無機非金屬材料工程概論

1、 第二篇無機非金屬材料工程基礎第三章無機非金屬材料工程概論本章內(nèi)容及要求本章共三節(jié)，教授課時2學時，通過本章學習，要掌握無機非金屬材料生產(chǎn)工藝過程的共性和特性。概述無機非金屬材料生產(chǎn)工藝過程的共性不同類型無機非金屬材料生產(chǎn)過程的特性重點是無機非金屬材料生產(chǎn)工藝過程的共性。要求：掌握無機非金屬材料生產(chǎn)工藝過程的共性；掌握幾種典型無機非金屬材料生產(chǎn)工藝過程的特性；了解無機非金屬材料的分類和發(fā)展簡史。具體內(nèi)容第一節(jié)概述一、無機非金屬材料定義與分類無機非金屬材料(inorganicnonmetallicmaterials)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

2、鹽、硼酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽等物質(zhì)組成的材料。是除有機高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統(tǒng)稱。無機非金屬材料是20世紀40年代以后，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展從傳統(tǒng)的硅酸鹽材料演變而來的。與有機高分子材料和金屬材料并列的三大類型材料之一。在晶體結(jié)構(gòu)上，無機非金屬材料的元素結(jié)合力主要為離子鍵、共價鍵或離子共價混合鍵。這些化學鍵所特有的高鍵能、高鍵強度賦于這一大類材料以高熔點、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強度和良好的抗氧化性等基本屬性，以及寬廣的導電性、隔熱性、透光性及良好的鐵電性、鐵磁性和壓電性。無機非金屬材料品種和名目極其繁多，用途各異，因此，分類方法較多，但還沒有一個統(tǒng)一而完善的分類方法?？梢园礋o

3、機非金屬材料所含化學成分和礦物組成分類、按材料性能（功能）分類、按材料用途分類、按材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝特點分類等，通常把它們分為普通的（傳統(tǒng)的）和先進的（新型的）無機非金屬材料兩大類。傳統(tǒng)的無機非金屬材料是工業(yè)和基本建設所必需的基礎材料。如水泥是一種重要的建筑材料，耐火材料與高溫技術(shù)與冶金鋼鐵工業(yè)的發(fā)展關系密切，各種規(guī)格的平板玻璃、儀器玻璃和普通的光學玻璃以及日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和電瓷等與我們的生活密切相關，它們產(chǎn)量大，用途廣。其他產(chǎn)品，如搪瓷、磨料（碳化硅、氧化鋁）、鑄石（輝綠巖、玄武巖等）、碳素材料等也都屬于傳統(tǒng)的無機非金屬材料。新型無機非金屬材料是指20世紀中期以后發(fā)

4、展起來的、具有特殊性能和用途的無機非金屬材料。它們是現(xiàn)代新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造、現(xiàn)代國防和生物醫(yī)學所不可缺少的物質(zhì)基礎。主要有先進陶瓷6丫2腔?ceramics）、非晶態(tài)材料（noncrystalmaterial）、人工晶體（artificialcrystal）、無機涂層（inorganiccoating）、無機纖維（inorganicfibre）和功能礦物材料（nonmetallicmaterials）等。二、無機非金屬材料發(fā)展簡史傳統(tǒng)的硅酸鹽材料一般是指以天然的硅酸鹽礦物（粘土、石英、長石等）為主要原料，經(jīng)粉磨、混合、成型及高溫窖燒制而成的一大類材料，故又稱窯業(yè)材料，包括日用陶瓷

5、、一般工業(yè)用陶瓷、普通玻璃、水泥、耐火材料等。這類材料具有非常悠久的歷史。從遠古舊石器時代的石器工具，原始部落所制作的粗陶器，中國商代開始出現(xiàn)的原始瓷器和上釉的彩陶，東漢時期的青瓷，經(jīng)過唐、宋、元、明、清不斷發(fā)展，已達到相當高的技術(shù)和水平，并成為中華民族的瑰寶。與此并行發(fā)展的耐火材料（粘土質(zhì)和硅質(zhì)材料），從青銅器時代、鐵器時代到近代鋼鐵工業(yè)的興起，都起過關鍵的作用。距今五六千年前的古埃及文物中即發(fā)現(xiàn)有綠色玻璃珠飾品，中國白色玻璃珠亦有近3000年的歷史。17世紀以來，由于用工業(yè)純堿代替天然草木灰與硅石、石灰石等礦物原料生產(chǎn)鈉鈣硅酸鹽玻璃，各種日用玻璃和技術(shù)玻璃迅速進入普通家庭、建筑物和工業(yè)領域

6、。在距今五六千年的史前和古代建筑中已大量使用石灰和石膏等氣硬性膠凝材料，公元初期有了水硬性石灰和火山灰膠凝材料。但是用人工方法合成硅酸鹽水泥制品還只有100多年的歷史。19世紀初，英國人J.阿斯普T（Aspdin）發(fā)明用硅酸鹽礦物和石灰原料經(jīng)高溫煅燒制成波特蘭水泥（portlamdcement）（又稱硅酸鹽水泥），從而開始了高強度水硬性膠凝材料的新紀元。上述陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均為硅酸鹽，因而長期以來，在學術(shù)界和工業(yè)生產(chǎn)部門中將其稱為硅酸鹽材料。20世紀中期以后，隨著微電子、航天、能源、計算機、激光、通信、光電子、傳感、紅外、生物醫(yī)學和環(huán)境保護等新技術(shù)的興起，對材料提出了愈來

7、愈高的要求，促進了性能更為優(yōu)良以及有特殊功能的新型陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥、涂層、磨料等制品的飛速發(fā)展。它們在化學組成上遠遠超出了硅酸鹽化合物的范圍，而是擴展到了其他氧化物、氮化物、硼化物、碳化物硫系化合物和鈦酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽等以至幾乎一切無機化合物。已有相當一些在其組成中完全不含氧化硅的產(chǎn)品，如剛玉瓷、鎂質(zhì)耐火材料、磷酸鹽和硼酸鹽光學玻璃等，已形成大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)并廣泛使用。在不少制品（如氧化鋯陶瓷）的組成中，氧化硅反倒成為最有害的雜質(zhì)而必須嚴格禁止。這樣在用硅酸鹽材料來概括這些材料已顯得過時，因此無機非金屬材料這一名稱在學術(shù)界逐漸形成并獲得使用。在國際上因陶瓷歷史最悠久，且應用廣泛，

8、故常沿用廣義的陶瓷來表示無機非金屬材料。三、無機非金屬材料的地位和作用無機非金屬材料是國家建設和人民生活中不可缺少的重要物質(zhì)基礎。人類發(fā)展的歷史證明：材料是社會進步的物質(zhì)基礎和先導，是人類進步的里程碑?？v觀人類利用材料的歷史，可以清楚的看到，每一種重要材料的發(fā)現(xiàn)和利用，都會把人類支配和改造自然的能力提高到一個水平，給社會生產(chǎn)力和人類生活帶來巨大的變化，把人類物質(zhì)文明和精神文明向前推進一步。例如，半導體材料的出現(xiàn)，對電子工業(yè)的發(fā)展具有巨大的推動作用。計算機小型化和功能的提高，與鍺、硅等半導體材料密切相關。鋼鐵冶煉發(fā)展過程中的每一次重大演變都有賴與耐火材料新品種的開發(fā)，堿性空氣轉(zhuǎn)爐成功的關鍵之一是

9、由于開發(fā)了白云石耐火材料；平爐成功的一個重要因素是生產(chǎn)了具有高荷重軟化溫度的硅磚；耐急冷急熱的鎂鉻磚的發(fā)明促進了全堿性平爐的發(fā)展。近年來，鋼鐵冶煉新技術(shù)，如大型高爐高風溫熱風爐、復吹氧氣轉(zhuǎn)爐、鐵水預處理和爐外精煉、連續(xù)鑄鋼等，都無例外的有賴于優(yōu)質(zhì)高效耐火材料的開發(fā)。玻璃瓶罐、器皿、保溫瓶、工藝美術(shù)品等，已成為人們生活用品的一部分。窗玻璃、平板玻璃、空心玻璃磚、飾面板和隔聲、隔熱的泡沫玻璃，在現(xiàn)代建筑中得到了普遍的采用；鋼化玻璃、磨光玻璃、夾層玻璃、高質(zhì)量的平板玻璃，裝配著各種運輸工具的風擋和門窗；各種顏色信號玻璃在海、陸、空交通中起著“指揮員”的作用；電真空玻璃和照明玻璃，充分利用了玻璃的氣密

10、、透明、絕緣、易于密封和容易抽真空等特性，是制造電子管、電視機、電燈等不可取代的材料；光學玻璃用于制造光學儀器的核心部件，廣泛的應用于科研、國防、工業(yè)生產(chǎn)、測量等各方面；顯微鏡、望遠鏡、照相機、光譜儀和各種復雜的光學儀器，大大的改變了科學研究的條件和方法；玻璃化學儀器、溫度計、是化學、生物學、醫(yī)學、物理學工作者必備的實驗用具；玻璃大型設備及管道，是化學工業(yè)上耐蝕、耐溫的優(yōu)良器材；光導纖維的出現(xiàn)，改變了整個通信體系，使“信息高速公路”的設想成為現(xiàn)實；玻璃纖維、玻璃棉及其紡織品，是電器絕緣、化工過濾和隔聲、隔熱、耐蝕的優(yōu)良材料，它們與各種樹脂制成的玻璃鋼，質(zhì)量輕、強度高、耐蝕、耐熱，用以制造絕緣器

11、件和各種殼體。新型結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷由于其高溫下的高強度、高硬度、抗氧化、耐磨損、耐燒蝕等特性，為先進的耐熱、耐磨部件的應用開劈了良好的前景。超導陶瓷的出先成為現(xiàn)代物理學和材料科學的重大突破。生物陶瓷由于其優(yōu)良的相容性和生物活性等特殊性能，已廣泛停應用于生物醫(yī)學工程中，人工晶體、無機涂層、無機纖維、納米陶瓷等先進材料已逐漸成為近代尖端科學技術(shù)的重要組成部分。無機非金屬材料工業(yè)在國民經(jīng)濟中占有重要的先行地位，具有超前特性，其發(fā)展速度通常高于國民經(jīng)濟總的發(fā)展速度。以水泥為例，50年代到60年代，水泥增長的先行彈性系數(shù)(水泥產(chǎn)值遞增率/國民生產(chǎn)總值遞增率)是：美國1.60；前蘇聯(lián)：1.481.74；

12、日本：1.382.02；聯(lián)邦德國：1.181.38；法國：1.171.27。在“一五”期間，我國以水泥、玻璃、陶瓷為主的傳統(tǒng)無機非金屬材料工業(yè)先行彈性系數(shù)為1.91。從1980年到1995年我國國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值基本上翻了兩翻，但水泥的總產(chǎn)量卻從1980年的7986萬噸增加到了1995年的44560萬噸，增加了5.58倍?？梢哉f無機非金屬材料工業(yè)是整個國民經(jīng)濟興衰的“晴雨表”，與人類的文明生活和國民經(jīng)濟的發(fā)展息息相關。四、無機非金屬材料工業(yè)進展簡史隨著人類文明和科學技術(shù)的飛速發(fā)展，無機非金屬材料工業(yè)產(chǎn)生了巨大的飛躍，取得了重大的進展。在第一次產(chǎn)業(yè)革命中問世的水泥工業(yè)，一個半世紀以來，工藝和設備不

13、斷改進，間歇式的土窯燒制水泥熟料成為歷史。以冶煉技術(shù)為突破口的第二次產(chǎn)業(yè)革命的興起，進一步推動了水泥生產(chǎn)設備的更新。1877年發(fā)明了用回轉(zhuǎn)窯(rotarykiln)燒制水泥熟料的新技術(shù)，從而導致了單筒冷卻機(rotarycooler)、立式磨以及單倉鋼球磨等新設備的問世，有效的提高了產(chǎn)量和質(zhì)量。到19世紀末與20世紀初，其它工業(yè)的發(fā)展帶動了水泥工藝技術(shù)和生產(chǎn)設備的不斷改造與更新。1910年立窯(shaftkiln)首次實現(xiàn)了機械化連續(xù)生產(chǎn)；1928年出現(xiàn)了較大幅度降低水泥熱耗、提高窯產(chǎn)量的立波爾窯(Lepolkiln)。特別是在第二次世界大戰(zhàn)后，以原子能、合成化工為標志的第三次產(chǎn)業(yè)革命引起了水

14、泥工業(yè)的深刻變化。50年代至60年代，懸浮預熱氣窯(dryprocesskilnwithsuspensionpreheater)的出現(xiàn)和電子計算機在水泥工業(yè)中的應用，使水泥熱耗大幅度降低，水泥制造設備也不斷更新?lián)Q代。特別是1971年日本引進聯(lián)邦德國的懸浮預熱器技術(shù)以后開發(fā)的水泥窯外分解技術(shù)(pricalciningtechnology),實現(xiàn)了水泥工業(yè)的重大突破，使干法生產(chǎn)的熟料質(zhì)量顯著提高，到70年代中期，先進的水泥廠通過電子計算機和自動化的控制儀表等設備，采用全廠集中控制、巡回檢查的方式，在生料、燒成車間以及包裝發(fā)運、礦山開采等環(huán)節(jié)分別實現(xiàn)了自動控制。近20年來，水泥生產(chǎn)規(guī)模進一步擴大，進

15、行干法生產(chǎn)取得了決定性的主導地位，生產(chǎn)效率顯著提高，單機能力達到了日產(chǎn)800010000噸熟料的水平，熟料熱耗(heatconsumptionofclinker)降低到3000kJ/kg熟料以下。同時由于新型粉磨技術(shù)的發(fā)展，使水泥生產(chǎn)電耗降低到100kw.h/t以下。止匕外，為配合干法生產(chǎn)的需要，在均化、環(huán)保、自動化以及余熱發(fā)電等技術(shù)的應用方面取得了新的成就，使水泥生產(chǎn)條件發(fā)生了顯著變化。我國是制造陶器最早的國家之一，也是發(fā)明瓷器最早的國家。遠在5000年前我國就建造了燒陶器的豎穴窯、橫穴窯。隨后又建造了升焰式圓窯和方窯。在2500年前的戰(zhàn)國時代，我國南方建造了燒陶瓷的傾斜式龍窯，北方建造了半

16、倒焰窯的饅頭窯。龍窯可以利用煙氣來預熱制品，又利用產(chǎn)品冷卻之熱來預熱空氣。龍窯和饅頭窯最高燒成溫度可達1300度并可控制還原氣氛。自宋代(距近約1000年)起山東淄博、陜西耀州等地，部分饅頭窯已用煤作燃料來焙燒瓷器。明代(距近約600年)在福建德化創(chuàng)建了階級窯，明末清初(距近約400年)在江西景德鎮(zhèn)創(chuàng)建了蛋形窯(簡稱景德鎮(zhèn)窯)，在這些窯中燒出了著名的中國瓷器。這些窯對西歐有很大的影響，英國的紐卡斯特爾窯(Newcastlekiln)及德國的卡塞勒窯(KasselerOfen)，就是仿照景德鎮(zhèn)窯設計的。半倒焰的饅頭窯是倒焰窯爐的前身，龍窯是隧道窯(tunnelkiln)的前身。機械化的隧道窯是1

17、899年才由法國的?；_(Faugeron)創(chuàng)建成功，用于燒成陶器，其后德國用于燒成瓷器，經(jīng)過逐漸改進發(fā)展成為現(xiàn)代化的隧道窯，并且正在向快速燒成和自動化方向發(fā)展。近代發(fā)展起來的輥道窯使建筑磚生產(chǎn)的熱效率顯著提高，窯內(nèi)溫度更加均勻，生產(chǎn)自動化水平進一步提高。機制平板玻璃自20世紀問世以來，有諸多的生產(chǎn)方法，如：有槽法、無槽法、平拉法、對輥法和格拉威伯爾法，總稱為傳統(tǒng)工藝。1957年，英國人匹爾金頓(Pilkington)發(fā)明了浮法工藝(PB法)，并獲得了專利權(quán)。匹爾金頓公司于1959年建廠，生產(chǎn)出質(zhì)量可與磨光玻璃相媲美的浮法玻璃，拉制速度數(shù)倍乃至十數(shù)倍于傳統(tǒng)工藝。1963年美國、日本等玻璃工業(yè)發(fā)

18、達的國家，爭先恐后的向英國購買PB法專利，紛紛建立了浮法玻璃生產(chǎn)線，在極短的時間內(nèi)浮法玻璃取代了昂貴的磨光玻璃，占領了市場，滿足了汽車制造工業(yè)的要求，使連續(xù)磨光玻璃生產(chǎn)線淘汰殆盡。隨著浮法玻璃生產(chǎn)成本降低，可生產(chǎn)品種的擴大（0.550mm厚度），又逐步取代了平板玻璃的傳統(tǒng)工藝，成為世界上生產(chǎn)平板玻璃最先進的工藝方法。隨著浮法工藝的發(fā)展，玻璃熔窯規(guī)模趨于大型化，目前平板玻璃熔要的日熔化能力已普遍采用400噸至700噸級，有的以達900噸級。浮法玻璃生產(chǎn)線生產(chǎn)管理的自動化程度也不斷地提高，許多浮法線不同程度的實現(xiàn)了以計算機和監(jiān)視裝置控制的自動化生產(chǎn)，有的實現(xiàn)了全部自動化?？傊瑹o機非金屬材料工業(yè)的

19、發(fā)展經(jīng)歷了漫長的歷史時期。生產(chǎn)工藝和設備已有手工操作發(fā)展為機械化程度高的自動控制；工人已從繁重和惡劣的勞動環(huán)境中解放出來，生產(chǎn)品種日益豐富，質(zhì)量不斷提高，正在進一步努力實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗；先進的、自動化程度高的生產(chǎn)工藝、設備及新技術(shù)的成功應用，大大減輕了無機非金屬工業(yè)對生態(tài)環(huán)境的污染?？梢灶A言，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，無機非金屬材料工業(yè)將不斷改善其環(huán)境協(xié)調(diào)性，并且利用其對工業(yè)廢棄物的巨大消化能力，成為環(huán)境保護中不可或缺的重要工業(yè)。未來科學技術(shù)，尤其是高技術(shù)的發(fā)展，對各種無機非金屬材料提出了更多、更高和更新的要求。先進陶瓷從原來的多相結(jié)構(gòu)到趨向于單相結(jié)構(gòu)，又趨向于更復雜的多相結(jié)構(gòu)；納米陶瓷的研究

20、正向縱深發(fā)展，有望得到性能更好的納米陶瓷制品；陶瓷強化與增韌的研究取得了明顯的成就。新發(fā)展的納米陶瓷的精細復合原理及其工藝的研究為人們所矚目，無機非金屬材料逐步向多功能和良好的環(huán)境協(xié)調(diào)性方向發(fā)展；兼具感知和驅(qū)動功能于一身的機敏陶瓷研究正在啟動。多功能和機敏無機涂層的研究具有極大的發(fā)展前景；生物陶瓷和仿生研究更將為人類自身造福。非晶態(tài)材料的制備逐步擺脫傳統(tǒng)工藝，向氧化物以外的化合物方向發(fā)展；溶膠凝膠法在不需要高溫的條件下制備玻璃技術(shù)正日益受到重視。這種工藝的應用對于平板玻璃表面進行處理加工，非晶功能薄膜傳感器元件的制造，以及各種非晶態(tài)涂層、多孔膜的制備都具有潛在的價值。采用新的工藝設備，高效的生

21、產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的傳統(tǒng)的玻璃產(chǎn)品，或?qū)λ鼈冏魃疃燃庸?、表面處理、施加變色涂層以求達到具有智能化的節(jié)能效果等，也是玻璃未來的發(fā)展目標。玻璃超導體、玻璃快離子和質(zhì)子導體、熱釋電微晶玻璃、非線形光學玻璃的進一步開發(fā)將成為玻璃研究的重要任務。仿生技術(shù)和材料復合新技術(shù)的不斷發(fā)展，使材料科學家正在試圖用新的眼光去尋覓水硬性膠凝材料的配方，以期開發(fā)出能替代鋼材和塑料的制品。而由水泥和超細材料以及一些高強纖維組成的高強膠凝材料即DSP材料的開發(fā)成功，使水泥基材料的韌性、拉伸強度和斷裂柔度提高到了一個嶄新的高度。DSP材料基本上可以很好的替代鑄石、橡膠和鋼材用作襯里材料，甚至已成功的用于生產(chǎn)工程零部件，如螺絲刀、水泥磨的

22、勺式喂料裝置和生產(chǎn)車床的沖壓模具等。而與此相類似的MDF水泥，由于其強度和剛度可與鋁合金媲美，且具有有機玻璃的韌性，因此可作為某些特殊領域的功能性材料。此外，采用堿激發(fā)方法生產(chǎn)的混合水泥，可大量利用工業(yè)廢渣，降低水泥成本和保護環(huán)境；活性貝利特水泥、CSA-貝利特水泥和阿利尼特水泥的研究成功，將大幅度降低水泥工業(yè)的能耗；磷酸鈣水泥的研究和開發(fā)有望用于生物硬組織的修補。總之，材料科學的發(fā)展前景是從宏觀到微觀，從定性研究進入定量描述，為新材料的探索和最大限度的使用現(xiàn)有材料提供科學依據(jù)。無機非金屬材料工程基礎的任務就是不斷利用材料及其他相鄰學科的發(fā)展成就，實現(xiàn)按使用性能要求來設計和制造材料的目標。如各

23、種精密測試分析技術(shù)的不斷發(fā)展，將有助于按預定性能來設計材料的組成和結(jié)構(gòu)形態(tài)。無機非金屬材料的跨學科發(fā)展，特別是與有機高分子材料的跨學科結(jié)合已日漸明顯。無機非金屬材料的制備正處于從經(jīng)驗積累向材料科學型轉(zhuǎn)變階段，必將從工藝學逐步向制備科學的方向發(fā)展。無機非金屬材料生產(chǎn)工藝也將向節(jié)能化、大型化、自動化和環(huán)境協(xié)調(diào)化方向迅速邁進，同時將帶動原料預均化技術(shù)、粉料均化技術(shù)、高功能破碎、高效粉磨技術(shù)以及為之服務的自動化技術(shù)和環(huán)境保護技術(shù)的全面配套發(fā)展，一個嶄新的無機非金屬材料工業(yè)即將展現(xiàn)在人們的面前。第二節(jié)無機非金屬材料生產(chǎn)工藝過程的共性無機非金屬材料具有的特點：.耐高溫；.化學穩(wěn)定性高；.高強度、高硬度；.

24、電絕緣性好；.韌性差。材料工藝基礎的任務就是要研究如何選擇合適的原料，通過各種工藝過程、生產(chǎn)出符合各種要求的材料，并能達到低投入高產(chǎn)出。無機非金屬材料生產(chǎn)工藝過程共性：原料(12亞material)粉料的制備與運輸(preparationandtransferofpowder)高溫加熱(熱處理)(heattreatment)成形(formation干燥丫漉)一、原料的種類與選擇無機非金屬材料的大宗產(chǎn)品，如水泥、玻璃、磚瓦、陶瓷、耐火材料的原料大多來自儲量豐富的非金屬礦物，如石英砂(SiO2)、粘土(Al2O3-2SiO2-2H2O)、長石(K2OAl2O36SiO2)、鋁釩土(Al2O3-nH

25、2O)、石灰石(CaCO3)、白云石(CaCO3MgCO3)、硅灰石(CaOSiO2)、硅線石(Al2O3SiO2)、石膏、碳酸鈣等。據(jù)統(tǒng)計，氧、硅、鋁三者的總量占地殼中元素總量的90%。其中除天然砂和軟質(zhì)粘土外都是比較堅硬的巖石。近年來，人工合成原料在無機非金屬新材料中的應用越來越廣泛。二、粉料的制備與運輸粉體顆粒的大小、形狀及其均勻性往往直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，也決定了采用設備的性質(zhì)。因原料大多來自天然的礦物與巖石，要使其重新化合、造型，必須對原料進行加工處理。原料的加工分為初加工和深加工兩種方法，而粉體材料的制備則是原料加工的第一個工藝過程。只有制備出了合格的粉體材料，再利用粉料配料，

26、然后才能進行各種熱處理或成型。粉體顆粒的大小、級配、形狀及其均勻性往往直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，也決定了采用設備的性質(zhì)，隨著機械化和自動化水平的提高，對產(chǎn)品質(zhì)量要求和原料的均勻性要求愈來愈高。而天然礦物原料往往均勻性差，當前水泥工業(yè)采取種種措施進行原料的均化，陶瓷工業(yè)則成立了許多原料公司，通過對原料進行加工，成分檢驗、摻和，提供標準化、系列化的粉料。因此，粉體的制備和運輸在無機非金屬材料的生產(chǎn)過程中占有重要的地位。在粉體的制備和運輸過程中容易產(chǎn)生粉塵和噪音污染，如何防治也是無機非金屬材料工業(yè)著重要解決的問題。近代發(fā)展起來的特種陶瓷和玻璃要求很高的原料純度，因此大多采用化工原料來人工合成粉體，因

27、而成長出一個新的學科分支粉體的合成。由于其需要很高的投入，增加了粉體的成本，所以，只用于少數(shù)高性能的功能材料中。原料的深加工方法種類繁多，其技術(shù)含量高，深加工后的產(chǎn)品附加值也大幅度地得以提高。三、高溫加熱（熱處理）用于無機非金屬材料固化作用的結(jié)合劑種類繁多，分有機結(jié)合劑、無機結(jié)合劑和復合結(jié)合劑三類，其作用方式和固化機理也不盡相同。加熱是整個生產(chǎn)的核心過程,用耐火材料砌筑的窯爐中進行。不同產(chǎn)品的加熱方式和目的有所不同：如水泥的鍛燒是使石灰石和粘土反應，合成硅酸鈣類水泥礦物；玻璃加熱是為了獲得無氣泡結(jié)石的均一熔體；陶瓷燒結(jié)是讓粘土分解、長石熔化,和其他組分生成新礦物和液相，最后形成堅硬的燒結(jié)體。加

28、熱過程中遵循的基本原理相同：熱的傳遞；氣體的流動；物質(zhì)的傳遞；熔體、氣體對爐體的侵蝕；氣氛的影響等。無機非金屬材料固化工藝可分為用結(jié)合劑固化、高溫燒結(jié)固化兩種方式。由于無機非金屬材料工業(yè)所用原料的穩(wěn)定性和耐高溫性，要使它們相互反應生成新的高度穩(wěn)定的物質(zhì)或使其形成熔融體，必須要在較高的溫度下進行（一般都在1000以上），因此大部分無機非金屬材料生產(chǎn)都有加熱過程，而且是整個生產(chǎn)的核心過程，一般都在用耐火材料砌筑的窯爐中進行。盡管不同產(chǎn)品的加熱方式和目的有所不同：如石灰石（CaCO3）的煅燒是為了使其分解，得到活性的CaO；水泥的煅燒是使石灰石和粘土等反應，合成硅酸鈣類水泥礦物；玻璃工業(yè)中的加熱是為

29、了獲得無氣泡結(jié)石的均一熔體，而晶化又是為了使熔體變成晶體；陶瓷的燒結(jié)是讓粘土分解、長石熔化；然后和其他組分生成新礦物和液相，最后形成堅硬的燒結(jié)體。但是加熱過程中所遵循的基本原理是相同的：如熱的傳遞，氣體的流動，物質(zhì)的傳遞，熔體、氣體對爐體的侵蝕，氣氛的影響等等。在此過程中，加熱所需的熱量通常來自燃料的燃燒，因此燃料的品種、質(zhì)量、燃燒的條件直接影響溫度、溫度的均勻性以及燃料的消耗。能否合理的組織燃料燃燒是決定質(zhì)量、產(chǎn)量和成本的主要因素。水泥生產(chǎn)中的燃料灰分還直接進入產(chǎn)品中，所以其組成對產(chǎn)品的性能有直接影響。此外，燃料燃燒產(chǎn)生廢氣和煙塵對環(huán)境將產(chǎn)生較大的污染，也應給予充分的重視。四、無機非金屬材料

30、成型由粉體變成產(chǎn)品都有一個成型過程。盡管成型的方法很多，所基于的原理各不相同，但其任務是相同的，都是要使粉體又快又好的形成某種形狀，使其具有高強度和尺寸準確的制品。盡管水泥生產(chǎn)只有兩磨一燒，沒有成型工序，但水泥要真正投入使用，也一定要經(jīng)過成型。水泥只是個中間膠凝材料，使用時要加上水和其他一些材料澆注成堤壩、管道、梁柱、預制板或作為防水涂層、砌筑膠泥涂抹于其他制品的表面。其成型的機理是水泥的水化，生成各種水化產(chǎn)物而變成堅硬的水泥石。因此，水泥生產(chǎn)中配方、煅燒、粉磨、產(chǎn)品檢驗都要充分考慮今后成型的需要。五、干燥工藝過程由于有些天然原料如粘土、砂等常含有水分而不好加工，需要烘干。有時為了粉碎、均化、

31、混合又常常要往原料中加水制成漿體，各種漿體都要脫水烘干。有些成型方法要在粉料中加水方能完成(如陶瓷中的可塑成型和注漿成型)，成型后的制品必須經(jīng)過干燥脫水，才能進入燒成階段。雖然干燥的對象和水分高低不一定相同。但都是要從物料和制品中除去水，所以就有共同的作用原理，如熱量的傳遞，水分的蒸發(fā)，加熱的方式、空氣的溫度和流速對水分蒸發(fā)的影響，干燥過程中坯體的收縮等。第三節(jié)不同類型無機非金屬材料生產(chǎn)工藝過程的特性無機非金屬材料的生產(chǎn)過程具有許多共同點，但是由于無機非金屬材料品種多，門類雜，因此生產(chǎn)工藝過程往往是五花八門，同一生產(chǎn)過程中的作用機理也往往不同，所采用的設備差別很大，要求也不同，在加上近年又發(fā)展

32、了很多新品種和新工藝，使本來就復雜的生產(chǎn)工藝更加復雜。為了分析其不同點，可以將復雜的工藝過程分解為幾個簡單生產(chǎn)過程的組合。如將粉體的制備過程以P(Powder)來表示，熱處理過程用H(Heating)來表示，成型以F(Formation)來表示，則生產(chǎn)工藝過程可以有P-H-P,H-P-F,P-H-F,P-F-H等組合，現(xiàn)簡述如下。一、膠凝材料生產(chǎn)工藝特征這類產(chǎn)品首先要經(jīng)過熱處理合成能水化的礦物，如水泥礦物(3CaO-SiO2、2CaOSiO2等)，然后磨成細粉，最后成型。因此，它的生產(chǎn)過程組合應期-P-F。而水泥是由各種原料粉磨配料而來的，所以也可將此類過程寫成P-H-P-F，就水泥粉的制備而

33、言也可寫成P-H-P。石灰是由石灰石煅燒而來，石灰石的煅燒一般在豎窯中進行。為了便于煅燒，一般選用石灰石大塊，所以沒有預先粉磨過程。天然石膏的化學分子式為CaSO42H2Oo要使其變成半水石膏，只要用炒鍋在100200下進行炒制即可，故原料開始要磨細。但炒后維持粉末狀，不用再粉磨。碳化硅(SiC)磨料的生產(chǎn)和水泥粉生產(chǎn)過程很相似，是將石英砂與石油焦碳粉經(jīng)混合在電阻爐中加熱至2500以上，由固相、氣固相反應生成碳化硅，放出CO，然后將大塊的SiC晶體破粉碎，并經(jīng)分級處理，制成各種細度的磨料。二、玻璃、玻璃纖維、鑄石、人工晶體材料生產(chǎn)工藝特征玻璃由于它的透明性、整體性和化學穩(wěn)定性，大都被用做建筑、

34、各種交通工具的采光材料和各種密封容器，它是利用硅酸鹽高粘度的熔融體急冷而成。它要先將各種原料粉碎成粉體，經(jīng)配料、熔化、最后冷卻固化而成型。因此它是屬P-H-F系列。如果將熔融體直接拉成絲，可制得各種玻璃纖維。由于玻璃纖維的高強度、高絕緣性和優(yōu)良的保溫性能，使它成為一個獨立的工業(yè)分支，而特種的光導玻璃纖維則是近代光通信的基礎。玻璃作為采光材料，日用器件、美術(shù)品，化學儀器和各種特殊容器，還有一個很重要的工序是后加工，分熱加工和冷加工兩大類。熱加工主要有熱應力鋼化，夾層、燈工、熱噴涂、烤花等等。冷加工包括碾磨拋光、雕刻、噴花、蝕刻、制鏡等等。如果將熔融體冷卻到一定的溫度，或?qū)⒉ＡK重新加熱到一定溫度

35、，使其晶化，則能形成微晶玻璃和各種多晶體、單晶體。這些材料具有比玻璃更優(yōu)秀的品質(zhì)，如微晶玻璃的高強度、高韌性、熔注耐火材料的高致密度和優(yōu)良的抗高溫侵蝕性能，人造寶石的高硬度和優(yōu)良的光學性能，鑄石(caststone)的高耐磨性等等。鑄石是由輝綠巖、玄武巖，高爐渣等熔融、澆注成形、再晶化而成。有些人工晶體，如人造氟云母、鋰云母、多晶CaF2等都是先制成熔體，然后形成晶體，因此這類材料的特點是在玻璃工藝的基礎上再加一晶化過程，可寫成P-H-F-H。三、陶瓷、耐火材料生產(chǎn)工藝特征磚瓦、陶器工業(yè)是最古老的工業(yè)，它是利用天然微細礦物粘土的可塑性、易燒結(jié)性，經(jīng)各種成型方法制成坯體，再經(jīng)高溫燒成。此類產(chǎn)品的

36、工藝過程的組合應為(P-F-H)。這里的熱處理過程稱燒成或燒結(jié)，它是通過粉體間的固相反應，或形成液相產(chǎn)生固液反應、氣固反應，使粉體間產(chǎn)生牢固的連接而具有強度。它不要求完全合成某種礦物，主要是通過各種反應把原來的粉末燒結(jié)在一起，所以制品常有各種原料的殘余相，有反應物、析出物，有固相、液相、氣相，是一個結(jié)構(gòu)復雜的燒結(jié)體。根據(jù)燒結(jié)體致密度的不同，可分陶器、半瓷器（炻器）、瓷器等。為了防滲漏，易于清洗、美化制品、陶瓷表面常上一層釉稱施釉工序，釉坯的匹配、施釉技術(shù)的好壞對產(chǎn)品質(zhì)量影響很大，釉可以施在坯上一次燒成，也可以施在一燒好的素坯上、二次燒成。這層釉實際上是玻璃體，所以這類陶瓷可以說是燒結(jié)體和玻璃體

37、所組成的復合材料。搪瓷“也?0耶ename）和各種涂層技術(shù)與陶瓷的上釉很類似，只是它們是將無機非金屬材料的釉層施在金屬基體上，是無機非金屬材料和金屬和復合。耐火材料的工藝過程和陶瓷基本上沒有什差別，主要是化學成分的不同。它大多是由耐溫很高的晶相組成，如A12O3、莫來石、死燒MgO等，只有很少一點液相起粘接作用。耐高溫的耐火材料甚至完全沒有液相，而是由固相燒結(jié)而成，如由剛玉磚、重結(jié)晶SiC，或反應燒結(jié)Si3N4、Si3N4結(jié)合SiC等。二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展起來的特種陶瓷，它們用量不大，但對性能的要求很高，特別強調(diào)某種功能。如裝置瓷、組成電路的基片要求高的電絕緣性，高溫結(jié)構(gòu)陶瓷的高強度、高韌性和耐

38、高溫性，磁性瓷的高導磁率和其它一些磁性參數(shù)，鐵電、壓電和半導體陶瓷則必須滿足各種敏感參量和電參量之間的穩(wěn)定關系。因此，雖然它們的生產(chǎn)工藝過程和普通陶瓷基本相同，但在原料的制備、成型方法和燒成手段上引進了很多新內(nèi)容，除所用原料大多是人工合成的純度很高的化工產(chǎn)品外，還要根據(jù)性能的要求進行嚴格的配料。另外，這些原料大多是瘠性料，自身難以成型，往往要加各種有機粘結(jié)劑使其成型，如熱壓注法、軋膜法、噴射法、冷等靜壓法。最后還應用了很多新的燒結(jié)方法，如反應燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)等等。近代發(fā)展起來的磨具和碳素工業(yè)，其生產(chǎn)工藝過程與陶瓷很接近，只是它們所用的原料不同。陶瓷磨具是將不同顆粒度的磨料和陶瓷原料混煉在一起，經(jīng)成型后燒成不同形狀和尺寸的陶瓷結(jié)合磨具。碳素材料是很重要的電極材料和各種電工元件，也是一種重要的耐火材料。它是利用各種碳素原料（天然石墨或碳粉石墨化而來）加有機膠結(jié)物（如瀝青、樹脂等）膠結(jié)成型、然后經(jīng)被焙燒而成。四、幾種典型的無機非金屬材料生產(chǎn)工藝流程1水泥生產(chǎn)工藝流程水泥的生產(chǎn)工藝流程按生料制備方法的不同可分為干法與濕法兩大類。原料經(jīng)烘干、粉碎制成生料粉，然后喂入窯內(nèi)煅燒成熟料的方法稱為干法；將生料粉加入適量的水分制成生料球，再喂入立窯或立波爾窯內(nèi)煅燒成熟料的方法一般稱為半干法，亦可歸入干法。將原料加水粉磨成生料漿，再喂入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒成熟料的方法亦稱為濕法。