材料工学复习提纲

材料工学复习提纲 材料工学复习提纲 一、陶瓷（一）定义陶瓷的狭义定义以粘土为主要原料，经高温烧制的制品。 陶瓷的广义定义经高温烧制的无机非金属材料的总称。 精确定义用天然原料或人工合成的粉状化合物，经成形和高温烧结制成的，由金属和非金属元素构成的多晶固体材料。 9二）陶瓷原料 1、粘土类（七大性质） （1）可塑性当粘土与适量的水混练后形成泥团，此泥团在外力作用下产生变形但不开裂，当外力去掉以后，仍能保持其形状不变，粘土的这种性质称为可塑性。 常用“可塑性限度（塑限）”、“液性限度（液限）”、“可塑性指数”、“可塑性指标”和相应含水率等参数来表示粘土可塑性的大小。 “塑限”是指粘土或坯料由粉末状态进入塑性状态时的含水量。 “液限”是指粘土或坯料由塑性状态进入流动状态时的含水量。 “可塑性指数”是液限与塑限之差。 “可塑性指标”系指在工作水分下，粘土或坯料受外力作用最初出现裂纹时应力与应变之乘积，也可用此时的含水率来表示。 （2）结合性是指粘土能够结合非塑性原料而形成良好的可塑泥团，并且有一定干燥强度的能力。 粘土的结合性由其结合瘠性料的结合力的大小来衡量，而结合力的大小又与粘土矿物的种类、结构等因素有关。 一般而言，可塑性强的粘土其结合力也大。 （3）离子交换性粘土颗粒带有电荷，其是SiO4四面体中的Si4+被Al3+取代而出现负电荷，为了保持粘土颗粒表面的电价平衡，粘土颗粒在水系统中则吸附其他异电荷离子。 然而，被吸附的离子又会被其他同性电荷的离子置换，发生离子交换。 离子交换的能力用交换容量来表示，即100g干粘土所吸附能交换的阳离子或阴离子的数量，单位为mol10/g。 粘土的阳离子交换容量按下列顺序自左到右逐渐减小H+Al3+Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+Li+在粘土颗粒的棱角上，阴离子亦会被粘土颗粒吸附，但吸附能力较小，阴离子取代能力自左到有逐渐减小OH-CO32-P2O74-S-I-Br-Cl-NO3-F-SO42-粘土离子交换能力的大小除与离子性质有关外，还与粘土矿物的种类、有序度、分散度、粘土中有机物的含量和粘土矿物的结晶程度等因素有关。 （4）触变性粘土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时，粘度会降低，泥浆的流动性会增加，静置后恢复原状。 此外，当泥浆放置一段时间后，在原水分不变的情况下会出现变稠和固化现象。 这种性质我们叫它为触变性。 （5）收缩粘土泥料在干燥时颗粒间的水分排出，颗粒互相靠拢，引起体积收缩，称为干燥收缩。 当粘土泥料煅烧时，由于发生一系列物理化学变化，粘土泥料再度收缩，称为烧成收缩。 成型试样经干燥、煅烧后的尺寸总变化称总收缩。 粘土收缩常以线收缩及体收缩来表示。 体收缩近似等于线收缩的三倍（误差69）。 式中L0试样原始长度；L干试样干后长度；S干试样干燥线收缩率。 式中L干试样干后长度；L烧试样烧后长度；S烧试样烧成线收缩率。 （6）烧结性能粘土是由多种矿物组成的物质，它无固定熔点，而是在一个较大的温度范围内逐渐软化。 当粘土在煅烧过程中，温度超过800900以上时，低共熔物出现，并填充在固体颗粒之间，由于其表面张力的作用，使固体颗粒进一步靠拢，引起体积急剧收缩，气孔率下降，密度提高，这种开始急剧变化时的温度叫开始烧结温度，如图1-2-2所示。 当温度继续升高时，收缩将不断增大，气孔率不断降低。 当密度达到最大值时，称为完全烧结，此时的温度叫烧结温度。 00LL LS干干?干烧干烧LL LS? （7）耐火度refractoriness耐火度系粘土原料抵抗高温作用不致熔化的能力。 它反映了材料在无荷重时抵抗高温作用的稳定性。 表征物体抵抗高温而不熔化的性能指标。 耐火度不是物质的物理常数，而是一个技术指标，它的高低由物料的化学组成、分散度、液相在其中所占比例以及液相粘度等所决定。 耐火度的测定:是将欲测粘土制成高30mm、下底边长为8mm、上顶边长为2mm的截头三角锥，两截面平行，一条边与底面垂直，干燥后，直角边与基板成85角，在电炉中以一定升温速度加热，当加热到锥顶端软化弯倒至底平面时的温度，即为该试样的耐火度。 常用的测温三角锥有两种赛格尔锥和奥顿锥。 2、石英类 3、长石类长石是熔剂性原料。 在陶瓷坯料、釉料和玻璃配合料中作为熔剂的基本组分。 4、其他原料（三）工艺过程 1、胚料制备泥浆各种具有一定配比的原料，加水后，充分混合均匀并磨细，获得含水分约45%60%的陶瓷原料混合体泥浆。 泥料 2、成形成形是将配合料制成浆体、可塑泥团、半干粉料或熔体，经适当的手段和设备变成一定形状制品的过程。 三种成形方法对应三种三种不同胚料 （1）注浆成形泥浆 （2）塑形成形泥料 （3）压制成形粉料 3、胚体干燥 （1）传热过程，干燥介质的热量以对流方式传给坯体表面，又以传导方式从表面传向坯体内部的过程。 坯体表面的水分得到热量而汽化，由液态变为气态。 （2）外扩散过程坯体表面产生的水蒸汽，通过层流底层，在浓度差的作用下，以扩散方式，由坯体表面向干燥介质中移动。 （3）内扩散过程由于湿坯体表面水分蒸发。 使其内部产生湿度梯度，促使水分由浓度高的内层向浓度较低的外层扩散，称湿传导或湿扩散。 4、烧成 （1）低温预热阶段（室温300）此阶段主要是排除坯体干燥后的残余水分，坯体的入窑水分一般不能超过1，否则会炸坏。 质量减轻水分排出；气孔增加水分排出；体积收缩水分排出，固体颗粒逐渐靠拢。 （2）氧化分解阶段（300950）炭素和有机物的氧化；C（有机物）+O2CO2（350）C（炭素）+O2CO2（600）2H2+2O22H2OS+O2SO2（250920）CO+O22CO2硫化铁的氧化；FeS2+O2FeS+SO2（350450）4FeS+7O22Fe2O3+4SO2(500800)Fe2（SO3）3Fe2O3+SO2(560770)碳酸盐、硫酸盐的分解MgCO3MgO+CO2(500850)CaCO3CaO+CO2(6001000)4FeO3+O22Fe2O3+4CO2(8001000)Fe2(SO4)3Fe2O3+3SO3(580755)FeSO4FeO+SO34FeO+O22Fe2O3结晶水的排出高岭石脱水Al2O32SiO22H2OAl2O32SiO2（偏高岭石）+2H2O(400600)滑石脱水3MgO4SiO22H2O3(MgOSiO2)(顽火辉石)+SiO2+H2O(600970)蒙脱石脱水Al2O34SiO22H2OAl2O34SiO2+nH2O晶型转变石英在573时，SiO2石英迅速转变为石英SiO2，体积膨胀；在870石英缓慢地转变为鳞石英，体积膨胀16%。 由粘土脱水分解生产的无定形Al2O3，在950时转化为Al2O3，随温度的再升高，与SiO2反应生成莫来石。 （3）高温玻化成瓷阶段（950最高烧成温度）氧化分解阶段未完成的反应继续进行；熔融长石与低共熔物构成瓷坯中的玻璃相；粘土颗粒及石英部分地熔解在这些玻璃相中；未被熔解颗粒间地空隙逐渐被玻璃物质填充，体积增加，密度提高。 高温下，粘土中高岭石的转变Al2O32SiO2Al2O3+2SiO2Al2O3（无定形）-Al2O33（-Al2O3）+2SiO23Al2O32SiO2一次莫来石3（Al2O32SiO2）3Al2O32SiO2+4SiO2二次莫来石由于玻璃相及莫来石的生成，制品的强度增加，气孔率减少，坯体急剧收缩。 釉料熔融成为玻璃体。 （4）冷却阶段（最高烧成温度室温）此阶段坯釉发生如下变化随着温度降低，液相析晶，玻璃相物质凝固；游离石英的晶型转变，石英在573时，SiO2石英迅速转变为石英SiO2，体积收缩0.82；方石英转变为方石英，体积收缩2.8。 设备隧道窑（tunnel kiln）具有固定的隧道式窑体、活动窑车，并由预热带、烧成带、冷却带组成，对坯件、素烧件或釉烧体进行焙烧的横焰式连续窑。 （四）陶瓷性能（五）陶瓷胚体的表示方法与计算1.配料量表示法直接列出所用原料的名称和质量比（各种原料的质量比为100）特点直观方便、便于计量。 2、化学组成表示法用坯料中各种化学组分所占的质量百分数来表示。 特点可根据坯料中的化学成分的多少来判断或比较坯体的某些性能。 3、试验式表示法用各种氧化物莫尔数来表示坯料组成的一种方法。 特点理论研究常用此表示法，可以明显表示出各组分之间的数量关系。 0.282K2O0.026Fe2O30.196MgO0.974Al2O35.616SiO20.078CaO碱性氧化物在左中性氧化物居中酸性氧化物在右（六）陶瓷的釉料及配料 1、釉覆盖在陶瓷坯体