无机非金属材料工艺学 0 绪论

1、课程(kchng)沿革无机(wj)非金属材料工艺学共八十页计划学时：48学时参考教材：水泥工艺学 沈威等编著，武汉工业大学出版社 玻璃工艺学 西北轻工业学院主编，中国轻工业出版社 陶瓷工艺学 华南工学院等合编课程要求：具有扎实的基础知识。 全面系统地掌握无机非金属材料的基本概念、 基本理论、制备原理、生产过程的共性与个性(gxng) 及无机非金属材料的基本性能。课程的目的与任务：加强学生的基础知识，拓宽知识面，全面 系统地建立无机非金属材料工艺知识体系， 培养智能型与复合型人材。共八十页0 绪 论 0.1 材料及无机非金属材料的定义(dngy)与分类 0.1.1 材料的定义(dngy)与分类

2、从广义的角度，材料定义为能够用以加工有用物质的物质。 材料分类 按性能、使用用途分类： 结构材料（受力，承载）功能材料（半导体，超导体，以及光、电、声、磁、应力转换等）共八十页按化学组成(z chn)和显微结构特点分类： 材 料 金属材料无机(wj)非金属材料有机高分子材料复合材料大坝金属材料无机非金属材料有机高分子材料复合材料材 料 金属材料无机非金属材料有机高分子材料复合材料共八十页0.1.2 无机(wj)非金属材料的定义与分类 无机(wj)非金属材料 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

3、分子材料以外的所有材料的统称。无机非金属材料陶瓷胶凝材料天然材料玻璃普通玻璃特种玻璃普通陶瓷特种陶瓷水硬性胶凝材料气硬性胶凝材料共八十页0.1.3 无机(wj)非金属材料的特性 在晶体结构上，无机非金属材料组成元素之间的化学键主要为离子键或离子(lz)-共价混合键。与化学键为金属键的金属材料和共价键的有机高分子材料相比，无机非金属材料有以下特征： 具有复杂的晶体结构 没有自由电子 高熔点 高硬度 较好的耐化学腐蚀性 绝大多数是绝缘体 制成薄膜时大多是透明的 一般具有低导热性 大多数情况下变形微小共八十页0.1.4 无机(wj)非金属材料生产过程的共性与个性 （1）原料(yunlio) 无机非金

4、属材料的生产以铝硅酸盐（粘土、长石等）原料、硅质（石英砂等）原料、石灰质原料、铝质原料等为主。 主要化学成分：CaO、SiO2、Al2O3、Na2O等。（2）原料的破碎 无机非金属材料生产所用的主要原料，绝大多数是质地坚硬的大块状物料，为了均化、烘干、配料等工艺过程的需要进行破碎。共八十页（3）粉体制备(zhbi) 粉体具有(jyu)较高的比表面积，一定的形状及一定范围的颗粒级配，同时在粉体制备过程中，物料得到进一步均化，这些因素对产品的产量、质量有着极为重要的影响。粉体制备主要应用于水泥和陶瓷生产过程。 （4）成型 无机非金属材料产品由于使用、进一步加工等过程的需要，成型是生产的环节之一。陶

5、瓷成型在热加工之前；玻璃成型在热加工之后； 水泥成型主要在使用时，如加工混凝土制品等。 共八十页（5）烘干(hn n) 烘干(hn n)是为了除去物料或坯体中一定量的自由水。 陶瓷成型后的坯体必须经过干燥，才能进入烧成。 （6）高温热处理 无机非金属材料工业所用原料具有很好的稳定性和耐高温性，它们互相反应生成新的物质或使其形成熔融体，必须在较高的温度下进行，因此大部分无机非金属材料生产都需要高温热处理。高温热处理是整个生产过程中的核心。 水泥煅烧 陶瓷烧结 玻璃熔融共八十页0.2 典型(dinxng)无机非金属材料 0.2.1 胶凝材料(cilio) 胶凝材料定义 凡能在物理、化学作用下，从浆

6、体变成坚固的石状体，并能胶结其他物料而具有一定机械强度的物质，统称为胶凝材料，又称胶结料。胶凝材料分类 按组成物质分类 有机胶凝材料，如沥青，各种树脂等。 无机胶凝材料 水硬性胶凝材料 气硬性胶凝材料 拌水后既能在空气中硬化又能在水中硬化，如水泥。拌水后只能在空气中硬化而不能在水中硬化，如石灰、石膏等。（1）胶凝材料的定义与分类 共八十页用石灰、石膏(shgo)作为胶凝材料共八十页水泥(shun)的发明 19世纪初（18101824年），用人工配合粘土与石灰石经煅烧、磨细以制造水硬性胶凝材料(cilio)已经开始组织生产。1824年，英国人阿斯普丁将粘土与石灰石配合烧制成块（熟料），再经磨细而

7、成水硬性胶凝材料，加水拌和后能硬化制成人工石，并具有较高强度，其外观与当时建筑上常用的英国波特兰岛上出产的岩石相似，故称之为“波特兰水泥”（Portland Cement)，并于1824年10月21日首先获得该产品的专利权。共八十页云南红塔集团滇西水泥股份(gfn)有限公司高海拔31000t/d生产线共八十页云南华云公司(n s)水泥厂2500t/d生产线共八十页山东(shn dn)烟台东源水泥公司3000t/d和5000t/d水泥生产线共八十页广州越堡水泥(shun)有限公司6000t/d水泥生产线共八十页阿联酋UCC10000t/d水泥(shun)生产线共八十页（2）水泥的定义(dngy)

8、与分类 水泥(shun)的定义 凡细磨成粉末状，加入适量水后成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等散粒或纤维材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，统称为水泥。水泥的分类 按用途和性能分类 通用水泥：一般土木建筑工程通常采用的水泥；专用水泥：专门用途的水泥。 特性水泥：某种性能比较突出的水泥。共八十页按组成(z chn)分类： 硅酸盐水泥系列 铝酸盐水泥系列 氟铝酸盐水泥系列 硫铝酸盐水泥系列 铁铝酸盐水泥系列 其它(qt):如 无熟料、少熟料水泥共八十页（3）水泥(shun)的基本特性 作为水硬性胶凝材料(cilio)的水泥具有以下特性： 水泥浆具有良好的可塑性，与其它

9、材料混合后的混和物可拥有 适宜的和易性。 较强的适应性。 较好的耐侵蚀、防辐射性能。 硬化后的水泥浆体具有较高的强度，且强度随龄期的延长而逐 渐增长。 良好的耐久性。 通过改变水泥的组成，可适当调整水泥的质量。 可与纤维、聚合物等多种有机、无机材料匹配。 制得各种水泥基复合材料，充分发挥材料潜能。共八十页0.2.2 玻璃(b l) 玻璃(b l)的定义 玻璃是由熔融物冷却、硬化而得到的非晶态固体，其内能和构形熵高于相应的晶体，从熔融态转变为固态时有一定的转变温度Tg。玻璃结构为短程有序，长程无序。 玻璃的特性： 透明，坚硬，良好的耐蚀、耐热、电学和光学性质； 通过调整化学组成，并结合各种工艺方

10、法可大幅度调整玻璃的和物理 化学性能； 能够用多种成型制成各种形状和大小的制品； 通过焊接和粉末烧结等加工方法制成形状复杂、尺寸严格的器件。共八十页玻璃(b l)的通性 （1）各向同性 在任何方向上都具有相同的性质。（2）介稳性 玻璃态物质比相应的晶态物质含较大的内能，它不是处于能量最低的稳定状态(zhungti)，而是处于介稳状态(zhungti)。（3）无固定熔点 玻璃态物质由固体转变为液体是在一定温度区域内进行的。（4）固态和熔融态间转化的渐变性和可逆性（图0-2-1、图0-2-2）（5）性质随成分变化的连续性和渐变性（图0-2-3）共八十页玻璃(b l)的分类 按组成(z chn)分类

11、元素玻璃氧化物玻璃非氧化物玻璃硫系玻璃硒玻璃卤化物玻璃硫族化学物玻璃共八十页按用途(yngt)分类 建筑玻璃(b l)日用轻工玻璃仪器玻璃光学玻璃电真空玻璃 玻璃还可以按性能分类，一般用于一些专门用途、具有某一方面的特定性能的玻璃。 如光学特性玻璃、热学特性玻璃、耐高温玻璃；导电玻璃、半导体玻璃、超导玻璃；力学方面的高强玻璃、耐磨玻璃；化学稳定性方面的耐碱玻璃、耐酸玻璃等。共八十页0.2.3 陶瓷(toc) 陶瓷(toc)的定义 本书中所述陶瓷是指以无机非金属天然矿物或化工产品为原料，经原料处理、成型、干燥、烧成等工序制成的产品，是陶器和瓷器的总称。 通常按吸水率划分。陶瓷的分类 随着生产和科

12、学技术的发展，陶瓷产品的种类也日益增多。按组成可分为硅酸盐陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷；按性能可分为普通陶瓷、特种陶瓷；按用途可分为日用瓷、艺术瓷、建筑瓷、化工瓷等。共八十页陶瓷(toc)的基本特性与特点 陶瓷的显微结构由结晶相、气孔和玻璃相组成。陶瓷材料的离子键、共价键赋予该种材料(cilio)许多优良的性能： 较高的弹性模量 强度高，抗压强度远远大于抗拉强度 耐磨性能良好 好的耐久性，如耐腐蚀、耐高温、抗氧化 硬度高 优良的电绝缘性能 此外陶瓷的脆性大，理论强度高，但实际强度较低，这是陶瓷性能改善的主要方面之一。共八十页0.3 无机(wj)非金属材料的现状及发展趋势 陶瓷 玻璃(b l)

13、 水泥共八十页0.4 无机非金属材料在人类(rnli)生活中的地位与作用 对科学技术发展(fzhn)的作用 对工业及社会进步的作用 对巩固国防、发展军用技术的作用 在生物医学方面的作用共八十页0.5 无机非金属材料工艺学的研究(ynji)内容 合成与制备结 构组 成性 能共八十页典型(dinxng)生产工艺流程机械化立窑水泥(shun)生产工艺流程图共八十页典型(dinxng)生产工艺流程回转窑水泥(shun)生产工艺流程图共八十页典型生产(shngchn)工艺流程玻璃(b l)类（浮法）共八十页典型(dinxng)生产工艺流程陶瓷(toc)（釉面砖类）共八十页典型(dinxng)生产工艺流程

14、碳素材料(cilio)类 共八十页图0-2-1 物质内能与体积随温度(wnd)的变化 共八十页图0-2-2 不同冷却(lngqu)速度下玻璃的比容与温度的关系 共八十页图0-2-3 R2O-SiO2系统玻璃的弹性(tnxng)变化 1-Li2O；2-Na2O；3-K2O共八十页谢谢(xi xie)大家！Thank you for your attention！共八十页Questions共八十页作业注明班级、姓名(xngmng)、学号）1、什么是材料，材料如何分类？2、无机非金属材料的定义与分类？3、水泥、玻璃、水泥的定义、特征与分类？要求：1、作业按学号顺序排列；2、课代表在第二次上课之前将作

15、业送至授课老师办公室；共八十页 一.土木工程材料的定义(dngy) 二.土木工程材料的分类 按化学成分无机(wj)材料有机材料复合材料按使用功能结构材料墙体材料功能材料土木工程（建筑物、构筑物）中使用的各种材料及制品VS 土木工程材料共八十页有机(yuj)材料无机(wj)材料复合材料黑色金属：钢、铁、不锈钢等金属材料非金属材料有色金属：铝、铜等其他合金天然石材：砂、石及石材制品等烧土制品：砖、瓦、玻璃等胶凝材料：石灰、石膏、水泥、水玻璃等砼及硅酸盐制品：砼、砂浆及硅酸盐制品植物材料：木材、竹材等沥青材料：石油沥青、煤沥青、沥青制品等高分子材料：塑料、涂料、胶粘剂等无机非金属与有机复合：玻璃钢、

16、聚合物砼、沥青混合料等金属材料与无机非金属材料复合：钢纤维砼等金属材料与有机材料复合：轻质金属夹芯板共八十页分：强制性推荐性如：GBGB/T国家标准(u ji bio zhn)GB行业标准专业(zhuny)标准地方标准DB标准构成标准代号 标准顺序号 发布年代号 标准名称建工JG交通JT建材JC冶金YB石化SH企业标准QB标准名称标准代号标准顺序号发布年代号例如：聚氨酯建筑密封膏JC/T 4822003三.技术标准共八十页一、无机(wj)非金属材料一、硅酸盐材料1.陶瓷 2.玻璃(b l)3.水泥二、特殊无机非金属材料1.半导体材料2.特种陶瓷 3.单晶硅 4.光导纤维共八十页硅酸盐材料沙石、

17、黏土、石英、石棉、陶瓷、玻璃、水泥(shun)硅酸盐材料大多具有稳定性强、硬度高、熔点高、难溶于水、绝缘、耐腐蚀等特点。共八十页1.1 水泥(shun)硅酸盐中用量最大的是水泥，建筑工程都离不开它。水泥具有水硬性，加水搅拌静置后就凝固变硬。它不仅(bjn)能在空气中凝结硬化，而且能在水中继续硬化并提高强度。图5-15 长江三峡大坝共八十页水泥种类、制作(zhzu)、主要成分水泥种类(zhngli)很多，改变原料成分和配比可制成性质、用途不同的各种水泥。以石灰石和黏土为主要原料，按一定比例混合磨细后在水泥回转窑中煅烧，冷却后加入适量石膏磨成细粉，就是普通水泥。普通水泥的主要成分是硅酸三钙（3Ca

18、OSiO2）、硅酸二钙（2CaOSiO2）和铝酸三钙（3CaOAl2O3）。共八十页混凝土水泥、沙子和碎石的混合物叫混凝土。混凝土常用钢筋(gngjn)做结构，即钢筋(gngjn)混凝土结构，可用来建造桥梁、高楼大厦等共八十页1.2 玻璃(b l)普通玻璃（钠玻璃）的原料是石英（SiO2）、纯碱（Na2CO3）和石灰石（CaCO3），反应后生成(shn chn)硅酸钠和硅酸钙，即钠玻璃的主要成分。用于制造玻璃管、门窗玻璃等；采用不同的成分可以值得不同特点的玻璃。共八十页耐温玻璃(b l)以钾取代钠，可得到熔点较高的钾玻璃，用于制造(zhzo)燃烧管，高温反应器等；共八十页光学玻璃(gungxu

19、b l)以铝代替钠和钙，则可制得光学玻璃(gungxub l)，如显微镜、望远镜用透镜等；共八十页颜色(yns)玻璃在玻璃中加入(jir)少量有颜色的金属化合物，可以得到颜色不同的玻璃，如氧化钴（Co2O3）着蓝色，氧化亚铜（Cu2O）着红色，氧化铬（Cr2O3）着绿色等。共八十页变色(bins)玻璃在玻璃中加入(jir)卤化银，并进行适当的热处理即可制得变色玻璃。当阳光照到玻璃上时，卤化银分解，银原子聚集成较大的银粒，使玻璃变黑、深棕色，一旦强光消失，卤素与银又化合成卤化银，玻璃便自动褪色，又恢复到透光性。共八十页钢化玻璃(n hu b l)普通玻璃易碎，如果在软化态玻璃冷却过程中采取措施，

20、使其表面应力保留下来，可大大提高玻璃的抗拉强度，这样的玻璃称为钢化玻璃。钢化玻璃破碎时为粉碎(fn su)状，不会有普通玻璃破碎时的大块和尖角，具有较高的安全性能，常用于车窗玻璃。图5-14 钢化玻璃共八十页玻璃(b l)性质玻璃没有固定熔点，而是在某一温度范围内逐渐软化，在软化状态时，玻璃可吹成或轧成任何形状。玻璃性质稳定，但易被氢氟酸和强碱腐蚀。此外，玻璃还具有易于成型、透明、质地均匀、表面光滑以及成本低的特性(txng)，使得它成为日益发展的通讯、信息和电子工业必不可少的材料之一。共八十页1.3 陶瓷(toc)在硅酸盐工业中，出现(chxin)最早的工艺就是制陶、烧瓷。在距今约4500年

21、的新石器时代，我们的祖先就已经制出各种陶制器具秦始皇陵出土陶制兵马俑唐朝的“唐三彩”，宋朝的“钧瓷”共八十页图11 陶制兵马俑图12 景德镇陶瓷共八十页陶瓷(toc)的制造传统的陶瓷制造(zhzo)过程是将黏土与水混匀，制成所需要形状的坯件，再经高温焙烧，就得到成品。原料和烧制温度是影响陶瓷品种和性能的关键技术。1000以下烧成的是陶器，而烧制瓷器则需要更高的温度。共八十页陶瓷(toc)的原料陶器(toq)的原料是较低级的黏土，其化学成分比例约为氧化铝Al2O3 15%18%，氧化铁Fe2O35%6%。瓷器的原料是较高级的黏土，约含Al2O318%28%，Fe2O31%2%，Al2O3相对较多

22、。共八十页【问与答】你能比较归纳比较三种常见硅酸盐材料(cilio)的化学成分和性能吗？共八十页二、特殊(tsh)无机非金属材料传统的无机(wj)非金属材料是日常生活和生产建设所必需的材料，而新型无机(wj)非金属材料则在高科技领域、新兴产业和传统工业技术改造中应用广泛。共八十页2.1半导体材料(cilio)在物理学上，通常按材料(cilio)的电阻的不同将各种材料(cilio)分成“导体”、“半导体”和“绝缘体”三个档次。电阻率介于导体和绝缘体之间的材料(cilio)，称为半导体材料(cilio)。锗和硅是最常用的元素半导体；共八十页二极管同一种半导体材料，可以制成两种类型的半导体，一种是p

23、型半导体，另一种叫n型半导体。当在半导体上加上电压时，只有一个方向的电流能通过(tnggu)，如果将正负极调换一下，电流就不能通过(tnggu)，也就是，它具有单向导电的功能。因此，利用半导体材料的这种特性制成的二极管可以对电信号进行检波。共八十页应用(yngyng)：现在，半导体材料几乎渗透到人们(rn men)工作、生活、学习与休闲等多个领域。各种家用电器，如电视机、录像机、电脑、电话等，都离不开半导体材料。共八十页2.2 特种(tzhng)陶瓷随着科学技术水平的不断进步，人们能用人工合成的高纯度无机化合物为原料，制造出了在光、电、化学和生物学等方面具有特殊性能的陶瓷材料，称为(chn w

24、i)特种陶瓷。共八十页（1）氮化硅陶瓷(toc)用高纯硅粉在氮气(dn q)中，1300下直接反应可制得块状的氮化硅的硬度大，熔点高，化学性质稳定，电绝缘性好，在1200下仍可保持室温时的强度和硬度。反应方程式为：3Si2N2 = Si3N4 【性质】共八十页【主要用途】氮化硅陶瓷摩擦系数小的特点，可作为轴承材料，并可免除(minch)润滑系统。氮化硅陶瓷做发动机，可使燃料在高温下充分燃烧，提高热效率；可取代高温合金来制造飞机上的涡轮发动机，可以减轻飞机的质量。共八十页（2）碳化硅陶瓷(toc)将二氧化硅与碳在电弧炉中加热至1900以上可得到(d do)碳化硅。反应方程式为：SiO23C =

25、SiC2CO 共八十页【性质(xngzh)】碳化硅又称金刚砂，其结构与金刚石相似，硬度也可与其相媲美，化学性质(huxu xngzh)稳定，可耐2000的高温，在室温下导电，热传导能力好。共八十页【主要用途】碳化硅陶瓷制成硅碳电热棒，是很好的电热组件；可用作核反应堆中核燃料的包封材料(cilio)；航天器的涂层材料(cilio)和火箭尾喷管的喷嘴。碳化硅共八十页2.3 单晶硅硅在地壳中含量丰富，仅次于氧，在自然界中没有游离态的硅，硅主要以硅酸盐和氧化物的形式存在于地壳的各种( zhn)矿物和岩石里，是构成矿物和岩石的主要成分。共八十页【性质(xngzh)】用碳在高温下还原二氧化硅制得含有少量杂

26、质的粗硅。将粗硅提纯后，可以得到(d do)高纯硅，反应方程式为：SiO22C = Si2CO常温下，硅的化学性质不活泼，不与氢气、氯气、硫酸、硝酸等反应，但溶于氢氟酸和碱液。共八十页晶体(jngt)硅的特性硅的导电性能介于导体和绝缘体之间。高纯度的晶体硅在极低的温度下几乎不导电，在升温、光照等外界条件的影响(yngxing)下，电阻迅速减少，导电能力增强，所以高纯度晶体硅是良好的半导体材料。共八十页【主要用途】高纯度单晶硅是制造大功率晶体管、整流器、各种集成电路（包括(boku)计算机内的芯片和CPU）的原材料。单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多