无机非金属材料工艺学.docx

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无机非金属材料工艺学

无机非金属材料工艺学

传统的无机非金属材料工艺学包括那几个部分？

水泥工艺学

玻璃工艺学

陶瓷工艺学

现代的无机非金属材料工艺学包括那几个部分？

水泥工艺学

玻璃工艺学

陶瓷工艺学

耐火材料工艺学

无机复合材料工艺学

无机非金属材料工艺学需要预先学习的课程

基础课：

物理化学

专业基础课：

硅酸盐物理化学

为什么要学习无机非金属材料工艺学？

开阔视野，提高分析问题，解决问题的能力。

1绪论

1.1材料及无机非金属材料的定义与分类

1.1.1材料的定义与分类

定义：

能够用以加工有用物质的物质。

1.1.2无机非金属材料的定义与分类

无机非金属材料：

是除金属材料和有机高分子材料之外的所有材料的总称。

1.1.3无机非金属材料的特性

1、与金属材料和有机高分子材料的区别

（a）化学组成：

（1）无机非金属材料：

氧化物、碳化物、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（如氮化物Si3N4、碳化物SiC、氮化硼BN）等。

（2）金属材料：

一般为固体单质材料（除水银外）。

（3）有机高分子材料：

碳、氢、氧、氮、氯等元素组成的化合物。

（b）化学键组成：

（1）无机非金属材料：

主要为离子键（如NaCl）或离子-共价键（如SiO2离子键和共价键各占50%）。

碳材料是例外，如金刚石是共价键，石墨是共价键和金属键

（2）金属材料：

金属键

（3）有机高分子材料：

共价键

2、无机非金属材料的特征

（1）具有复杂的晶体结构

（2）没有自由电子（石墨除外）

（3）高硬度

（4）较好的耐化学腐蚀能力

（5）绝大多数是绝缘体

（6）制成薄膜时大多是透明的

（7）一般具有低导热性

（8）大多数情况下变形微小

3、无机非金属材料的基本属性

（1）高熔点、高硬度、高抗压

（2）耐腐蚀、耐磨损

（3）良好的抗氧化性、隔热性

（4）优良的介电、压电、光学、磁学性能及功能转换特性

（5）抗拉强度低、韧性差

1.1.4无机非金属材料生产过程的共性与个性

1、原料

共性：

都是以铝硅酸盐（粘土、长石等）、硅质、石灰质、铝质原料为主。

个性：

化学组成不同

2、原料的破碎

共性：

绝大多数原料都需要破碎

为什么绝大多数原料都需要破碎？

因为为什么绝大多数原料都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。

破碎后的好处：

（1）好均化、烘干、配料

（2）利于成型

（3）利于热处理，节能

（4）产量高，产品性能好，且稳定

3、粉体的制备

陶瓷：

一般采用湿法制备粉体为什么？

水泥：

湿法和干法制备

玻璃：

干法制备为什么？

4、成型

陶瓷成型：

在高温热加工之前

玻璃成型：

在高温热加工之后

水泥成型：

在使用时

5、烘干

水泥：

在粉体制备之前，粘土、混合材需要烘干

陶瓷：

成型后的坯体必须烘干为什么？

6、高温热处理

水泥：

通过煅烧获得水泥熟料

玻璃：

熔融获得均匀、透明、无缺陷的熔体

陶瓷：

形成坚硬的烧结体

1.2典型无机非金属材料

1.2.1胶凝材料

1、胶凝材料的定义与分类

水硬性胶凝材料

气硬性胶凝材料

2、水泥的定义与分类

通用水泥

专用水泥

特种水泥：

快硬高强水泥

膨胀水泥

自应力水泥

水工水泥

油井水泥：

特别注意在不同温度和压力情况下水泥的稠化时间的变化

装饰水泥

耐高温水泥

其它特种水泥：

道路硅酸盐水泥、防辐射水泥、耐酸水泥、砌筑水泥、高效无声破碎剂等

注意：

使用高效无声破碎剂一定要考虑温度的影响

3水泥的基本性质

水泥浆具有良好的可塑性、与其他材料混合后的混合物可拥有适当的和易性

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，可适当调整水泥的性质

可与纤维、聚合物等多种有机-无机材料配制的各种水泥基复合材料，充分发挥材料的潜能

1.2.2玻璃

1、玻璃的特性

（1）玻璃的定义及基本特性

传统玻璃的定义：

熔融物冷却、硬化而得到的非晶态固体

基本特性：

（a）透明、坚硬，良好的耐蚀、耐热、电学和光学性质

（b）适用不同使用条件的要求

（c）易于制备各种形状制品或部件

2、玻璃的通性

1）各向同性

2）介稳性

3）无固定熔点

4）固态和熔融态间转化的渐变性和可逆性

5）性质随成分变化的连续性和渐变性

★重要的粘度参考点：

①应变点：

相当于粘度为~1013.6帕•秒的温度，即应力在几小时内消除的温度。

②转变点（Tg）：

相当于粘度为1012.4~1013.0帕•秒的温度，又称脆性温度，既玻璃出现脆性的最高温度。

③退火点：

大致相当于粘度为1012帕•秒的温度。

即应力在几分钟内消除的温度。

④变形点：

相当于粘度为1010~1012帕•秒的温度范围。

⑤软化温度（Tf）:

即玻璃开始出现液态典型性质的温度，此时是玻璃能拉成丝的下限温度，它与玻璃的密度和表面张力有关。

相当于粘度为3X106~1.5X107帕•秒的温度。

⑥操作范围：

相当于成型时玻璃液表面的温度范围。

T上限指准备成型操作的温度。

相当于粘度为102~104帕•秒的温度。

T下限指相当于成型时能保持制品形状的温度。

粘度为>105帕•秒的温度。

操作范围的粘度一般为103~106..6帕•秒。

⑦熔化温度：

相当于粘度为10帕•秒的温度，在此温度下玻璃能以一般要求的速度熔化。

Tg~Tf之间称为转变温度范围（或反常间距），玻璃在此区里从典型的熔体逐渐转变为具有各项性质的玻璃。

Tg和Tf表示转变温度的上下限。

怎样区别某物质是晶体还是玻璃？

在偏振光检测仪下，玻璃无论怎样转动角度，仍然透明，而晶体都在转动到一定角度时呈现不透明的亮斑。

晶体各向异性，用激光束照射时出现两个亮点，这是晶体的双折射现象。

玻璃对单束光只有一次折射，只形成一个亮点。

3、玻璃的分类

1）按组成分类

元素玻璃：

单一元素的原子构成的玻璃。

有硫系玻璃、硒玻璃等。

氧化物玻璃：

借助桥氧形成聚合结构的玻璃。

非氧化物玻璃：

（a）卤化物玻璃（氟化物玻璃如BeF2）和氯化物玻璃（如ZnCl2）等。

（b）硫族化合物玻璃

氧化物和非氧化物的混合玻璃：

如BaF2-Al2O3-P2O5玻璃等。

2）按用途分类

建筑玻璃

日用轻工玻璃

仪器玻璃

光学玻璃：

冕牌玻璃：

阿贝数（色散系数）>50的光学玻璃通常称为冕牌玻璃

燧石玻璃：

阿贝数（色散系数）<50的光学玻璃称为燧石玻璃

色散：

玻璃的折射率随入射光波长不同而不同的现象，叫色散。

阿贝数就是色散系数。

光线经过三棱镜可以分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。

色散系数反映镜片的分光能力，色散现象最早由欧尼斯.阿贝先生发现并对色散系数设定了界定的参数，故色散系数被称为“阿贝数”。

对眼用镜片来说，镜片的色散越低越好，色散系数值越大越好，如果色散强烈会出现棱镜效应，人会感到色彩斑斓，致使头晕脑涨等不适感，因此色散系数就成为衡量镜片优劣的重要指标之一。

电真空玻璃

3）按性能分类

光学特性分：

光敏玻璃、声光玻璃、光色玻璃、高折射玻璃、低色散玻璃、反射玻璃、半透过玻璃、透红外玻璃等等。

热学特性分：

热敏玻璃、隔热玻璃、耐高温玻璃、低膨胀玻璃等

电学特性分：

高绝缘玻璃、导电玻璃、半导体玻璃、高介电玻璃、超导玻璃等

力学特性分：

高强玻璃、耐磨玻璃等

化学稳定性分：

耐碱玻璃、耐酸玻璃等

4）按形态分类

泡沫玻璃

玻璃纤维

薄膜玻璃等

5）按颜色分类

无色玻璃

颜色玻璃

半透明玻璃

乳白色玻璃等

隔热玻璃：

它们不显著的吸收可见光线而是

吸收大量产生热量的近红外光线，

凡需要光线强度高的而又需要隔除

热量场合都可应用。

石英玻璃：

其光学性能有独到之处，它既可以透过远紫外线，是所有紫外材料最优者，又可透过可见光和近红外光谱，热膨胀系数极小，化学稳定性好，气泡、条纹、均匀性、双折射有可与一般光学玻璃媲美，所以它是在各种恶劣场合下工作具有高稳定度光学系数的必不可少的光学材料。

产品应用

主要应用于军工、激光、冶金、光学仪器、舞台灯光等行业的高温窗口。

例如：

我国目前还只能拉制小直径石英玻璃管。

用在半导体技术上的大直径石英玻璃管每公斤进口价1300元，而小直径石英玻璃管主要用在照明工业上每公斤出口价也只有60元，而且由于质量差，不能大量出口。

2000年我国进口大直径石英玻璃管约1亿元人民币，主要用于生产出口石英玻璃仪器器皿。

1.2.3陶瓷

1、陶瓷的定义与分类

传统陶瓷定义：

以无机非金属天然矿物或化工产品为原料，经过原料处理、成型、干燥、烧结等工序制成的产品。

是陶器和瓷器的总称。

陶瓷的分类：

（1）按组成分类：

硅酸盐陶瓷

氧化物陶瓷

非氧化物陶瓷

（2）按性能分类：

1）普通陶瓷：

包括日用陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷等

2）特种陶瓷：

包括结构陶瓷、功能陶瓷

2、陶瓷的基本性能与特点

（1）陶瓷的显微结构

由结晶相、气孔和玻璃相组成。

（2）陶瓷的基本性能

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，如抗氧化，耐高温、耐腐蚀

硬度高

优良的电绝缘性能

脆性大，经不起外力撞击，也不能急冷急热。

理论强度高，但实际强度远远低于理论强度

原因：

①陶瓷材料存在很多微裂纹

②微裂纹一旦形成，就会迅速的扩展

对于金属，在外力的作用下可以产生塑性变形，塑性变形可以吸收扩展裂纹的能量，起到止裂纹的作用。

对于陶瓷，缺乏塑性变形，裂纹一旦形成，材料内部的应力就会集中在裂纹的尖端，推动裂纹的扩展，直至断裂。

如果是在热冲击的情况下，由于陶瓷材料导热性差，热应力因此增加，促进裂纹迅速扩展。

1.3无机非金属材料的研究现状及发展趋势

1、陶瓷

怎样低成本解决陶瓷脆性问题。

2、玻璃

3、水泥

用煤矸石生产水泥的研究

用白云石替代方解石生产水泥

1.4无机非金属材料在人类生活中的地位与作用

1.4.1对科学技术发展的作用

1.4.2对工业及社会进步的作用

1.4.3对巩固国防、发展军事用技术的作用

1.4.4在生物医学方面的作用

1.5无机非金属材料工艺学的研究内容

无机非金属材料科学与工艺：

是一门研究材料组成、结构、合成与制备、使用效能四者之间的关系与规律的科学。

合成与制备：

是研究如何将原子、分子聚合起来并最终转变为有用产品的一系列连续过程，是提高材料质量、降低生产成本的关键，也是开发新材料、新器件的中心环节。

组成：

是指构成材料物质的原子、分子、添加剂及其分布。

结构：

是指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布。

组成和结构是材料的基本表征。

它们一方面是特定的合成与制备条件下的产物，另一方面又是决定材料性能与使用效能的内在因数。

无机非金属材料工艺学的研究内容：

了解材料的组成与结构及它们同合成与制备之间、性能与使用效能之间的内在联系。

（为什么？

）

例1：

SiO2玻璃与SiO2与晶体，成分完全一样但性质截然不同。

SiO2玻璃：

透明、各向同性，没有固定熔点，亚稳性，性质随温度变化连续性。

SiO2与晶体：

各向异性，有固定熔点，稳定，性质随温度变化不连续

原因：

结构不同。

SiO2玻璃，硅氧四面体排列无序；

SiO2与晶体，硅氧四面体排列有序。

与合成制备的关系：

SiO2玻璃，从SiO2熔点以上熔体快速冷却；

SiO2与晶体，从SiO2熔点以上熔体缓慢冷却

与合成制备方法的关系：

SiO2晶体，水热法生长（人工合成晶体）

主要性能：

   石英晶体（水晶）：

是一种功能材料，有优良的压电性能和光学性能，物理、化学性能稳定，具有左右旋结构特征，在0.15～4μm的范围