无机非金属材料工艺学

合 肥 学 院Hefei University无机非金属材料工艺学课程总结题 目：无机非金属材料工艺学课程总结 年 级: XXXXXXXXXX 学 号: XXXXXXXXXXXX 姓 名: XXXXXX 指导老师： 田长安 2017年 6月 4 日无机非非金属材料工艺学课程总结无机非金属材料科学与工艺：是一门研究材料组成、结构、合成与制备、使用效能四者之间的关系与规律的科学。合成与制备：是研究如何将原子、分子聚合起来并最终转变为有用产品的一系列连续过程，是提高材料质量、降低生产成本的关键，也是开发新材料、新器件的中心环节。组成：是指构成材料物质的原子、分子、添加剂及其分布。结构：是指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布。组成和结构是材料的基本表征。它们一方面是特定的合成与制备条件下的产物，另一方面又是决定材料性能与使用效能的内在因数。无机非金属材料工艺学的研究内容：了解材料的组成与结构及它们同合成与制备之间、性能与使用效能之间的内在联系。材料材料的定义：能够用以加工有用物质的物质。无机非金属材料：是除金属材料和有机高分子材料之外的所有材料的总称。无机非金属材料的特性1、与金属材料和有机高分子材料的区别化学组成：（1）无机非金属材料：氧化物、碳化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐和非氧化物（如氮化物Si3N4、碳化物SiC、氮化硼BN）等。（2）金属材料：一般为固体单质材料（除水银外）。（3）有机高分子材料：碳、氢、氧、氮、氯等元素组成的化合物。化学键组成：（1）无机非金属材料：主要为离子键（如NaCl）或离子-共价键（如SiO2离子键和共价键各占50%）。碳材料是例外，如金刚石是共价键，石墨是共价键和金属键（2）金属材料：金属键（3）有机高分子材料：共价键2、无机非金属材料的特征（1）具有复杂的晶体结构（2）没有自由电子（石墨除外）（3）高硬度（4）较好的耐化学腐蚀能力（5）绝大多数是绝缘体（6）制成薄膜时大多是透明的（7）一般具有低导热性（8）大多数情况下变形微小3、无机非金属材料的基本属性（1）高熔点、高硬度、高抗压（2）耐腐蚀、耐磨损（3）良好的抗氧化性、隔热性（4）优良的介电、压电、光学、磁学性能及功能转换特性（5）抗拉强度低、韧性差无机非金属材料生产过程的共性与个性1、原料共性：都是以铝硅酸盐（粘土、长石等）、硅质、石灰质、铝质原料为主。个性：化学组成不同2、原料的破碎共性：绝大多数原料都需要破碎为什么绝大多数原料都需要破碎？破碎后的好处：（1）好均化、烘干、配料（2）利于成型（3）利于热处理，节能（4）产量高，产品性能好，且稳定3、粉体的制备陶瓷：一般采用湿法制备粉体 水泥：湿法和干法制备玻璃：干法制备4、成型陶瓷成型：在高温热加工之前玻璃成型：在高温热加工之后水泥成型：在使用时5、烘干水泥：在粉体制备之前，粘土、混合材需要烘干陶瓷：成型后的坯体必须烘干 6、高温热处理水泥：通过煅烧获得水泥熟料玻璃：熔融获得均匀、透明、无缺陷的熔体陶瓷：形成坚硬的烧结体水泥1.水泥的基本性质水泥浆具有良好的可塑性、与其他材料混合后的混合物可拥有适当的和易性较强的适应性较好的耐侵蚀、防辐射性能硬化后的水泥浆具有较高的强度，且强度随龄期的延长而逐渐增长良好的耐久性通过改变水泥的组成，可适当调整水泥的性质可与纤维、聚合物等多种有机-无机材料配制的各种水泥基复合材料，充分发挥材料的潜能2.水泥的定义与分类通用水泥专用水泥特种水泥：快硬高强水泥膨胀水泥自应力水泥水工水泥油井水泥：特别注意在不同温度和压力情况下水泥的稠化时间的变化装饰水泥耐高温水泥其它特种水泥：道路硅酸盐水泥、防辐射水泥、耐酸水泥、砌筑水泥、高效无声破碎剂等注意：使用高效无声破碎剂一定要考虑温度的影响玻璃1、玻璃的特性（1）玻璃的定义及基本特性传统玻璃的定义：熔融物冷却、硬化而得到的非晶态固体基本特性：（a）透明、坚硬，良好的耐蚀、耐热、电学和光学性质（b）适用不同使用条件的要求（c）易于制备各种形状制品或部件2、玻璃的通性1）各向同性2）介稳性3）无固定熔点4）固态和熔融态间转化的渐变性和可逆性5）性质随成分变化的连续性和渐变性3、玻璃的分类（1）按组成分类元素玻璃：单一元素的原子构成的玻璃。有硫系玻璃、硒玻璃等。氧化物玻璃：借助桥氧形成聚合结构的玻璃。非氧化物玻璃：（a）卤化物玻璃（氟化物玻璃如BeF2）和氯化物玻璃（如ZnCl2）等。（b）硫族化合物玻璃氧化物和非氧化物的混合玻璃：如BaF2-Al2O3-P2O5玻璃等。（2）按用途分类建筑玻璃日用轻工玻璃仪器玻璃3）按性能分类光学特性分：光敏玻璃、声光玻璃、光色玻璃、高折射玻璃、低色散玻璃、反射玻璃、半透过玻璃、透红外玻璃等等。热学特性分：热敏玻璃、隔热玻璃、耐高温玻璃、低膨胀玻璃等电学特性分：高绝缘玻璃、导电玻璃、半导体玻璃、高介电玻璃、超导玻璃等力学特性分：高强玻璃、耐磨玻璃等化学稳定性分：耐碱玻璃、耐酸玻璃等4）按形态分类泡沫玻璃玻璃纤维薄膜玻璃等5）按颜色分类无色玻璃颜色玻璃半透明玻璃乳白色玻璃等石英玻璃：其光学性能有独到之处，它既可以透过远紫外线，是所有紫外材料最优者，又可透过可见光和近红外光谱，热膨胀系数极小，化学稳定性好，气泡、条纹、均匀性、双折射有可与一般光学玻璃媲美，所以它是在各种恶劣场合下工作具有高稳定度光学系数的必不可少的光学材料。 产品应用主要应用于军工、激光、冶金、光学仪器、舞台灯光等行业的高温窗口。陶瓷1、陶瓷的定义与分类传统陶瓷定义：以无机非金属天然矿物或化工产品为原料，经过原料处理、成型、干燥、烧结等工序制成的产品。是陶器和瓷器的总称。陶瓷的分类：（1）按组成分类：硅酸盐陶瓷氧化物陶瓷非氧化物陶瓷（2）按性能分类：普通陶瓷：包括日用陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷等特种陶瓷：包括结构陶瓷、功能陶瓷2、陶瓷的基本性能与特点（1）陶瓷的显微结构由结晶相、气孔和玻璃相组成。（2）陶瓷的基本性能较高的弹性模量强度高，抗压强度远远大于抗拉强度耐磨性能良好好的耐久性，如抗氧化，耐高温、耐腐蚀硬度高优良的电绝缘性能脆性大，经不起外力撞击，也不能急冷急热。理论强度高，但实际强度远远低于理论强度原因：陶瓷材料存在很多微裂纹微裂纹一旦形成，就会迅速的扩展对于金属，在外力的作用下可以产生塑性变形，塑性变形可以吸收扩展裂纹的能量，起到止裂纹的作用。对于陶瓷，缺乏塑性变形，裂纹一旦形成，材料内部的应力就会集中在裂纹的尖端，推动裂纹的扩展，直至断裂。如果是在热冲击的情况下，由于陶瓷材料导热性差，热应力因此增加，促进裂纹迅速扩展。无机非金属材料的组成及配料计算1.无机非金属材料的组成 (1)CaO-Si02-Al203系统 在CaO-Si02-Al203系统中，随着各氧化物之间比例的不同，生成的矿物组成极其复杂。其中主要有： 硅酸三钙C3S 硅酸二钙C2S 钙铝黄长石C2AS 铝酸一钙CA 铝酸三钙C3A七铝酸十二钙C12A7二铝酸一钙CA六铝酸一钙CA61) 硅酸三钙(C3S)。 主要由硅酸二钙和氧化钙反应生成。在水泥中其含量为50%左右，有时高达60%以上。C3S在12502065时稳定，在1250以下分解为C2S和CaO。 思考：为什么水泥在常温下有C3S存在？ C3S又分属于三个晶系的七种变型：三方晶系的R型；单斜晶系的M、M、MI型和三斜晶系的T、T、TI型。 纯C3S在常温下，通常只能保留三斜晶系(T型)，如含有少量MgO、Al2O3、S03、ZnO、Cr2O3、Fe2O3和R2O等稳定剂形成固溶体，便可保留M型或R型。故硅酸三钙通常为M型或R型。 硅酸三钙固溶体的密度为31403250kgm3。 阿利特或A矿：在硅酸盐水泥熟料中， C3S并不是已纯的形式出现，总含有少量的MgO、Al2O3 、 Fe2O3等形成固溶液，称为阿利特或A矿。 硅酸三钙加水调和后，初凝时间大于或等于45min，终凝时间小于或等于12h。它水化较快。粒径为4045um的硅酸三钙颗粒加水28d后，有70左右与水反应。所以硅酸三钙可产生较高的强度，且强度发展比较快，早期强度较高，且强度增进率较大，28d强度可以达到它一年强度的7080。但硅酸三钙水化热较高，抗水性较差。 C3S含少量其他氧化物形成的固溶体，将影响它的反应能力和晶型。另外，硅酸三钙固溶体晶体尺寸和发育程度会影响其反应能力。 当烧成温度高时，C3S固溶体晶形完整，晶体尺寸适中，几何轴比大(晶体长度与宽度之比LB=23)，矿物分布均匀，界面清晰，强度较高。 当加矿化剂或用急剧升温等新的煅烧方法低温烧成时，虽然很多C3S固溶体晶体比较细小，但发育完整、分布均匀，熟料强度也很高。2）硅酸二钙(C2S) 在水泥中C2S一般在20%左右。由氧化钙与氧化硅反应生成纯硅酸二钙。贝利特或B矿： C2S与少量MgO 、 Al2O3 、 Fe2O3 、R2O等氧化物形成固溶体，称为贝利特或B矿在1 450oC温度以下时， C2S进行下列多晶转变 。 当温度低于500oC时，硅酸二钙由 型转变为型，体积膨胀10%而导致物料粉化。 型几乎无水硬性。 硅酸二钙固溶体与水反应速度较慢，凝结固化较慢，早期强度低，但后期强度增进率较高。 硅酸二钙固溶体的水化热较低，耐水性好。3）中间体 它填充在阿利特和贝利特之间可包括铝酸盐、铁酸盐、组成不定的玻璃体和含碱化合物以及游离氧化钙和方镁石。但以包裹体形式存在于阿利特和贝利特中的游离氧化钙和方镁石除外。中间体在熟料煅烧过程中，熔融成为液相，冷却时结晶，但有部分来不及结晶而凝固成玻璃体。无机非金属材料的组成设计及配料计算 (1)硅酸盐水泥的组成设计 1)硅酸盐水泥对矿物组成的要求。 2)硅酸盐水泥组成矿物的选择。 (2)配料计算 1)熟料的率值。 水泥熟料是一种多矿物集合体，而这些矿物又是由四种主要氧化物化合而成。 率值：控制各氧化物之间的比例即率值。率值作为生产控制的一种指标 石灰饱和系数(KH)。 熟料中四个主要氧化物是： CaO、Si02、 A1203、 Fe2O3 其中： CaO为碱性氧化物，其余三个为酸性氧化物，两者相互化合形成C2S、C3S、C3A、C4AF四个主要熟料矿物。 从理论上讲，酸性氧化物应形成碱性最高的熟料矿物C3S、C3A、C4AF、CaO。 CaO含量一旦超过所有酸性氧化物的需求，必然以游离氧化钙形态存在，含量高时将引起水泥安定性不良，造成危害。 硅率或硅酸率（P或SM) 硅率是表示熟料中氧化硅含量与氧化铝、氧化铁之和的质量比，也表示了熟料中硅酸盐矿物与熔剂矿物的比例。 2)配料 熟料组成的选择及影响因素。 熟料组成的选择，一般应该根据： a. 水泥品种 b. 原料品质 c. 燃料的品质 d. 生料制备 e. 生料的易烧性 f. 熟料煅烧工艺 进行综合考虑，以达到保证水泥质量、提高产量、降低消耗和设备长期安全运转的目的。影响生料易烧性的主要因素有： a. 生料的潜在矿物组成：KH、P高，生料难烧；反之易烧，还可能结圈；P、n高，生料难烧，要求较高的烧成温度。 b. 原料的性质和颗粒组成：原料中石英和方解石含量多，难烧，易烧性差；结晶质粗粒多。易烧性差。 c. 生料中的次要氧化物和微量元素：生料中的少量次要氧化物MgO、Na20、K20等有利于熟料形成，易烧性好，但量过多，不利于煅烧，并对质量产生严重的不良影响。 d. 生料的均匀性和细度：生料的均匀性好，细度细，易烧性好。 e. 矿化剂：掺加各种矿化剂，均可改善生料的易烧性。 f. 生料的热处理：生料易烧性差，烧成温度就高，煅烧时间越长,生料煅烧过程中升温速度快，有利于提高新生态物质的活性。 g. 液相：生料煅烧时，液相出现温度低，数量多，液相黏度小，表面张力小，离子迁移速度大，易烧性好，有利于熟料的烧成。 h. 燃煤的性质：燃煤热值高、煤灰分少、细度细，燃烧速度快，燃烧温度高，有利于熟料l的烧成。 i. 窑内气氛：窑内氧化气氛煅烧，有利于熟料的形成。 因此，生料易烧性好，可以选择较高石灰饱和系数、高硅率、高铝率(或低铝率)的配料方案；反之，只能配低一些。 熟料的石灰饱和系数、硅率、铝率三个率值是互相影响、互相制约的，不能片面强调某一率值而忽视其他两个率值，必须相互配合。如石灰饱和系数较高，则硅率和铝率就要相应低一些，以保证硅酸三钙的顺利形成。 (3)玻璃的组成设计及配料计算 1)玻璃的组成与结构 玻璃的组成。 许多氧化物或元素是玻璃的组成物质，根据各氧化物在玻璃结构中所起的作用，一般可将它们分为三类： 玻璃形成体(网络形成体) 玻璃中问体(网络中间体) 玻璃调整体(网络外体) a玻璃形成体(网络形成体) 能单独形成玻璃，在玻璃中能形成各自特有的网络体系的氧化物，称为玻璃的网络形成体。 b调整体(或网络外体) 凡不能单独生成玻璃，一般不进入网络而是处于网络之外的氧化物，称为玻璃的网络外体。它们往往起调整玻璃一些性质的作用。 c中间体。一般不能单独形成玻璃，其作用介于网络形成体和网络外体之间的氧化物，称之为中间体。配合料的制备与加工配合料的一般制备与加工的工艺为： （原料的）精选破碎烘干配料破碎粉磨（配合料的制备） 成型配合料的制备配合料的制备过程主要有：（1）破碎 1）定义：是对块状固体物料施用机械方法，使之克服内聚力，分裂为若干碎块的作业过程。 2）作用：减小块状物料的粒度（2）粉磨 1）粉磨工艺 常用的粉磨设备： 球磨机、无介质磨、辊式磨、辊压机、振动磨、搅拌磨和冲击磨等。 粉磨方式与工艺 干磨 湿磨 物料在粉磨过程中所采用的工艺流程较常用的有： 开路 闭路 开路：系统无分级设备，物料从磨机中出来即为产品。 闭路：系统有分级设备，出磨物料经分级设备分选，合格细粉为产品，粗粉返回磨内重磨。开路系统优缺点 优点：流程简单，设备少，操作简便，基建投资少。 缺点：物料必须全部达到合格细度才能出磨，容易产生过粉磨，并在磨内形成缓冲垫层，妨碍粗料进一步磨细。开路系统粉磨效率低，电耗高，产量低。闭路系统优缺点 优点：可以消除过粉磨现象，可调控产品粒度，且能提高粉磨效率和产量。 缺点：流程复杂，设备多，基建投资大，操作复杂。2）影响粉磨效率的因素 粉磨物料的性质 a.入磨物料粒度大小。 b.易磨性。 c.入磨物料的温度。物料的温度越高，易磨性就越差。 d.入磨物料水分应适中。水分过大，易使细颗粒粘在研磨体和衬板上，形成“物料垫”，或出现堵塞和“饱磨”现象；水分过少，则影响磨内散热，易产生“窜磨”跑粗现象。适宜的物料水分为1%1.5%。 助磨剂。指可以消除细粉粘附和聚集现象，提高粉磨效率，降低能耗，提高产量的物质。 助磨作用原理 如果能使已有的裂纹不再重新闭合而有助于裂纹扩展以及阻止团聚，就达到助目的。湿式粉碎的效率高于干粉碎的原因是由于液体介质的劈裂作用，水分子对裂纹的四壁产身约1.0MPa的压力。 粉磨产品的细度。 设备流程。设备越大产量越高。 研磨体。研磨体的形状、大小、装填量、级配以及补充等。 干法磨机通风。 干法磨水冷却。主要是磨内雾化喷水，可有效带出磨内热量，消除静电凝聚，利于提高产量。 磨机的操作。喂料量适当且均衡稳定是提高产、质量的重要措施。（3）水泥生料的粉磨 1）生料细度 2）生料粉磨系统成型 成型是将制备好的物料（坯料）制成具有一定形状的颗粒或坯体的过程。（1）粒化（成球） 粒化过程：指将粉体（或浆液）加工成形状 和尺寸都比较匀整的球块的机械过程。 粉体粒化的意义：能保持混合物的均匀度在储存、输送与包装时不发生变化；有利于改善物理化学反应的过程；可以提高物料 流动性，便于输送与储存；大大减小粉尘飞扬；扩大微粉原料的适用范围；便于计量以及满足商业上的要求。 在水泥立窑烧成中，物料首先要先成球的原因是： 增加物料接触的紧密度，利于反应的进行；球状的快料在立窑中煅烧，便于通风煅烧完全，能达到反应所需的高温。 陶瓷压制成型时为了提高粉料的体积密度、增加物料的流动性等，常将泥浆喷雾干燥造粒。 1）转动粒化 圆筒粒化机 圆盘粒化机 影响粒化的主要因素： a)表面性质（颗粒表面亲水性、形状与 孔隙率） b)粒径大小和粒径分布 c)粘结剂 2）喷雾干燥造粒 喷雾干燥是从浆体中排除水分并得到近于球形粉状颗粒的过程。干燥（1）脱水的方法：1）根据水和物料的密度不同实现重力脱水；2）利用机械的方法实现脱水；3）用加热的方法使物料的水分蒸发。 干燥（烘干）：是指用加热的方法达到除去物料中部分物理水分的过程。干燥过程是一个物理过程。实现物料干燥的方法有两种：自然干燥和人工干燥。人工干燥的加热方式有外热源法和内热源法两种类型。 外热源法：指在物料的外部对物料表面加热，使物料受热，水分蒸发而得到干燥。 外热源法加热方式有： 1）对流加热 2）辐射加热 3）对流-辐射加热 内热源法：指将湿物料放在高频交变的电磁场或微波场中，使物料本身的分子产生剧烈的热运动而发热，或使交变电流通过物料而产生热量，物料中水分蒸发，本身得以干燥。 注意：对于不同的物料，对其干燥温度等工艺条件有不同的要求！（2）干燥的物理过程 1）物料中水分的性质 化学结合水。主要是结晶水，在干燥过程中不排除。 物理-化学结合水（大气吸附水）。吸附水、渗透水、微孔（半径小于10-7m）毛细管水以及结构水。 机械结合水（自由水）。包括物料中的润湿水、孔隙水及粗孔（半径大于10m）毛细管水。机械结合水在干燥过程中首先被排除。 2）物料干燥过程。 物料干燥包括加热、外扩散和内扩散三个过程。 外扩散：物料受热后，当其表面的水蒸气分压大于干燥介质中的水蒸气分压时，物料表面的水分向干燥介质中扩散（蒸发），这个过程称为外扩散。 内扩散：物料内部的水分向物料表面迁移的过程，称内扩散。 整个干燥过程可以分为： 加热阶段 速干燥阶段 降速干燥阶段煅烧、烧成与熔化 煅烧、烧成与熔化是高温加工过程的三种方式。 煅烧：是指将物料经过高温，合成某些矿物（水泥熟料、矿物等）或使矿物分解获得中间产物（石灰、石膏和粘土熟料）的过程。 烧成：指将初步密集定型的粉块（生坯）经高温烧结成产品的过程。其实质是将粉料集合体变成致密的、具有足够强度的烧结体，如砖、瓦、陶瓷、定型耐火材料。 熔化亦称熔炼：指将配合料投入耐火材料砌筑的熔窑中经过高温加热，得到无固体颗粒、符合成型要求的各种单相连续体的过程。它是制造玻璃、铸石、熔铸耐火材料、人工晶体等无机非金属材料的主要工艺过程。无机非金属材料的热加工方法 （1）传统热加工方法与设备 （2）近代加工方法与设备 1）旋风烧成法与浮腾烧成法 旋风烧成法 浮腾烧成法 2）新型干法水泥回转窑 硅酸盐水泥熟料的煅烧 （1）生料在煅烧过程中的物理化学变化 1）干燥与脱水 2）碳酸盐分解 颗粒内部的分解反应可分为五个阶段： 气流向颗粒表面的传热过程 热量由表面以传导方式向分解面传递的过程 碳酸盐在一定温度下，吸收热量并进行分解并放出CO2的化学过程 分解放出CO2，穿透CaO层向表面扩散的传质过程 表面的CO2向周围介质气流扩散过程 分解速度主要取决于传热、传质和化学反应的快慢。 对于回转窑：碳酸钙的分解，在8001100下，通常需要15min以上，而在分解炉内（物料温度850左右），只需要几秒钟可使碳酸钙表观分解率达到85%95%。影响碳酸钙分解速度的因素： 温度 窑系统的CO2分压 生料细度和颗粒级配 生料悬浮分散程度 石灰石的种类和物理性质 生料中粘土质组分的性质3）固相反应 固相反应过程 固相反应的影响因素a) 温度、温度梯度和反应时间b) 生料的细度及均匀性c) 原料性质d) 矿化剂4）液相和熟料的烧结（2）微量元素和矿化剂对熟料煅烧及其质量的影响 1）氟化钙。生产高石灰饱和系数的熟料和白水泥时，为改善生料的易烧性，或者为了提高熟料质量、降低能耗，矿化剂。碱金属或碱土金属的氟盐以及氟硅酸盐都有较好的矿化作用。 萤石的作用 a.加速碳酸钙分解，破坏SiO2晶格，促进固相反应。 b.加速碱性长石、云母的分解过程，促进碱的挥发。 c.降低烧成温度、液相粘度，有利于液相中的质点扩散，加速硅酸三钙的形成。 d) 氟化钙和生料组分通