第4章 無機非金屬材料

1、第第4章無機非金屬材料章無機非金屬材料4.1無機非金屬材料概述4.2陶瓷4.3玻璃4.4水泥4.1無機非金屬材料概述無機非金屬材料概述無機非金屬材料是除了有機高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統(tǒng)稱，是與有機高分子材料和金屬材料并列的三大材料之一，是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質(zhì)組成的材料。它主要有陶器、瓷器、磚、瓦、玻璃、搪瓷、水泥、混凝土、耐火材料和天然礦物材料等傳統(tǒng)材料，以及氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、復合陶瓷、微晶玻璃、光纖玻璃、MDF水泥和纖維混凝土等新型材料。4.2陶瓷陶瓷4.2.1陶瓷的定義及分類4.2.2陶瓷的制備工

2、藝4.2.3陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能4.2.4普通陶瓷4.2.5特種陶瓷4.2.1陶瓷的定義及分類陶瓷的定義及分類傳統(tǒng)上，陶瓷是指以粘土和其他天然礦物為原料，經(jīng)過粉碎、成型、焙燒等工藝過程所制得的各種制品，是陶器、炻器、瓷器等粘土制品的統(tǒng)稱，亦即普通陶瓷。組成可分為硅酸鹽陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷；按用途可分為傳統(tǒng)陶瓷(普通陶瓷)和新型陶瓷(特種陶瓷)；按基本物理性能特征可分為陶器和瓷器。4.2.2陶瓷的制備工藝陶瓷的制備工藝1.原料制備2.坯料成型3.制品燒成或燒結(jié)1.原料制備原料制備(1) 天然原料天然礦物原料通?？煞譃榭伤苄栽?、瘠性原料、助熔原料三大類。(2)合成原料陶瓷在發(fā)展過程中對原料

3、的要求越來越高，有時希望采用均一純凈的原料，而且大多數(shù)特種陶瓷所用的原料自然界幾乎沒有或完全沒有，此時只能用人工合成的方法來制備所需的原料。3.制品燒成或燒結(jié)制品燒成或燒結(jié)(1) 低溫階段(室溫300)坯體中的殘余水分排出，大氣孔形成。(2) 中溫階段(300950)粘土等礦物中的結(jié)構(gòu)水排出，有機物、炭素和無機物等氧化，碳酸鹽、硫化物等分解，石英由低溫型晶型轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷匦途汀?3) 高溫階段(950燒成溫度)氧化分解反應繼續(xù)進行，長石-石英-高嶺石三元共熔體、長石-石英、長石-高嶺石共熔體、(4) 冷卻階段(燒成溫度室溫)主要是原長石部位析出或長大成粗大針狀二次莫來石晶體，但數(shù)量不多；液相則因

4、粘度增大，質(zhì)點來不及調(diào)整為晶格結(jié)構(gòu)而轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)玻璃；殘留石英由高溫晶型向低溫晶型轉(zhuǎn)變。4.2.3陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能1.陶瓷的組織結(jié)構(gòu)2.陶瓷的性能1.陶瓷的組織結(jié)構(gòu)陶瓷的組織結(jié)構(gòu)(1) 晶相晶相是陶瓷的主要組成相，一般數(shù)量較大，對性能的影響也較大。(2) 玻璃相玻璃相是陶瓷材料中原子不規(guī)則排列的組成部分，其結(jié)構(gòu)如同玻璃。(3) 氣相氣相是指在陶瓷組織內(nèi)部殘留下來而未排除的氣體，通常以氣孔形式出現(xiàn)，其形成原因較復雜，幾乎與原料和生產(chǎn)工藝的各個階段都有密切關(guān)系，影響因素也較多。2.陶瓷的性能陶瓷的性能(1) 陶瓷的力學性能(2) 陶瓷的熱學性能(3) 其他性能4.2.4普通陶瓷普通

5、陶瓷1.陶器2.炻器3.瓷器1.陶器陶器(1) 磚瓦磚瓦是用天然原料在9501050溫度范圍內(nèi)直接燒制而成的，包括墻磚、屋瓦、墻面磚、下水管道、煙囪用磚和電纜保護筒用磚等許多制品。(2) 精陶精陶由高嶺石、燒成白色的粘土、石英和助熔劑制成，有時也加一些方石英。2.炻器炻器炻器是燒結(jié)程度介于陶器與瓷器之間的一種制品，坯體較致密，透光性差或不透光。炻器是用一種特殊的粘土，即炻器粘土制成的，其結(jié)構(gòu)中主要含莫來石、石英、方石英及玻璃相等。炻器上的典型釉是鹽釉，在制品燒好前，將鹽撒在窯中或噴入NaCl水溶液，鹽蒸氣在窯爐氣氛的協(xié)助下與陶瓷表面反應，冷卻后凝固為鹽釉。由于制造鹽釉時會造成環(huán)境污染，現(xiàn)在已逐

6、漸改用以低熔點的粘土(黃土)為主要成分的黃土釉。3.瓷器瓷器瓷器是致密燒結(jié)的堅硬坯體制品，其斷面細膩而有光澤，施釉或無釉的瓷器基本不吸水，具有很低的殘余開口氣孔率。生產(chǎn)瓷器的主要原料有高嶺土、長石和石英，用質(zhì)量分數(shù)表示。高嶺土的含量為40%以上，用以保證泥料的可塑性；長石含量為20%35%；石英含量為0%40%。也可添加一些其他成分，來改變制品的性能。按內(nèi)在質(zhì)量不同，瓷器可分為硬質(zhì)瓷和軟質(zhì)瓷。硬質(zhì)瓷具有較高的機械強度、良好的介電性能、高的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，釉面硬度高。4.2.5特種陶瓷特種陶瓷1.氧化物陶瓷2.非氧化物陶瓷1.氧化物陶瓷氧化物陶瓷(1) 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷是研究最成熟的氧

7、化物陶瓷材料中的一種，其主晶相是Al2O3，又稱為剛玉瓷或高溫鋁瓷。(2) 氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷主要用做耐火坩堝、爐子和反應器的絕熱材料及金屬表面的防護涂層，在機械工業(yè)中用做高強度高韌性材料等。(3) 氧化鈹陶瓷氧化鈹陶瓷材料的熱導率很高，和金屬相近，耐熱沖擊性能極好，其電導率很低，介電常數(shù)很高，特別是高溫下亦如此。(4) 氧化鎂陶瓷純MgO制品的使用范圍較窄，除了用做耐高溫材料外，也使用在電子工業(yè)中。(5) 氧化鈣陶瓷盡管CaO的熔點高達2600，原料供應也很豐富，甚至還有人認為它不是一種高溫陶瓷材料。2.非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷(1) 碳及石墨碳有兩種同質(zhì)異晶體，即金剛石和石墨。(2) 碳

8、化硅陶瓷碳化硅是最重要的非氧化物特種陶瓷。(3) 氮化硅陶瓷氮化硅有-Si3N4和-Si3N4兩種晶型，-Si3N4呈針狀結(jié)晶體，-Si3N4呈顆粒狀結(jié)晶體，均屬于六方晶系晶體。(4) 碳化硼陶瓷碳化硼是強共價鍵化合物，由于B-C之間有強共價鍵結(jié)合，因此，其硬度、強度較高，僅次于金剛石和立方氮化硼。(5) 氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷(又稱為白石墨)具有石墨類六方結(jié)構(gòu)，其硬度低，具有自潤滑性，化學穩(wěn)定性好，能抵抗許多金屬熔體和玻璃體的侵蝕，可作為介電體和耐火潤滑劑使用。4.3玻璃玻璃4.3.1玻璃的概念與分類4.3.2玻璃的形成4.3.3玻璃的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)4.3.4常見玻璃簡介4.3.1玻璃的概念與分類

9、玻璃的概念與分類1.玻璃的定義和通性2.玻璃的分類1.玻璃的定義和通性玻璃的定義和通性(1) 玻璃的定義玻璃的狹義定義為：熔融物在冷卻過程中不發(fā)生結(jié)晶的無機物質(zhì)。(2) 玻璃的通性傳統(tǒng)玻璃(如硅酸鹽玻璃、硼酸玻璃、磷酸鹽玻璃等)及一些非傳統(tǒng)玻璃(如重金屬氧化物玻璃、鹵化物玻璃、硫化物玻璃等)都是由玻璃原料經(jīng)加熱、熔融、冷卻而形成的非晶態(tài)固體。2.玻璃的分類玻璃的分類玻璃按組成分類有元素玻璃、氧化物玻璃和非氧化物玻璃三類。玻璃按用途分類是日常生活中普遍采用的一種分類方法，通常有建筑玻璃(包括平板玻璃、壓延玻璃、鋼化玻璃、夾層玻璃和中空玻璃等)、日用輕工玻璃(包括瓶罐玻璃、器皿玻璃和工藝美術(shù)玻璃等

10、)、儀器玻璃(包括高硅氧玻璃、高硼硅儀器玻璃、硼酸鹽中性玻璃和高鋁玻璃等)、光學玻璃(包括無色光學玻璃、有色光學玻璃、眼鏡玻璃和變色玻璃等)、電真空玻璃(包括石英玻璃、鎢光學玻璃、鉬光學玻璃以及中間玻璃、焊接玻璃等)。按性能分類的方法一般用于一些專門用途的玻璃，它們具有某一方面的特定性能。4.3.2玻璃的形成玻璃的形成1.形成玻璃的物質(zhì)2.形成玻璃的方法3.形成玻璃的條件1.形成玻璃的物質(zhì)形成玻璃的物質(zhì)研究證實，只要冷卻速度快到足以使熔體的無定形結(jié)構(gòu)狀態(tài)被繼承下來，就可以形成玻璃或非晶態(tài)材料；晶態(tài)固體借助于切應力或放射線照射也可形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。也就是說，為了獲得玻璃，可以有兩條途徑：一是將液體

11、或氣體的無序狀態(tài)在環(huán)境溫度下保存下來；二是破壞晶體的有序結(jié)構(gòu)，使之非晶化。因此，形成玻璃的物質(zhì)是非常廣泛的，可以認為幾乎所有物質(zhì)都可以借助特定的條件形成玻璃或非晶態(tài)材料。2.形成玻璃的方法形成玻璃的方法(1) 熔體冷卻法熔體冷卻法包括常規(guī)的熔體冷卻和極端驟冷兩種方法。(2) 氣相冷卻技術(shù)將一種或幾種組分在氣相中沉積到基體上也能得到非晶態(tài)固體。(3) 固態(tài)方法除了前面介紹的用熔體冷卻和氣相冷卻法獲得玻璃或非晶態(tài)物質(zhì)外，也可以通過固態(tài)方法從晶體得到非晶態(tài)固體，如輻照、沖擊波、機械及擴散方法等。(4) 溶膠-凝膠法有一系列通過溶液化學途徑合成無機玻璃的方法，溶膠-凝膠法就是其中之一。3.形成玻璃的條

12、件形成玻璃的條件(1) 熱力學條件從熱力學觀點來看，玻璃處于介穩(wěn)狀態(tài)，有轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定晶態(tài)的趨勢。(2) 動力學條件熔體玻璃化或結(jié)晶化是矛盾的兩個方面，凡是對熔體結(jié)晶作用不利的因素，恰恰是玻璃形成的有利因素。(3) 結(jié)晶化學條件1) 熔體中質(zhì)點的聚合程度。2) 鍵性。3) 鍵強。4.3.3玻璃的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)玻璃的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)1.玻璃的結(jié)構(gòu)2.玻璃的性質(zhì)1.玻璃的結(jié)構(gòu)玻璃的結(jié)構(gòu)(1) 晶子學說晶子學說由前蘇聯(lián)學者列別捷夫于1921年初創(chuàng)立。(2) 無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學說無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學說由查哈里阿森在1932年提出，以后逐步發(fā)展成為玻璃結(jié)構(gòu)理論的一種學派。2.玻璃的性質(zhì)玻璃的性質(zhì)(1) 玻璃的力學性質(zhì)玻璃以其抗壓強

13、度高、硬度高而得到廣泛應用，也因其抗張強度與抗折強度不高，而且脆性大而使其應用受到一定的限制。(2) 玻璃的熱學性質(zhì)熱學性質(zhì)包括熱膨脹系數(shù)、導熱性、比熱容及熱穩(wěn)定性等，其中以熱膨脹系數(shù)較為重要，它對玻璃的成型、退火、鋼化，玻璃與金屬、玻璃與玻璃、玻璃與陶瓷的封接，以及玻璃的熱穩(wěn)定性等都具有重要意義。(3) 玻璃的化學穩(wěn)定性玻璃抵抗氣體、水、酸、堿、鹽和各種化學試劑侵蝕的能力稱為化學穩(wěn)定性。4.3.4常見玻璃簡介常見玻璃簡介1.氧化物玻璃2.非氧化物玻璃3.微晶玻璃4.金屬玻璃1.氧化物玻璃氧化物玻璃(1) 硅酸鹽玻璃硅酸鹽玻璃是以SiO2為主要成分形成的玻璃。(2) 硼酸鹽玻璃純B2O3玻璃是

14、硼酸鹽玻璃中最簡單的一種。(3) 磷酸鹽玻璃純P2O5玻璃是磷酸鹽玻璃中最簡單的一種。2.非氧化物玻璃非氧化物玻璃(1) 硫?qū)倩衔锊Ａн@類玻璃是指以元素周期表第六主族的硫、硒、碲三元素為主要成分的玻璃。(2) 鹵化物玻璃這類玻璃通常是由金屬鹵化物(主要是氟化物)組成的，它的結(jié)構(gòu)特點是通過第七族元素的“橋聯(lián)”作用，把結(jié)構(gòu)單元連接成架狀、層狀或鏈狀結(jié)構(gòu)。表4-1金屬玻璃系統(tǒng)分類4.4水泥水泥4.4.1通用硅酸鹽水泥概述4.4.2硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝4.4.3硅酸鹽水泥的水化和硬化4.4.4硅酸鹽水泥的性能4.4.5其他品種的水泥4.4.1通用硅酸鹽水泥概述通用硅酸鹽水泥概述1.水泥的定義及分類2

15、.通用硅酸鹽水泥的品種及技術(shù)要求1.水泥的定義及分類水泥的定義及分類加水拌和成塑性漿體，能膠結(jié)砂、石、鋼筋等材料，既能在空氣中硬化又能在水中硬化的粉末狀水硬性膠凝材料，通稱為水泥。水泥的種類很多，如按照主要的水硬性礦物組成可分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥及鐵鋁酸鹽水泥等。其中，硅酸鹽水泥是應用最廣泛和研究最深入的一種。按水泥用途和性能可分為通用水泥、專用水泥和特性水泥。2.通用硅酸鹽水泥的品種及技術(shù)要求通用硅酸鹽水泥的品種及技術(shù)要求通用硅酸鹽水泥的定義為：以硅酸鹽水泥熟料和適量的石膏及規(guī)定的混合材料制成的水硬性膠凝材料。按混合材料的品種和摻量可分為硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽

16、水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復合硅酸鹽水泥。4.4.2硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝1.水泥的原料2.水泥的生產(chǎn)工藝1.水泥的原料水泥的原料(1) 硅酸鹽水泥熟料所用原料硅酸鹽水泥熟料的化學成分主要有氧化鈣(CaO)、氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)和氧化鐵(Fe2O3)，它們總的質(zhì)量分數(shù)在95%以上。(2) 石膏在生產(chǎn)硅酸鹽水泥時，要加入適量的石膏作為緩凝劑和激發(fā)劑，引入石膏的主要原料有天然石膏礦和工業(yè)副產(chǎn)品石膏。(3) 活性混合材料在水泥生產(chǎn)過程中，為了改善水泥性能、調(diào)節(jié)水泥強度等級而加到水泥中的礦物質(zhì)材料稱為水泥混合材料。(4) 非活性混合

17、材料非活性混合材料是指活性指標不符合標準要求的潛在水硬性或火山灰質(zhì)混合材料以及礦巖和石灰石等，它們是在水泥中主要起填充作用而又不損害水泥性能的礦物質(zhì)材料。2.水泥的生產(chǎn)工藝水泥的生產(chǎn)工藝(1) 生料制備生料的制備包括生料的配合、粉磨與均化，有干法和濕法兩種方法，所得生料分別稱為生料粉與生料漿。(2) 熟料煅燒熟料的煅燒是水泥生產(chǎn)的關(guān)鍵，它直接關(guān)系到水泥的產(chǎn)量、質(zhì)量、燃料與材料的消耗以及煅燒設(shè)備的安全運轉(zhuǎn)。(3) 水泥粉磨水泥粉磨的主要任務是將熟料、石膏和某些混合材料在磨機中磨成細粉，其在水泥生產(chǎn)過程中的重要性僅次于熟料煅燒。4.4.3硅酸鹽水泥的水化和硬化硅酸鹽水泥的水化和硬化1.硅酸鹽水泥熟

18、料的礦物結(jié)構(gòu)2.硅酸鹽水泥的水化反應過程3.水泥的凝結(jié)與硬化過程1.硅酸鹽水泥熟料的礦物結(jié)構(gòu)硅酸鹽水泥熟料的礦物結(jié)構(gòu)(1) 硅酸三鈣硅酸三鈣(C3S)是硅酸鹽水泥熟料中的主要礦物，其質(zhì)量分數(shù)通常在50%左右，對水泥的性能有著重要影響。(2) 硅酸二鈣硅酸二鈣也是硅酸鹽水泥熟料的重要組成部分，其質(zhì)量分數(shù)一般為20%左右，常含有少量的雜質(zhì)，如氧化鐵及氧化鈦等，稱為貝里特礦(簡稱B礦)。(3) 鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣鋁酸三鈣由許多AlO4四面體、CaO8十二面體和AlO6八面體組成，中間由配位數(shù)為12的Ca2+松散地連接，具有較大的空穴。(4)玻璃相玻璃相也是水泥熟料的一個重要組成部分，玻璃相的形成是由于熟料燒至熔融時，部分液相在冷卻過程中來不及析晶的結(jié)果。2.硅酸鹽水泥的水化反應過程硅酸鹽水泥的水化反應過程(1)水泥熟料礦物的水化(2) 硅酸鹽水泥的水化上面討論了硅酸鹽水泥熟料單礦物的水化作用。(3) 水泥的水化速率熟料礦物或水泥的水化速率常以單位時間內(nèi)的水化程度或水化深度來表示。3.水泥的凝結(jié)與硬化過程水泥的凝結(jié)與硬化過程(