无机非金属材料工艺学绪论

课程沿革无机非金属材料工艺学计划学时：48学时参考教材：《水泥工艺学》沈威等编著，武汉工业大学出版社

《玻璃工艺学》西北轻工业学院主编，中国轻工业出版社

《陶瓷工艺学》华南工学院等合编课程要求：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、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。课程的目的与任务：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，培养智能型与复合型人材。0绪论

0.1材料及无机非金属材料的定义与分类

0.1.1材料的定义与分类

从广义的角度，材料定义为能够用以加工有用物质的物质。

材料分类按性能、使用用途分类：结构材料（受力，承载）功能材料（半导体，超导体，以及光、电、声、磁、应力转换等）按化学组成和显微结构特点分类：材料金属材料无机非金属材料有机高分子材料复合材料大坝金属材料无机非金属材料有机高分子材料复合材料材料金属材料无机非金属材料有机高分子材料复合材料0.1.2无机非金属材料的定义与分类无机非金属材料

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。无机非金属材料陶瓷胶凝材料天然材料玻璃普通玻璃特种玻璃普通陶瓷特种陶瓷水硬性胶凝材料气硬性胶凝材料0.1.3无机非金属材料的特性

在晶体结构上，无机非金属材料组成元素之间的化学键主要为离子键或离子-共价混合键。与化学键为金属键的金属材料和共价键的有机高分子材料相比，无机非金属材料有以下特征：

具有复杂的晶体结构没有自由电子高熔点高硬度较好的耐化学腐蚀性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小0.1.4无机非金属材料生产过程的共性与个性（1）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。主要化学成分：CaO、SiO2、Al2O3、Na2O等。（2）原料的破碎

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。（3）粉体制备

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。（4）成型

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。陶瓷成型在热加工之前；玻璃成型在热加工之后；水泥成型主要在使用时，如加工混凝土制品等。（5）烘干烘干是为了除去物料或坯体中一定量的自由水。陶瓷成型后的坯体必须经过干燥，才能进入烧成。（6）高温热处理

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，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。高温热处理是整个生产过程中的核心。

水泥煅烧陶瓷烧结玻璃熔融0.2典型无机非非金属材料料0.2.1胶凝材料胶凝材料定定义凡能在物理理、化学作作用下，从从浆体变成成坚固的石石状体，并能胶结其其他物料而而具有一定定机械强度度的物质，，统称为胶胶凝材料，又称称胶结料。。胶凝材料分分类按组成物质质分类有机胶凝材材料，如沥青，各各种树脂等等。无机胶凝材材料水硬性胶凝凝材料气硬性胶凝凝材料拌水后既能能在空气中中硬化又能能在水中硬硬化，如水水泥。拌水后只能能在空气中中硬化而不不能在水中中硬化，如如石灰、石石膏等。（1）胶凝材料料的定义与与分类用石灰、石石膏作为胶胶凝材料水泥的发明明19世纪初（1810~1824年），用人人工配合粘粘土与石灰灰石经煅烧、磨磨细以制造造水硬性胶胶凝材料已已经开始组组织生产。。1824年，英国人人阿斯普丁将粘土与石石灰石配合合烧制成块块（熟料），再经经磨细而成成水硬性胶胶凝材料，，加水拌和和后能硬化化制成人工石，，并具有较较高强度，，其外观与与当时建筑筑上常用的的英国波特兰岛岛上出产的的岩石相似似，故称之之为“波特兰水水泥”（PortlandCement)，并于1824年10月21日首先获获得该产产品的专利权权。云南红塔塔集团滇滇西水泥泥股份有有限公司司高海拔拔3×1000t/d生产线云南华云云公司水水泥厂2500t/d生产线山东烟台台东源水水泥公司司3000t/d和5000t/d水泥生产产线广州越堡堡水泥有有限公司司6000t/d水泥生产产线阿联酋UCC10000t/d水泥生产产线（2）水泥的的定义与与分类水泥的定定义凡细磨成成粉末状状，加入入适量水水后成为为塑性浆浆体，既既能在空气中硬硬化，又又能在水水中硬化化，并能能将砂、、石等散散粒或纤纤维材料牢固固地胶结结在一起起的水硬硬性胶凝凝材料，，统称为为水泥。。水泥的分分类按用途和和性能分分类通用水泥泥：一般土木木建筑工工程通常常采用的的水泥；；专用水泥泥：专门用途途的水泥泥。特性水泥泥：某种性能能比较突突出的水水泥。按组成分分类：硅酸盐水水泥系列列铝酸盐水水泥系列列氟铝酸盐盐水泥系系列硫铝酸盐盐水泥系系列铁铝酸盐盐水泥系系列其它:如无无熟料、、少熟料料水泥（3）水泥的的基本特特性作为水硬硬性胶凝凝材料的的水泥具具有以下下特性：：水泥浆具具有良好好的可塑塑性，与与其它材材料混合合后的混混和物可可拥有适宜的和和易性。。较强的适适应性。。较好的耐耐侵蚀、、防辐射射性能。。硬化后的的水泥浆浆体具有有较高的的强度，，且强度度随龄期期的延长长而逐渐增长。。良好的耐耐久性。。通过改变变水泥的的组成，，可适当当调整水水泥的质质量。可与纤维维、聚合合物等多多种有机机、无机机材料匹匹配。制得各种种水泥基基复合材材料，充充分发挥挥材料潜潜能。0.2.2玻璃玻璃的定定义玻璃是由由熔融物物冷却、、硬化而而得到的的非晶态固固体，其内能和构构形熵高高于相应应的晶体体，从熔熔融态转转变为固固态时有有一定的转转变温度度Tg。玻璃结构构为短程程有序，，长程无无序。玻璃的特特性：透明，坚坚硬，良良好的耐耐蚀、耐耐热、电电学和光光学性质质；通过调整整化学组组成，并并结合各各种工艺艺方法可可大幅度度调整玻玻璃的和和物理化学性能能；能够用多多种成型型制成各各种形状状和大小小的制品品；通过焊接接和粉末末烧结等等加工方方法制成成形状复复杂、尺尺寸严格格的器件件。玻璃的通通性（1）各向同同性在任何方方向上都都具有相相同的性性质。（2）介稳性性玻璃态物物质比相相应的晶晶态物质质含较大大的内能能，它不不是处于于能量最低低的稳定定状态，，而是处处于介稳稳状态。。（3）无固定定熔点玻璃态物物质由固固体转变变为液体体是在一一定温度度区域内内进行的的。（4）固态和和熔融态态间转化化的渐变变性和可可逆性（（图0-2-1、图0-2-2）（5）性质随随成分变变化的连连续性和和渐变性性（图0-2-3）玻璃的分分类按组成分分类元素玻璃璃氧化物玻玻璃非氧化物物玻璃硫系玻璃璃硒玻璃卤化物玻玻璃硫族化学学物玻璃璃按用途分分类建筑玻璃璃日用轻工工玻璃仪器玻璃璃光学玻璃璃电真空玻玻璃玻璃还可可以按性性能分类类，一般般用于一一些专门门用途、、具有某一方面面的特定定性能的的玻璃。。如光学特特性玻璃璃、热学学特性玻玻璃、耐耐高温玻玻璃；导导电玻璃璃、半导导体玻璃璃、超导导玻璃；；力学方方面的高高强玻璃璃、耐磨磨玻璃；；化学稳稳定性方方面的耐耐碱玻璃璃、耐酸酸玻璃等等。0.2.3陶瓷陶瓷的定定义本书中所所述陶瓷瓷是指以以无机非非金属天天然矿物物或化工工产品为原料，，经原料料处理、、成型、、干燥、、烧成等等工序制制成的产产品，是陶器和和瓷器的的总称。。通常按吸吸水率划划分。陶瓷的分类类随着生产和和科学技术术的发展，，陶瓷产品品的种类也也日益增多多。按组成可分分为硅酸盐盐陶瓷、氧氧化物陶瓷瓷、非氧化化物陶瓷；；按性能可分为普普通陶瓷、、特种陶瓷瓷；按用途途可分为日日用瓷、艺艺术瓷、建筑瓷、化化工瓷等。。陶瓷的基本本特性与特特点陶瓷的显微微结构由结晶相、气气孔和玻璃璃相组成。陶瓷瓷材料的离子键、、共价键赋赋予该种材材料许多优优良的性能能：较高的弹性性模量强度高，抗抗压强度远远远大于抗抗拉强度耐磨性能良良好好的耐久性性，如耐腐腐蚀、耐高高温、抗氧氧化硬度高优良的电绝绝缘性能此外陶瓷的的脆性大，理理论强度高高，但实际际强度较低低，这是陶瓷性能改改善的主要要方面之一一。0.3无机非金属属材料的现现状及发展展趋势陶瓷玻璃水泥0.4无机非金属属材料在人人类生活中中的地位与与作用对科学技术术发展的作作用对工业及社社会进步的的作用对巩固国防防、发展军军用技术的的作用在生物医学学方面的作作用0.5无机非金属属材料工艺艺学的研究究内容合成与制备结构组成性能典型生产工工艺流程机械化立窑窑水泥生产产工艺流程程图典型生产工工艺流程回转窑水泥泥生产工艺艺流程图典型生产工工艺流程玻璃类（浮浮法）典型生产工工艺流程陶瓷（釉面面砖类）典型生产工工艺流程碳素材料类类图0-2-1物质内能与与体积随温温度的变化化图0-2-2不同冷却速速度下玻璃璃的比容与与温度的关关系图0-2-3R2O-SiO2系统玻璃的的弹性变化化1-Li2O；2-Na2O；3-K2O谢谢大家！！Thankyouforyourattention！Questions作业——注明班级、、姓名、学学号）1、什么是材材料，材料料如何分类类？2、无机非金金属材料的的定义与分分类？3、水泥、玻玻璃、水泥泥的定义、、特征与分分类？要求：1、作业按学学号顺序排排列；2、课代表在在第二次上上课之前将将作业送至至授课老师师办公室；；一.土木工程材材料的定义义二.土木工程材材料的分类类按化学成分分无机材料有机材料复合材料按使用功能结构材料墙体材料功能材料土木工程（（建筑物、、构筑物））中使用的的各种材料料及制品VS土木工程材材料有机材料无机材料复合材料黑色金属：：钢、铁、、不锈钢等等金属材料非金属材料料有色金属：：铝、铜等等其他合金金天然石材：：砂、石及及石材制品品等烧土制品：：砖、瓦、、玻璃等胶凝材料：：石灰、石石膏、水泥泥、水玻璃璃等砼及硅酸盐盐制品：砼砼、砂浆及及硅酸盐制制品植物材料：：木材、竹竹材等沥青材料：：石油沥青青、煤沥青青、沥青制制品等高分子材料料：塑料、、涂料、胶胶粘剂等无机非金属属与有机复复合：玻璃璃钢、聚合合物砼、沥沥青混合料料等金属材料与与无机非金金属材料复复合：钢纤纤维砼等金属材料与与有机材料料复合：轻轻质金属夹夹芯板分：强制性推荐性如：GBGB/T国家标准GB行业标准专业标准地方标准DB标准构成—①标准代号②标准顺序序号③发布年代代号④标准名称称建工JG交通JT建材JC冶金YB石化SH…企业标准QB④标准名称①标准代号②标准顺序号③发布年代号例如：《聚氨酯建筑筑密封膏》JC/T482—2003三.技术标准一、无机非非金属材料料一、硅酸盐盐材料1.陶瓷2.玻璃3.水泥二、特殊无无机非金属属材料1.半导体材料料2.特种陶瓷3.单晶硅4.光导纤维硅酸盐材料料沙石、黏土土、石英、、石棉、陶陶瓷、玻璃璃、水泥硅酸盐材料料大多具有有稳定性强强、硬度高高、熔点高高、难溶于于水、绝缘缘、耐腐蚀蚀等特点。。1.1水水泥硅酸盐中用用量最大的的是水泥，，建筑工程程都离不开开它。水泥泥具有水硬硬性，加水水搅拌静置置后就凝固固变硬。它它不仅能在在空气中凝凝结硬化，，而且能在在水中继续续硬化并提提高强度。。图5-15长江三峡大坝水泥种类、、制作、主主要成分水泥种类很很多，改变变原料成分分和配比可可制成性质质、用途不不同的各种种水泥。以石灰石和和黏土为主主要原料，，按一定比比例混合磨磨细后在水水泥回转窑窑中煅烧，，冷却后加加入适量石石膏磨成细细粉，就是是普通水泥泥。普通水泥的的主要成分分是硅酸三三钙（3CaO••SiO2）、硅酸二二钙（2CaO••SiO2）和铝酸三三钙（3CaO••Al2O3）。混凝土水泥、沙子子和碎石的的混合物叫叫混凝土。。混凝土常常用钢筋做做结构，即即钢筋混凝凝土结构，，可用来建建造桥梁、、高楼大厦厦等1.2玻玻璃普通玻璃（（钠玻璃））的原料是是石英（SiO2）、纯碱（（Na2CO3）和石灰石石（CaCO3），反应后后生成硅酸酸钠和硅酸酸钙，即钠钠玻璃的主主要成分。。用于制造玻玻璃管、门门窗玻璃等等；采用不同的的成分可以以值得不同同特点的玻玻璃。耐温玻璃以钾取代钠钠，可得到到熔点较高高的钾玻璃璃，用于制制造燃烧管管，高温反反应器等；；光学玻璃以铝代替钠钠和钙，则则可制得光光学玻璃，，如显微镜镜、望远镜镜用透镜等等；颜色玻璃在玻璃中加加入少量有有颜色的金金属化合物物，可以得得到颜色不不同的玻璃璃，如氧化化钴（Co2O3）着蓝色，，氧化亚铜铜（Cu2O）着红色，，氧化铬（（Cr2O3）着绿色等等。变色玻璃在玻璃中加加入卤化银银，并进行行适当的热热处理即可可制得变色色玻璃。当当阳光照到到玻璃上时时，卤化银银分解，银银原子聚集集成较大的的银粒，使使玻璃变黑黑、深棕色色，一旦强强光消失，，卤素与银银又化合成成卤化银，，玻璃便自自动褪色，，又恢复到到透光性。。钢化玻璃普通玻璃易易碎，如果果在软化态态玻璃冷却却过程中采采取措施，，使其表面面应力保留留下来，可可大大提高高玻璃的抗抗拉强度，，这样的玻玻璃称为钢钢化玻璃。。钢化玻璃破破碎时为粉粉碎状，不不会有普通通玻璃破碎碎时的大块块和尖角，，具有较高高的安全性性能，常用用于车窗玻玻璃。图5-14钢化玻璃玻璃性质玻璃没有固固定熔点，，而是在某某一温度范范围内逐渐渐软化，在在软化状态态时，玻璃璃可吹成或或轧成任何何形状。玻玻璃性质稳稳定，但易易被氢氟酸酸和强碱腐腐蚀。此外，玻璃璃还具有易易于成型、、透明、质质地均匀、、表面光滑滑以及成本本低的特性性，使得它它成为日益益发展的通通讯、信息息和电子工工业必不可可少的材料料之一。1.3陶陶瓷在硅酸盐工工业中，出出现最早的的工艺就是是制陶、烧烧瓷。在距今约4500年年的新石器器时代，我我们的祖先先就已经制制出各种陶陶制器具秦始皇陵出出土陶制兵兵马俑唐朝的“唐唐三彩”，，宋朝的“钧钧瓷”图11陶制兵马俑图12景德镇陶瓷陶瓷的制造造传统的陶瓷瓷制造过程程是将黏土土与水混匀匀，制成所所需要形状状的坯件，，再经高温温焙烧，就就得到成品品。原料和烧制制温度是影影响陶瓷品品种和性能能的关键技技术。1000℃℃以下烧成成的是陶器器，而烧制制瓷器则需需要更高的的温度。陶瓷的原料料陶器的原料是较较低级的黏黏土，其化化学成分比比例约为氧氧化铝Al2O315%～18%，氧化铁Fe2O35%～6%。瓷器的原料是较较高级的黏黏土，约含含Al2O318%～28%，Fe2O31%～2%，Al2O3相对较多。。【问与答】】你能比较归归纳比较三三种常见硅硅酸盐材料料的化学成成分和性能能吗？二、特殊无无机非金属属材料传统的无机机非金属材材料是日常常生活和生生产建设所所必需的材材料，而新新型无机非非金属材料料则在高科科技领域、、新兴产业业和传统工工业技术改改造中应用用广泛。2.1半导导体材料在物理学上上，通常按按材料的电电阻的不同同将各种材材料分成““导体”、、“半导体体”和“绝绝缘体”三三个档次。。电阻率介介于导体和和绝缘体之之间的材料料，称为半半导体材料料。锗和硅是最最常用的元元素半导体体；二极管同一种半导导体材料，，可以制成成两种类型型的半导体体，一种是是p型半导体，，另一种叫叫n型半导体。。当在半导导体上加上上电压时，，只有一个个方向的电电流能通过过，如果将将正负极调调换一下，，电流就不不能通过，，也就是，，它具有单单向导电的的功能。因因此，利用用半导体材材料的这种种特性制成成的二极管管可以对电电信号进行行检波。应用：现在，半导导体材料几几乎渗透到到人们工作作、生活、、学习与休休闲等多个个领域。各各种家用电电器，如电电视机、录录像机、电电脑、电话话等，都离离不开半导导体材料。。2.2特特种陶瓷随着科学技技术水平的的不断进步步，人们能能用人工合合成的高纯纯度无机化化合物为原原料，制造造出了在光光、电、化化学和生物物学等方面面具有特殊殊性能的陶陶瓷材料，，称为特种种陶瓷。（1）氮化化硅陶瓷用高纯硅粉粉在氮气中中，1300℃下直接反反应可制得得块状的氮氮化硅的硬硬度大，熔熔点高，化化学性质稳稳定，电绝绝缘性好，，在1200℃下仍可保保持室温时时的强度和和硬度。反反应方程式式为：3Si＋2N2=Si3N4【性质】【主要用途】】氮化硅陶瓷摩摩擦系数小的的特点，可作作为轴承材料料，并可免除除润滑系统。。氮化硅陶瓷做做发动机，可可使燃料在高高温下充分燃燃烧，提高热热效率；可取取代高温合金金来制造飞机机上的涡轮发发动机，可以以减轻飞机的的质量。（2）碳化硅陶瓷瓷将二氧化硅与与碳在电弧炉炉中加热至1900℃以上可得到碳碳化硅。反应方程式为为：SiO2＋3C=SiC＋2CO↑【性质】碳化硅又称金金刚砂，其结结构与金刚石石相似，硬度度也可与其相相媲美，化学学性质稳定，，可耐2000℃的高温温，在室温下下导电，热传传导能力好。。【主要用途】】碳化硅陶瓷制制成硅碳电热热棒，是很好好的电热组件件；可用作核核反应堆中核核燃料的包封封材料；航天天器的涂层材材料和火箭尾尾喷管的喷嘴嘴。碳化硅2.3单晶晶硅硅在地壳中含含量丰富，仅仅次于氧，在在自然界中没没有游离态的的硅，硅主要要以硅酸盐和和氧化物的形形式存在于地地壳的各种矿矿物和岩石里里，是构成矿矿物和岩石的的主要成分。。【性质】用碳在高温下下还原二氧化化硅制得含有有少量杂质的的粗硅。将粗粗硅提纯后，，可以得到高高纯硅，反应应方程式为：：SiO2＋2C=Si＋2CO常温下，硅的的化学性质不不活泼，不与与氢气、氯气气、硫酸、硝硝酸等反应，，但溶于氢氟氟酸和碱液。。晶体硅的特性性硅的导电性能能介于导体和和绝缘体之间间。高纯度的晶体体硅在极低的的温度下几乎乎不导电，在在升温、光照照等外界条件件的影响下，，电阻迅速减减少，导电能能力增强，所所以高纯度晶晶体硅是良好好的半导体材材料。【主要用途】】高纯度单晶硅硅是制造大功功率晶体管、、整流器、各各种集成电路路（包括计算算机内的芯片片和CPU）的原材料。。单晶硅圆片按其直径径分为6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。直直径越大的圆圆片，所能刻刻制的集成电电路越多，芯芯片的成本也也就越低。在硅晶体中掺掺入微量的磷磷元素和硼元元素，可做成成太阳能电池池，将辐射能能转变为电能能。【实践活动】】硅材料是重要要的半导体材材料，它的产产量和用量标标志着一个国国家的电子工工业水平。请请以硅材料的的应用为关键键词，查阅资资料，并在同同学之间交流流。2.4光导导纤维是用高折射率率的超纯石英英或特种光学学玻璃通过特特殊技术制成成的复合纤维维。光缆光导纤维简称称光纤，其中中心称为内芯芯，外面是包包层，光线在在内芯中发生生全反射，使使光波沿锯齿齿形向前传播播，避免了光光在传输过程程中的折射损损耗。如果将将许多根经过过技术处理的的光纤绕在一一起，就是光光缆。激光应用在工业方面，，光纤可传输输激光进行机机械加工，也也可用于工业业生产的自动动控制，机器器内及机器间间的信号传送送，光电开关关等。光纤还还可用于医疗疗，遥测遥控控，照明等许许多方面。例例如激光手术术就是由光导导纤维将激光光传递至手术术部位而切除除病变组织的的一种手术。。小结1、介绍了常见见的硅酸盐材材料，如陶瓷、玻璃、、水泥的组成，生产产过程，以及及它们的主要要用途.2、介绍特殊无无机非金属材材料，如半导体材料、、特种陶瓷、、单晶硅、光光导纤维的组成，生产产过程，以及及它们的主要要用途.9、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、雨中黄叶树树，灯下白头头人。。14:04:2814:04:2814:0412/29/20222:04:28PM11、以我我独沈沈久，，愧君君相见见频。。。12月月-2214:04:2814:04Dec-2229-Dec-2212、故故人人江江海海别别，，几几度度隔隔山山川川。。。。14:04:2814:04:2814:04Thursday,December29,202213、乍见翻疑梦梦，相悲各问问年。。12月-2212月-2214:04:2814:04:28December29,202214、他他乡乡生生白白发发，，旧旧国国见见青青山山。。。。29十十二二月月20222:04:28下下午午14:04:2812月月-2215、比不了得就就不比，得不不到的就不要要。。。十二月222:04下下午12月-2214:04December29,202216、行动出成成果，工作作出财富。。。2022/12/2914:04:2814:04:2829December202217、做做前前，，能能够够环环视视四四周周；；做做时时，，你你只只能能或或者者最最好好沿沿着着以以脚脚为为起起点点的的射射线线向向前前。。。。2:04:28下下午午2:04下下午午14:04:2812月月-229、没有有失败败，只只有暂暂时停停止成成功！！。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、很多事情努努力了未必有有结果，但是是不努力却什什么改变也没没有。。14:04:2814:04:2814:0412/29/20222:04:28PM11、成成功功就就是是日日复复一一日日那那一一点点点点小小小小努努力力的的积积累累。。。。12月月-2214:04:2814:04Dec-2229-Dec-2212、世间成事，，不求其绝对对圆满，留一一份不足，可可得无限完美美。。14:04:2814:04:2814:04Thursday,December29,202213、不知香香积寺，，数里入入云峰。。。12月-2212月-2214:04:2814:04:28December29,202214、