8.1无机非金属类材料生态化

第八章

无机非金属类环境材料1精选课件本章内容概论无机非金属材料的生态化改造无机非金属材料零排放与零废弃制备科学技术2精选课件这一大类材料有高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等根本属性以及宽广的导电性、铁磁性和压电性。传统的无机非金属材料是工业和根本建设所必需的根底材料。水泥(硅酸盐质和铝酸盐质)——一种重要的建筑材料；耐火材料(硅质、硅酸铝质、高铝质、镁质)——与高温技术，尤其是钢铁工业的开展关系密切；3精选课件二、制备无机非金属材料的原料及其生态化改造对策制备无机非金属材料的原料主要有天然矿物原料与人工合成原料两大类。自然界存在的各种矿物是由构成这些矿物的各种元素组成的。现已探明氧、硅、铝三种元素的总量约占地壳中元素总量的90%。传统无机非金属材料原料大多直接取自天然矿物，就原料而言环境负荷低。天然原料通常杂质较多，性能波动大。4精选课件地壳中主要元素的蕴藏量由以下图可知，地壳中硅酸盐和铝硅酸盐占明显优势，它们和其他一些氧化物矿物是制备无机非金属材料的最主要原料。5精选课件鉴于较高的性能要求，新型无机非金属材料或者采用严格精选的天然原料，或者采用人工合成原料，势必会加重环境负荷。采用地壳中含量最为丰富的氧化铝、氧化硅和生物圈、大气圈中含量丰富并能够再循环的碳、氮为主要原料，应是无机非金属材料原料生态化的首选。在开发新型无机非金属类生态环境材料时，通过结构设计和工艺设计，在保证高性能的同时尽量直接采用天然原料。6精选课件无机非金属材料环境负荷最大的工艺环节是高温过程和粉碎过程，总体而言，采用以电为热源的连续式加热工艺和闭路粉碎工艺具有较小的能耗和污染。7精选课件四、无机非金属类生态环境材料设计思想与金属或高分子材料相比，除工艺、性能上的差异外，无机非金属材料设计思想也有很大不同。研究开发无机非金属生态环境材料，必须充分考虑到这些差异。8精选课件对于金属材料与高分子材料，一件产品的最终完成可分为材料制备(以金属材料为例，包括采矿、冶炼、铸造、轧制到型材出厂等环节)和产品制造两个截然分开的阶段，材料工作者仅仅面向材料制备阶段，通常不用为最终用户负责。设计也分为材料设计和产品设计两个独立的阶段，材料工作者负责设计制造出具有各种性能(牌号)的材料，产品制造者负责选材和产品设计、生产，相应地环境协调性评价也分为MLCA和PLCA。9精选课件对于无机非金属材料，由于加工的困难性，通常材料和产品是同时完成的，材料即是产品，产品即是材料，二者不可分割。材料设计贯穿于产品的整个生产中，材料工作者直接面向最终产品，对最终用户负责。因此，无机非金属材料的设计、生产模式不同于金属材料或高分子材料，也不能够沿用传统材料与产品相别离的设计思想。10精选课件陶瓷材料与产品的设计框图

经过数十年的材料强度研究，特别是根据先进陶瓷材料强度与材料设计方面的经验，我们提出了集材料设计与产品设计于一体的新设计思想，并在某些陶瓷材料的设计与应用中取得了成功。该设计思想可以下述框图表示。11精选课件这一设计思想的要点在于：首先根据材料的实际服役条件开展失效分析，找出产品早期失效或损伤的主要因素，即材料的主要抗力指标(或性能指标)。然后针对如何提高该性能指标，进行材料工艺设计与材料制备，并进行性能评价。对材料优化并到达性能要求后，再进行产品设计、制造与使用考核。假设达不到理想要求，需重复上述过程，直至成功。上述设计思想尽管是从陶瓷材料实践中得出的，但由于无机非金属材料所具有的共性，其根本思路对于大多数无机非金属材料具有普通意义。12精选课件无机非金属类生态环境材料的设计，除了要考虑上述设计思想以外，还应将环境协调性评价(LCA)和材料、工艺的生态化设计、优化参加其中，这样就形成一个设计“双环〞，见以下图。无机非金属生态环境材料和产品的设计框图13精选课件无机非金属材料的固有特点，MLCA和PLCA是统一的，并贯穿于材料(产品)的设计、制造、使用等整个寿命周期中。需要注意的是，图中“产品设计、制造与检验〞和“产品使用、考核与评价〞都应采用包括使用性能评价和LCA的“双指标〞评价检测体系。14精选课件9.2无机非金属材料的生态化改造无机非金属材料品种繁多，用量巨大，在国民经济中占有重要地位。由于长期以来对环境资源问题重视不够，生产工艺落后，导致资源、能源和环境污染问题十分严重。因此，对无机非金属材料的生态化改造具有十分重要的意义。15精选课件一、传统无机非金属材料的主要生态环境问题1.使用性能与环境协调性的矛盾突出材料使用性能与环境协调性是一对矛盾，使用性能好的材料环境协调性往往较差，反之亦然。无机非金属材料的原料广泛、工艺多样，微观结构千变万化，上述矛盾更加突出。例如，普通陶瓷以粘土、石英砂等天然矿物为原料，这些原料只需简单处理即可使用，烧结温度也较低，因此环境协调性较好，但其性能差，强度一般不高于100MPa，不能够作为结构材料用于机械工程领域。16精选课件相反，先进陶瓷采用超细、高纯的人工合成原料，有时还采用化学合成原料，成型、烧结、加工工艺复杂，排出有害物多，因此，环境协调性较差，但性能优良，强度能够高于1000MPa，可广泛用于机械、化工、冶金等领域。如何兼顾使用性能和环境协调性，是无机非金属材料生态化改造中应首先考虑的问题。17精选课件2.制备过程中能耗高无机非金属材料生产中都要经过高温煅烧(烧结)过程，能耗高。我国无机非金属材料产业单位能耗一般是兴旺国家的两倍左右。高的单位能耗不仅消耗能源，而且是污染物高排放的最直接原因。因此，它的生态化改造应该从降低能耗入手。18精选课件

3.很难再循环利用金属材料可以重新回炉熔炼，热塑性树脂可以重塑成型，热固性树脂也可以回收能源(燃烧、炼油)，但是，无机非金属材料却很难再循环利用。由于无机非金属材料的自身特点，其废弃物很难破碎，即使能够粉碎再利用，其能耗也要比直接使用矿物原料高很多，带来更大的二次污染。因此，它的生态化改造考虑的重点应该是超长寿命化设计，尽量提高材料的使用寿命。全面提高无机非金属材料的循环(再生)利用率和再资源化率是很困难的。19精选课件4.固体废弃物难处理无机非金属材料固体废弃物数量特别巨大，再循环利用又很困难，因此，目前很多固体废弃物堆积如山，占用大量耕地，少量的也多是低附加值利用，如铺路。所以，对固体废弃物的低能耗、高附加值再资源化利用，是无机非金属材料生态化改造的难点。20精选课件5.有毒有害添加剂和排放物问题无机非金属材料产业有毒有害添加剂和废气、废水排放物数量也很巨大。玻璃和一些先进陶瓷工业，采用大量氟、铜、铅、砷等有毒化合物，以废水、废气形式污染环境，对人体健康造成危害。由于大多数无机非金属材料在制造的某个阶段以粉末形式存在。因此，带来的粉尘污染也很严重。21精选课件二、无机非金属材料原料的生态化设计1.高纯化与复合化原料的高纯化是先进无机非金属材料的一个重要开展方向。随着纯度的提高，晶界玻璃相和有害杂质减少，材料的力学性能，特别是耐高温性能显著提高，这是人们追求高纯度的目的。对于许多功能陶瓷而言，高纯度是必不可少的。22精选课件提高原料纯度，需要增加额外的提纯、净化工艺，甚至要借助于化学合成，必然导致能源和资源的额外消耗。陶瓷材料制备过程中最主要的污染，正是来自提纯、净化和化学合成环节。显然，高纯度与环境协调性有矛盾。这与金属材料的情况不甚一致。23精选课件人为添加多种原料，最终形成具有多种相结构的复合或复相材料，是先进无机非金属材料的另一个重要开展方向。经过适宜的晶界设计和相设计，复合或复相材料具有单一组成相所不具备的优良性能。例如，局部稳定氧化锆复相陶瓷及纤维增强陶瓷基复合材料，是目前陶瓷领域强度和韧性水平最高的两类材料。与金属材料不同，多数陶瓷材料的性能对成分的微小变化不敏感。传统陶瓷自身及其原料几乎全都是复相物质，成分范围很宽，再加上陶瓷资源丰富，废弃物再生制品多用于建材领域，因此，复相或复合化对陶瓷材料环境协调性带来的危害，没有金属材料严重。24精选课件2.天然原料与合成原料传统无机非金属材料多使用天然矿物原料，由于成分范围宽，常含有有害杂质，因此，使用性能较差。先进无机非金属材料为实现原料的高纯化和复合化，多采用合成原料，使用性能优异。天然原料直接来自自然界，经过漫长的演化过程，其组成及存在形式与周围环境到达了最正确的协调与稳定，以此制成的制品废弃后，与周围环境也会有较好的亲和性，不会对水系和土壤造成污染。合成原料不仅要消耗额外资源和能量，而且会产生有害污染，最终制成品与环境的亲和性也较差。25精选课件天然原料性能差，但环境协调性好。合成原料那么相反，这一对矛盾是使用性能与环境协调性矛盾的重要原因，成分设计时必须加以统筹考虑。综上所述，如何用天然原料和自然环境中含量丰富的元素，通过结构设计和相设计，制备出性能优良的材料，是无机非金属材料原料生态化改造的方向。26精选课件三、无机非金属材料的结构、性能设计和长寿命化改造1.性能设计1)长寿命化性能设计的原那么(1)以服役条件、失效分析为依据。无机非金属材料使用范围广，服役条件千差万别，要求的材料性能也不同。因此，应该根据无机非金属材料的设计思想，依据失效分析，确定影响使用寿命的关键性能指标。27精选课件(2)将成分设计和结构设计相结合。

某些与化学变化有关的性能对材料成分敏感，对结构不敏感，相反，大多数力学性能对结构敏感。但总体来讲，材料的性能是由化学成分和微观结构共同决定的。因此，对材料的性能设计需要将成分设计与结构设计相结合才能实现。28精选课件2)高温性能设汁很大一局部无机非金属材料应用于高温领域，在高温领域无机非金属材料显示出其他材料难以替代的优势。(1)高温强度、抗蠕变性能设计。良好的高温强度，是结构材料作为高温承载使用的前提。(2)热震抗力设计

很多无机非金属材料服役于冷热骤变的条件下，此时决定材料寿命的关键因素是热震抗力。(3)抗氧化设计非氧化物无机非金属材料在空气中高温使用时，不可防止地面临氧化问题。1500℃几乎是所有非氧化物无机非金属材料使用的温度上限，其原因主要在于氧化。29精选课件3)强度、韧性、抗疲劳性能设计

4)耐腐蚀、磨损性能设计在石油、冶金、化工等领域应用的无机非金属材料，很多情况其寿命决定于材料的耐腐蚀、耐磨损性能。30精选课件2.结构设计1)晶粒设计(1)晶粒尺寸无机非金属材料的许多力学性能与晶粒尺寸关系密切。强度与晶粒尺寸存在着类似金属材料的Paris关系，即晶粒越细强度越高。晶粒尺寸对传统材料(耐火材料、传统陶瓷材料等)断裂韧性的影响较为复杂。但对致密精细陶瓷而言，晶粒越细韧性越好。因此，多数情况下，晶粒超细，材料室温下的使用寿命越长。31精选课件

(2)晶粒形状。

2)晶界设计无机非金属材料晶界上总是或多或少存在着第二相，这些第二相经常以玻璃相形式存在，对材料的性能，特别是高温强度、蠕变性能和耐腐蚀性能影响很大。

3)多相复合设计32精选课件(3)纤维、晶须复合结构是最经典的复合材料制备手段材料的力学性能优异，断裂韧性也是几种复合结构中最高的。这类复合材料目前存在两个问题限制了其应用范围：第一，工艺上较复杂，除了玻璃基体外，很难制得完全致密的材料；第二，由于目前可供选择的无机纤维、晶须种类有限，材料在氧化型气氛下的高温性能降低较大。33精选课件(4)智能自修复结构属于机敏材料(smartmaterials)中的一种。其中的一个例子是用装有修复液体的空芯纤维增强混凝土复合材料。当混凝土局部开裂时，纤维中的液体流出，侵入裂纹缝隙并凝固，以到达修复作用，延长材料使用寿命。这种材料已应用于混凝土大坝。34精选课件四、与应用有关的无机非金属材料生态化改造和宏观结构设计除了材料自身条件之外，无机非金属材料的生态化改造还涉及应用方式。合理的宏观结构设计，能够充分发挥材料作用，提高其寿命，这是其生态化改造的重要方面。在选材和结构设计方面注意合理性，以节约、够用为原那么。35精选课件传统无机非金属材料脆性大、可靠性低，因此，目前多用充裕强度和大的平安系数来进行宏观结构设计。当缺乏对破坏机理的深刻认识时，大的平安系数也不一定平安。例如材料的疲劳破坏和低应力蠕变断裂。通过对破坏机理和失效原因的分析，找到影响寿命的关键控制因素，再结合合理的宏观结构设计，那么可能以尽量少的材料获得足够的平安性。36精选课件9.3无机非金属材料零排放与零废弃制备科学技术无机非金属材料的排放和废弃有两个特点：第一，大多数无机非金属材料生产中的排放与高的能耗有密切联系，降低制备中的能耗是控制排放的关键；第二，无机非金属材料固体废弃物数量特别巨大，对其再循环和再利用是控制废弃的关键。37精选课件一、无机非金属材料的低能耗、少污染制备技术1.免烧和低温固结技术无机非金属材料一般都有高温烧结过程，这一过程占制备中能源消耗的70%左右。如果降低烧结温度，甚至采用免烧技术，那么能显著降低能耗和污染排放。38精选课件2.快速烧结技术降低烧结温度是有局限性的，一方面多数无机非金属材料必须在高温下才能固化，另一方面低的烧结温度通常也降低使用温度，有时还含有水和其他易分解物质，限制材料使用领域。因此，通过缩短高温烧结过程来降低能耗的技术适用面更广，其中两个典型技术是微波烧结和爆炸烧结。