材料工学2原料及其预处理

1、 以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物、以及硅酸盐、以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物、以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐和非氧化物等物质组成的材料，是除金属材料和有机高分铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐和非氧化物等物质组成的材料，是除金属材料和有机高分子材料以外的所有材料的统称。子材料以外的所有材料的统称。传统无机非金属材料传统无机非金属材料本门课程内容本门课程内容- -水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料新型无机非金属材料新型无机非金属材料上节回顾 使用效能使用效能合成合成工艺流程工艺流程组成与结构组成与结构（原料）（原料）性性 能能 材料工学的

2、任务就是要研究如何选择材料工学的任务就是要研究如何选择合适的原料，通过各种工艺过程，生产出合适的原料，通过各种工艺过程，生产出符合各种性能要求的材料，并能达到低投符合各种性能要求的材料，并能达到低投人高产出（使用效能）。人高产出（使用效能）。 1 1、不断利用材料科学及其他相邻学、不断利用材料科学及其他相邻学科的发展成就，实现按使用性能要求来设科的发展成就，实现按使用性能要求来设计和制造材料的目标。计和制造材料的目标。 2 2、生产工艺也将向节能化、大型化、生产工艺也将向节能化、大型化、自动化和环境协调化方向迈进。自动化和环境协调化方向迈进。主要成分：主要成分： CaCO3理论组成：理论组成：

3、 CaO 56%，CO2 44。 杂质：有杂质：有Mg、Fe、Mn(8以下以下)等碳酸盐。等碳酸盐。一般为乳白色或无色。一般为乳白色或无色。杂质污染时可呈陪灰、黄、红、褐色等。杂质污染时可呈陪灰、黄、红、褐色等。玻璃光泽，性脆，硬度为玻璃光泽，性脆，硬度为3，比重，比重2.6。石灰石的组成与性质石灰石的组成与性质化学成分：主要为化学成分：主要为CaCO3。 泥灰岩的组成与性质泥灰岩的组成与性质 白垩的组成与性质白垩的组成与性质 白垩易于粉磨和易烧性均较好。白垩易于粉磨和易烧性均较好。 钙质原料化学组成：钙质原料化学组成：CaO、CO2；少量的；少量的SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO等杂

4、质。等杂质。主要作用是提供制成无机非金属材料所需的主要作用是提供制成无机非金属材料所需的CaO。在硅酸盐水泥生产中，钙质原料是烧制硅酸盐水泥熟料的在硅酸盐水泥生产中，钙质原料是烧制硅酸盐水泥熟料的主要原料之一。主要原料之一。主要提供生产熟料矿物所需的主要提供生产熟料矿物所需的CaO。生产。生产1t硅酸硅酸盐水泥熟料通常需要盐水泥熟料通常需要1.21.3t干石灰质原料。用于烧制硅酸盐水干石灰质原料。用于烧制硅酸盐水泥熟料的钙质原料一般为石灰石和泥灰岩。泥熟料的钙质原料一般为石灰石和泥灰岩。 钙质原料的质量要求：钙质原料的质量要求：名称品位名称品位CaOMgOR2OSO3燧石或石燧石或石英英石石灰

5、灰石石一级品一级品482.51.01.04.0二级品二级品45483.01.01.04.0泥灰岩泥灰岩35453.01.21.04.0粘土是多种微细的矿物的混合体。它主要是由铝硅酸盐类粘土是多种微细的矿物的混合体。它主要是由铝硅酸盐类岩石经长期风化而成。岩石经长期风化而成。粘土：粘土：东北的灰色、灰黄色粘土；东北的灰色、灰黄色粘土； 南方的红壤、黄壤南方的红壤、黄壤黄土：黄土：主要分布在西北、华北主要分布在西北、华北页岩、粉砂岩：页岩、粉砂岩：缺少粘土的山部地区缺少粘土的山部地区河泥、湖泥：河泥、湖泥：靠近江河湖海的地区靠近江河湖海的地区各种粘土情况千差万别，但在一定程度上它们或多或少各种粘土

6、情况千差万别，但在一定程度上它们或多或少都有都有可塑性可塑性。这种性质是指把粘土细粉加水调匀后，可以塑。这种性质是指把粘土细粉加水调匀后，可以塑造成各种形状，干燥后维持原状不变，并且有一定强度。造成各种形状，干燥后维持原状不变，并且有一定强度。原生粘土原生粘土：质地较纯，颗粒稍粗，：质地较纯，颗粒稍粗， 可塑性较差，耐火度较高。可塑性较差，耐火度较高。次生粘土次生粘土：颗粒细，杂质多，：颗粒细，杂质多， 可塑性较好，耐火度较差。可塑性较好，耐火度较差。高塑性粘土高塑性粘土：分散度大，多呈疏松或板状，：分散度大，多呈疏松或板状， 如膨润土、木节土等。如膨润土、木节土等。低塑性粘土低塑性粘土：分散

7、度小，呈致密块状或石状，：分散度小，呈致密块状或石状， 如叶腊石、瓷石等。如叶腊石、瓷石等。耐火粘土耐火粘土：耐火度在耐火度在1580以上，杂质较少，灼以上，杂质较少，灼 烧后多呈白色、灰色或淡黄色，为瓷烧后多呈白色、灰色或淡黄色，为瓷 器、耐火制品的主要原料。器、耐火制品的主要原料。难熔粘土难熔粘土：耐火度为耐火度为13501580，含易熔杂，含易熔杂 质在质在1015左右，可作炻器、左右，可作炻器、 陶器、耐酸制品、装饰砖及瓷砖陶器、耐酸制品、装饰砖及瓷砖 的原料。的原料。易熔粘土易熔粘土：耐火度在耐火度在l 350以下，含大量的各种以下，含大量的各种 杂质，多用于建筑砖瓦和粗陶等制品。杂

8、质，多用于建筑砖瓦和粗陶等制品。按耐火度分类按耐火度分类 按粘土的主要矿物按粘土的主要矿物 高岭石类粘土高岭石类粘土蒙脱石类粘土蒙脱石类粘土伊利石类粘土伊利石类粘土粘土是含水铝硅酸盐的混合体，粘土是含水铝硅酸盐的混合体，1.化学成分化学成分：SiO2、Al2O3、结晶水、结晶水 同时含少量的碱金属同时含少量的碱金属R2O（K2O、Na2O）与与 碱土金属氧化物（碱土金属氧化物（CaO、MgO），）， 以及着色氧化物以及着色氧化物 (Fe2O3、TiO2)等。等。在自然界中粘土矿物很少以单矿物出现，经常是数种粘土在自然界中粘土矿物很少以单矿物出现，经常是数种粘土矿物共生形成的多矿物组合。根据结构

9、与组成的不同，工业所矿物共生形成的多矿物组合。根据结构与组成的不同，工业所用粘土中的主要矿物可分为用粘土中的主要矿物可分为高岭石类高岭石类、蒙脱石类蒙脱石类及及伊利石类伊利石类。高岭石高岭石-最常见的粘土矿物最常见的粘土矿物组成：组成： A12O3SiO22H2O 晶体呈白色，一般是六方鳞片状、粒状、也有杆状的，晶体呈白色，一般是六方鳞片状、粒状、也有杆状的，二次高岭土中的粒子不规则，边缘折断，尺寸也小。二次高岭土中的粒子不规则，边缘折断，尺寸也小。高岭土的高岭土的吸附能力小，遇水不膨胀，可塑性和结合性较差，吸附能力小，遇水不膨胀，可塑性和结合性较差，杂质少，白度高，耐火度高杂质少，白度高，耐

10、火度高。加热至。加热至400600会排出结晶水会排出结晶水。蒙脱石蒙脱石 以蒙脱石为主要矿物的粘土叫做以蒙脱石为主要矿物的粘土叫做膨润土膨润土。化学通式：化学通式： Al2O34SiO 2nH 2O (n通常大于通常大于2) 蒙脱石呈不规则细粒状或鳞片状，颗粒较小，一般蒙脱石呈不规则细粒状或鳞片状，颗粒较小，一般05微米，结晶程度差，晶体轮廓不清。微米，结晶程度差，晶体轮廓不清。 颜色为白色或淡黄色。比重为颜色为白色或淡黄色。比重为2.02.5。 容易碎裂，颗粒微细，可塑性强，干燥后强度大，但干燥收缩容易碎裂，颗粒微细，可塑性强，干燥后强度大，但干燥收缩也大。蒙脱石中也大。蒙脱石中A12O3的

11、含量较低，又吸附了其他阳离子，杂质较多，的含量较低，又吸附了其他阳离子，杂质较多，因此烧结温度较低，蒙脱石的离子交换力很强。因此烧结温度较低，蒙脱石的离子交换力很强。吸水性很强，吸吸水性很强，吸水后体积膨胀。水后体积膨胀。Montmorillon伊利石伊利石：一种云母类矿物：一种云母类矿物 晶体构造式：晶体构造式：K2(AI,Fe,Mg)4(Si,A1)8O20(OH)4nH2O。 结构上，伊利石和蒙脱石相似。结构上，伊利石和蒙脱石相似。 电子显微显微图像一般呈带有尖角的片状。也有呈边界电子显微显微图像一般呈带有尖角的片状。也有呈边界圆滑的片状及板条状。圆滑的片状及板条状。一般可塑性差、干后强

12、度低，干燥收缩小、烧结温度低，一般可塑性差、干后强度低，干燥收缩小、烧结温度低，一般在一般在800左右开始烧结，完全烧结在左右开始烧结，完全烧结在10001150。颗粒组成是指粘土中含有不同大小颗粒的百分比含量。颗粒组成是指粘土中含有不同大小颗粒的百分比含量。粘土矿物直径一般小于粘土矿物直径一般小于12微米微米。颗粒组成对工艺性质的影。颗粒组成对工艺性质的影响如下：响如下：v 粘土的细颗粒粘土的细颗粒( (1um1um的颗粒的颗粒 ) )愈多则可塑性愈强、愈多则可塑性愈强、 干燥收缩大、干后强度高，而且烧结温度低。干燥收缩大、干后强度高，而且烧结温度低。v 片状结构比杆状结构的颗粒堆积致密、塑

13、性大、片状结构比杆状结构的颗粒堆积致密、塑性大、 强度高。强度高。v 结晶程度差的颗粒可塑性也大。结晶程度差的颗粒可塑性也大。 测定粘土颗粒大小的方法有显微镜，电子显微镜，水簸法，测定粘土颗粒大小的方法有显微镜，电子显微镜，水簸法，混浊计法，吸附法等。最常用的方法是混浊计法，吸附法等。最常用的方法是筛分析筛分析(0.06mm以上以上)与与沉降法沉降法(150um)。粘土原料的工艺性质主要取决于其化学、矿物与颗粒粘土原料的工艺性质主要取决于其化学、矿物与颗粒组成；组成；粘土的工艺性质是工业生产中合理选择粘土原料的粘土的工艺性质是工业生产中合理选择粘土原料的重要指标重要指标。v 可塑性可塑性v 结

14、合性结合性v 离子交换性离子交换性v 触变性触变性v 膨化性膨化性v 收缩收缩v 烧结温度与烧结范围烧结温度与烧结范围v 耐火度耐火度可塑性是指粘土与适量水混练后形成的泥团，在外力作用可塑性是指粘土与适量水混练后形成的泥团，在外力作用下，可塑造成各种形状而不开裂，当外力除去以后，仍能保持下，可塑造成各种形状而不开裂，当外力除去以后，仍能保持该形状不变的性能。该形状不变的性能。 塑性限度塑性限度(塑限塑限) 液性限度液性限度(液限液限) 可塑性指数可塑性指数=液限液限-塑限塑限 可塑性指标可塑性指标=应力应力*应变应变 出现裂纹时出现裂纹时可塑性判别 v可塑性指数可塑性指数 可塑性指标可塑性指标

15、 可塑性评价可塑性评价 15 3.6 好好 715 2.53.6 中中 17 2.5 弱弱 99%），杂质少。），杂质少。 石英岩石英岩(硅石硅石)：石英岩含有一定量的杂质，：石英岩含有一定量的杂质，SiO2含量为含量为97%左右。左右。 砂岩砂岩：是由粘土或其它物质胶结细粒二氧化硅晶体的水成岩石：是由粘土或其它物质胶结细粒二氧化硅晶体的水成岩石 称为砂岩。称为砂岩。SiO2含量含量16%；Fe2O312%。代用原料代用原料：有高岭土、叶腊石等。：有高岭土、叶腊石等。其技术要求是其技术要求是： 高岭土：高岭土：A12O330%；Fe2O325%；Fe2O30.4%；SiO21200 作用过程作用过程:定义：使物质着色的物质，称为物质的着色剂。定义：使物质着色的物质，称为物质的着色剂。 在玻璃生产中，根据着色剂在玻璃中呈现的状态不同，在玻璃生产中，根据着色剂在玻璃中呈现的状态不同，分为以下几种：分为以下几种：着色剂着色剂。 悬浮乳浊剂悬浮乳浊剂不熔于或难