无机非金属材料工艺学0 绪论

1、课课程程沿沿革革计划学时：计划学时：48学时学时参考教材：参考教材：水泥工艺学水泥工艺学 沈威等编著，武汉工业大学出版社沈威等编著，武汉工业大学出版社 玻璃工艺学玻璃工艺学 西北轻工业学院主编，中国轻工业出版社西北轻工业学院主编，中国轻工业出版社 陶瓷工艺学陶瓷工艺学 华南工学院等合编华南工学院等合编课程要求：课程要求：具有扎实的基础知识。具有扎实的基础知识。 全面系统地掌握无机非金属材料的基本概念、全面系统地掌握无机非金属材料的基本概念、 基本理论、制备原理、生产过程的共性与个性基本理论、制备原理、生产过程的共性与个性 及无机非金属材料的基本性能。及无机非金属材料的基本性能。课程的目的与任务

2、：课程的目的与任务：加强学生的基础知识，拓宽知识面，全面加强学生的基础知识，拓宽知识面，全面 系统地建立无机非金属材料工艺知识体系，系统地建立无机非金属材料工艺知识体系， 培养智能型与复合型人材。培养智能型与复合型人材。结构材料结构材料（受力，承载受力，承载）功能材料功能材料（半导体，超导体，以及光、电、声、磁、应力转换等半导体，超导体，以及光、电、声、磁、应力转换等）大坝大坝 以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、以某些元素的氧化物、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，

3、是除金属材料和有机高分子材料以外的等物质组成的材料，是除金属材料和有机高分子材料以外的所有材料的统称。所有材料的统称。无机非金属材料无机非金属材料陶瓷陶瓷胶凝材料胶凝材料天然材料天然材料玻璃玻璃普通普通玻璃玻璃特种特种玻璃玻璃普通普通陶瓷陶瓷特种特种陶瓷陶瓷水硬性胶水硬性胶凝材料凝材料气硬性胶气硬性胶凝材料凝材料 无机非金属材料的生产以铝硅酸盐（粘土、长石等）原料、无机非金属材料的生产以铝硅酸盐（粘土、长石等）原料、硅质（石英砂等）原料、石灰质原料、铝质原料等为主。硅质（石英砂等）原料、石灰质原料、铝质原料等为主。 主要化学成分：主要化学成分：CaO、SiO2、Al2O3、Na2O等。等。无机

4、非金属材料生产所用的主要原料，绝大多数是质地坚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。行破碎。粉体具有较高的比表面积，一定的形状及一定范围的颗粒粉体具有较高的比表面积，一定的形状及一定范围的颗粒级配，同时在粉体制备过程中，物料得到进一步均化，这些因级配，同时在粉体制备过程中，物料得到进一步均化，这些因素对产品的产量、质量有着极为重要的影响。素对产品的产量、质量有着极为重要的影响。粉体制备主要应用于水泥和陶瓷生产过程。粉体制备主要应用于水泥和陶瓷生产过程。 无机非金属材料

5、产品由于使用、进一步加工等过程的需要，无机非金属材料产品由于使用、进一步加工等过程的需要，成型是生产的环节之一。成型是生产的环节之一。无机非金属材料工业所用原料具有很好的稳定性和耐无机非金属材料工业所用原料具有很好的稳定性和耐高温性，它们互相反应生成新的物质或使其形成熔融体，高温性，它们互相反应生成新的物质或使其形成熔融体，必须在较高的温度下进行，因此大部分无机非金属材料生产必须在较高的温度下进行，因此大部分无机非金属材料生产都需要高温热处理。都需要高温热处理。凡能在物理、化学作用下，从浆体变成坚固的石状体，凡能在物理、化学作用下，从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其他物料而具有一定机械强度的物

6、质，统称为胶凝并能胶结其他物料而具有一定机械强度的物质，统称为胶凝材料，又称胶结料。材料，又称胶结料。用石灰、石膏作为胶凝材料 19世纪初（世纪初（18101824年），用人工配合粘土与石灰石年），用人工配合粘土与石灰石经煅烧、磨细以制造水硬性胶凝材料已经开始组织生产。经煅烧、磨细以制造水硬性胶凝材料已经开始组织生产。1824年，英国人年，英国人阿斯普丁阿斯普丁将粘土与石灰石配合烧制成块（熟将粘土与石灰石配合烧制成块（熟料），再经磨细而成水硬性胶凝材料，加水拌和后能硬化制料），再经磨细而成水硬性胶凝材料，加水拌和后能硬化制成人工石，并具有较高强度，其外观与当时建筑上常用的英成人工石，并具有较高

7、强度，其外观与当时建筑上常用的英国波特兰岛上出产的岩石相似，故称之为国波特兰岛上出产的岩石相似，故称之为“波特兰水泥波特兰水泥”（Portland Cement) )，并于，并于18241824年年1010月月2121日首先获得该产品日首先获得该产品的专利权。的专利权。云南红塔集团滇西水泥股份有限公司高海拔31000t/d生产线云南华云公司水泥厂2500t/d生产线山东烟台东源水泥公司3000t/d和5000t/d水泥生产线广州越堡水泥有限公司6000t/d水泥生产线阿联酋UCC10000t/d水泥生产线 凡细磨成粉末状，加入适量水后成为塑性浆体，既能在凡细磨成粉末状，加入适量水后成为塑性浆体

8、，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等散粒或纤维空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等散粒或纤维材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，统称为水泥。材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，统称为水泥。一般土木建筑工程通常采用的水泥；一般土木建筑工程通常采用的水泥；专门用途的水泥。专门用途的水泥。某种性能比较突出的水泥。某种性能比较突出的水泥。玻璃是由熔融物冷却、硬化而得到的玻璃是由熔融物冷却、硬化而得到的非晶态固体非晶态固体，其，其内能和构形熵高于相应的晶体，从熔融态转变为固态时有内能和构形熵高于相应的晶体，从熔融态转变为固态时有一定的转变温度一定的转变温度Tg。v 透明，坚硬，良

9、好的耐蚀、耐热、电学和光学性质；透明，坚硬，良好的耐蚀、耐热、电学和光学性质；v 通过调整化学组成，并结合各种工艺方法可大幅度调整玻璃的和物理通过调整化学组成，并结合各种工艺方法可大幅度调整玻璃的和物理 化学性能；化学性能； v 能够用多种成型制成各种形状和大小的制品；能够用多种成型制成各种形状和大小的制品；v 通过焊接和粉末烧结等加工方法制成形状复杂、尺寸严格的器件。通过焊接和粉末烧结等加工方法制成形状复杂、尺寸严格的器件。 在任何方向上都具有相同的性质。在任何方向上都具有相同的性质。 玻璃态物质比相应的晶态物质含较大的内能，它不是处于玻璃态物质比相应的晶态物质含较大的内能，它不是处于能量最

10、低的稳定状态，而是处于介稳状态。能量最低的稳定状态，而是处于介稳状态。 玻璃态物质由固体转变为液体是在一定温度区域内进行的。玻璃态物质由固体转变为液体是在一定温度区域内进行的。（4）固态和熔融态间转化的渐变性和可逆性（）固态和熔融态间转化的渐变性和可逆性（图图0-2-1、图图0-2-2）（5）性质随成分变化的连续性和渐变性（）性质随成分变化的连续性和渐变性（图图0-2-3）元素玻璃元素玻璃氧化物玻璃氧化物玻璃非氧化物玻璃非氧化物玻璃硫系玻璃硫系玻璃硒玻璃硒玻璃卤化物玻璃卤化物玻璃硫族化学物玻璃硫族化学物玻璃建筑玻璃建筑玻璃日用轻工玻璃日用轻工玻璃仪器玻璃仪器玻璃光学玻璃光学玻璃电真空玻璃电真空

11、玻璃 如光学特性玻璃、热学特性玻璃、耐高温玻璃；导电玻璃、半导体玻璃、如光学特性玻璃、热学特性玻璃、耐高温玻璃；导电玻璃、半导体玻璃、超导玻璃；力学方面的高强玻璃、耐磨玻璃；化学稳定性方面的耐碱玻璃、超导玻璃；力学方面的高强玻璃、耐磨玻璃；化学稳定性方面的耐碱玻璃、耐酸玻璃等。耐酸玻璃等。本书中所述陶瓷是指以无机非金属天然矿物或化工产品本书中所述陶瓷是指以无机非金属天然矿物或化工产品为原料，经原料处理、成型、干燥、烧成等工序制成的产品，为原料，经原料处理、成型、干燥、烧成等工序制成的产品，是陶器和瓷器的总称。是陶器和瓷器的总称。 随着生产和科学技术的发展，陶瓷产品的种类也日益增多。随着生产和科

12、学技术的发展，陶瓷产品的种类也日益增多。按组成可分为硅酸盐陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷；按性按组成可分为硅酸盐陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷；按性能可分为普通陶瓷、特种陶瓷；按用途可分为日用瓷、艺术瓷、能可分为普通陶瓷、特种陶瓷；按用途可分为日用瓷、艺术瓷、建筑瓷、化工瓷等。建筑瓷、化工瓷等。v 此外陶瓷的此外陶瓷的脆性大，理论强度高，但实际强度较低，脆性大，理论强度高，但实际强度较低，这是这是陶瓷性能改善的主要方面之一。陶瓷性能改善的主要方面之一。陶瓷陶瓷 玻璃玻璃 水泥水泥v 对科学技术发展的作用对科学技术发展的作用v 对工业及社会进步的作用对工业及社会进步的作用v 对巩固国防、发展军用

13、技术的作用对巩固国防、发展军用技术的作用v 在生物医学方面的作用在生物医学方面的作用合成与制备合成与制备结结 构构组组 成成性性 能能典型生产工艺流程机械化立窑水泥生产工艺流程图典型生产工艺流程回转窑水泥生产工艺流程图典型生产工艺流程玻璃类（浮法）玻璃类（浮法）典型生产工艺流程陶瓷（釉面砖类）典型生产工艺流程碳素材料类 l作业作业注明班级、姓名、学号）注明班级、姓名、学号）u1 1、什么是材料，材料如何分类？、什么是材料，材料如何分类？u2 2、无机非金属材料的定义与分类？、无机非金属材料的定义与分类？u3 3、水泥、玻璃、水泥的定义、特征与分类？、水泥、玻璃、水泥的定义、特征与分类？要求：要

14、求：1 1、作业按学号顺序排列；、作业按学号顺序排列；2 2、课代表在第二次上课之前将作业送至授课老师办公室；、课代表在第二次上课之前将作业送至授课老师办公室； 一.土木工程材料的定义 二.土木工程材料的分类 按化学成分按化学成分无机材料无机材料有机材料有机材料复合材料复合材料按使用功能按使用功能结构材料结构材料墙体材料墙体材料功能材料功能材料土木工程（建筑物、构筑物）中使用的各种材料及制品土木工程（建筑物、构筑物）中使用的各种材料及制品有机材料有机材料无机材料无机材料复合材料复合材料黑色金属：钢、铁、不锈钢等黑色金属：钢、铁、不锈钢等金属材料金属材料非金属材料非金属材料有色金属：铝、铜等其他

15、合金有色金属：铝、铜等其他合金天然石材：砂、石及石材制品等天然石材：砂、石及石材制品等烧土制品：砖、瓦、玻璃等烧土制品：砖、瓦、玻璃等胶凝材料：石灰、石膏、水泥、水玻璃等胶凝材料：石灰、石膏、水泥、水玻璃等砼及硅酸盐制品：砼、砂浆及硅酸盐制品砼及硅酸盐制品：砼、砂浆及硅酸盐制品植物材料：木材、竹材等植物材料：木材、竹材等沥青材料：石油沥青、煤沥青、沥青制品等沥青材料：石油沥青、煤沥青、沥青制品等高分子材料：塑料、涂料、胶粘剂等高分子材料：塑料、涂料、胶粘剂等无机非金属与有机复合：玻璃钢、聚合物砼、沥青混合料无机非金属与有机复合：玻璃钢、聚合物砼、沥青混合料等等金属材料与无机非金属材料复合：钢纤

16、维砼等金属材料与无机非金属材料复合：钢纤维砼等金属材料与有机材料复合：轻质金属夹芯板金属材料与有机材料复合：轻质金属夹芯板分：分：强制性强制性推荐性推荐性如：如：GBGB/T国家标准国家标准GBGB行业标准行业标准专业标准专业标准地方标准地方标准DBDB标准构成标准构成标准代号标准代号 标准顺序标准顺序号号 发布年代发布年代号号 标准名称标准名称建工建工JG交通交通JT建材建材JC冶金冶金YB石化石化SH企业标准企业标准QBQB标标准准名名称称标标准准代代号号标标准准顺顺序序号号发发布布年年代代号号例如：例如：聚氨酯建筑密封膏聚氨酯建筑密封膏JC/T 4822003三三. .技技术术标标准准一

17、、无机非金属材料 一、硅酸盐材料1.陶瓷 2.玻璃3.水泥二、特殊无机非金属材料二、特殊无机非金属材料1.半导体材料半导体材料2.特种陶瓷特种陶瓷 3.单晶硅单晶硅 4.光导纤维光导纤维硅酸盐材料 沙石、黏土、石英、石棉、陶瓷、玻璃、水泥 硅酸盐材料大多具有稳定性强、硬度高、熔点高、难溶于水、绝缘、耐腐蚀等特点。1.1 水泥 硅酸盐中用量最大的是水泥，建筑工程都离不开它。水泥具有水硬性，加水搅拌静置后就凝固变硬。它不仅能在空气中凝结硬化，而且能在水中继续硬化并提高强度。图图5- -15 长江三峡大坝长江三峡大坝水泥种类、制作、主要成分 水泥种类很多，改变原料成分和配比可制成性质、用途不同的各种

18、水泥。 以石灰石和黏土为主要原料，按一定比例混合磨细后在水泥回转窑中煅烧，冷却后加入适量石膏磨成细粉，就是普通水泥。 普通水泥的主要成分是硅酸三钙（3CaOSiO2）、硅酸二钙（2CaOSiO2）和铝酸三钙（3CaOAl2O3）。混凝土 水泥、沙子和碎石的混合物叫混凝土。混凝土常用钢筋做结构，即钢筋混凝土结构，可用来建造桥梁、高楼大厦等1.2 玻璃 普通玻璃（钠玻璃）的原料是石英（SiO2）、纯碱（Na2CO3）和石灰石（CaCO3），反应后生成硅酸钠和硅酸钙，即钠玻璃的主要成分。 用于制造玻璃管、门窗玻璃等； 采用不同的成分可以值得不同特点的玻璃。耐温玻璃 以钾取代钠，可得到熔点较高的钾玻璃

19、，用于制造燃烧管，高温反应器等；光学玻璃 以铝代替钠和钙，则可制得光学玻璃，如显微镜、望远镜用透镜等；颜色玻璃 在玻璃中加入少量有颜色的金属化合物，可以得到颜色不同的玻璃，如氧化钴（Co2O3）着蓝色，氧化亚铜（Cu2O）着红色，氧化铬（Cr2O3）着绿色等。变色玻璃 在玻璃中加入卤化银，并进行适当的热处理即可制得变色玻璃。当阳光照到玻璃上时，卤化银分解，银原子聚集成较大的银粒，使玻璃变黑、深棕色，一旦强光消失，卤素与银又化合成卤化银，玻璃便自动褪色，又恢复到透光性。钢化玻璃 普通玻璃易碎，如果在软化态玻璃冷却过程中采取措施，使其表面应力保留下来，可大大提高玻璃的抗拉强度，这样的玻璃称为钢化玻

20、璃。 钢化玻璃破碎时为粉碎状，不会有普通玻璃破碎时的大块和尖角，具有较高的安全性能，常用于车窗玻璃。图图5- -14 钢化玻璃钢化玻璃玻璃性质 玻璃没有固定熔点，而是在某一温度范围内逐渐软化，在软化状态时，玻璃可吹成或轧成任何形状。玻璃性质稳定，但易被氢氟酸和强碱腐蚀。 此外，玻璃还具有易于成型、透明、质地均匀、表面光滑以及成本低的特性，使得它成为日益发展的通讯、信息和电子工业必不可少的材料之一。1.3 陶瓷 在硅酸盐工业中，出现最早的工艺就是制陶、烧瓷。 在距今约4500年的新石器时代，我们的祖先就已经制出各种陶制器具 秦始皇陵出土陶制兵马俑 唐朝的“唐三彩”， 宋朝的“钧瓷”图图11 陶制

21、兵马俑陶制兵马俑图图12 景德镇陶瓷景德镇陶瓷陶瓷的制造 传统的陶瓷制造过程是将黏土与水混匀，制成所需要形状的坯件，再经高温焙烧，就得到成品。 原料和烧制温度是影响陶瓷品种和性能的关键技术。 1000以下烧成的是陶器，而烧制瓷器则需要更高的温度。陶瓷的原料 陶器的原料是较低级的黏土，其化学成分比例约为氧化铝Al2O3 15%18%，氧化铁Fe2O35%6%。 瓷器的原料是较高级的黏土，约含Al2O318%28%，Fe2O31%2%，Al2O3相对较多。【问与答】 你能比较归纳比较三种常见硅酸盐材料的化学成分和性能吗？二、特殊无机非金属材料 传统的无机非金属材料是日常生活和生产建设所必需的材料，

22、而新型无机非金属材料则在高科技领域、新兴产业和传统工业技术改造中应用广泛。2.1半导体材料 在物理学上，通常按材料的电阻的不同将各种材料分成“导体”、“半导体”和“绝缘体”三个档次。电阻率介于导体和绝缘体之间的材料，称为半导体材料。 锗和硅是最常用的元素半导体；二极管 同一种半导体材料，可以制成两种类型的半导体，一种是p型半导体，另一种叫n型半导体。当在半导体上加上电压时，只有一个方向的电流能通过，如果将正负极调换一下，电流就不能通过，也就是，它具有单向导电的功能。因此，利用半导体材料的这种特性制成的二极管可以对电信号进行检波。应用： 现在，半导体材料几乎渗透到人们工作、生活、学习与休闲等多个

23、领域。各种家用电器，如电视机、录像机、电脑、电话等，都离不开半导体材料。2.2 特种陶瓷 随着科学技术水平的不断进步，人们能用人工合成的高纯度无机化合物为原料，制造出了在光、电、化学和生物学等方面具有特殊性能的陶瓷材料，称为特种陶瓷。（1）氮化硅陶瓷 用高纯硅粉在氮气中，1300下直接反应可制得块状的氮化硅的硬度大，熔点高，化学性质稳定，电绝缘性好，在1200下仍可保持室温时的强度和硬度。反应方程式为：3Si2N2 = Si3N4 【性质性质】【主要用途】 氮化硅陶瓷摩擦系数小的特点，可作为轴承材料，并可免除润滑系统。 氮化硅陶瓷做发动机，可使燃料在高温下充分燃烧，提高热效率；可取代高温合金来制造飞机上的涡轮发动机，可以减轻飞机的质量。（2）碳化硅陶瓷将二氧化硅与碳在电弧炉中加热至1900以上可得到碳化硅。反应方程式为：SiO23C = SiC2CO 【性质】 碳化硅又称金刚砂，其结构与金刚石相似，硬度也可与其相媲美，化学性质稳定，可耐2000的高温，在室温下导电，热传导能力好。【主要用途】 碳化硅陶瓷制成硅碳电热棒，是很好的电热组件；可用作核反应堆中核燃料的包封材料；航天器的涂层材料和火箭尾喷管的喷嘴。碳化硅碳化硅2.3 单晶硅 硅在地壳中含量丰富，仅次于氧，在自然界中没有游离态的硅，硅主要以硅酸盐和氧化物的形式存在于地壳的各种矿物和岩石里，