无机非金属材料(第二课时)

钇铝石榴石激光材料、石英、氧 化铝等多组分的光导纤维
高温氧化物、碳化物、氮化物、 硼化物等难熔化合物 人造金刚石、人造红宝石等
植入陶瓷、人造牙、人造骨、人 造关节等
高温结构陶瓷
特点：耐高温、耐腐蚀、硬度大、
耐磨损、不怕氧化、密度小等
(1)氧化铝陶瓷 性 能 用 途
熔点高
硬度大
坩埚、高温炉管
刚玉球磨机 高压钠灯灯管
四、C60F60的非线性光学性质
C60具有非线性光学性质，可做成新一代光学电脑 开关。
五、用作多电子存储系统
可以合成顶端含C60的星型聚乙烯大分子，用作为 多电子存储系统。
六、LiC60
将金属锂植入C60内部形成的LiC60化合物，可作为 高能锂电池。
七、用于制作"巴基管"――碳纳米的材料
碳纳米管简介
2、现代信息基础材料－硅
单晶硅在日常生活中是电子计算机、自动控制系统等现代科学 技术中不可缺少的基本材料。电视、电脑、冰箱、电话、手表、汽 车，处处都离不开单晶硅材料，单晶硅作为科技应用普及材料之一， 已经渗透到人们生活中的各个角落。 单晶硅在火星上是火星探测器中太阳能转换器的制成材料。火 星探测器在火星上的能量全部来自太阳光，探测器白天休息--利用 太阳能电池板把光能转化为电能存储起来，晚上则进行科学研究活 动。也就是说，只要有了单晶硅，在太阳光照到的地方，就有了能 量来源。 单晶硅在太空中是航天飞机、宇宙飞船、人造卫星必不可少的 原材料。人类在征服宇宙的征途上，所取得的每一步进步，都有着 单晶硅的身影。航天器材大部分的零部件都要以单晶硅为基础。离 开单晶硅，卫星会没有能源，没有单晶硅，航天飞机和宇航员不会 和地球取得联系，单晶硅作为人类科技进步的基石，为人类征服太 空作出了不可磨灭的贡献。 单晶硅在太阳能电池中的应用高纯的单晶硅是重要的半导体材 料。在光伏技术和微小型半导体逆变器技术飞速发展的今天，利用
无机非 金属材 料
水泥 传统无机 玻 璃 非金属材料 陶 瓷
新型无机 新型陶瓷 非金属材料
单晶硅
石墨、金刚石、C60
无机非金属材料的发展
石器——燧石取火 人 类 文 硅酸盐——陶瓷、水泥、玻璃 明 发 二氧化硅——光导纤维 新 展 型 史 材 单晶硅——集成电路 料 传 统 材 料
信 息 材 料
二、C60F60
C60打开30个双键与氟发生加成反应生成C60F60，这 是一种白色的粉末，耐高温（约700℃），可以用作超 级固体润滑剂。因此，C60F60被称为“分子滚珠”。
三、C60的耐压性
在常压下碳的同素异形体中金刚石的硬度大，其 次是石墨，C60最小。美国康奈尔大学的研究工作表明 ：在中等压力下情况却完全不同，C60的耐压程度要远 远超过金刚石。
金刚石
石墨粉
足球烯(C60)
P55思考与交流
• 讨论金刚石和石墨在生产和生活中 的应用，并说明这些应用主要利用 了它们的哪些性质，这些性质由什 么决定的？
碳的三种同分异型体的比较
金刚石 石墨
C60
1.高压合成金刚石的 局限性？
2.化学气相沉积法制 造金刚石薄膜的原理 是什么？
C60的超导性
1991年，赫巴德（Hebard）等首先提出掺钾C60具 有超导性，超导起始温度为18K，打破了有机超导体 （Et）2Cu[N（CN）2]Cl超导起始温度为12.8K的纪录。 不久又制备出Rb3C60的超导体，超导起始温度为29K。表 1-1列出了已合成的各种掺杂C60的超导体和超导起始温 度，说明掺杂C60的超导体已进入高温超导体的行列。 我国在这方面的研究也很有成就，北京大学和中国科学 院物理所合作，成功地合成了K3C60和Rb3C60的超导体， 超导起始温度分别为8K和28K。有科学工作者预言，如 果掺杂C240和掺杂C540，有可能合成出具有更高超导起始 温度的超导体。
人们把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级，便得到 了纳米陶瓷。纳米陶瓷成功地解决了陶瓷易碎的问 题。纳米陶瓷还具有延展性，如室温下合成的Ti02 陶瓷可以弯曲，塑性、韧性好。
新型无机非金属材料
压电陶瓷 磁性材料 导体陶瓷 半导体陶 瓷 光学材料 高温结构 陶瓷 超硬材料 生物陶瓷 电子打火器、铝钛酸铅系材料 阿尔法质谱仪 钠、锂、氧的离子导体、碳化硅 等 氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化 锆等过渡金属元素的氧化物
透明、耐高温
高纯氧化铝透明陶瓷管
（2）碳化硅陶瓷
碳化硅（SiC--金刚砂），具有高的热传 导能力、硬度大、熔点高、比重小，有较高的 强度和较好的热稳定性，与各种酸都不起作用， 其抗氧化性能在高达1550OC时仍很优良。 用途：制造磨料、模 具、特种耐火材料制品； 用于制造电阻发热元件。
碳化硅SiC,俗称金刚 砂。熔点高(2450℃), 硬度大(9.2),是重要的 工业磨料。如其中掺 入某些杂质,会使之出 现半导体,作为高温半 导体,用于电热元件。 作为高温结构陶瓷,日 益受到人们的重视。 它最适宜的应用领域 是高温、耐磨和耐蚀 的环境,现已用作火箭 喷嘴,热电偶保护管,热 交换器和耐磨、耐蚀 的零件。
• 2.电学陶瓷 • 具有电学特性，一些新型无机非金属材料可 以作为半导体、导体、超导体等，一些绝缘 性材料常被用于集成电路的基板。
• 3.光学陶瓷 • 具有光学特性。有些新型无机非金属材料能 发出各色的光，有的能透过可见光，有的能 使红外线、雷达射线穿过。
光 导 纤 维 optical waveguide fibre
高压钠灯
硅工业制法
高纯硅的一般纯度要求达99.9999%， 甚至达到99.9999999%以上。
SiO2 + 2C Si(粗) + 3HCl = SiHCl3 ＋ H2
高温
Si(粗) + 2CO↑（电炉） SiHCl3+H2 Si(纯) + 3HCl
高温 高温
阅读：科学视野—太阳能电池
金刚石、石墨和C60 —新材料诞生新科技
简称光纤，是用来传递光线和图象的纤维。 制造光导纤维用的光学材料，必须高度 纯净、成分均匀。一般无水石英（SiO2）是常 用的光导纤维材料。 光导纤维的用途：近年来，光导纤维用 于光通信的技术迅速发展。此外，在农业、国 防、医疗、电视、传真、电话、科研等方面都 有广泛的用途。
光纤通信较之普通电缆通信有许多突出的优点。 首先，光纤通信有巨大的信息容量，一根头发丝那 么细的光导纤维可以通几万路电话或2 000路电视。 如果用许多根光导纤维组合成光缆，它的通信容量 更大得惊人。而且，光纤通信不受外界电磁场的干 扰，工作稳定可靠，保密程度高。光纤通信损耗低， 目前无中继传送距离一般为30～70 km(而同轴电缆 每隔1．5 km就需设立一个中继站，来补偿电信号 在传输中的损耗)，很适合远距离信息传输。目前， 人们已建成大西洋海底光缆(全长约7 000 km)。计 划中的南太平洋光缆(全长约16 000 km)也正在紧 锣密鼓的准备之中。进一步降低光纤损耗，减少中 继站数目，甚至不用中继站，是人们的下一步目标。
用途：硬度高、耐磨系数低、有自 润滑作用，所以是优良的耐磨材料。热强度和 化学稳定性高，热膨胀系数小，是优良的高温 结构材料。耐腐蚀，可作高温轴承、 转子、叶片、燃烧室喷嘴等 高温零件以及高温下使用的 模具和夹具。
制取方法：
• 3Si+2N2=Si3N4
• 3SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl
的 用途： 它具有良好的生物活性，能与人骨紧密 结合。主要用于不承载的小型种植体（如耳 骨），用金属支撑加强的牙科种植体。 羟基磷灰石（Ca10(PO4) 6(OH) 2）陶瓷
生物陶瓷人工听 小骨假体由羟基 磷灰石(HA)陶瓷 制成，表面具有 微孔，可使患者 听力平均高20~30dB，适用于慢性化脓性中耳 炎患者作听小骨置换和鼓腊修复手术。自1989 年以来已临床应用800多例，通过省级鉴定。
碳化硅制成的涡轮叶片
制取碳化硅的方法： SiO2+3C=SiC+2CO↑
讨论：根据元素周期律和原子结构 的特点，分析比较碳化硅和金刚石 在成键的特点？
高温
原子晶体
（3）氮化硅陶瓷
氮化硅陶瓷 （Si3N4 ） 是灰白色固体，硬 度为9，是最硬的 材料之一。它的导 热性好且膨胀系数 小，可经受低温高 温、骤冷骤热反复 上千次的变化而不 破坏，因此是十分 理想的高温结构材 料。
光 学 纤 维 胃 镜
• 4. 生物陶瓷 • 具有生物特性。有些新型无机非金属材料强度 高、无毒、不溶于水，对人体组织有较好的适 应性，可直接植入人体内，用这类材料制成的 人造牙齿、人造骨骼，已被应用在医疗上。
生物陶瓷材料
生物陶瓷是用于人体器官替换、修补，及 外科矫形的陶瓷材料。主要包括羟基磷灰石、 氧化铝、生物活性玻璃陶瓷等。
一、C60在超导体中的应用
1、掺杂C60的超导体
图1 M+处于C60的fcc晶格间隙 表1 几种碱金属掺杂C60的超导性质
K3C60 Tc/K 18～19
Rb3C60 30
Cs3C60 3的二聚物C116
有人曾经预测过，当C原子数达到540时，就可获 得室温超导。
新型无机非金属材料
没有特殊的新型材
料，“神州号”宇 宙
飞船就无法遨游太
空
二、新 型 无机非金 属材料
一：新型陶瓷
• 1.高温结构陶瓷 • 能承受高温、强度高。 例如：氮化硅陶瓷在1200℃左右的高温下， 仍具有很高的强度，可用来制造汽轮机叶片、 轴承、永久性模具等。
二氧化锆 氧化铝陶瓷
结构 陶瓷
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C60
传统无机非金属材料与新型材料的比较
传统的硅酸盐材料优、缺点