无机非金属材料工艺学0绪论

课程沿革计划学时：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。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）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、SiO2、Al2O3、Na2O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。（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。（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用石灰、石膏作为胶凝材料水泥的发明19世纪初（1810~1824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”（PortlandCement)，并于1824年10月21日首先获得该产品的专利权。云南红塔集团滇西水泥股份有限公司高海拔3×1000t/d生产线云南华云公司水泥厂2500t/d生产线山东烟台东源水泥公司3000t/d和5000t/d水泥生产线广州越堡水泥有限公司6000t/d水泥生产线阿联酋UCC10000t/d水泥生产线（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。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（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。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。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）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。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。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。0.3无机非金属材料的现状及发展趋势陶瓷玻璃水泥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典型生产工艺流程机械化立窑水泥生产工艺流程图典型生产工艺流程回转窑水泥生产工艺流程图典型生产工艺流程玻璃类（浮法）典型生产工艺流程陶瓷（釉面砖类）典型生产工艺流程碳素材料类图0-2-1物质内能与体积随温度的变化图0-2-2不同冷却速度下玻璃的比容与温度的关系图0-2-3R2O-SiO2系统玻璃的弹性变化1-Li2O；2-Na2O；3-K2O谢谢大家！Thankyouforyourattention！Questions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；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：轻质金属夹芯板分：强制性推荐性如：GBGB/T国家标准GB行业标准专业标准地方标准DB标准构成—①标准代号②标准顺序号③发布年代号④标准名称建工JG交通JT建材JC冶金YB石化SH…企业标准QB④标准名称①标准代号②标准顺序号③发布年代号例如：《聚氨酯建筑密封膏》JC/T482—2003三.技术标准一、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。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（3CaO•SiO2）、硅酸二钙（2CaO•SiO2）和铝酸三钙（3CaO•Al2O3）。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1.2玻璃•普通玻璃（钠玻璃）的原料是石英（SiO2）、纯碱（Na2CO3）和石灰石（CaCO3），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。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；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；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（Co2O3）着蓝色，氧化亚铜（Cu2O）着红色，氧化铬（Cr2O3）着绿色等。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。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、