材料的制备与成型加工及工艺材料科学与工程基础课件

材料的制备与成型加工及工艺材料的制备与成型加工及工艺材料科学与工程基础材料科学与工程基础材料的制材料的制备备与成型加工及工与成型加工及工艺艺材料科学与工程基材料科学与工程基础础本章主要对本章主要对金属材料金属材料（Metals）、）、无机非金无机非金属材属材（InorganicNonmetallic）、）、高分子材料高分子材料（Polymer）的）的制备原理及方法制备原理及方法，成型加工性成型加工性作作主要阐述。主要阐述。本章主要本章主要对对金属材料（金属材料（Metals）、无机非）、无机非5 5-1-1 材料制备原理及方法材料制备原理及方法5 5-2-2 材料的材料的成型加工性成型加工性第五章第五章内容目录内容目录5-1材料制材料制备备原理及方法原理及方法5-2材料的成型加工性第五章材料的成型加工性第五章5-1材料制备原理及方法材料制备原理及方法5-1材料制材料制备备原理及方法原理及方法金属材料的制备主要介绍金属材料的制备主要介绍铁铁的制备、的制备、钢钢的制备的制备、非非铁合金铁合金（铜的制备、铝的制备（铜的制备、铝的制备）的制备）的制备5-1-1金属材料的制备金属材料的制备金属材料的制金属材料的制备备主要介主要介绍铁绍铁的制的制备备、钢钢的制的制备备、非、非铁铁磁铁矿磁铁矿(Fe3O4)、赤铁矿、赤铁矿(Fe2O3)、褐铁矿褐铁矿(FeCO3)、菱铁矿、菱铁矿(Fe2O3mH2O)还原还原焦碳（焦碳（C）或）或CO还原剂还原剂生铁生铁Fe（C%2.11%）造渣造渣 熔剂熔剂石灰石石灰石(CaCO3)锰矿石锰矿石(脱脱O、脱、脱S)目的目的有害杂质入渣除去有害杂质入渣除去有益元素进入铁水有益元素进入铁水铁的制备磁磁铁矿铁矿(Fe3O4)、赤、赤铁矿铁矿(Fe2O3)、还还原原焦碳（焦碳（还原反应还原反应CO间接还原间接还原铁的制备原理铁的制备原理FeO+C=Fe+CO直接还原直接还原高炉下部高温区进行高炉下部高温区进行还还原反原反应应CO间间接接还还原原铁铁的制的制备备原理原理FeO+C=F造渣反应造渣反应 造造渣渣就就是是加加入入一一定定量量的的熔熔剂剂与与矿矿石石中中脉脉石石和和焦焦炭炭中中灰灰分分作作用用，生生成成一一种种多多氧氧化化物物的的熔熔体体。造造渣渣过过程程是是一一个个复复杂杂的的化化学学反反应应过过程程，应应根根据据矿矿石石成成分分和和冶冶炼炼要要求求，控控制制熔熔剂剂数数量量和和熔熔炼炼过过程程，促促使使需需要要的的元元素素进进入入铁铁水水，让有害杂质进入渣中而除去。让有害杂质进入渣中而除去。炉渣的炉渣的成分成分是是CaOCaO、AlAl2 2O O3 3、SiOSiO2 2、和、和MgOMgO。高高炉炉炉炉渣渣可可以以用用作作水水泥泥原原料料和和建建筑筑材材料料，但但炉炉渣渣的的形形成成过过程程对对提提高高高高炉炉冶冶炼炼技技术术经经济济指指标标有有很很重重要要意意义。义。造渣反造渣反应应造渣就是加入一定量的熔造渣就是加入一定量的熔剂剂与与矿矿石中脉石和焦石中脉石和焦高炉内型构造高炉内型构造铁的制备过程在高炉中进行铁的制备过程在高炉中进行高炉内型构造高炉内型构造铁铁的制的制备过备过程在高炉中程在高炉中进进行行高炉炼铁生产高炉炼铁生产 高炉炼铁生产高炉炼铁生产主要由高炉开炉，炉内操作和炉前操主要由高炉开炉，炉内操作和炉前操作等生产过程组成。作等生产过程组成。高炉高炉炼铁炼铁生生产产高炉高炉炼铁炼铁生生产产主要由高炉开炉，炉内操作和主要由高炉开炉，炉内操作和钢的制备钢的制备钢的制备基本原理：钢的制备基本原理：所谓钢的制备实际上是钢的冶炼或炼钢。炼钢就所谓钢的制备实际上是钢的冶炼或炼钢。炼钢就是通过冶炼是通过冶炼降低生铁中的碳和去除有害的杂质降低生铁中的碳和去除有害的杂质，再，再根据对钢的成分和性能要求根据对钢的成分和性能要求添加适量的合金元素添加适量的合金元素，炼出炼出具有较高强度和塑性韧性具有较高强度和塑性韧性或具有持殊性能的钢。或具有持殊性能的钢。整个炼钢过程是整个炼钢过程是氧化氧化和和还原还原过程，关键是清除过程，关键是清除钢水中杂质，其中最主要的因素是钢水中杂质，其中最主要的因素是造渣造渣和和除渣除渣。钢钢的制的制备钢备钢的制的制备备基本原理：基本原理：炼钢过程：炼钢过程：铁水、生铁块、废钢、铁合金铁水、生铁块、废钢、铁合金C%2.11%、Si、Mn、S、P杂质含量较高杂质含量较高杂质氧化杂质氧化 氧化剂（氧化剂（O2、FeO）脱氧（还原）脱氧（还原）脱氧剂脱氧剂(硅、锰、铝及铁合金硅、锰、铝及铁合金)造渣造渣熔剂（石灰、萤石、白云石）熔剂（石灰、萤石、白云石）钢：钢：C%2.11%，含少量，含少量Si、Mn、S、P炼钢过炼钢过程：程：铁铁水、生水、生铁块铁块、废钢废钢、铁铁合金合金杂质杂质氧化氧化氧化氧化剂剂炼钢反应原理：炼钢反应原理：杂质氧化杂质氧化2Fe+O22FeOSi+2FeOSiO2+2FeMn+FeOMnO+FeC+FeOFe+CO2P+5FeOP2O5+5Fe脱氧脱氧(还原还原)2FeO+SiSiO2+FeFeO+MnMnO+Fe3FeO+AlAl2O3+3Fe造渣除渣：与炼铁类似造渣除渣：与炼铁类似氧化后钢液中存在较多氧化后钢液中存在较多FeO，必须除去，必须除去炼钢炼钢反反应应原理：原理：杂质杂质氧化氧化2Fe+O22FeO脱氧脱氧钢的制备方法钢的制备方法 钢的制备方法有钢的制备方法有纯氧顶吹转炉炼钢，平炉炼钢和纯氧顶吹转炉炼钢，平炉炼钢和电炉炼钢电炉炼钢，这里主要介绍，这里主要介绍纯氧顶吹转炉炼钢（纯氧顶吹转炉炼钢（LDLD法）法）。氧气转炉炼钢原料氧气转炉炼钢原料 氧气转炉炼钢原料有氧气转炉炼钢原料有金属料金属料(铁铁水、生铁块、废钢、铁合金水、生铁块、废钢、铁合金)；造渣材料造渣材料(石灰、萤石灰、萤石和白云石石和白云石)；氧化剂氧化剂(氧气、铁矿石和氧化铁皮氧气、铁矿石和氧化铁皮)；冷却剂冷却剂(皮钢、铁矿石、氧化铁皮皮钢、铁矿石、氧化铁皮)；脱氧剂脱氧剂(硅、锰、硅、锰、馅及铁合金馅及铁合金)。钢钢的制的制备备方法方法钢钢的制的制备备方法有方法有纯纯氧氧顶顶吹吹转转炉炉炼钢炼钢，平炉，平炉炼钢炼钢氧气顶吹转炉炼钢氧气顶吹转炉炼钢 纯氧顶吹转炉炼钢纯氧顶吹转炉炼钢生产工艺生产工艺：倾倒兑铁水，加废钢倾倒兑铁水，加废钢直立加渣料直立加渣料准备吹炼准备吹炼吹吹炼炼停吹停吹一倾倒炉渣一倾倒炉渣直立加二批渣料直立加二批渣料继续吹炼继续吹炼倾倒取样倾倒取样脱氧出钢脱氧出钢浇注浇注氧气氧气顶顶吹吹转转炉炉炼钢炼钢材料的制材料的制备备与成型加工及工与成型加工及工艺艺材料科学与工程基材料科学与工程基础课础课件件制备原理制备原理火法炼钢法火法炼钢法 在高温下使铜矿石或含铜原料在高温下使铜矿石或含铜原料(精矿、焙烧或烧结块精矿、焙烧或烧结块)先熔炼成冰铜，再将其先熔炼成冰铜，再将其吹成粗铜。吹成粗铜。湿法冶铜法湿法冶铜法 用溶剂浸泡铜矿石，使铜从矿石用溶剂浸泡铜矿石，使铜从矿石中浸出，再从浸出溶液中将金属铜析出。中浸出，再从浸出溶液中将金属铜析出。非铁合金的制备铜的制备铜的制备 湿法炼铜的溶液由金属溶质和只能溶解金属而不溶解脉石湿法炼铜的溶液由金属溶质和只能溶解金属而不溶解脉石的溶剂组成。常用的溶剂有稀硫酸、硫酸铁溶液及碳酸铵的溶剂组成。常用的溶剂有稀硫酸、硫酸铁溶液及碳酸铵溶液等。对于含酸性脉石的矿石，使用硫酸或硫酸铁溶液，溶液等。对于含酸性脉石的矿石，使用硫酸或硫酸铁溶液，而含有碱性脉石的矿石，宜用碳酸铵溶液。而含有碱性脉石的矿石，宜用碳酸铵溶液。制制备备原理火法原理火法炼钢炼钢法法在高温下使在高温下使铜矿铜矿石或含石或含铜铜原料非原料非铁铁合金的制合金的制备备硫化铜、氧化铜矿硫化铜、氧化铜矿熔炼熔炼 Fe等杂质随熔渣除去等杂质随熔渣除去冰铜冰铜(Cu2S)x(FeS)y吹炼吹炼Cu2S+3/2O2Cu2O+SO2Cu2O+FeSCu2S+FeO2Cu2O+Cu2S6Cu+SO2粗铜（粗铜（Cu%=98.599.5%）含少量金、银、铋、锡、铅、硒、含少量金、银、铋、锡、铅、硒、碲、溶解气体碲、溶解气体火法炼铜法火法炼铜法火法精炼火法精炼或电解精炼或电解精炼目的：目的：去除杂质去除杂质提取贵金属提取贵金属纯铜金属纯铜金属铜的制备方法铜的制备方法硫化硫化铜铜、氧化、氧化铜矿铜矿熔熔炼炼Fe等等杂质杂质随熔渣除去随熔渣除去冰冰铜铜(Cu2S材料的制材料的制备备与成型加工及工与成型加工及工艺艺材料科学与工程基材料科学与工程基础课础课件件材料的制材料的制备备与成型加工及工与成型加工及工艺艺材料科学与工程基材料科学与工程基础课础课件件Al2O3的的制备制备湿碱法：铝矿石湿碱法：铝矿石+NaOH溶液溶液2NaAlO2水溶液水溶液Al(OH)3稀释、过滤、结晶稀释、过滤、结晶加加Al(OH)3晶核晶核9501000煅烧煅烧Al2O3干碱法：干碱法：铝矿石铝矿石+CaCO3+Na2CO31100烧结烧结烧结块烧结块加水稀释加水稀释沉淀杂质沉淀杂质NaAlO2水溶液水溶液通入通入CO2Al(OH)39501000煅烧煅烧Al2O3Al2O3自焙电解自焙电解900电解电解Al3+3eAl阴极、铝纯度达阴极、铝纯度达99.7%2AlO33-6eAl2O3+3/2O2阳极阳极铝的制备铝的制备Al2O3的的湿碱法：湿碱法：铝矿铝矿石石+NaOH溶液溶液2NaAl材料的制材料的制备备与成型加工及工与成型加工及工艺艺材料科学与工程基材料科学与工程基础课础课件件传传统统上上无无机机非非金金属属材材料料（inorganic nonmetallicmaterials）主主要要包包括括陶陶瓷瓷(ceramics)、玻玻璃璃(glass)、水水泥泥(cement)和和耐耐火火材材料料(firebrick)四四大大类类.这这里里主主要要从从这这四四种种材材料料出出发发。介介绍绍无无机机非非金金属属材材料料的的制制备原理和一般的制备方法。备原理和一般的制备方法。5-1-2无机非金属材料的制备无机非金属材料的制备传统传统上无机非金属材料（上无机非金属材料（inorganicnonmetall陶瓷的制备原理及方法 陶瓷是无机非金属材料中的一个重要的种类。陶瓷是无机非金属材料中的一个重要的种类。它是指一定组成配比的矿物原料粉末或化工原料粉它是指一定组成配比的矿物原料粉末或化工原料粉末成型后，经特定的工艺使其末成型后，经特定的工艺使其致密化致密化，赋予其一定，赋予其一定的强度和密度及其他特殊性能的固体材料。通常陶的强度和密度及其他特殊性能的固体材料。通常陶瓷是一种瓷是一种多晶多相多晶多相的聚集体。的聚集体。陶瓷的制陶瓷的制备备原理及方法原理及方法陶瓷是无机非金属陶瓷是无机非金属材料的制材料的制备备与成型加工及工与成型加工及工艺艺材料科学与工程基材料科学与工程基础课础课件件 制备过程大体可以分为制备过程大体可以分为备料、成型、饶结备料、成型、饶结三大部分。三大部分。陶瓷制备的一般工艺过程如图陶瓷制备的一般工艺过程如图5 58 8所示。所示。制制备过备过程大体可以分程大体可以分为备为备料、成型、料、成型、饶结饶结三大部分。陶瓷三大部分。陶瓷陶瓷原料陶瓷原料 天然原料天然原料化工原料化工原料粘土类矿物粘土类矿物长硅类矿物长硅类矿物石英类矿物石英类矿物BaCO3、SiO2、TiO2、ZnO、BeO、ZrO2、Si3O4、釉料等、釉料等陶瓷原料及配料陶瓷原料陶瓷原料天然原料粘土天然原料粘土类矿类矿物物BaCO3、SiO2、TiO2、陶瓷原料的的预处理预处理主要是进行淘洗，其目的主要是进行淘洗，其目的是尽量除去原料中带有的杂质，以保证陶瓷的产品质量。是尽量除去原料中带有的杂质，以保证陶瓷的产品质量。例如，电子陶瓷的电性能对原料中的碱金属含量非常敏例如，电子陶瓷的电性能对原料中的碱金属含量非常敏感，而碱金属盐基本上都是水溶性盐，可以通过淘洗将感，而碱金属盐基本上都是水溶性盐，可以通过淘洗将其溶解去除。其溶解去除。陶瓷原料的陶瓷原料的破碎破碎通常分为粗碎、中碎和细碎。通常分为粗碎、中碎和细碎。有的原料还需进行有的原料还需进行燃烧处理燃烧处理。锻烧的作用锻烧的作用主要有三主要有三个方面：其一是使原料的晶型发生转变，以避免物料在个方面：其一是使原料的晶型发生转变，以避免物料在烧结过程产半晶型转变而使瓷体产生裂纹；其二是利用烧结过程产半晶型转变而使瓷体产生裂纹；其二是利用晶型转变产生的内应力和燃烧过程中产生的热应力使原晶型转变产生的内应力和燃烧过程中产生的热应力使原料进料进步细化；其三是在燃烧过程中除去物料中的有害步细化；其三是在燃烧过程中除去物料中的有害杂质。杂质。原料的预处理与破碎陶瓷原料的陶瓷原料的预处预处理主要是理主要是进进行淘洗，其行淘洗，其 坯料坯料是指原料经粉碎和适当的加工后，能满足成型工是指原料经粉碎和适当的加工后，能满足成型工艺要求的均匀混合物。艺要求的均匀混合物。坯料分为坯料分为注浆坯料、可塑坯料注浆坯料、可塑坯料和和压制坯料压制坯料三种。三种。坯料的制备包括坯料的制备包括配料、混合、细碎、陈化、练泥配料、混合、细碎、陈化、练泥等过等过程。程。配料配料 选择不同的原料配比，保证坯料组成符合配方要选择不同的原料配比，保证坯料组成符合配方要求。求。混合混合 采用各种工艺方式使坯料混合均匀。采用各种工艺方式使坯料混合均匀。细碎细碎 一般采用雷蒙磨一般采用雷蒙磨(干粉干粉)或球磨或球磨(料浆料浆)使坯料的细使坯料的细度达到度达到0.050.050.07mm0.07mm以下。以下。陈化陈化 将含水坯料在一定湿度和温度下放置一定时间将含水坯料在一定湿度和温度下放置一定时间(数大数大)，使得其中的腐殖质充分腐化。，使得其中的腐殖质充分腐化。练泥练泥 将坯料在真空装置中反复揉制，使物料进一步均将坯料在真空装置中反复揉制，使物料进一步均匀同时将坯料中的气体排除。匀同时将坯料中的气体排除。坯料的制备坯料是指原料坯料是指原料经经粉碎和适当的加工后，能粉碎和适当的加工后，能满满足成型工足成型工艺艺成型方法成型方法压制成型压制成型可塑成型可塑成型注浆成型注浆成型 将含水将含水3 37 7(干压法干压法)或或8 81515(半干半干压法压法)的坯料在较高的压力下加压形成坯体的方法的坯料在较高的压力下加压形成坯体的方法利用坯料的可塑性将坯料制成一定的形状。利用坯料的可塑性将坯料制成一定的形状。成型 成型是采用一定的方法将坯料制作成为具有一定形状成型是采用一定的方法将坯料制作成为具有一定形状和尺寸的坯体的过程。和尺寸的坯体的过程。注浆成型是将具有流动性的坯料注浆成型是将具有流动性的坯料(料料浆浆)注入石膏模中，利用石膏的吸水性注入石膏模中，利用石膏的吸水性使含水量降低而固化成型使含水量降低而固化成型成型方法成型方法压压制成型制成型将含水将含水37(干干压压法法)或或8干燥干燥 由于成型后的坯料中含有较多的水分，直接烧结由于成型后的坯料中含有较多的水分，直接烧结将由于水的迅速气化使坯体内气压急剧上升而开裂，将由于水的迅速气化使坯体内气压急剧上升而开裂，故烧成前需在一定温度下进行干燥，便坯体中的水基故烧成前需在一定温度下进行干燥，便坯体中的水基本除去。本除去。排蜡排蜡 干压中加入有机塑化剂的坏体亦需在较低温度下干压中加入有机塑化剂的坏体亦需在较低温度下便塑化剂挥发除去，又称为排胶。便塑化剂挥发除去，又称为排胶。干燥与排蜡干燥与排蜡干燥干燥由于成型后的坯料中含有由于成型后的坯料中含有较较多的水分，直接多的水分，直接烧结烧结将由于水的将由于水的 釉料釉料是覆盖在陶瓷表面上的玻璃态薄层对陶瓷是覆盖在陶瓷表面上的玻璃态薄层对陶瓷起表面保护、改善性能并使陶瓷具有光泽和色泽的作起表面保护、改善性能并使陶瓷具有光泽和色泽的作用。用。根据釉料的烧成温度的不同，可以将釉料分为根据釉料的烧成温度的不同，可以将釉料分为高温釉高温釉和和低温釉低温釉。按照釉科的制备方法可以将釉料分为按照釉科的制备方法可以将釉料分为生釉生釉和和熔块釉熔块釉。施釉施釉釉料是覆盖在陶瓷表面上的玻璃釉料是覆盖在陶瓷表面上的玻璃态态薄薄层对层对陶瓷起陶瓷起 烧成烧成是指坯体在高温下发生一系列的物理化是指坯体在高温下发生一系列的物理化学变化，坯体逐渐致密化形成预期的矿物组成和显微结学变化，坯体逐渐致密化形成预期的矿物组成和显微结构，并赋予制品预期性能的过程。构，并赋予制品预期性能的过程。烧成过程中需要严格控制的因素包括：烧成过程中需要严格控制的因素包括：升温速度、升温速度、烧成温度、保温时间、冷却速度、气氛种类与气氛压力烧成温度、保温时间、冷却速度、气氛种类与气氛压力等。等。烧成烧成烧烧成是指坯体在高温下成是指坯体在高温下发发生一系列的物理化学生一系列的物理化学变变 使用温度使用温度 过快的升温速率将会使坯体受热不均而产生裂纹；过快的升温速率将会使坯体受热不均而产生裂纹；并使水蒸气来不及排除坯体外，在坯体内形成很高的气压而使坯并使水蒸气来不及排除坯体外，在坯体内形成很高的气压而使坯体开裂。体开裂。烧成温度烧成温度 温度过低，液相量不足，瓷体不能完全实现致密温度过低，液相量不足，瓷体不能完全实现致密化，也不能达到预期的强度，这种情况在生产中称为化，也不能达到预期的强度，这种情况在生产中称为生烧生烧。反之，。反之，过高的烧成温度将使坯体因液相过量而软化变形，这种情况在生过高的烧成温度将使坯体因液相过量而软化变形，这种情况在生产中称为产中称为过烧过烧。保温时间保温时间 在达到烧成温度后，需要一定的保温时间来使物在达到烧成温度后，需要一定的保温时间来使物质进行迁移，以保证瓷体的致密化。质进行迁移，以保证瓷体的致密化。冷却速度冷却速度 降温速度越快，则温度梯度越大，热应力也就越降温速度越快，则温度梯度越大，热应力也就越大，引起瓷体破坏的可能性相应增加。因此，瓷体烧成后，一般大，引起瓷体破坏的可能性相应增加。因此，瓷体烧成后，一般要求采用较慢的降温速度要求采用较慢的降温速度 气氛种类与气氛压力气氛种类与气氛压力 气固反应进行的程度和最终的相组成气固反应进行的程度和最终的相组成对于陶瓷的性能有着决定性的影响。对于陶瓷的性能有着决定性的影响。使用温度使用温度过过快的升温速率将会使坯体受快的升温速率将会使坯体受热热不均而不均而产产生裂生裂 主要包括表面打磨抛光、表面金属化、胶装附主要包括表面打磨抛光、表面金属化、胶装附件等件等。陶瓷后加工陶瓷后加工主要包括表面打磨抛光、表面金属化、胶装附件等。陶主要包括表面打磨抛光、表面金属化、胶装附件等。陶玻璃玻璃其独特的性能是国民经济不可缺少的基础材料其独特的性能是国民经济不可缺少的基础材料典典型型的的非非晶晶态态（无无定定型型、亚亚稳稳态态）结结构构，具具有有降降低低内内能能向向晶态转化趋势晶态转化趋势成成形形加加工工过过程程中中必必须须严严格格控控制制玻玻璃璃生生成成的的热热力力学学和和动动力力学学条件，以保证无定型态条件，以保证无定型态成成形形工工艺艺要要求求：熔熔融融态态粘粘度度低低；成成型型后后冷冷却却，定定型型速速度快；度快；消除内应力消除内应力。玻璃玻璃其独特的性能是国民其独特的性能是国民经济经济不可缺少的基不可缺少的基础础材料材料玻璃制备过程：玻璃制备过程：1.1.配（备）料：主、辅原料配制。配（备）料：主、辅原料配制。2.2.熔熔制制成成型型：硅硅酸酸盐盐的的生生成成、玻玻璃璃液液的的形形成成、澄澄清、均化和玻璃液的冷却即熔融成型清、均化和玻璃液的冷却即熔融成型3.3.深深加加工工：切切裁裁、热热处处理理、钢钢化化、夹夹层层化化、中中空空化、镀膜等化、镀膜等 玻璃制玻璃制备过备过程：程：材料的制材料的制备备与成型加工及工与成型加工及工艺艺材料科学与工程基材料科学与工程基础课础课件件玻玻璃璃工工艺艺发发展展公元公元1 1世纪，古罗马人铁管吹玻璃世纪，古罗马人铁管吹玻璃11-1511-15世纪，威尼斯世纪，威尼斯16-1816-18世纪，欧洲建厂世纪，欧洲建厂18281828，法国罗宾，发明制瓶机，法国罗宾，发明制瓶机19051905，欧文斯发明自动制瓶机，瓶玻璃机械化，欧文斯发明自动制瓶机，瓶玻璃机械化19251925，第一台行列式制瓶机，第一台行列式制瓶机1919世纪末，拉板机世纪末，拉板机引上法引上法19591959，英国皮尔金顿公司，浮法，英国皮尔金顿公司，浮法玻璃工玻璃工艺发艺发展公元展公元1世世纪纪，古，古罗马罗马人人铁铁管吹玻璃管吹玻璃玻璃成分及玻璃原料玻璃成分及玻璃原料玻璃成分及玻璃原料 玻璃的成分为玻璃的成分为SiOSiO2 2 、NaNa2 2O O、K K2 20 0、CaOCaO、Mg0Mg0和和 AlAl2 2O O3 3 SiOSiO2 2是玻璃中最主要的成分是玻璃中最主要的成分，提供玻璃所具有的耐热、耐，提供玻璃所具有的耐热、耐压、脆性、化学稳定性和透明等性能。压、脆性、化学稳定性和透明等性能。NaNa2 20 0和和K K2 20 0 的引入能降的引入能降低玻璃的粘度，有利于熔化和成型，低玻璃的粘度，有利于熔化和成型，CaOCaO和和Mg0Mg0 的引入可以的引入可以避免玻璃的析晶，提高化学稳定性和机械强度。避免玻璃的析晶，提高化学稳定性和机械强度。AlAl2 2O O3 3 能降低能降低玻璃的析晶趋势，同时提高玻璃的化学稳定性。玻璃的析晶趋势，同时提高玻璃的化学稳定性。玻璃的成分玻璃的成分为为SiO2、Na2O、K20、Ca 主要原料主要原料 引入引入SiOSiO2 2的原料的原料(硅源原料硅源原料)、引入、引入AlAl2 2O O3 3 的原的原料料(铝源原料铝源原料)、引入、引入CaOCaO和和Mg0Mg0的原料的原料(钙源和镁源原料钙源和镁源原料)和引和引人人NaNa2 2O O 的原料。的原料。辅助原料辅助原料 澄清剂、着色剂、脱色剂、还原剂、乳浊剂、澄清剂、着色剂、脱色剂、还原剂、乳浊剂、助熔剂等。助熔剂等。主要原料主要原料引入引入SiO2的原料的原料(硅源原料硅源原料)、引入、引入Al2 配合料的制备配合料的制备 配合料的制备过程主要包括原料选择配合料的制备过程主要包括原料选择与计算、原料加工及配合料的混合等。与计算、原料加工及配合料的混合等。玻璃的熔制玻璃的熔制 根据原料在过程中的不同变化可以将玻璃的根据原料在过程中的不同变化可以将玻璃的熔制过程分为硅酸盐形成、玻璃形成、玻璃液澄清、玻璃熔制过程分为硅酸盐形成、玻璃形成、玻璃液澄清、玻璃液均化和玻璃液冷却等五个阶段。液均化和玻璃液冷却等五个阶段。配合料的制配合料的制备备配合料的制配合料的制备过备过程主要包括原料程主要包括原料选择选择与与玻璃成型玻璃成型加工方法加工方法浮法（平板玻璃）浮法（平板玻璃）吹制法（空心制品）吹制法（空心制品）压制法（玻璃容器）压制法（玻璃容器）压延法（压花玻璃）压延法（压花玻璃）浇铸法（光学玻璃）浇铸法（光学玻璃）焊接法（玻璃仪器）焊接法（玻璃仪器）玻璃成型加工方法玻璃成型加工方法浮法（平板玻璃）浮法（平板玻璃）材料的制材料的制备备与成型加工及工与成型加工及工艺艺材料科学与工程基材料科学与工程基础课础课件件 玻璃的退火玻璃的退火 根据退火原理，退火工艺可以分为四个根据退火原理，退火工艺可以分为四个阶段：加热阶段、均热阶段、慢冷阶段和快冷阶段。阶段：加热阶段、均热阶段、慢冷阶段和快冷阶段。平板玻璃的深加工平板玻璃的深加工 随着对玻璃性能要求的日益提高，平随着对玻璃性能要求的日益提高，平板玻璃的一次产品已不能满足要求，需对其进行一定的深加板玻璃的一次产品已不能满足要求，需对其进行一定的深加工以使其具有特定的性能。工以使其具有特定的性能。玻璃的退火玻璃的退火根据退火原理，退火工根据退火原理，退火工艺艺可以分可以分为为四个四个阶阶段：段：玻璃的钢化玻璃的钢化物理钢化物理钢化风钢化风钢化液体钢化液体钢化化学钢化化学钢化玻璃的玻璃的钢钢化物理化物理钢钢化化风钢风钢化化液体液体钢钢化化学化化学钢钢化化水硬性无机胶凝材料的统称，属无机粉体材料。水硬性无机胶凝材料的统称，属无机粉体材料。按活性矿物成份可分为：硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、按活性矿物成份可分为：硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫酸盐水泥和氟铝酸盐水泥等，其中硅酸盐水泥用硫酸盐水泥和氟铝酸盐水泥等，其中硅酸盐水泥用量最大。量最大。水硬性来自活性矿物成份的水硬性来自活性矿物成份的水化和水解反应水化和水解反应。按用途和性能可分为：通用、专用、特种三大类。按用途和性能可分为：通用、专用、特种三大类。水泥的制备原理及方法水泥的制备原理及方法水硬性无机胶凝材料的水硬性无机胶凝材料的统统称，属无机粉体材料。按活性称，属无机粉体材料。按活性矿矿物成份可分物成份可分五大水泥五大水泥硅酸盐水泥：硅酸盐水泥：熟料熟料+石膏石膏普通硅酸盐水泥：普通硅酸盐水泥：熟料熟料+石膏石膏+15%+15%矿渣水泥：矿渣水泥：熟料熟料+石膏石膏+矿渣矿渣20-70%20-70%粉煤灰水泥：粉煤灰水泥：熟料熟料+石膏石膏+粉煤灰粉煤灰20-40%20-40%火山灰水泥：火山灰水泥：熟料熟料+石膏石膏+火山灰火山灰20-50%20-50%五大水泥硅酸五大水泥硅酸盐盐水泥：水泥：熟料熟料硅酸盐水泥硅酸盐水泥活性成份活性成份硅酸三钙硅酸三钙3CaOSiO2(C3S)4462%硅酸二钙硅酸二钙2CaOSiO2(C2S)1830%铝酸三钙铝酸三钙3CaOAl2O3(C3A)512%铁铝酸四钙铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O3(C4AF)1018%硅酸盐水泥及生产工艺硅酸盐水泥及生产工艺硅酸硅酸盐盐水泥硅酸三水泥硅酸三钙钙3CaOSiO2(C3S由碱性CaO与酸性氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3在高温下反应而成硅酸盐水泥硅酸盐水泥由石灰石、泥灰石、白垩等提供由石灰石、泥灰石、白垩等提供CaOSiO2、Al2O3、Fe2O3由黄土、粘土、页岩、粉由黄土、粘土、页岩、粉煤灰、煤酐石等提供煤灰、煤酐石等提供由碱性由碱性CaO与酸性氧化物与酸性氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3在高在高材料的制材料的制备备与成型加工及工与成型加工及工艺艺材料科学与工程基材料科学与工程基础课础课件件 硅酸盐水泥的生产工艺见图5-11，可概况为“两磨一烧”煅烧过程中，生料经历干燥脱水、碳酸盐分解、氧化物间高温与液相反应、快速冷却等复杂的物化过程而成熟料泥的凝结硬化（水化）也是一复杂的物化过程，石膏的加入可缓凝硅酸硅酸盐盐水泥的生水泥的生产产工工艺见图艺见图5-11，可概况，可概况为为“两磨一两磨一烧烧”煅煅烧烧耐火材料耐火材料 耐火温度不低于耐火温度不低于15801580的的无机非金属材料无机非金属材料耐火材料的制备原理及方法耐火材料的制备原理及方法耐火温度耐火温度普通普通（15801770）高级高级（17702000）特种（特种（2000以上）以上）耐火材料耐火材料耐火温度不低于耐火温度不低于1580的无机非金属材料耐火材料的的无机非金属材料耐火材料的 耐火材料的成分主要成分主要成分SiO2为主为主Al2O3及及Cr2O3为主为主MgO和和CaO为主为主耐火材料的成分主要成分耐火材料的成分主要成分SiO2为为主主耐火材料的生产工艺耐火材料的生耐火材料的生产产工工艺艺高温使用性能高温使用性能耐火度耐火度高温荷重变形温度高温荷重变形温度高温体积稳定性高温体积稳定性抗热震稳定性抗热震稳定性抗渣性抗渣性耐真空性耐真空性高温使用性能耐火度高温使用性能耐火度制备的制备的三个层次三个层次聚合物合成聚合物合成（Synthesisofpolymer）聚合物、粒、粉、块料的制备聚合物、粒、粉、块料的制备（Fabricationofpolymer）聚合物成型加工聚合物成型加工（Processingofpolymer）各层次高分子制备过程示意图见图各层次高分子制备过程示意图见图5-135-1-2高分子材料的制备高分子材料的制备制制备备的三个的三个层层次聚合物合成各次聚合物合成各层层次高分子制次高分子制备过备过程示意程示意图见图图见图5-1材料的制材料的制备备与成型加工及工与成型加工及工艺艺材料科学与工程基材料科学与工程基础课础课件件聚合物聚合物合成合成原料精制：蒸馏、重结晶、碱洗等，以保证单体纯度原料精制：蒸馏、重结晶、碱洗等，以保证单体纯度聚合聚合聚合机理聚合机理实施方法：本体、溶液悬浮、乳液、熔融、界面、固相实施方法：本体、溶液悬浮、乳液、熔融、界面、固相链锁：自由基、阳离子、阴离子、配位催化链锁：自由基、阳离子、阴离子、配位催化逐步：缩聚、加聚逐步：缩聚、加聚聚合物分离：真空挥发、凝聚、分离、离心分离等，聚合物分离：真空挥发、凝聚、分离、离心分离等，脱残留单体、溶剂、分离杂质，以获得较纯净聚合物脱残留单体、溶剂、分离杂质，以获得较纯净聚合物后处理：洗涤、干燥、造粒后处理：洗涤、干燥、造粒聚合物合成聚合物合成原料精制：蒸原料精制：蒸馏馏、重、重结结晶、碱洗等，以保晶、碱洗等，以保证单证单体体纯纯材料的制材料的制备备与成型加工及工与成型加工及工艺艺材料科学与工程基材料科学与工程基础课础课件件材料的制材料的制备备与成型加工及工与成型加工及工艺艺材料科学与工程基材料科学与工程基础课础课件件5 5-1-1 材料制备原理及方法材料制备原理及方法5 5-2-2 材料的材料的成型加工性成型加工性5-1材料制材料制备备原理及方法原理及方法5-2材料的成型加工性材料的成型加工性5-2材料的成型加工性材料的成型加工性5-2材料的成型加工性材料的成型加工性铸造（铸造（Casting）锻造（锻造（Forging）辊（滚）轧（辊（滚）轧（Rolling）挤压（挤压（Extrusion）拉拔（拉拔（Drawing）焊接（焊接（Welding）粉末冶金（粉末冶金（PowderMetallurgy）热处理（热处理（Thermaltretment）切削（切削（Cutting）金属材料成型加工金属材料成型加工(ProcessingofMetals)5-2-1金属材料的加工工艺性金属材料的加工工艺性铸铸造（造（Casting）金属材料成型加工金属材料成型加工(Processi铸造性铸造性熔融流动性（螺旋试样法测定）熔融流动性（螺旋试样法测定）铸型充填条件：铸型阻力、蓄热保温铸型充填条件：铸型阻力、蓄热保温（热交换）能力（热交换）能力收缩性：液态收缩、凝固收缩、固体收收缩性：液态收缩、凝固收缩、固体收缩，易引起铸件缺陷（如缩孔、缩松、缩，易引起铸件缺陷（如缩孔、缩松、裂纹、变形等）裂纹、变形等）铸铸造性造性熔融流熔融流动动性（螺旋性（螺旋试样试样法法测测定）定）可锻性：可锻性：压力加工时获得优质零件难易程度压力加工时获得优质零件难易程度锻造、辊轧、锻造、辊轧、挤压、拉拔挤压、拉拔金属的塑性变形性金属的塑性变形性化学成份化学成份组织结构组织结构变形抗力变形抗力变形条件变形条件变形温度变形温度变形速度变形速度应力状态应力状态可可锻锻性：性：压压力加工力加工时获时获得得优质优质零件零件难难易程度易程度锻锻造、造、辊轧辊轧、金属金属可焊性：可焊性：指指金金属属在在一一定定焊焊接接方方法法、焊焊接接材材料料、工工艺艺参参数数及及结结构构形形式式下下，实实现现优优质质焊焊接接接接头头的的难易程度。难易程度。同同一一种种金金属属材材料料，采采用用不不同同焊焊接接方方法法和和焊焊接接材材料，其可焊性不同。料，其可焊性不同。常常用用焊焊接接方方法法：手手工工电电弧弧焊焊；埋埋弧弧自自动动焊焊；氩氩弧弧焊焊；电电渣渣焊焊；CO2气气体体保保护护焊焊；电电阻焊（点焊、对焊；缝焊）；阻焊（点焊、对焊；缝焊）；钎焊。钎焊。可可焊焊性：性：指金属在一定指金属在一定焊焊接方法、接方法、焊焊接材料、工接材料、工艺艺参数及参数及结结构形式构形式切削加工性切削加工性(车、铣、刨、钻车、铣、刨、钻)取决于多种因素取决于多种因素 硬度硬度切削阻力切削阻力切屑的形状与形成切屑的形状与形成导热性导热性显微组织结构显微组织结构切削加工性硬度切削加工性硬度 金属材料热处理，可改变其晶相组织结构，从而改变其性能。退火（annealing）处理热处理条件：热处理温度；保温时间；冷却速度 松弛内应力（relieve stresses）;提高延展性(ductility)、改变硬度(toughness);产生特殊组织结构（specific microstructure）金属材料金属材料热处热处理，可改理，可改变变其晶相其晶相组织结组织结构，退火（构，退火（新日铁钢铁生产流程新日铁钢铁生产流程新日新日铁钢铁铁钢铁生生产产流程流程5-2-2聚合物的成型加工特性及成型加工方法聚合物的成型加工特性及成型加工方法 聚合物的加工特性聚合物的加工特性 熔融特性熔融特性：聚合物固有的低导热性、低耐热性、低稳定性聚合物固有的低导热性、低耐热性、低稳定性和高热敏性，使传统导热加热熔融方式不再适应。而主要和高热敏性，使传统导热加热熔融方式不再适应。而主要依靠依靠“粘性耗散发热（摩擦热）粘性耗散发热（摩擦热）”方式熔融方式熔融。5-2-2聚合物的成型加工特性及成型加工方法聚合物的成型加工特性及成型加工方法聚合物的加工聚合物的加工流动特性流动特性a)通过若干链段运动使大分子重心位移，产生流动通过若干链段运动使大分子重心位移，产生流动b)链链段段的的取取向向、长长链链分分子子的的缠缠结结决决定定其其“非非牛牛顿顿流流体体性质性质”c)大大分分子子的的粘粘弹弹行行为为和和法法向向应应力力，决决定定了了聚聚合合物物熔熔体体的的“离模膨胀离模膨胀”现象或现象或“末端效应末端效应”，常引起尺寸变形，常引起尺寸变形流流动动特性特性影响因素：聚合物大分子链结构、分子量及外力高聚物的黏流温度及成型温度高聚物的黏流温度及成型温度影响因素：影响因素：聚合物大分子聚合物大分子链结链结构、分子量及外力高聚物的黏流温度构、分子量及外力高聚物的黏流温度聚合物加工中的结构变化u 混合熔融流动（变形）固化定型后处理五阶段伴有一次结构、聚集态结构、织态结构的变化或转变。u聚合过程中会发生结晶、取向、降解、交联等结构的变化。聚合物加工中的聚合物加工中的结结构构变变化化混合混合熔融熔融流流动动（变变形）形）固化定型固化定型聚合物加工的基本工艺过程聚合物材料的配制 物料的初混合物料的初混合Tm以下、低剪切、简单混合，以下、低剪切、简单混合，增加物料分散或无序程度，设增加物料分散或无序程度，设备有低速捏合机和高速混合机备有低速捏合机和高速混合机两类，见图两类，见图5-39物料熔融混合物料熔融混合高剪切下熔融混合，进一步高剪切下熔融混合，进一步分散均匀，逐出挥发物，设分散均匀，逐出挥发物，设备有双辊开炼机、密炼机、备有双辊开炼机、密炼机、双螺杆挤出机等。双螺杆挤出机等。聚合物加工的基本工聚合物加工的基本工艺过艺过程物料的初混合程物料的初混合Tm以下、低剪切、以下、低剪切、简单简单混混热塑性聚合物熔体热塑性聚合物熔体(Polymer Viocous Liquid)(Polymer Viocous Liquid)成型方法成型方法a.挤出成型（挤出成型（ExtrusionMolding）图）图5-41，42b.注射成型（注射成型（InjectionMolding）图）图5-43，44c.模压与传递模塑（模压与传递模塑（CompressionandTransferMolding）图图5-45d.压延成型压延成型图图5-46e.热成型（热成型（HeatMolding）图）图5-47f.中空吹塑成型（中空吹塑成型（BlowMolding）图）图5-48g.浇铸成型（浇铸成型（Casting）h.熔融纺丝（熔融纺丝（MeltSpinning）图）图5-49聚合物材料的成型聚合物材料的成型热热塑性聚合物熔体塑性聚合物熔体(PolymerViocousLiqui热热固固性性(thermosetting(thermosetting plastics)plastics)成成型型方方法法可可沿沿用用热塑性聚合物类似的成型方法，但有其热塑性聚合物类似的成型方法，但有其特点特点：a.a.化学交联固化，而非冷却凝固化学交联固化，而非冷却凝固b.b.固化反应需一定温度、时间和压力固化反应需一定温度、时间和压力c.c.固化产物不熔、不溶、不可逆固化产物不熔、不溶、不可逆d.d.固化行为决定其工艺性和工艺参数固化行为决定其工艺性和工艺参数热热固性固性(thermosettingplastics)成型方成型方高分子溶液的加工成型 高分子溶液的加工通常涉及浓度在15以上的高分子浓溶液 溶融纺丝溶融纺丝 把熔融的聚合物通过喷丝头后再冷却固化制成，如尼龙(聚酰胺)和涤纶(对苯二甲酸乙二醇酪)等合成纤维。熔液纺丝熔液纺丝 对于分解温度较低的高聚物 先把它们溶解在适当的溶剂中，形成浓溶液，然后由喷丝孔挤出制成细流，经除去溶剂凝固后制成，如聚丙烯睛和聚氯乙烯等。高分子溶液的加工成型高分子溶液的加工成型 流延工艺是制造高聚物薄膜和薄片的一种方法，它是将高聚物溶液，从料斗控制门的窄缝中，均匀地流到不断向前移动的金属带上，在溶剂蒸发后即可得到高聚物薄膜。做电影胶卷的醋酸纤维片基即用此法制得。流延工流延工艺艺是制造高聚物薄膜和薄片的一种方法，它是将是制造高聚物薄膜和薄片的一种方法，它是将其他成型加工工艺 切削加工 凡是切削金属材料的工艺方法，均可用于高聚物材料的加工，如车削、铣削、刨削、钻削、铿儿及据、钞等。其他成型加工工其他成型加工工艺艺 焊接和粘接 熔融粘接(亦称焊接)。将被连接的两制件的结合处加热全熔融态，使焊缝熔合在一起，冷却后即焊成。这种方法只适用于热塑性高聚物材料。溶剂粘接 将被连接的两制件结合处涂以适当的溶剂，使两制件结合处均发生溶胀和软化，适当加压使两制件紧紧贴合在起，待溶剂挥发，两制件便粘接在一起。粘合剂粘接 在两被连接的制件之间涂上适当的粘合剂，靠粘胶层把制件连接在在一起。焊焊接和粘接接和粘接 高聚物的表面处理 高聚物表面镀层和涂层对提高机械强度、耐磨性、耐油性、防潮性，以及防止老化和防止静电集聚都有很大的作用。表面电镀 是先通过化学还原法在其表面沉积一薄层银膜，再浸镀一层铜膜后，用普通电镀法镀上需要的金属膜。表面涂层 是在聚合物制品表面涂覆一层金属或非金属的保护膜。例如，可在真空和高温条件下，将铝蒸气沉积到高聚物表面(表面需先净化，再喷一层硝基纤维漆)。以实现高聚物表面涂覆改性。高聚物的表面高聚物的表面处处理理