无机非金属材料工艺学0绪论

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,课程沿革,无机非金属材料工艺学,1,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,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。,2,0,绪 论,0.1,材料及无机非金属材料的定义与分类,0.1.1,材料的定义与分类,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,）,3,按化学组成和显微结构特点分类：,材 料,金属材料,无机非金属材料,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,4,0.1.2,无机非金属材料的定义与分类,无机非金属材料,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,5,0.1.3,无机非金属材料的特性,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,-,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,6,0.1.4,无机非金属材料生产过程的共性与个性,（,1,）原料,无机非金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,、,SiO,2,、,Al,2,O,3,、,Na,2,O,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。,7,（,3,）粉体制备,粉体具有较高的比表面积，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。,8,（,5,）烘干,烘干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,9,0.2,典型无机非金属材料,0.2.1,胶凝材料,胶凝材料定义,凡能在物理、化学作用下，从浆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,10,用石灰、石膏作为胶凝材料,11,水泥的发明,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。,12,云南红塔集团滇西水泥股份有限公司高海拔,31000t/d,生产线,13,云南华云公司水泥厂,2500t/d,生产线,14,山东烟台东源水泥公司,3000t/d,和,5000t/d,水泥生产线,15,广州越堡水泥有限公司,6000t/d,水泥生产线,16,阿联酋,UCC10000t/d,水泥生产线,17,（,2,）水泥的定义与分类,水泥的定义,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。,18,按组成分类：,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,:,如 无熟料、少熟料水泥,19,（,3,）水泥的基本特性,作为水硬性胶凝材料的水泥具有以下特性：,水泥浆具有良好的可塑性，与其它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。,20,0.2.2,玻璃,玻璃的定义,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。,21,玻璃的通性,（,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，而是处于介稳状态。,（,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,）,22,玻璃的分类,按组成分类,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,23,按用途分类,建筑玻璃,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。,24,0.2.3,陶瓷,陶瓷的定义,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。,25,陶瓷的基本特性与特点,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。,26,0.3,无机非金属材料的现状及发展趋势,陶瓷,玻璃,水泥,27,0.4,无机非金属材料在人类生活中的地位与作用,对科学技术发展的作用,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,28,0.5,无机非金属材料工艺学的研究内容,合成与制备,结 构,组 成,性 能,29,典型生产工艺流程,机械化立窑水泥生产工艺流程图,30,典型生产工艺流程,回转窑水泥生产工艺流程图,31,典型生产工艺流程,玻璃类（浮法）,32,典型生产工艺流程,陶瓷（釉面砖类）,33,典型生产工艺流程,碳素材料类,34,图,0-2-1,物质内能与体积随温度的变化,35,图,0-2-2,不同冷却速度下玻璃的比容与温度的关系,36,图,0-2-3,R,2,O-SiO,2,系统玻璃的弹性变化,1-Li,2,O,；,2-Na,2,O,；,3-K,2,O,37,谢谢大家！,Thank you for your attention,！,38,Questions,39,作业,注明班级、姓名、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业送至授课老师办公室；,40,一,.,土木工程材料的定义,二,.,土木工程材料的分类,按化学成分,无机材料,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,41,有机材料,无机材料,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、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,42,分：,强制性,推荐性,如：,GB,GB/T,国家标准,GB,行业标准,专业标准,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,482,2003,三,.,技,术,标,准,43,一、无机非金属材料,一、硅酸盐材料,1.,陶瓷,2.,玻璃,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,44,硅酸盐材料,沙石、黏土、石英、石棉、陶瓷、玻璃、水泥,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。,45,1.1 水泥,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,46,水泥种类、制作、主要成分,水泥种类很多，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（,3CaOSiO,2,）、硅酸二钙（,2CaOSiO,2,）和铝酸三钙（,3CaOAl,2,O,3,）。,47,混凝土,水泥、沙子和碎石的混合物叫混凝土。混凝土常用钢筋做结构，即钢筋混凝土结构，可用来建造桥梁、高楼大厦等,48,1.2 玻璃,普通玻璃（钠玻璃）的原料是石英（,SiO,2,）、纯碱（,Na,2,CO,3,）和石灰石（,CaCO,3,），反应后生成硅酸钠和硅酸钙，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。,49,耐温玻璃,以钾取代钠，可得到熔点较高的钾玻璃，用于制造燃烧管，高温反应器等；,50,光学玻璃,以铝代替钠和钙，则可制得光学玻璃，如显微镜、望远镜用透镜等；,51,颜色玻璃,在玻璃中加入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（,Co,2,O,3,）着蓝色，氧化亚铜（,Cu,2,O,）着红色，氧化铬（,Cr,2,O,3,）着绿色等。,52,变色玻璃,在玻璃中加入卤化银，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。,53,钢化玻璃,普通玻璃易碎，如果在软化态玻璃冷却过程中采取措施，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,54,玻璃性质,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，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。,55,1.3 陶瓷,在硅酸盐工业中，出现最早的工艺就是制陶、烧瓷。,在距今约4500年的新石器时代，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”,56,图,11,陶制兵马俑,图,12,景德镇陶瓷,57,陶瓷的制造,传统的陶瓷制造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。,58,陶瓷的原料,陶器,的原料是较低级的黏土，其化学成分比例约为氧化铝,Al,2,O,3,15%,18%,，氧化铁,Fe,2,O,3,5%,6%,。,瓷器,的原料是较高级的黏土，约含,Al,2,O,3,18%,28%,，,Fe,2,O,3,1%,2%,，,Al,2,O,3,相对较多。,59,【问与答】,你能比较归纳比较三种常见硅酸盐材料的化学成分和性能吗？,60,二、特殊无机非金属材料,传统的无机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。,61,2.1半导体材料,在物理学上，通常按材料的电阻的不同将各种材料分成“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，称为半导体材料。,锗和硅是最常用的元素半导体；,62,二极管,同一种半导体材料，可以制成两种类型的半导体，一种是,p,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，如果将正负极调换一下，电流就不能通过，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。,63,应用：,现在，半导体材料几乎渗透到人们工作、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。,64,2.2 特种陶瓷,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，称为特种陶瓷。,65,（1）氮化硅陶瓷,用高纯硅粉在氮气中，,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：,3Si,2N,2,= Si,3,N,4,【,性质,】,66,【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。,67,（,2,）碳化硅陶瓷,将二氧化硅与碳在电弧炉中加热至,1900,以上可得到碳化硅。,反应方程式为：,SiO,2,3C = SiC,2CO,68,【性质】,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，化学性质稳定，可耐2000的高温，在室温下导电，热传导能力好。,69,【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；航天器的涂层材料和火箭尾喷管的喷嘴。,碳化硅,70,2.3 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矿物和岩石里，是构成矿物和岩石的主要成分。,71,【性质】,用碳在高温下还原二氧化硅制得含有少量杂质的粗硅。将粗硅提纯后，可以得到高纯硅，反应方程式为：,SiO,2,2C = Si,2CO,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。,72,晶体硅的特性,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。,73,【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，芯片的成本也就越低。,在硅晶体中掺入微量的磷元素和硼元素，可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能。,74,【实践活动】,硅材料是重要的半导体材料，它的产量和用量标志着一个国家的电子工业水平。请以硅材料的应用为关键词，查阅资料，并在同学之间交流。,75,2.4 光导纤维,是用高折射率的超纯石英或特种光学玻璃通过特殊技术制成的复合纤维。,76,光缆,光导纤维简称光纤，其中心称为内芯，外面是包层，光线在内芯中发生全反射，使光波沿锯齿形向前传播，避免了光在传输过程中的折射损耗。如果将许多根经过技术处理的光纤绕在一起，就是光缆。,77,激光应用,在工业方面，光纤可传输激光进行机械加工，也可用于工业生产的自动控制，机器内及机器间的信号传送，光电开关等。光纤还可用于医疗，遥测遥控，照明等许多方面。例如激光手术就是由光导纤维将激光传递至手术部位而切除病变组织的一种手术。,78,小结,1,、介绍了常见的硅酸盐材料，如,陶瓷、玻璃、水泥,的组成，生产过程，以及它们的主要用途,.,2,、介绍特殊无机非金属材料，如,半导体材料、特种陶瓷、单晶硅、光导纤维,的组成，生产过程，以及它们的主要用途,.,79,