无机非金属材料概论-2

绪论传统上的无机非金属材料主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四种，其主要化学组成均为硅酸盐类第一章玻璃的结构与性质玻璃态的通性：各向同性、介稳性、无固定熔点、性质变化的连续性和可逆性玻璃态是非晶态固体的一种，习惯上称之为“过冷的液体”玻璃结构的假说：微晶学说、无规则网络学说如果在熔融石英玻璃中加入非金属氧化物（Na2O），就使原有的“大分子”发生解聚作用在碱硅二元玻璃中加入CaO，可使玻璃的结构和性质发生明显的改善根据无规则网络学说将氧化物分为：网络生成体氧化物，网络外体氧化物和中间体氧化物玻璃组成对热膨胀系数的影响主要有以下几个方面：1.能形成网络的氧化物使α降低，能引起断网氧化物使α上升2.R2O和RO主要起断网作用，积聚作用是次要的，而高电荷离子主要起积聚作用3.在玻璃中R2O问题不变情况下，引入两种不同的R+离子产生混合碱效应，同样能使α下降，出现极小值4.中间体氧化在有足够“游离氧”条件下，形成四面体参加网络，α降低第二章玻璃原料及料制备玻璃主要原料：1.引入SiO2的原料主要有硅砂和砂岩；2.引入Al2O3的原料主要有长石和高岭土3.引入Na2O的原料有纯碱、芒硝（Na2SO4）第三章玻璃的熔制及成型玻璃的熔制过程：1.硅酸盐形成阶段–多晶转变、盐类分解、生成低共熔混合物、形成复盐、生成硅酸盐、排出结晶水和吸附水2.玻璃液的形成3.玻璃液的澄清–排除可见气泡4.玻璃液的均化–化学均匀、热均匀5.玻璃液的冷却–玻璃的热均匀度和是否产生二次气泡影响玻璃的产量和质量第四章玻璃的退火与淬火玻璃中的应力：1.热应力–玻璃中由于存在温度差而产生的应力。又分为暂时应力和永久应力（同过退火可消除）2.结构应力；3.机械应力玻璃的退火：为了消除玻璃中的永久应力，必须将玻璃加热到低于玻璃转变温度Tg附近的某一温度进行保温均热，以消除玻璃各部分的温度梯度，使应力松弛。这个选定的温度，称为退火温度玻璃的淬火：是将玻璃制品加热到转变温度Tg以上50~60℃，然后在冷却介质中急速均匀冷却，在这一过程中玻璃的内层和表面将产生很大的温度梯度，由此引起的应力由于玻璃的粘滞流动而被松弛，所以造成了有温度梯度而无应力的状态。淬火使玻璃得到增强第七章陶瓷原料陶瓷原料按其来源可分为：天然原料和化工原料两大类1.粘土类原料–当其与水混合时，有很好的可塑性，在坯料中起塑化和粘合作用，赋予坯体以塑性变形或注浆能力，并保证干坯的强度及烧结制品的使用性能；是成型能够进行的基础，也是粘土质陶瓷成瓷的基础2.石英类原料；3.长石类原料第九章成型1.可塑成型–是指对具有一定可塑能力的泥料，如可塑坯料，进行加工成型的工艺过程。2.注浆成成型–（触变性：指泥浆在外力作用下，流动性暂时增加，外力去除后具有缓慢可逆的性质）；3.压制成型第十一章干燥用加热蒸发的方法除去物料中部分水分的过程称为干燥（除自由水和部分吸附水）按坯体含水的结合特性分为三类：自由水、吸附水和化学结合水第十二章烧成将陶瓷坯体加热至高温，发生一系列物理化学反应，然后冷却至室温，坯体的矿物组成与显微结构发生显著变化，外形尺寸得以固定，强度得以提高，最终获得某种特定使用的陶瓷制品，这一工艺过程称为烧成第十三章特种陶瓷概述结构陶瓷：将具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷列为结构陶瓷功能陶瓷：将具有电、光、磁、化学和生物体特性，且具有相互转换功能的陶瓷特种陶瓷与传统陶瓷的主要区别区别点传统陶瓷特种陶瓷原料天然矿物原料人工精制合成原料（氧化物和非氧化物两大类）成型注浆、可塑成型为主压制、热压制、注射、轧膜、流延、等静压成型为主烧成温度一般在1350℃以下，燃料以煤、油、气为主结构陶瓷常需1600℃左右高温烧结，功能陶瓷需精确控制烧成温度，燃料以电、气、油为主性能以外观效果为主以内在质量为主，常呈现耐磨、耐腐蚀、耐高温等各种敏感特性加工一般不需加工常需切割、打孔、研磨和抛光用途炊、餐具、陈设品主要用于宇航、能源、冶金、交通、电子、家电等行业第十四章气硬性胶凝材料石灰消化：煅烧后的生石灰呈块状，使用时应将其变成粉末状，通常，可利用其与水发生反应时能自动松散的特性将其变成干的粉末CaO+H2O==Ca(OH)2+64.9kJ：反应可逆、反应放热、反应伴随外观体积增大。第十五章硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥孰料，0%~5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为硅酸盐水泥硅酸盐水泥的生产主要经过三个阶段：生料制备、孰料煅烧与水泥粉磨孰料的矿物组成：硅酸三钙、硅酸二钙、中间相、游离氧化钙和方镁石水泥与水的化学反应是造成砂浆和混凝土凝结和感化的根本原因孰料矿物的水化：1.硅酸三钙（C3S）的水化；2.硅酸二钙（C2S）的水化；3.铝酸三钙（C3A）的水化4.铁相固溶体的水化结构形成和发展期：放热速率很低，趋于稳定。随着各种水化产物的增多，填入原先由水所占据的空间，再逐渐连接，相互交织，发展成硬化的浆体结构体积变化：1.化学减缩；2.湿胀干缩；3.碳化收缩第八章配料计算及坯料制备1.由化学组成计算坯式例1：已知坯料的化学组成如下表（质量%）SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2O灼减合计67.0821.120.230.430.350.165.921.352.4499.08试计算坯式。⑴算各氧化物的摩尔数先换算成无灼减的百分含量，再将各氧化物的百分含量除以其摩尔质量，所得商即是。以SiO2为例。无灼减百分含量：67.08/(99.08-2.44)%=69.41氧化物摩尔数：69.41/(28.09+16×2)=1.1551依此计算出的各氧化物无灼减的百分含量和摩尔数的结果见下表：SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2O69.4121.850.23800.44490.36220.16566.1261.3971.15510.21430.00150.00560.00640.06500.0225⑵计算相对摩尔数以中性氧化物R2O3的摩尔数总和为基准，令其为1，计算各氧化物的相对摩尔数作为相应系数如：中性氧化物的摩尔数总和：0.2143+0.0015=0.2158SiO2的相对摩尔数：1.551/0.2158=5.353依此计算各氧化物的相对摩尔数结果是：SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2O5.3530.9930.0070.0260.0300.0180.3010.104⑶按碱性、中性、酸性氧化物的顺序排列出坯式0.301K2O0.104NaQ5.353SiO20.030CaO0.993Al2O30.007Fe2O30.018MgO0.026TiO22.已知坯式，求化学组成（质量%）例2：已知某压电瓷坯的坯式为：0.95PbO·0.05SrO·0.5ZrO2·0.5TiO2+重量%(0.5Cr2O3+0.3Fe2O3)，采用的原料及纯度如下表：名称铅丹碳酸锶二氧化锆二氧化钛三氧化二铁三氧化二铬分子式Pb3O4SrCO3ZrO2TiO2Fe2O3Cr2O3纯度%989799.59998.999试计算坯料配比。⑴根据摩尔数、摩尔质量计算每摩尔坯料中各氧化物的重量及总量。计算结果见下表PbOSrOZrO2TiO2摩尔数摩尔质量重量（g）0.95233.20212.040.05103.625.180.5123.2261.610.579.8839.951mol坯料重（g）318.78⑵计算扣除烧失后氧化物的百分含量Pb3O4：3PbO/Pb3O4=(3×223.2)/685.6=97.67%SrCO3：=SrO/SrCO3=103.62/147.62=70.19%⑶计算纯原料的百分含量Pb3O4：(212.04/318.78)/0.9767=68.11%+1.5%=69.61%(因在坯料烧结过程中PbO会挥发一点，为弥补损失，配料时需多加一点)SrCO3(5.18/318.78)/0.7019=2.31%ZrO261.61/318.78=19.33%TiO239.95/318.78=12.53%⑷计算实际原料用量（分）Pb3O4：69.61/0.98=71.03SrCO3：231/0.97=2.38ZrO2：19.33/0.995=19.43TiO2：12.53/0.99=12.66Fe2O3：0.3/0.989=0.3Cr2O3：0.5/0.99=0.5合计：106.3⑸由总量折算出各原料的百分含量。计算结果见下表：Pb3O4SrCO3ZrO2TiO2Fe2O3Cr2O3合计66.822.2418.2911.910.280.47100.1绪论传统上的无机非金属材料主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四种，其主要化学组成均为硅酸盐类第四章玻璃的结构与性质玻璃态的通性：各向同性、介稳性、无固定熔点、性质变化的连续性和可逆性玻璃态是非晶态固体的一种，习惯上称之为“过冷的液体”玻璃结构的假说：微晶学说、无规则网络学说如果在熔融石英玻璃中加入非金属氧化物（Na2O），就使原有的“大分子”发生解聚作用在碱硅二元玻璃中加入CaO，可使玻璃的结构和性质发生明显的改善根据无规则网络学说将氧化物分为：网络生成体氧化物，网络外体氧化物和中间体氧化物玻璃组成对热膨胀系数的影响主要有以下几个方面：1.能形成网络的氧化物使α降低，能引起断网氧化物使α上升2.R2O和RO主要起断网作用，积聚作用是次要的，而高电荷离子主要起积聚作用3.在玻璃中R2O问题不变情况下，引入两种不同的R+离子产生混合碱效应，同样能使α下降，出现极小值4.中间体氧化在有足够“游离氧”条件下，形成四面体参加网络，α降低第五章玻璃原料及料制备玻璃主要原料：1.引入SiO2的原料主要有硅砂和砂岩；2.引入Al2O3的原料主要有长石和高岭土3.引入Na2O的原料有纯碱、芒硝（Na2SO4）第六章玻璃的熔制及成型玻璃的熔制过程：1.硅酸盐形成阶段–多晶转变、盐类分解、生成低共熔混合物、形成复盐、生成硅酸盐、排出结晶水和吸附水2.玻璃液的形成3.玻璃液的澄清–排除可见气泡4.玻璃液的均化–化学均匀、热均匀5.玻璃液的冷却–玻璃的热均匀度和是否产生二次气泡影响玻璃的产量和质量第四章玻璃的退火与淬火玻璃中的应力：1.热应力–玻璃中由于存在温度差而产生的应力。又分为暂时应力和永久应力（同过退火可消除）2.结构应力；3.机械应力玻璃的退火：为了消除玻璃中的永久应力，必须将玻璃加热到低于玻璃转变温度Tg附近的某一温度进行保温均热，以消除玻璃各部分的温度梯度，使应力松弛。这个选定的温度，称为退火温度玻璃的淬火：是将玻璃制品加热到转变温度Tg以上50~60℃，然后在冷却介质中急速均匀冷却，在这一过程中玻璃的内层和表面将产生很大的温度梯度，由此引起的应力由于玻璃的粘滞流动而被松弛，所以造成了有温度梯度而无应力的状态。淬火使玻璃得到增强第七章陶瓷原料陶瓷原料按其来源可分为：天然原料和化工原料两大类1.粘土类原料–当其与水混合时，有很好的可塑性，在坯料中起塑化和粘合作用，赋予坯体以塑性变形或注浆能力，并保证干坯的强度及烧结制品的使用性能；是成型能够进行的基础，也是粘土质陶瓷成瓷的基础2.石英类原料；3.长石类原料第九章成型1.可塑成型–是指对具有一定可塑能力的泥料，如可塑坯料，进行加工成型的工艺过程。2.注浆成成型–（触变性：指泥浆在外力作用下，流动性暂时增加，外力去除后具有缓慢可逆的性质）；3.压制成型第十一章干燥用加热蒸发的方法除去物料中部分水分的过程称为干燥（除自由水和部分吸附水）按坯体含水的结合特性分为三类：自由水、吸附水和化学结合水第十二章烧成将陶瓷坯体加热至高温，发生一系列物理化学反应，然后冷却至室温，坯体的矿物组成与显微结构发生显著变化，外形尺寸得以固定，强度得以提高，最终获得某种特定使用的陶瓷制品，这一工艺过程称为烧成第十三章特种陶瓷概述结构陶瓷：将具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷列为结构陶瓷功能陶瓷：将具有电、光、磁、化学和生物体特性，且具有相互转换功能的陶瓷特种陶瓷与传统陶瓷的主要区别区别点传统陶瓷特种陶瓷原料天然矿物