无机非金属工艺学

无机非金属材料工艺学材料科学与工程学院二○一三年九月刘

银1.王琦，无机非金属材料工艺学，中国建材工业出版社2.刘康时，陶瓷工艺原理，华南理工大学出版社3.沈威，水泥工艺学，武汉工业大学出版社

4.玻璃工艺学，西北轻工业学院

参考书目一、课程基本信息

课程名称：无机非金属材料工艺学学分：2学时：32适用专业：无机非金属材料先修课程：材料科学基础等二、课程的性质与任务

性质：无机非金属材料专业主干课，必修，是固体废弃物再生、利用过程不可或缺的一门课程。

任务：课程旨在让学生掌握无机非金属材料的制备原理、生产工艺过程中的共性及特点、生产过程中的物理化学变化。并使学生对无机非金属材料的性能、生产过程和应用有较全面的了解。三、课程教学基本要求

1、掌握无机非金属材料的生产过程、工艺原理和质量控制；2、了解各类无机非金属材料的生产控制、性能和应用领域；3、掌握无机非金属材料各种有关加工过程中的主要工艺参数、工艺性能的测试方法，具备处理实验资料、分析实验结果的能力。强调理论联系实际；强调知识间的相互联系；强调能力的培养及潜能的发掘；强调工程技术能力、科研能力和创新能力的培养；四、本课程教学重点

五、有关教学环节的要求

1、考核方式：闭卷考试2、成绩评定：考试(70%)+平时(30%)（含作业和讨论）0绪论一、材料的定义与分类1.材料：能够用以加工有用物质的物质（广义）2.材料的分类

(1)按化学组成和特性无机非金属材料：水泥、陶瓷、玻璃等

金属材料：金属、合金等有机高分子材料：塑料、合成橡胶、合成纤维等(2)按用途结构材料：利用其强度、硬度、韧性等机械性能制成的各种材料。功能材料：利用材料的热、光、电、磁等性能用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域，如光导纤维。复合材料：无机-有机、无机-金属等二、无机非金属材料的定义与分类

1、定义

无机非金属材料(inorganicnonmetalmaterials)是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。包括氧化物、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、硼酸盐等物质组成的材料。2、分类（1）传统无机非金属材料（2）新型无机非金属材料材

料品种示例传统无机非金属材料水泥和其他胶凝材料硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、石膏等陶

瓷粘土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等耐火材料硅质、硅酸盐质、高铝质、镁质、铬镁质等玻

璃硅酸盐、硼酸盐、氧化物、硫化物和卤素化合物玻璃等搪

瓷钢片、铸铁、铝和铜胎等铸

石辉绿石、玄武岩、铸石等研磨材料氧化硅、氧化铝、碳化硅等多孔材料硅藻土、沸石、多孔硅酸盐和硅酸铝等碳素材料石墨、焦炭和各种碳素制品等非金属矿粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金刚石等水泥石灰平板玻璃光学玻璃日用陶瓷卫生陶瓷密封环蜂窝陶瓷灯具系列绝缘瓷件高压电瓷氧化锆氧化铝碳化硅碳素材料石棉云母非金属矿

上述传统的陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均为硅酸盐，因此统称为硅酸盐材料。20世纪中期以后，性能更为优良以及有特殊功能的新型陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥、涂层、磨料等制品的飞速发展。它们在化学组成上远远超出了硅酸盐化合物的范围，而是扩展到了其他氧化物、氮化物、硼化物、碳化物、硫系化合物和钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等，以至几乎一切无机化合物。这些称为新型无机非金属材料。新型无机非金属材料高频绝缘材料氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等铁电和压电材料钛酸钡系、锆钛酸铅系材料等磁性材料锰-锌、镍-锌、锰-镁、锂-锰等铁氧体、磁记录和磁泡材料等导体陶瓷钠、锂、氧离子的快离子导体和碳化硅等半导体陶瓷钛酸钡、氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化锆等过渡金属元素氧化物系材料等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英系或多组分玻璃的光导纤维等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超硬材料碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等人工晶体铌酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等生物陶瓷长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的载体等无机复合材料陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料YAG玻璃纤维

高压钠灯人造关节三、无机非金属材料的特性

高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度、良好的抗氧化性、宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。

化学键：离子键、共价键或离子-共价混合键为主。缺点：抗拉强度低、韧性差等四、无机非金属材料生产过程的共性与个性1、无机非金属材料生产过程的共性原料

天然非金属矿物。石英砂(SiO2)、粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、长石(K2O·Al2O3·6SiO2等)、铝钒土(Al2O3·nH2O)、石灰石(CaCO3)、白云石(CaCO3·MgCO3)、硅灰石(CaO·SiO2)、硅线石(Al2O3·SiO2)

氧、硅、铝三者的总量，占地壳中元素总量的90%。其中除天然砂和软质粘土外，都是比较坚硬的岩石。储量丰富，分布广泛，成分和结构上都存在很大的差别。粉料的制备与运输

因原料大多来自天然的硬质矿物，要使其重新化合、造型，必须进行矿物的破(粉)碎，再利用粉料配料，然后才能进行各种热处理或成形。

粉体的制备和运输是无机非金属材料的生产过程中不可缺少的一环。粉尘和噪音污染高纯度和高细度、粉体的合成。

成型方法很多，原理也各不相同，但是它们的任务是相同的，都是将粉体制成某种形状，使其成为具有一定机械强度和准确尺寸的坯体。陶瓷、耐火材料生产，外形尺寸要求较高。

干燥

1、原料；2、料浆；3、成型后的制品。目的都是要从物料和制品中将水分除去。遵循相同的基本原理：热量的传递，水分的蒸发。加热的方式、空气的温度和流速对水分蒸发的影响，干燥过程中坯体的体积变化等。高温加热(热处理)

高度稳定的物质，或使其形成熔融体大部分无机非金属材料生产都有加热过程，而且是整个生产的核心过程，一般都在用耐火材料砌筑的窑炉中进行，一般在1000℃以上。

生产的核心过程：水泥生料的煅烧、玻璃工业中的加热、陶瓷的烧结。

加热过程中所遵循相同的基本原理：热的传递，气体的流动，物质的传递，熔体、气体对炉体的侵蚀，气氛的影响等等。2、无机非金属材料生产过程的个性

将粉体的制备过程以P(Powder)来表示，热处理过程用H(Heating)来表示，成型以F(Forming)来表示，则无机非金属材料的各种生产工艺过程可以有P-H-P，H-P-F，P-H-F等组合。胶凝材料类(bindingmaterial)

水泥：P(原料粉磨)-H(热处理，生成3CaO·SiO2、2CaO·SiO2等)-P(熟料磨粉)-F(浇筑成形)，就水泥粉的制备而言，也可写成P-H-P；混凝土的制备：F石灰：H(大块石灰石)-P（-F）；石膏：P(石膏)-H(半水石膏CaSO4·1/2H2O)-P-(F)。玻璃、玻璃纤维、铸石、人工晶体类

玻璃(glass)：P(配料)-H(熔化)-F(冷却固化成形)；

玻璃纤维(glassfiber)：P(配料)-H(熔化)-F(拉丝冷却成形)；

微晶玻璃、铸石、人工晶体类：P-H-F-H

砖瓦、陶瓷、耐火材料类

砖瓦(brickandtile)、陶瓷(ceramic)：P-F(制坯)-H(烧成或烧结)；耐火材料与陶瓷类似。五、典型无机非金属材料胶凝材料定义、分类 无机有机水泥的定义、分类水泥的基本特性2.玻璃定义、分类 无机有机金属玻璃通性硅酸盐玻璃的分类3、陶瓷

（1）狭义（2）广义1.陶瓷的定义与分类

2.分类方法

化学组成、矿物组成、制造方法、功能、用途、材料的结构和基本物理性能

吸水率/%透光性胎体特征敲击声

陶器

≥3

不透光未玻化或较差，结构不致密，断面粗糙

浑浊

瓷器

≤3

透光玻化程度高，结构致密，细腻，断面呈石状或贝壳状

清脆1.按坯体的物理性能特征来分类表1我国日用陶瓷分类标准（1）（GB5001-85）

吸水率（%）特征

陶器粗陶器>15不施釉，制作粗糙普遍陶器≯12断面颗粒较粗，气孔大，表面施釉，制作不够精细

细陶器≯15断面颗粒细，气孔小，结构均匀施釉或不施釉，制作精细

瓷器

炻瓷器≯3透光性差，通常胎体较厚，呈色，断面呈石状，制作较精细普遍瓷器≯1有一定透光性，断面呈石状或贝壳状，制作较精细细瓷器≯0.5透光性好，断面细腻，呈贝壳状，制作精细表2我国日用陶瓷分类标准（2）

吸水率：陶＞10%，瓷＜0.5%；介于两者之间半瓷器；炻器2-5%；土器（瓦器）＞25%。2.按陶瓷概念和用途分类1）原料

普通陶瓷特种陶瓷2）性能及用途 结构陶瓷功能陶瓷陶瓷普通陶瓷特种陶瓷日用陶瓷(包括艺术陈列陶瓷)

建筑卫生陶瓷

化工陶瓷

化学瓷

电瓷及其它工业用陶瓷

结构陶瓷

功能陶瓷

六、无机非金属材料发展简史

传统陶瓷：旧石器时代的石器工具→原始部落制作的粗陶器→商代的原始瓷器和上釉的彩陶→东汉青瓷→唐、宋、元、明、清各历史时期的不断展，已达到相当高的技术和艺术水平，并成为中华民族的瑰宝。

传统的硅酸盐材料又叫窑业材料。

从河北省阳原县泥河湾地区发现的旧石器时代晚期的陶片来看，在中国陶器的产生距今已有11700多年的悠久历史。

灰陶、磁山文化的红陶、仰韶文化的彩陶、大汶口的“蛋壳黑陶”、商代白陶、西周硬陶，秦代的兵马俑、汉代的釉陶、唐代的唐三彩等。到了宋代，瓷器的生产迅猛发展，制陶业趋于没落，但是有些特殊的陶器品种仍然具有独特的魅力，如宋、辽三彩器和明、清至今的紫砂壶、琉璃、法花器及广东石湾的陶塑等。

陶器出现

裴李岗文化时期的陶器（距今约8000年）。出土于河南省郑州市新郑市裴李岗村。出土的陶器主要以泥质红陶和夹砂红陶为主，红陶在中国出现最早，烧成温度900℃左右。

仰韶文化时期陶器

1972年河南省郑州市大河村出土彩陶双连壶

龙山文化时期出土的黑陶（距今约4600－4000年）商代早期陶器（河南荥阳出土）

商代几何纹白陶瓿

陶器向瓷器过渡西汉（公元前206──公元24年）1975年河南省三门峡市出土北齐武平六年（公元575年）1971年河南省安阳县范粹墓出土彩绘陶甗黄釉舞乐扁壶

早在3000多年前的商代，我国已出现了原始青瓷，再经过1000多年的发展，到东汉时期终于摆脱了原始瓷器状态，烧制出成熟的青瓷器。

唐朝瓷器有很大发展，如北方邢窑白瓷“类银类雪”，南方越窑青瓷“类玉类冰”。形成“北白南青”的两大窑系。同时唐代还烧制出雪花釉、纹胎釉和釉下彩瓷及贴花装饰等品种。

宋代是我国瓷器空前发展的时期，除青、白两大瓷系外，黑釉、青白釉和彩绘瓷纷纷兴起。举世闻名的汝、官、哥、定、钧五大名窑的产品为世所珍。还有耀州窑、湖田窑、龙泉窑、建窑、吉州窑、磁州窑，是我国陶瓷发展史上的第一个高峰。

唐代：“第三次飞跃”是瓷器由半透明釉发展到半透明胎。

唐三彩钧瓷景德镇陶瓷七、地位和作用

1、国家建设和人民生活中不可缺少的重要物质基础。

2、科学技术的物质基础，是现代技术的发展支柱。

3、建立与发展新技