡胶具有耐高温、耐低温耐酸碱等优点，多用于特殊环境和高科技领域，如航空、航天、军事等方面。陶瓷材料在合成纤维的开发利用方面合成纤维的品种有几十种，但最常见的是六大种：聚酸胺纤维、涤纶、腈纶、丙纶、维纶、氨纶。高分子合成材料具有质量小、绝缘性能好等特点，所以发展很快，但又都有先天不足，即它们都在不同程度上对氧、热和光有敏感性。但是，随着高技术的迅速发展，高分子合成材料的大军必将在经济生活中扮演举足轻重的角色。陶瓷材料中已崛
玻璃陶瓷和水泥教案 Company number【1089WT-1898YT-1W8CB-9UUT-92108】
第三节玻璃、陶瓷和水泥 知识与技能： 1．知道水泥、玻璃和陶瓷的主要化学成分、生产原料及其用途。 2．激发学生学习化学的兴趣，使学生对化学与生产、生活实际的联系有进一步认识。 过程与方法：展示实、图片、谈话、讲述、讨论探究，来认识硅酸盐产品。 情感、态度、价值观：使学生认识到化学在现代社会、现代科技中的重要作用。 教学重点、难点: 水泥、玻璃和陶瓷的主要化学成分、生产原料 课时划分：两课时 教学过程：（第一课时） [阅读]人工吹制玻璃器皿 [学与问] 玻璃中含有什么物质玻璃器皿为何能通过人工吹制方法制得[板书]一、玻璃 有关玻璃的内容，并填写下表 ［自学］请大家阅读课本P 59 ［投影展示］玻璃 [学生阅读完课本后，由学生回答，教师填写上表］ [板书]1、生产玻璃原料：主要反应：成分：
[讲述］在原料中SiO 2用量较大，普通玻璃是Na 2 SiO 3 、CaSiO 3 、SiO 2 熔化 在一起得到的物质主要成分是SiO 2 。 ［提问］为什么制取氟化氢气体或盛放氢氟酸时不能用玻璃容器 ［回答］因为玻璃中含有二氧化硅，而氢氟酸可以和二氧化硅发生化学反应。 ［演示实验］取一根玻璃管，置于燃着的酒精喷灯上，把玻璃管拉成两支尖嘴管。 ［观察］大家看到了什么 ［回答］玻璃受热、变软，可拉细。 ［讲述］实验室里的胶头滴管就是这样制出来的。这说明普通玻璃在高温时易软化、变形。但如果我们在玻璃容器中进行的是高温下的化学反应，普通的玻璃仪器显然是不能满足要求的，这时我们可以用能承受较高温度的石英玻璃容器。石英玻璃的主要成分是二氧化硅，它的膨胀系数小，不怕温度的骤然变化，而且具有很高的化学稳定性，所以是一种制作高温容器的良好材料。 ［思考］看起来晶莹透明的玻璃是不是晶体呢请大家思考后回答，说出判断的依据。 ［讨论］（生甲）是。晶体都能反光，玻璃也能反光，所以是；（生乙）是。因为玻璃是一个规则的形体，看起来也是亮晶晶的；（生丙）不是。晶体都有规则的几何形状，玻璃没有；（生丁）不是。晶体都有固定的熔点，而玻璃没有。…… ［讲解］好。看来大家都很爱动脑思考。事实上，玻璃不是晶体。因为
玻璃、陶瓷和水泥 教学目标： １．知道水泥、玻璃和陶瓷的主要化学成分、生产原料及其用途。 ２．激发学生学习化学的兴趣，使学生对化学与生产、生活实际的联系有进一步认识。３．使学生认识到化学在现代社会、现代科技中的重要作用。 教学重点、难点: 水泥、玻璃和陶瓷的主要化学成分、生产原料 教学用具：高压钠灯、光导玩具、光导演示器、光缆实物、投影片、电影剪辑 教学方法：展示实、图片、谈话、讲述、讨论探究 课时划分：两课时 教学过程： 第一课时 [投影]人工吹制玻璃器皿 [学与问] 玻璃中含有什么物质？玻璃器皿为何能通过人工吹制方法制得？ [板书]一、玻璃 ［自学］请大家阅读课本P５9有关玻璃的内容，并填写下表 ［投影展示］玻璃 主要用料反应条件玻璃窑中发生的主要反应成分
[学生阅读完课本后，由学生回答，教师填写上表］ [板书]１、生产玻璃原料：主要反应：成分： [讲述］在原料中SiO２用量较大，普通玻璃是Na２SiO３、CaSiO３、SiO２熔化在一起得到的物质主要成分是SiO２。 ［提问］为什么制取氟化氢气体或盛放氢氟酸时不能用玻璃容器？ ［回答］因为玻璃中含有二氧化硅，而氢氟酸可以和二氧化硅发生化学反应。 ［演示实验］取一根玻璃管，置于燃着的酒精喷灯上，把玻璃管拉成两支尖嘴管。 ［观察］大家看到了什么？ ［回答］玻璃受热、变软，可拉细。 ［讲述］实验室里的胶头滴管就是这样制出来的。这说明普通玻璃在高温时易软化、变形。但如果我们在玻璃容器中进行的是高温下的化学反应，普通的玻璃仪器显然是不能满足要求的，这时我们可以用能承受较高温度的石英玻璃容器。石英玻璃的主要成分是二氧化硅，它的膨胀系数小，不怕温度的骤然变化，而且具有很高的化学稳定性，所以是一种制作高温容器的良好材料。 ［思考］看起来晶莹透明的玻璃是不是晶体呢？请大家思考后回答，说出判断的依据。 ［讨论］（生甲）是。晶体都能反光，玻璃也能反光，所以是；（生乙）是。因为玻璃是一个规则的形体，看起来也是亮晶晶的；（生丙）不是。晶体都有规则的几何形状，玻璃没有；（生丁）不是。晶体都有固定的熔点，而玻璃没有。…… ［讲解］好。看来大家都很爱动脑思考。事实上，玻璃不是晶体。因为晶体的外表特征是
青岛版小学科学四年级上册《玻璃与塑料》教学设计 一、教材分析： 《玻璃与塑料》一课是青岛版《科学》四年级上册“材料与生活”单元中的第四课。本课与《木材》、《纸》、《陶瓷》、《金属》共同组成了常见材料的研究系列。将玻璃与塑料放在一起进行研究，是因为玻璃与塑料有许多共同的特性。生活中的许多物品既可以用玻璃制作，也可以用塑料制作。将有相同之处的材料放在一起研究，还有利于比较材料的优点与缺点，更有利于引导学生认识如何利用材料的优点进行合理的加工与制作，针对材料的缺点改进材料的特性，让学生更好地用学到的科学知识服务生活。 二、教学目标： 1.科学探究目标： 能利用对比实验的方法研究玻璃与塑料的特性，知道探究不同的问题要用不同的探究方法，能区分什么是假设，什么是事实，能对研究过程进行评议，并与他人交换意见。 2.情感、态度、价值观目标： 知道材料的使用可以为人类的发展带来好处，也可能产生负面影响，增强对社会的责任感，乐于用学到的知识改善生活，喜欢大胆想象。 3.科学知识目标 了解玻璃与塑料的特点。 三、教学准备 教师准备：各种各样的玻璃与塑料制品、课件 学生分组实验材料准备： 材料一：百宝袋，内装各种各样的玻璃与塑料制品，其中必须有两个大小完全一样的玻璃杯和塑料杯各一个、一块玻璃片、一块塑料片 村料二：探究玻璃与塑料特点的分组材料：方形的玻璃片和塑料片各一块（玻璃片的四周用胶布缠好，只留着一个角用于实验）、小锤子、文件夹、酒精灯、试管夹、导体绝缘体实验材料和实验电路、装文件的文件夹、热传导实验材料、湿抹布。 四、教学过程 （一）创设活动情境，激发学生探究的兴趣 师：同学们，今天咱们到这儿上什么课来了？ 师：对，今天我们要上一节科学课，敏锐的观察力是学好科学的基本条件之
压电陶瓷材料及应用 一、概述 1.1电介质 电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科领域，是在20世纪随着电气工业的发展而形成的。国际上电介质学科是在20世纪20年代至30年代形成的，具有标志性的事件是：电气及电子工程师学会（IEEE）在1920年开始召开国际绝缘介质会议，以后又建立了相应的分会（IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society）。美国MIT建立了以Hippel教授为首的绝缘研究室。苏联列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业，莫斯科工学院建立了电介质与半导体专业。特别是德国德拜教授在20世纪30年代由于研究了电介质的极化和损耗特性与其分子结构关系获得了诺贝尔奖，奠定了电介质物理学科的基础。随着电器和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。 我国电介质领域的发展是在1952年第一个五年计划制定和实行以来，电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展，这些校、院、所、首先在我国开展了有关电介质特性的研究和人才的培养，并开出了“电介质物理”、“电介质化学”等关键专业课程，西安交大于上海交大、哈尔滨工大等院校一道为我国培养了数千名绝缘电介质专业人才，促进了我国工程电介质的发展。80年代初中国电工技术学会又建立了工程电介质专业委员会。 近年来，随着电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展，人们创造各种性能的功能陶瓷介质。主要有： （1）、电子功能陶瓷如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等。 （2）、化学功能陶瓷如各种传感器、化学泵等。 （3）、电光陶瓷和光学陶瓷如铁电、压电、热电陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等。（电介质物理——邓宏）
青岛版小学科学四年级上册 《玻璃与塑料》教学案例 一、教材分析： 《玻璃与塑料》一课是青岛版《科学》四年级上册“材料与生活”单元中的第四课。本课与《木材》、《纸》、《陶瓷》、《金属》共同组成了常见材料的研究系列。将玻璃与塑料放在一起进行研究，是因为玻璃与塑料有许多共同的特性。生活中的许多物品既可以用玻璃制作，也可以用塑料制作。将有相同之处的材料放在一起研究，还有利于比较材料的优点与缺点，更有利于引导学生认识如何利用材料的优点进行合理的加工与制作，针对材料的缺点改进材料的特性，让学生更好地用学到的科学知识服务生活。 二、教学目标： 1.科学探究目标： 能利用对比实验的方法研究玻璃与塑料的特性，知道探究不同的问题要用不同的探究方法，能区分什么是假设，什么是事实，能对研究过程进行评议，并与他人交换意见。 2.情感、态度、价值观目标： 知道材料的使用可以为人类的发展带来好处，也可能产生负面影响，增强对社会的责任感，乐于用学到的知识改善生活，喜欢大胆想象。 3.科学知识目标 了解玻璃与塑料的特点。 三、教学准备 教师准备：各种各样的玻璃与塑料制品、课件 学生分组实验材料准备： 材料一：百宝袋，内装各种各样的玻璃与塑料制品，其中必须有两个大小完全一样的玻璃杯和塑料杯各一个、一块玻璃片、一块塑料片 村料二：探究玻璃与塑料特点的分组材料：方形的玻璃片和塑料片各一块（玻璃片的四周用胶布缠好，只留着一个角用于实验）、小锤子、文件夹、酒精灯、试管夹、导体绝缘体实验材料和实验电路、装文件的文件夹、热传导实验材料、湿抹布。 四、教学过程 （一）创设活动情境，激发学生探究的兴趣 师：同学们，今天咱们到这儿上什么课来了？ 师：对，今天我们要上一节科学课，敏锐的观察力是学好科学的基本条件之