无机材料工艺学习题参考答案

复习与思考一1. 材料的定义？材料是能够用以加工有用物质的物质。2. 无机非金属材料的定义？无机非金属材料是某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐和非氧化物等物质组成的材料，是除金属材料和有机高分子材料以外的所有材料的统称。3. 无机非金属材料与金属材料和有机高分子材料区别？ 一般来说，无机非金属材料在化学组成以及化学键上与金属材料和有机高分子材料明显不同。无机非金属材料的化学组成主要为元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐和非氧化物等物质，其化学键主要为离子键或离子-共价混合键；金属材料的化学组成为单质金属元素或一种金属元素与其他元素组成的合金，其化学键为金属键；有机高分子材料是以C、H、O为主要元素和其他元素组成的聚合物其化学键为共价键。从力学性能上，金属材料有延展性，有机高分子材料有弹性，而大多数无机非金属材料却没有；从电学性能上，金属材料具有导电性，而无机非金属绝大多数是绝缘体；从结构上，金属材料有自由电子而无机非金属材料没有自由电子且具有复杂的晶体结构；金属材料抗拉强度高，而无机非金属材料抗拉强度低。 （以第一点为主）4. 无机非金属的特性？ 具有复杂的晶体结构；没有自由电子（石墨除外）；高硬度；高熔点；较好的耐化学腐蚀能力；绝大多数是绝缘体；制成薄膜时大多是透明的；一般具有低导热性；大多数情况下变形微笑。5. 为什么金属材料有延展性，有机高分子材料有弹性，而大多数无机非金属材料却没有？ 金属材料有延展性是因为其含有自由电子，可以移动；有机高分子材料有弹性是因为高分子材料多为链状，可以扭曲；大多数无机非金属材料却没有是因为其化学键主要为离子键或离子-共价混合键，而共价键有方向性。6. 为什么绝大多数原料都需要破碎？ 无机非金属材料生产所用的主要原料，绝大多数是质地坚硬的大块状物料。为了均化、烘干、配料等工艺过程的需要进行破碎。破碎后的好处：好均化、烘干、配料；利于成型；利于热处理，节能；产量高，产品性能好，且稳定。对于玻璃和陶瓷，破碎后更容易除铁；对于水泥破碎后再磨细到一定粒度则更适合窑外分解。7.水泥、玻璃及陶瓷在成型方面有何区别？ 水泥的成型除立窑之外，在热加工之前不需成型，其成型过程主要在使用时。如加工混凝土制品等。玻璃的成型是在高温热加工之后。陶瓷的成型较为特殊，一般是在高温热加工之前，但若是热等静压法来使陶瓷成型，成型和高温加热同时进行。8.为什么陶瓷成型后必须烘干？ 烘干是为了除去物料或坯体中一定量的自由水。若不烘干就拿去烧结，会导致陶瓷产生微裂纹、气泡等影响。9.水硬性胶凝材料和气硬性胶凝材料材料耐久性（根据定义和碱骨料反应，从多方面思考）？ 水硬性胶凝材料主要指水泥，气硬性胶凝材料材料主要有石灰、石膏、氢氧化钙，后者易发生碳化反应，造成其耐久性不好。（不太全）复习与思考二1、玻璃的定义？传统玻璃的定义：熔融物冷却、硬化而得到的均匀、透明、无缺陷的非晶态固体。广义玻璃的定义：具有各向同性、介稳性、无固定熔点、固态和熔融态间转化的渐变性和可逆性、性质随成分变化的连续性和渐变性的物质。2、与陶瓷相比较，为什么玻璃能比较容易地制得形状很复杂的部件？主要从制作的工艺工程来考虑：陶瓷先成型后加热，收缩较大；而玻璃是从液态转变，容易成形。3、你认为玻璃和水泥哪种更容易制得形状很复杂的部件? （1）大体积部件，特种水泥更容易制得（2）小体积部件，形状复杂，薄型的，玻璃更容易制得4、玻璃的通性？ 各向同性；介稳性；无固定熔点；固态和熔融态间转化的渐变性和可逆性；性质随成分变化的连续性和渐变性。5、Tg、Tf含义？ 从熔融态转变为固态时有一转变温度Tg；从熔体向固态玻璃转变的温度Tf6、冕牌玻璃：阿贝数（色散系数）50的光学玻璃称为冕牌玻璃；燧石玻璃：阿贝数（色散系数）50的光学玻璃称为燧石玻璃；色散：玻璃的折射率随入射光波长不同而不同的现象，叫色散。复习与思考三1.隔热玻璃和中空玻璃、真空玻璃的区别？隔热玻璃对红外线有良好的吸收作用；中空玻璃和真空玻璃保温性能都较好，区别在于一个是空气作为介质，另一个是真空。2.什么叫补色？互为补色的光合在一起是什么光？简述互补原理在玻璃、陶瓷、水泥工业中的应用？ 补色又称互补色或余色，被吸收光的颜色和观察到的颜色互称补色。互为补色的光合在一起是白光。在玻璃、陶瓷、水泥工业中，为了得到含某颜色的产品，可以除去显其互补色的离子。（表达的不太好）3、为什么石英玻璃适合制备军工、激光、冶金、光学仪器、舞台灯光等行业的高温窗口？ 石英玻璃的热膨胀系数小，热稳定性好；石英玻璃的耐热性好，在1100C下可长期使用，在1400C下可短期使用。4、比较泡沫玻璃与泡沫塑料的区别和用途？ 泡沫玻璃是无机材料，有吸声性，保温性能好；泡沫塑料是有机材料，耐高温性能差但导热系数小；两者吸水率都小。5、陶瓷的脆性大，经不起外力撞击，也不能急冷急热以及理论强度高，但实际强度远远低于理论强度的原因是什么？ 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。6、了解几个基本定义：无机非金属材料工艺学、合成与制备、组成、结构？ 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。7、无机非金属材料工艺学研究的内容，并举例说明为什么？ 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。8、石英玻璃的结构、性能与用途？ 石英玻璃结构：短程有序，长程无序。性能为：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。主要用于建筑玻璃，日用轻攻玻璃，仪器玻璃，光学玻璃，电真空玻璃等。9.什么石英玻璃比石英晶体的用途更广泛？玻璃熔融液缓慢冷却结晶后才能形成石英晶体，因此形成玻璃比晶体更容易且能耗小；晶体在固态随温度变化还会有晶型转变，使结构不稳定，容易破裂；石英晶体为各向同性，不适合制作一些仪器（如有些仪器的要求折射率在不同的方向都一样）。备注：关于8题和9题，老师以后还会给发一个关于石英玻璃的文章，请大家以那个为准。复习与思考四1. 水泥生产中希望得到的是-硅酸二钙，还是-硅酸二钙？为什么？（应用已学的硅酸盐物理化学知识从结构分析） 希望得到-硅酸二钙。从结构上说，-硅酸二钙的结构中，钙离子的配位数是6，即6个氧离子与钙离子相配位形成【CaO6】八面体，钙离子的配位相当规则，因此比较稳定，在常温下几乎是惰性的；-硅酸二钙的结构中，钙离子有6和8两种，配位不规则，因而相当活泼，常温下就能与水反应。所以，水泥生产中更希望得到活性较高的-硅酸二钙。？鲍林第五规则（节约规则）：在一个晶体中，本质不同的结构组元的种类，倾向最少数目。2.水泥生产中怎样得到尽量多的-硅酸二钙？（思考，请自己回去查资料） 答：使石灰饱和系数小一点；加入矿化剂，例如Ba2+能固溶于C2S晶格，阻止其向-硅酸二钙转化，并提高了-硅酸二钙的活性；快冷，因为在1250C时，-硅酸二钙要向-硅酸二钙转化。复习与思考五1、烧石灰用方解石还是石灰石好？ 为什么 ？ 石灰石，因为石灰石的分解温度比方解石低，耗能少。2、在既有石灰石和白垩的情况下，玻璃生产中是优先使用石灰石，还是用白垩，为什么？ 白垩，因为白垩脆性很大，易于粉磨，且易烧性都较好；对机械的磨损小，带入原料中的铁少。3、钙质原料在水泥、玻璃、陶瓷中的主要作用？ 主要作用：提供制成无机非金属材料所需的CaO。硅酸盐水泥：钙质原料是烧制硅酸盐水泥熟料的主要原料之一；陶瓷：钙质原料在生产中主要起助熔作用，缩短烧成时间，增加陶器的透明度，使坯釉结合牢固；玻璃：作用主要是稳定剂，即增加玻璃的化学稳定性和机械强度，但含量不宜过高，否则会使玻璃的结晶倾向增大，而且易使玻璃发脆。CaO（10-12%）时增加粘度，而且当温度降低时，粘度增加得很快，使成型困难。4、粘土的化学组成和主要矿物组成是什么? 化学组成：主要为SiO2、Al2O3和结晶水；矿物组成：工业中所用粘土中的主要矿物可分为高岭石类、蒙脱石类及伊利石类三种。5、粘土的工艺性质？ 粘土原料的工艺性质主要取决于其化学、矿物与颗粒组成；粘土的工艺性质是工业生产中合理选择粘土原料的重要指标。可塑性结合性离子交换性触变性膨化性收缩烧结温度与烧结范围耐火度6、石英的晶型转变？（详见书23页的图） 多晶转变根据其进行的方向分为：可逆多晶转变和不可逆多晶转变。可逆多晶转变：双向转变。不可逆多晶转变：单向转变。多晶转变根据转变速度和转变时晶体结构变化的不同分为重建性转变和位移型转变。7、重建性转变、位移性转变的特点？ 重建性转变：这类转变发生时必须打开原子间的键，质点要重排，形成新的结构。位移型转变：这类转变发生时不需要打开任何键或改变最临近的配位数，只是原子从它们原先的位置发生少许位移。8、举例说明石英晶型转变的作用？ 指导硅砖、陶瓷和玻璃制品的生产。例：为什么生产硅砖需要加入矿化剂？-石英和-石英间的转变、-鳞石英和-鳞石英之间的转变、-鳞石英和-鳞石英之间的转变、-方石英和-方石英之间的转变。由于其转变速度快，较小的体积变化就可能由于不均匀应力而引起制品开裂，影响产品质量。因此，硅砖生产中加入矿化剂的目的就是为了提高产品中鳞石英含量，减少方石英生成量，以减少位移性转变所引起的体积变化。 指导硅砖、陶瓷和玻璃制品的应用。例：窑炉烤窑（升温）时，在晶型转变时需要保温或放慢升温速度，避免体积效应引起的开裂，又例：石英的破碎：利用热膨胀效应，将石英原料在1000C进行预烧，有利于石英原料的破碎。复习与思考六1.生产硅砖时为什么要严格控制Al2O3含量？为什么对石英砂粒度有一定的要求？ 硅砖的耐火度随Al2O3的含量增加而提高（从SiO2Al2O3的相图理解）；硅砖生产中要提高产品鳞石英含量，减少方石英含量，以减少位移性转变所引起的体积变化。所以，生产硅砖时要严格控制Al2O3的含量。（注意：这个答案是错的，自己再修改） 颗粒大时会使熔化困难，并常常产生结石，条纹等缺陷；细的石英沙熔化速度快，但过细的沙容易飞扬，结块，使配合料不易混合均匀，同时过细的沙常含有较多的黏土，而且比表面积大，附着的有害杂质也较多。细沙在熔制时虽然玻璃的形成阶段可以较快，但在澄清阶段却多费很多时间；当往熔炉里投料时，细沙容易被燃烧气体带进畜热室，堵塞格子体，同时也使玻璃成分变化。2一般情况下，为什么生产玻璃要对原料进行除铁处理，而生产水泥就不需要进行除铁处理？玻璃原料中铁杂质不但对生产工艺造成不良影响，而且使玻璃着成黄绿色，透明度降低；然而水泥工业生产中，需要铁质校正原料，氧化铁在水泥熟料煅烧中满足熟料矿物组成的要求，同时降低烧成温度和液相黏度，促进熟料煅烧，所以不需要进行除铁处理。3、长石原料在陶瓷和玻璃中的作用？ 在陶瓷中：1.能降低陶瓷产品的烧成温度。2.长石融化后形成的液相能填充体空隙，增大致密度，提高产品的机械强度，透光度和介电性能。3.可提高坯体的干燥速度。在玻璃中：长石在提供Al2O3的同时，也引入了K2O，Na2O，SiO2等成分，减少了纯碱用量。4、Li2O在玻璃中的作用？ 网络外体氧化物，当O/Si小时，主要起断键作用，助熔作用强烈，是强助熔剂；当O/Si大时，主要起积聚作用。Li2O代替Na2O或K2O使玻璃的膨胀系数降低，结晶倾向变小，过量Li2O又使结晶倾向增加。在一般玻璃中，引入少量Li2O可以降低玻璃的溶质温度，提高玻璃的产量和质量。5、为什么Li2O在玻璃中的作用比K2O和Na2O特殊？ 当O/Si小时，主要起段键作用，助熔作用强烈，是强助熔剂；当O/Si比大时，主要起积聚作用。6、为什么玻璃生产中不能引入过多的Na2O？ Na2O能提供游离氧使玻璃结构中的O/Si比值增加，发生段键，因而可以降低玻璃的黏度，使玻璃易于熔融，是玻璃良好的助溶剂。Na2O增加玻璃的热膨胀系数，降低玻璃的热稳定性、化学稳定性和机械强度，所以不能引入过多Na2O，一般不超过百分之十八。7、玻璃生产中是用结晶纯碱还是煅烧纯碱？纯碱储存应特别注意什么？ 玻璃工业中采用煅烧纯碱。因为煅烧纯碱易溶于水，极易吸收空气中的水分而潮解，产生结块，因此必须贮存于干燥仓库内。8、玻璃生产中是用轻质纯碱还是重质纯碱？为什么？ 采用重质纯碱，因为其不易飞扬，分层倾向也较小，有助于配合料的均匀混合；对耐火材料的腐蚀小；化学成分波动小。9、为什么玻璃生产中对纯碱中NaCl和Na2SO4含量有严格的要求？ 含NaCl和Na2SO4杂质多的纯碱在溶质玻璃时会形成“硝水”；对熔炉耐火材料的侵蚀较大，并使玻璃制品产生白色的芒硝泡。10、天然碱的优点及缺点？使用时应注意什么？ 优点：分布广，成本低，可做纯碱的代用原料。 缺点：较纯的天然碱含碳酸钠大约为37左右，对熔炉耐火材料浸蚀较快，而且其中的硫酸钙，硫酸钠分解困难，易形成硫酸盐气泡，还易产生“硝水”。注意点：脱水的天然碱可以直接使用；含结晶水的天然碱，一般先溶解于热水，待杂质沉淀后，再将溶液加入配合料中。复习与思考七1、为什么玻璃生产中常加还原剂？ 在玻璃生产过程中，为了引入Na2O加入芒硝，其884C熔融,热分解温度较高（11201220C），加入还原剂后，使其分解温度（500700C）显著降低，反应速度也相应加快。但应注意对还原剂用量,根据实际情况需要进行必要的调整.2、为什么说碳是万能的还原剂？ 对于化学反应2C+O2=2CO,随着反应温度的上升其吉布斯自由能变减小,而对于大多数化学反应随着温度上升反应吉布斯自由能变增大,因此对于一般化学反应,在温度足够高时,用碳作为还原剂能使反应物得到还原,故碳是万能的还原剂.3、A12O3在玻璃中的配位数对玻璃性质的影响? 在钠硅酸盐中Al3+有4配位和6配位;当Na2O/Al2O31时，是4配位。Al3+位于四面体中。AIO4相比于SIO4，使玻璃的密度降低，从而可以降低玻璃的黏度，使玻璃易于熔融。当Na2O/Al2O31时，是6配位，Al3+位于八面体中，使玻璃的密度增大。4什么是硼反常？（详见书上71页） NA2OB2O3SIO2系统玻璃中，如果B2O3的含量超过一定限度时，结构和性质回发生-逆转现象，在性质变化曲线上会出现极大或极小值，这种现象称为“硼反常”现象。5、铁在玻璃、陶瓷、水泥中的作用？ 在玻璃工业的生产过程中,原料中的铁主要作为着色剂,使玻璃着黄绿色;但同时使用不当会对玻璃的生产工艺造成不良影响,使玻璃透明度降低,因此在玻璃生产前有必要对原料进行除铁处理。 在陶瓷工业生产中所使用的是氧化铁，用做配制釉料。陶瓷坯料中混有铁杂质会使成品的外观质量受到影响,如降低白度与半透明性,也会产生斑点.因此在原料处理与坯料制备的工序中,除铁是必要的工序. 在水泥工业生产中，由于所使用的黏土原料中的氧化铁含量不足，因此，绝大部分水泥厂需要使用铁质校正原料。此时铁质原料中的氧化铁含量应大于40。氧化铁在水泥熟料煅烧中作用主要是满足熟料矿物组成的要求，同时降低烧成温度和液相黏度，促进熟料煅烧。熟料中含铁相较复杂，对硅酸盐水泥熟料，多用C4AF代表铁相组成。若熟料中Al2O3/Fe2O30.64，则可生成铁酸二钙.此外,含C4AF不高的熟料难于粉磨。复习与思考八1澄清剂概念及作用？ 凡在玻璃熔制过程中能分解产生气体，或能降低玻璃黏度，促进排除玻璃液中气泡的物质称为澄清剂。常用的澄清剂有氧化砷和氧化锑、硫酸盐类、氟化物类等。氧化砷和氧化锑 单独使用时将升华挥发，仅起鼓泡作用。与硝酸盐组合使用时，能在低温吸收氧气，在高温放出氧气而起澄清作用。由于AS203的粉状和蒸气都是极毒物质，目前已很少使用，大多改用Sb203。硫酸盐原料主要有硫酸钠，它在高温时分解逸出气体而起澄清作用，平板玻璃厂大都采用此类澄清剂。氟化物类原料。主要有萤石(CaF2)及氟硅酸钠(Na2SiF6)。它们以降低玻璃液黏度而起澄清作用。对耐火材料侵蚀大，产生的气体(HF、SiF4)污染环境，目前已限制使用。复合澄清剂多为砷、锑、硫等的化合物，具有高效、低毒的优点。 2、着色剂概念、分类及着色机理？ 使物质着色的物质，称为物质的着色剂。 在玻璃生产中，根据着色剂在玻璃中呈现的状态不同，分为三类：离子着色剂离子着色剂的作色机理是：钛、钒、铁等过渡金属，在玻璃中以离子状态存在，它们的价电子在不同能级间跃迁，由此引起对可见光的选择吸收，导致玻璃着色；胶体着色剂，金属胶体着色剂的着色机理是：玻璃可以通过细分散的金属对光的选择性吸收而着色。一般认为，选择性吸收是由于胶态金属颗粒的光散射而引起的；硫硒化物着色剂硫硒化镉着色机理：硒红一类玻璃的着色与CdS、CdSe单晶的半导体性有关。根据半导体的能带理论，由于硒原子量比硫大，其激活能必然小于硫，即硒原子中满带的电子比硫原子容易激发到导带。所以在玻璃中形成的CdSxCdSe(1-x)微晶禁带宽度，随CdSe含量的增大而逐渐下降，导致玻璃的吸收极限逐渐向长波方向移动，颜色由黄色到橙色、红色、深红转变。光吸收都是由于一定能量的光激发阴离子（O2-、S2-、Se2-、Te2-）上的价电子到激发态所致。因为S2-、Se2-、Te2-的亲电势比O2-小，故能量较小的光就能激发它们的价电子到激发态，使其截短波极限进入可见光区，导致玻璃的着色。3、金属胶体着色剂主要有哪几种化合物？根据金属胶体着色机理，分析胶体着色一般有那几过程。金属胶体着色剂主要有以下几类：金化合物银化合物铜化合物 金属胶体着色一般分下列几个过程：金属离子的溶解金属离子的还原金属原子的成核和长大4、金属胶体着色为什么常加氧化亚锡？ 为了使金的胶态粒子均匀分布，常在配合料中加入0.2-2的二氧化锡，使金发生分散作用；在银化合物着色剂 配合料中加入二氧化锡可以改善银黄的着色；在头化合物着色剂加入二氧化锡作为还原剂。5、化学脱色剂和物理脱色剂的脱色原理？ 化学着色剂的脱色原理：化学脱色是主要是借助于脱色剂的氧化作用，使着色能力强的低价铁氧化物变成为着力能力较弱的三价铁氧化物，以便使用物理脱色法进一步使颜色中和，接近于无色，使玻璃的透光度增加。 物理脱色剂的脱色原理：物理脱色是在玻璃中加入一定数量的能产生互补色的着色剂，使玻璃由于FeO、Fe2O3、Cr2O3、Ti02所产生的黄绿色到蓝绿色得到互补而消色。复习与思考九1.原料预烧的目的（参考P42预烧1，3段）? a.水泥原料不需要预烧;b.在玻璃生产中预烧的目的:为了减小粗碎时，它们对于机械设备的磨损，降低机械铁的引入;c在陶瓷生产中预烧的目的:消除多晶转变和特殊结构带来不利的影响。2、阿利特（A矿）、贝利特（B矿）概念、特点及怎样应用各自的特点来指导生产和应用? a.阿利特或A矿：在硅酸盐水泥熟料中，C3S并不是以纯的形式出现，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。适用于抢修等工程。 b.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。硅酸二钙水化速率慢，早期强度低，后期强度高，水化热较小，耐水性好，适用于持久耐久的工程。3、游离氧化钙和方镁石对混凝土的危害及怎样减小其对混凝土的危害？ 游离氧化钙和游离氧化镁是高温下生成的，属于过烧，水化很慢，在水泥己硬化后才进行水化，并产生体积膨胀，使己硬化的水泥石裂开，引起体积安定性不良。应尽量使游离氧化钙游