无机非金属材料工学整理优选.docx
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无机非金属材料工学整理优选
1、无机材料生产共性和个性：
共性：
1、原料都来自储量丰富的天然非金属矿物2、粉料的制备与运输3、高温加热（热处理）4、成型5、干燥。
个性：
P（表示粉体制备过程）H（热处理过程）F（成型过程）1、胶凝材料（水泥）PHP2、玻璃PHF3、陶瓷和耐火材料PFH。
2、粘土定义：
粘土是一种或多种含水铝硅酸盐矿物的混合体。
3、粘土的三大组成:
矿物组成、化学组成和颗粒组成.
粘土矿物组成：
高岭石类（包括高岭石、多水高岭石等）特点：
吸附能力小，可塑性和结合性较差，杂质少、白度高、耐火度高。
蒙脱石类（包括蒙脱石、叶蜡石等）特点：
是能吸收大量的水，体积膨胀，离子交换能力强，膨润土可塑性大，触变厚化性强，严重影响泥浆性能。
随外界环境的温度和湿度而变化，引起Ｃ轴膨胀与收缩。
伊利石类（也称水云母）特点：
一般可塑性低，干后强度小，干燥烧成收缩小，烧结温度低，烧结范围窄。
化学组成：
二氧化硅，三氧化二铝，结晶水还有少量碱金属氧化物碱土金属氧化物着色氧化物等。
颗粒组成：
指粘土中不同大小颗粒的百分含量。
4、粘土的工艺性质：
可塑性，离子交换性，触变性，膨化性，收缩性，烧结性能
（1）可塑性：
粘土与适量水混练后形成泥团，在外力作用下塑造成各种形状而不开裂，当外力除去后仍能维持原来形状的性质。
可塑性指数则为液限与塑限的差值，表示粘土能形成可塑泥团的水分变化范围。
可塑性指标在工作水分下，泥料受外力作用最初出现裂纹时应力与应变的乘积。
（2）离子交换性：
粘土颗粒吸附的离子被其它同性电荷的离子置换，发生离子交换的性质
（3）触变性：
粘土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时，粘度会降低而流动性增加静置后能恢复原来状态。
5、长石类原料：
钠长石（玻璃釉），钾长石（陶瓷釉），钙长石（水泥），钡长石
滑石结构：
层状结构
6、破碎的方式：
挤压，劈裂，折断，磨剥，冲击。
破碎设备：
颚式破碎机、圆锥式破碎机，辊式破碎机，反击式破碎机、蓖式破碎机
超细磨：
振动磨、搅拌磨、冲击磨、气流磨、行星磨
7、玻璃退火的目的，退火包括哪几个工艺阶段？
各个阶段的要点有哪些？
退火定义：
消除玻璃制品在成型或热加工后残留在制品内的永久应力的过程。
目的：
防止炸裂和提高玻璃的机械强度。
玻璃退火包括加热、保温、慢冷及快冷四个阶段。
加热阶段：
把制品加热到退火温度。
加热速度可以较快。
慢冷阶段：
防止在降温过程中由于温度梯度而产生新的应力。
初冷速度应最低。
慢冷阶段的结束温度，必须低于玻璃的应变点。
快冷阶段：
指应变温度到室温这段温度区间。
保证制品不致因为热应力而破坏的前提下，可以尽快冷却玻璃制品。
成型：
将配合料制成的浆体、可塑泥团、半干粉料或熔融体经适当的手段设备变成一定形状的制品的过程。
注浆成型：
（传统）在石膏模的毛细管力作用下，含一定水分的粘土泥浆脱水硬化成坯的过程。
（现代）：
将陶瓷配合料制成能流动的浆体，注入模型，依靠模具的脱水（或其它特别的）作用而成型。
8、人工干燥的加热方式：
外热源法、内热源法。
干燥也称为烘干,用加热的方法除去物料中部分物理水分的过程。
外热源法：
是指在物料的外部对物料表面加热使物料受热，蒸发水分，而得以干燥。
内热源法：
是将湿物料放在高频交变的电磁场中或微波场中，使物料本身的分子产生剧烈的热运动发热或使交变电流通过物料而产生热量，物料中水分蒸发，得以干燥。
干燥方法及其特点:
１、对流（辐射）:
热扩散方向与湿扩散方向相反，不利于干燥速度提高。
２、电干燥：
热扩散、湿扩散方向一致，干燥速度快，单位热耗小。
３、微波干燥：
热、湿传导方向一致。
均匀快速。
４、红外干燥：
热扩散、湿扩散方向一致，加热均匀。
内扩散包括：
湿扩散（水分浓度差）和热扩散（温度差）
热扩散是指在温度差的作用下，水分从物料内温度高的地方向温度低的地方的迁移过程。
湿扩散是指在水分浓度差的作用下，水分从物料内浓度高的的地方向浓度低的地方的迁移过程
9、煅烧优点：
1.提高物理性能2.破坏层状结构，稳定晶型3.便于破碎，减小收缩率
10、烧成制度：
包括温度制度，气氛制度，压力制度。
压力制度旨在保证温度制度和气氛制度。
烧成温度：
是指陶瓷坯体烧成时获得最优性质时的相应温度，即烧成时的止火温度。
烧成范围：
烧成温度实际上是指一个允许的温度范围，习惯上称之为烧成范围。
下限温度是坯体技术性能开始达到要求指标时的对应温度；上限温度是坯体的结构和性能指标开始劣化时的温度。
烧结温度：
材料加热过程达到气孔率最小、密度最大时的温度。
11、多孔陶瓷的成孔方法：
（1）颗粒堆积成孔
（2）可燃尽物质成孔（3）不完全灼烧成孔（4）机械成孔（5）高温分解物质发泡成孔（6）超微孔成孔
多孔陶瓷配方：
骨料，粘结剂，成孔剂。
工艺特点：
烧成温度和烧结温度不一致。
多孔陶瓷的烧成方法：
粘结剂玻化粘结骨料颗粒；足够的机械强度；达到所要求的气孔率合理的烧成温度
12、釉是覆盖在陶瓷坯体表面的一层近似玻璃态的物质。
施釉的基本方法：
浸釉，淋釉，喷釉。
还有静电施釉、流化床施釉、干压施釉等电瓷：
高强度电瓷和半导体瓷。
高强度瓷主要有石英瓷，高铝瓷，普通高压瓷。
半导体瓷是由60%~70%左右的普通白釉和具有导电性的金属氧化物或预先合成的导电性化合物配制而成。
目的是使电瓷表面电阻率降低，有一定的导电性。
13、釉料的基本性质：
1、一定的细度2、适中的相对密度3、适宜的流动性（粘度）
14、釉层的性质：
（1）釉料熔融温度范围：
始熔温度至流动温度的范围称为釉料熔融温度范围。
（2）釉的粘度和表面张力（3）釉的弹性和热膨胀性：
釉的弹性可用弹性模数来表征，弹性模数小，则弹性大，反之则弹性小。
（4）釉的硬度和光泽度（5）釉层的化学稳定性
坯料定义：
将陶瓷原料经过配料和加工后，得到的具有成型性能的多组分混合物。
根据成型方法不同分为：
注浆坯料：
含水率28%~35%；可塑坯料18%~25%；压制坯料3%~7%。
坯体组成的表示方法：
配料比表示、化学组成表示、矿物组成表示、实验公式表示、分子式表示
化工陶瓷生产工艺要点：
（1）配料组成：
耐酸，加入氧化硅氧化锆等；耐HF，提高3A2S的含量；耐碱加入氧化镁最好。
（2）配料中掺入许多孰料；（3）用食盐釉（在烧成过程中，进行施釉），食盐釉和坯体结合良好耐酸不脱落不开裂；（4）陶瓷的烧成温度再1280°—1350°C范围内，氧化氛围烧成。
化工陶瓷提高耐酸性方法：
加入二氧化硅，氧化锆等；配料中掺入熟料；加入食盐釉。
提高耐热性的方法：
加入刚玉，滑石提高热稳定性；增加氧化镁，氧化铍，氧化锆
低温烧成：
凡烧成温度有较大幅度降低（如降低幅度在80～100℃以上者）且产品性能与通常烧成的性能相近的烧成方法可称为低温烧成。
一次烧成是将施好釉的生坯（也称釉坯）经一次煅烧直接得到产品的方法。
二次烧成分两种类型：
一是将生坯烧到足够高的温度使之成瓷，然后施釉，再在较低的温度下进行釉烧。
这种方法称为“高温素烧，低温（中温）釉烧”，二是先将生坯在较低的温度下烧成素坯，然后施釉，再在较高的温度下进行釉烧而得到产品。
这科方法称为“低温素烧，高温釉烧”
退火工艺特点（8个字）：
加热，保温，慢冷，快冷。
热钢化工艺特点（8个字）：
加热，保温，快冷，慢冷。
玻璃熔制：
将配合料经过高温加热形成均匀的无气泡的，并符合成型要求的玻璃液的过程。
玻璃的熔制包括物理和化学以及物理化学三个过程。
影响玻璃析晶的因素：
玻璃成分、玻璃的结构因素、分相的作用、工艺因素。
玻璃粘度与温度的关系：
玻璃液在高温时，粘度变化不大；随着温度的降低，粘度的变化慢慢增大，待到低温时，粘度就急剧地增加。
在整个玻璃粘度温度曲线上，没有粘度突变点。
玻璃体的三大类缺陷：
气泡（气体类夹杂物），结石（结晶夹杂物），条纹和节瘤（玻璃态夹杂物）
玻璃分类（6种）：
元素玻璃、氧化物玻璃、卤素化合物玻璃（透红外）、硫属元素化合物（半导体）、混合玻璃、金属玻璃
短性玻璃：
在l0^2~10^8Pa·s粘度范围内温度范围小的玻璃称短性玻璃，随温度变化，粘度变化速率快，又称为快凝玻璃
长性玻璃：
在l0^2~10^8Pa·s粘度范围内温度范围大的玻璃称长性玻璃，随温度变化，粘度变化速率慢，又称为慢凝玻璃
高硅氧玻璃：
二氧化硅高达96%以上的玻璃，是利用玻璃组成的B区易于分相的特点制成的。
耐火度：
耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性质。
耐火材料：
耐火度不低于1580℃的无机非金属材料
耐火材料的组成：
化学组成和矿物组成
荷重软化温度：
耐火材料在一定的重力负荷和热负荷共同作用下达到某一特定压缩变形时的温度。
硅制耐火材料：
典型的耐酸性材料，主晶相为鳞石英和方石英，基质为石英玻璃相。
镁质耐火材料：
主成分MgO,主晶相方镁石；氧化镁含量80%~85%以上的碱性耐火材料，耐火度高。
玻璃窑，水泥窑，陶瓷窑高温带常用的耐火材料。
CaO/SiO2=0镁橄榄石M2S；CaO/SiO2=1钙镁橄榄石CMS熔点1890°;CaO/SiO2=1.5镁蔷薇辉石C3MS2，1575°；CaO/SiO2=2硅酸二钙C2S,2130°。
不定型耐火材料：
是由合理级配的粒状和粉状料与结合剂共同组成的不经形成和烧成而直接使用的耐火材料。
1、碳素耐火材料：
无定性碳为主要组成2、石墨耐火材料：
结晶型组要组成。
3.碳化硅耐火材料
碳素耐火材料生产工艺特点：
热态成型，冷却定型，在隔绝空气下烧成。
碳化硅耐火制品：
（1）粘土和氧化物结合的耐火制品；
（2）氮化硅结合的碳化硅制品（3）自结合和再结晶的碳化硅制品（4）半碳化硅制品
硅酸铝质耐火材料：
（1）半硅质耐火材料，三氧化二铝含量15%~30%
（2）粘土质耐火材料，三氧化二铝含量30%~46%（3）高铝质耐火材料，三氧化二铝含量大于46%
矿化剂：
能在高温下促进石英转化，对制品性能影响很小比较经济和容易获得。
最常用的矿化剂有CaO，FeO。
水泥与硅酸盐水泥生产控制中常用的三个率值：
硅率SM、铝率IM和石灰饱和系数KH
水化程度：
单位时间内水泥水化反应的进展程度。
通常用已经水化反应的水泥占总水泥的百分数（α）来表示，即水化程度
1、超细粉体的制备方法及其特点
超微粉粒度一般为1～100nm左右，粉体制备方法：
粉碎法和合成法。
粉碎法是由粗颗粒来获得细粉的方法，超细粉的制备机械式和流能式两类。
机械式粉碎机：
振动磨机（特点：
适应性强，颗粒球形度不好）、搅拌磨机（特点：
颗粒球形度好但杂质多）、行星磨（粉末球形度好但产量低）、胶体磨、冲击磨等。
流能式超细磨：
气流磨（特点：
不需要任何固体研磨介质，能够连续操作耗电量大，附属设备多）
特点：
制粉得到1微米以下的粉料较为困难，能耗大，效率低，杂质易于混入，粒子易于变形。
合成法包括：
物理工艺和化学工艺。
物理工艺主要为构筑法，通过各元素的原子、分子的成核核长大生成超微粉。
化学工艺的制备过程以化学反应为主，分为固相法、气相法、液相法。
特点：
纯度、粒度可控、均匀性好，颗粒微细，并可实现颗粒在分子水平上的复合、均化。
2、无机非金属材料主要有哪些成型方法，以及各自有哪些特点
成型方法主要有
（1）浆料成型：
浆料成型基本多属于塑性体，其中液相是连续的。
包括①陶瓷主要为注浆成型（空心注浆和实心注浆）、热压成型，流延成型②混凝土浆体的成型包括振动密实成型、压制密实成型、离心脱水密实成型
（2）可塑成型法：
包括挤压成型、旋坯成型、滚压成型、塑压成型、车坯成型、轧膜成型、注塑成（3）压制成型是将粉状的坯料在钢模中压成致密坯体的一种成型方法。
压制成型的坯料水分少、压力大，因而坯体较致密，收缩较小、形状准确。
（4）玻璃的成型：
吹制成型、拉制成型、浮法生产平板玻璃
3、玻璃熔融的几个阶段，每个阶段的物理变化
（1）、硅酸盐形成阶段
此阶段结束时，配合料变成由硅酸盐和二氧化硅组成的不透明烧结物。
（2）、玻璃形成阶段
（3）、玻璃液的澄清阶段
（4）、玻璃的均化阶段
均化的作用就是在玻璃液中消除条纹和其他不均匀体，使玻璃液的各部分在化学组成上达到预期的均匀一致。
（5）、玻璃的冷却阶段
均化后的玻璃液需要适当降温将玻璃液的粘度增高到成形制度所需的范围。
冷却过程中玻璃液温度通常降低200～300℃。
4、玻璃浮法生产中选择浮化介质的原则
浮法是指玻璃液漂浮在熔融金属表面上生产平板玻璃的方法。
其优点是玻璃质量高（接近或相当于机械磨光玻璃），拉引速度快，产量大，厚度可控制在1.7~30mm，宽度目前可达5.6m，便于生产自动化。
（l）在1050℃温度下的密度要大于玻璃，一般要求其密度大于2500kg/m3；
（2）金属的熔点低于600℃，沸点高于1050℃，1000℃左右的蒸气压应尽可能低，要求低于13.33Pa。
（3）容易还原，在还原气氛中能以单质金属液存在。
（4）在1000℃左右温度下，不与玻璃发生化学反应。
5、物料干燥的几个阶段，哪个阶段最危险
干燥方法：
对流干燥，电干燥，微波干燥，红外干燥。
物料干燥过程包括三个阶段：
加热、等速干燥和降速干燥阶段。
加热阶段：
初期干燥介质传给物料的热量大于物料中水分蒸发的热量，使物料温度升高，水分蒸发量升高。
等速干燥阶段：
干燥介质传给物料的热量等于于物料中水分蒸发的热量，物料温度不变，内扩散速率大于外扩散速率。
这一阶段干燥速率过大会发生因物料体积收缩而引起的制品变形或开裂故事，为危险期。
降速干燥阶段：
干燥介质传给物料的热量小于于物料中水分蒸发的热量，内扩散速率小于外扩散速率。
当物料的水分达到平衡水分时，干燥速率降到零。
6、简述常压、热压、热等静压、反应、气氛烧结的方法及优缺点？
（重点常压、热压）
（一）常压烧结常压烧结，又称无压烧结，即在通常的大气压下（无特殊气氛、常压下），在没有外加动力作用下坯体自由烧结，材料开始烧结的温度通常需达到材料熔点的0.5～0.8倍，常压烧结过程的关键是控制烧成制度。
优点:
①适宜于大批量生产②可制造形状复杂的制品。
缺点：
①·收缩率一般·②气孔残留·③有时强度稍差
（二）热压烧结高温高压下成型和烧结同时完成的方法。
在烧结过程中同时施加一定的外力，使材料加速塑性流动、重排和致密化。
优点：
①·晶粒细小②·能制得高密度制品③·可烧结烧结性差的陶瓷。
缺点·①晶粒细小②·能制得高密度制品·③可烧结烧结性差的陶瓷
（三）热等静压烧结是将粉末压坯或装入包套的粉料装入高压容器中，使粉料经受高温和均衡压力的作用，被烧结成致密件。
优点：
①能制造缺陷少的高强度制品·②容易粘结。
缺点：
①需要产生高压高温气体的装置·②需要模具盒
（四）反应烧结在原料合成的同时进行烧结。
优点：
①·也能制造形状复杂的制品·②烧结后尺寸基本不变。
缺点：
①·有气孔残留·②强度较低
（五）气氛烧结对于空气中难以烧结的制品（如透明陶瓷或非氧化物陶瓷）为防止其氧化等，须采用气氛烧结方法。
特点：
①可用气氛控制原子价②可调节Fe2+、Fe3+等。
7、普通陶瓷烧成的几个阶段及每个阶段的物理化学变化
一）低温预热阶段（300℃左右）坯体的变化：
（1）质量减轻；
（2）气孔率增加；（3）体积收缩。
二）氧化分解阶段（300～950℃）
1、结晶水的排出2、碳素和有机物的氧化3、硫化铁的氧化4、碳酸盐、硫酸盐的分解5、晶型转化和少量液相的形成
三）高温玻化成瓷阶段（950℃~最高烧成温度）（强还原剂）
1、1050℃以前，继续氧化分解反应并排除结构水。
2、硫酸盐分解、高价铁还原、粘土分解反应生成一次莫来石3、液相生成、固相溶解4、釉料熔融
四）高火保温期（0.5-2h）（弱还原剂）
液相量增加；晶体继续生长；进一步坯体瓷化，釉层玻化；各种反应进行更完善。
五）冷却阶段
物理化学变化l、液相析晶；2、玻璃相物质凝固；3、游离石英晶型转变。
8、坯釉的适应性概念及如何提高坯釉的适应性
概念：
坯釉适应性是指陶瓷坯体与釉层有互相适应的物理性质（主要是热膨胀系数匹配），釉面不致龟裂或剥落的能力。
提高途径：
1、选择膨胀系数接近于坯体而稍低于坯体的釉料
2、形成良好的中间层，坯釉中间层稍厚或适中
3、釉层的弹性模量低和抗张强度高。
4、釉层的厚度应该比较适中，薄釉层有利于坯釉结合
9、分别叙述玻璃退火的目的、热钢化的目的、退火过程中的工艺要点及热钢化工艺过程中的要点
（1）退火目的：
防止炸玻璃制品的炸裂和提高玻璃的机械强度
（2）热刚化的目的提高平板玻璃的强度。
（3）退火工艺要点：
包括加热、保温、慢冷及快冷四个阶段。
加热阶段：
把制品加热到退火温度。
加热速度可以较快。
保温阶段：
消除快速加热时制品存在的温度梯度，并消除制品中所固有的内应力。
慢冷阶段：
防止在降温过程中由于温度梯度而产生新的应力。
初冷速度应最低。
慢冷阶段的结束温度，必须低于玻璃的应变点。
快冷阶段：
指应变温度到室温这段温度区间。
保证制品不致因热应力而破坏的前提下，可以尽快冷却玻璃制品。
（4）热钢化工艺要点：
把玻璃加热到一定温度，在冷却介质中急剧均匀冷却，玻璃内外层产生很大的温度梯度，所产生的应力由于玻璃处于粘滞流动状态而被松弛，使之有温度梯度而无应力状态。
当玻璃温度梯度消失，原松弛应力转为永久应力，玻璃表面产生一层压应力，因此使玻璃强度增大。
影响玻璃热钢化的因素有淬火温度、介质传热速率、玻璃厚度、玻璃组成等。
淬火温度高好，但不能超过上限，会变形；冷却快好；厚好、薄不行；α大好，石英玻璃不行。
10、耐火材料与普通陶瓷生产过程中的异同
1原料的选择：
耐火材料的原料具有高熔点的单质、化合物以及高耐火度的矿物。
普通陶瓷原料不需要高耐火度矿物。
2、耐火材料的原料需要经过煅烧成熟料，陶瓷原料一般都不需要。
3、坯料制备：
耐火材料颗粒配合，“两头大，中间小”、结合剂、混练。
而陶瓷坯料制备不需要颗粒级配和结合剂，但需要球磨和过筛除铁，对于注浆坯料也需要陈腐
4、成型：
耐火材料大多采用干法、半干法成型。
可塑法、注浆法等。
还有振动成型、电熔铸法成型、捣打成型。
陶瓷材料可采用注浆法、可塑法、压制成型法。
5、干燥：
基本一致
6、烧成：
耐火材料多采用常压、热压、热等静压烧结。
陶瓷材料除以上三种烧成方法还有很多，如反应烧结、气氛烧结等。
7、陶瓷一般需要上釉，而耐火材料则不需要。
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