無機材料工藝學緒論

無機材料工藝學cjh@2/27/20241課程簡介無機材料工藝學2/27/20242計劃學時：40學時課程的目的與任務：加強學生的基礎知識，拓寬知識面，全面系統(tǒng)地建立無機材料工藝知識體系，培養(yǎng)智能型與復合型人才。課程要求：具有扎實的基礎知識。全面系統(tǒng)地掌握無機材料的基本概念、基本理論、制備原理、生產(chǎn)過程的共性與個性及無機材料的基本性能。成績考核：N+2考核，其中N的內(nèi)容為：1.課堂測驗(1)2.課程階段測試(1)3.無機材料典型生產(chǎn)工藝調(diào)研報告(1)主要參考資料：《無機非金屬材料工藝學》王琦主編，中國建材工業(yè)出版社《無機材料工藝學》宋曉嵐、葉昌、余海湖，冶金工業(yè)出版社《水泥工藝學》沈威等編著，武漢工業(yè)大學出版社《玻璃工藝學》西北輕工業(yè)學院主編，中國輕工業(yè)出版社《陶瓷工藝學》華南工學院等合編2/27/202430緒論0.1材料及無機非金屬材料的定義與分類0.1.1材料的定義與分類

從廣義的角度，材料定義為能夠用以加工有用物質(zhì)的物質(zhì)。

材料分類

按性能、使用用途分類：

結構材料（受力，承載）功能材料（半導體，超導體，以及光、電、聲、磁、應力轉換等）

2/27/20244按化學組成和顯微結構特點分類：

材

料

大壩材

料

金屬材料無機非金屬材料有機高分子材料復合材料2/27/202450.1.2無機非金屬材料的定義與分類無機非金屬材料

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、硼酸鹽和非氧化物等物質(zhì)組成的材料，是除金屬材料和有機高分子材料以外的所有材料的統(tǒng)稱。無機非金屬材料陶瓷膠凝材料天然材料玻璃普通玻璃特種玻璃普通陶瓷特種陶瓷水硬性膠凝材料氣硬性膠凝材料2/27/202460.1.3無機非金屬材料的特性

在晶體結構上，無機非金屬材料組成元素之間的化學鍵主要為離子鍵或離子-共價混合鍵。與化學鍵為金屬鍵的金屬材料和共價鍵的有機高分子材料相比，無機非金屬材料有以下特征：

具有復雜的晶體結構

沒有自由電子

高熔點

高硬度

較好的耐化學腐蝕性

絕大多數(shù)是絕緣體

制成薄膜時大多是透明的

一般具有低導熱性

大多數(shù)情況下變形微小2/27/202470.1.4無機非金屬材料生產(chǎn)過程的共性與個性（1）原料

無機非金屬材料的生產(chǎn)以鋁硅酸鹽（粘土、長石等）原料、硅質(zhì)（石英砂等）原料、石灰質(zhì)原料、鋁質(zhì)原料等為主。

主要化學成分：CaO、SiO2、Al2O3、Na2O等。（2）原料的破碎

無機非金屬材料生產(chǎn)所用的主要原料，絕大多數(shù)是質(zhì)地堅硬的大塊狀物料，為了均化、烘干、配料等工藝過程的需要進行破碎。2/27/20248（3）粉體制備

粉體具有較高的比表面積，一定的形狀及一定范圍的顆粒級配，同時在粉體制備過程中，物料得到進一步均化，這些因素對產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量有著極為重要的影響。粉體制備主要應用于水泥和陶瓷生產(chǎn)過程。

（4）成型

無機非金屬材料產(chǎn)品由于使用、進一步加工等過程的需要，成型是生產(chǎn)的環(huán)節(jié)之一。陶瓷成型在熱加工之前；玻璃成型在熱加工之后；

水泥成型主要在使用時，如加工混凝土制品等。

2/27/20249（5）烘干

烘干是為了除去物料或坯體中一定量的自由水。

陶瓷成型后的坯體必須經(jīng)過干燥，才能進入燒成。

（6）高溫熱處理

無機非金屬材料工業(yè)所用原料具有很好的穩(wěn)定性和耐高溫性，它們互相反應生成新的物質(zhì)或使其形成熔融體，必須在較高的溫度下進行，因此大部分無機非金屬材料生產(chǎn)都需要高溫熱處理。高溫熱處理是整個生產(chǎn)過程中的核心。

水泥煅燒

陶瓷燒結

玻璃熔融2/27/2024100.2典型無機非金屬材料0.2.1膠凝材料膠凝材料定義

凡能在物理、化學作用下，從漿體變成堅固的石狀體，并能膠結其他物料而具有一定機械強度的物質(zhì)，統(tǒng)稱為膠凝材料，又稱膠結料。膠凝材料分類

按組成物質(zhì)分類

有機膠凝材料，如瀝青，各種樹脂等。

無機膠凝材料

水硬性膠凝材料

氣硬性膠凝材料

拌水后既能在空氣中硬化又能在水中硬化，如水泥。拌水后只能在空氣中硬化而不能在水中硬化，如石灰、石膏等。（1）膠凝材料的定義與分類

2/27/202411用石灰、石膏作為膠凝材料2/27/202412水泥的發(fā)明

19世紀初（1810~1824年），用人工配合粘土與石灰石經(jīng)煅燒、磨細以制造水硬性膠凝材料已經(jīng)開始組織生產(chǎn)。1824年，英國人阿斯普丁將粘土與石灰石配合燒制成塊（熟料），再經(jīng)磨細而成水硬性膠凝材料，加水拌和后能硬化制成人工石，并具有較高強度，其外觀與當時建筑上常用的英國波特蘭島上出產(chǎn)的巖石相似，故稱之為“波特蘭水泥”（PortlandCement)，并于1824年10月21日首先獲得該產(chǎn)品的專利權。2/27/202413（2）水泥的定義與分類

水泥的定義

凡細磨成粉末狀，加入適量水后成為塑性漿體，既能在空氣中硬化，又能在水中硬化，并能將砂、石等散粒或纖維材料牢固地膠結在一起的水硬性膠凝材料，統(tǒng)稱為水泥。水泥的分類

按用途和性能分類

通用水泥：一般土木建筑工程通常采用的水泥；專用水泥：專門用途的水泥。

特性水泥：某種性能比較突出的水泥。2/27/202414按組成分類：

硅酸鹽水泥系列

鋁酸鹽水泥系列

氟鋁酸鹽水泥系列

硫鋁酸鹽水泥系列

鐵鋁酸鹽水泥系列

其它:如

無熟料、少熟料水泥2/27/202415（3）水泥的基本特性

作為水硬性膠凝材料的水泥具有以下特性：

水泥漿具有良好的可塑性，與其它材料混合后的混和物可擁有

適宜的和易性。

較強的適應性。

較好的耐侵蝕、防輻射性能。

硬化后的水泥漿體具有較高的強度，且強度隨齡期的延長而逐

漸增長。

良好的耐久性。

通過改變水泥的組成，可適當調(diào)整水泥的質(zhì)量。

可與纖維、聚合物等多種有機、無機材料匹配。

制得各種水泥基復合材料，充分發(fā)揮材料潛能。2/27/2024160.2.2玻璃玻璃的定義

玻璃是由熔融物冷卻、硬化而得到的非晶態(tài)固體，其內(nèi)能和構形熵高于相應的晶體，從熔融態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)時有一定的轉變溫度Tg。玻璃結構為短程有序，長程無序。

玻璃的特性：

透明，堅硬，良好的耐蝕、耐熱、電學和光學性質(zhì)；通過調(diào)整化學組成，并結合各種工藝方法可大幅度調(diào)整玻璃的和物理化學性能；能夠用多種成型制成各種形狀和大小的制品；通過焊接和粉末燒結等加工方法制成形狀復雜、尺寸嚴格的器件。2/27/202417玻璃的通性

（1）各向同性

在任何方向上都具有相同的性質(zhì)。（2）介穩(wěn)性

玻璃態(tài)物質(zhì)比相應的晶態(tài)物質(zhì)含較大的內(nèi)能，它不是處于能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)，而是處于介穩(wěn)狀態(tài)。（3）無固定熔點

玻璃態(tài)物質(zhì)由固體轉變?yōu)橐后w是在一定溫度區(qū)域內(nèi)進行的。（4）固態(tài)和熔融態(tài)間轉化的漸變性和可逆性（圖0-2-1、圖0-2-2）（5）性質(zhì)隨成分變化的連續(xù)性和漸變性（圖0-2-3）2/27/202418圖0-2-3R2O-SiO2系統(tǒng)玻璃的彈性變化

1-Li2O；2-Na2O；3-K2O圖0-2-2不同冷卻速度下玻璃的比容與溫度的關系

圖0-2-1物質(zhì)內(nèi)能與體積隨溫度的變化

2/27/202419玻璃的分類

按組成分類元素玻璃氧化物玻璃非氧化物玻璃硫系玻璃硒玻璃鹵化物玻璃硫族化學物玻璃2/27/202420按用途分類

建筑玻璃日用輕工玻璃儀器玻璃光學玻璃電真空玻璃

玻璃還可以按性能分類，一般用于一些專門用途、具有某一方面的特定性能的玻璃。

如光學特性玻璃、熱學特性玻璃、耐高溫玻璃；導電玻璃、半導體玻璃、超導玻璃；力學方面的高強玻璃、耐磨玻璃；化學穩(wěn)定性方面的耐堿玻璃、耐酸玻璃等。2/27/2024210.2.3陶瓷陶瓷的定義

本書中所述陶瓷是指以無機非金屬天然礦物或化工產(chǎn)品為原料，經(jīng)原料處理、成型、干燥、燒成等工序制成的產(chǎn)品，是陶器和瓷器的總稱。

通常按吸水率劃分。陶瓷的分類

隨著生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展，陶瓷產(chǎn)品的種類也日益增多。按組成可分為硅酸鹽陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷；按性能可分為普通陶瓷、特種陶瓷；按用途可分為日用瓷、藝術瓷、建筑瓷、化工瓷等。2/27/202422陶瓷的基本特性與特點

陶瓷的顯微結構由結晶相、氣孔和玻璃相組成。陶瓷材料的離子鍵、共價鍵賦予該種材料許多優(yōu)良的性能：

較高的彈性模量

強度高，抗壓強度遠遠大于抗拉強度

耐磨性能良好

好的耐久性，如耐腐蝕、耐高溫、抗氧化

硬度高

優(yōu)良的電絕緣性能

此外陶瓷的脆性大，理論強度高，但實際強度較低，這是陶瓷性能改善的主要方面之一。2/27/2024230.3無機非金屬材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢陶瓷

玻璃

水泥2/27/202424陶瓷發(fā)展史瓷器與中國齊名(china)，可見瓷器與中國歷史發(fā)展關系密切?！短沾砂l(fā)展史》介紹各個歷史時期中國與世界陶瓷發(fā)展狀況。陶瓷發(fā)展對中國文化和世界文化發(fā)展做出了非凡的貢獻。宋代五大名陶瓷

官、哥、定、鈞、汝ThefourtypicalspecialistiesofJingDezhenporcelainAswhiteasjade/asbrightasamirror/asthinaspaper/asresonantaschime2/27/202425水泥發(fā)展簡史：（1）天然膠凝材料階段——4000——10000年前新石器——粘土＋稻草不抗水，抹徹簡易建筑物強度低（2）火發(fā)明——石灰、石膏階段——埃及金字塔（煅燒石膏調(diào)砂漿），萬里長城（煅燒石灰）？？（3）石灰＋火山石灰階段——公元初，要求強度較高且抗水的凝膠材料（4）水硬性石灰、天然水泥階段——18世紀后半期（5）硅酸鹽水泥——1824年英國阿斯普丁——波特蘭水泥專利——人工配料、燒、磨細（6）不同品種的水泥階段——快硬、早強硅酸鹽水泥、油井水泥、中低熱水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥2/27/202426玻璃發(fā)展簡史：綠玻璃球（5000――6000年）白玻璃（3000年――400年）工業(yè)純堿代草木灰＋石灰石Na－Ca－Si

1957年英國人皮爾金頓PB浮法專利1975年美匹茲堡公司PPG新浮法專利。2/27/2024270.4無機非金屬材料在人類生活中的地位與作用

對科學技術發(fā)展的作用

對工業(yè)及社會進步的作用

對鞏固國防、發(fā)展軍用技術的作用

在生物醫(yī)學方面的作用2/27/2024280.5無機非金屬材