华北理工矿物材料基础教案

PAGEPAGE4课程名称：《矿物材料基础》第1讲次摘要授课题目（章、节）第一章绪论第一节矿物材料概述第二节矿物材料的分类第三节矿物材料的研究方法第四节矿物材料的理论基础本讲目的要求及重点难点：【目的要求】使同学们了解矿物材料基本概念、分类、研究方法；掌握矿物相图理论、熔体结晶理论、固溶体理论。【重点】矿物相图理论、熔体结晶理论、固溶体理论。【难点】相图、熔体结晶理论。内容【本讲课程的引入】材料是人类赖以生存和发展的物质基础，一直是人类进步的一个重要里程碑。材料的发展史就是一部人类文明史。没有感光材料，我们就无法留下青春的回忆；没有特殊的荧光材料，就没有彩色电视；没有高纯的单晶硅，就没有今天的奔腾电脑；没有特殊的新型材料，风云二号气象卫星就无法上天。可见，科技的发展和社会的进步往往受到材料的制约。反过来，一种新材料的发现可能会给社会带来革命性的变化。

人类使用和制造材料有悠久的历史，从制造出第一种材料--陶开始，发展到今天，材料的品种越来越多，琳琅满目的各种材料组成了一个庞大的材料家族。【本讲课程的内容】第一章绪论第一节矿物材料概述含义☆研究重点：天然非金属矿物岩石，其价格低廉、性能优异；☆经较简单的加工就能被利用；☆运用矿物岩石学的研究方法、借鉴自然界地质作用原理。第二节矿物材料的分类一、按行业分玻璃、水泥、耐火材料、陶瓷、磨料等二、按化学成分分单元系、二元系、三元系等三、按生产过程分熔融固化、高温固相反应、凝结硬化。第三节矿物材料的研究方法第四节理论基础矿物相图、熔体结晶理论、固溶体理论一、矿物相图我们知道硅酸盐类物质不管是陶瓷、玻璃、水泥还是耐火材料，成分都不是单一的。陶瓷：K2O-Al2O3-SiO2玻璃：Na2O-CaO-SiO2水泥：CaO-Al2O3-SiO21.二元相图2.三元相图1）组成表示方法——浓度三角形三元系统组成通常以等边三角形表示，即称浓度三角形，如图所示。三顶点分别表示A、B、C二个纯组分，每边长分为100等份，相当二元相图的组成轴。三角形内任一点，即表示对应二元物系的组成，而任一三元物系组成在三角形内部有对应的点。浓度三角形表示法例如，对BC边上M1点，因属B—C二元系统，其组成可直接读出：70%C、30%B、O％A。对三角形内部的点(如M点)，要确定它们的组成，通常有两种方法：平行线法和垂直线法。1．平行线法此方法是利用正三角形的一个性质：近过正三角形内任一点作各边平行线，在各边上所截的线段长度之和等于三角形的—边长。过M点分别作三条边的平行线，在三条边上所截的线段分别为a,b,c，则a+b+c＝AB＝100。因此，可以利用这三段截线的长度，分别表示三个组分的百分含量(浓度)：以a表示组分A的重量百分数a＝EB＝A％＝40%；；以b表示组分B的重量百分数b＝AF＝B%＝20%；以c表示组分C的重量百分数c＝FE＝C%＝40%(FE＝ME＝IB)2．垂直线法此方法也是利用正三角形的一个性质：过正三角形内任一点分别向各边作垂线，三条垂线的总和等于三角形的高，从而把三角形的高定为100，即把三垂线之和定为100，则各垂线的长度可分别表示各组分的含量。这个方法中同样具有“对顶转移关系”。如过M点向顶角A对边BC作垂线，则垂线之长“为A组分的含量，同理可作出b及c，得a十b十c＝CD＝100。垂直线法以上两种方法中，平行线法使用较方便，故在三元相图中得到普遍采用。二、固溶体固溶体：指含有外来杂质原子的晶体。（固溶体普遍存在于无机固体材料中）固溶体分为间隙型固溶体、置换型固溶体和缺位型固溶体置换型固溶体：在无机材料中所形成的固溶体绝大多数也是置换型固溶体。在金属氧化物中置换主要发生在金属离子的位置上，例如：Mg0—FeO、Mg0—CaO、Al2O3—Cr2O3：等都属此类。例如Mg+半径为0.80Å，Fe+半径为0.69Å，结构相同，离子半径接近。间隙型固溶体：溶质的质点如果进入溶剂晶格的间隙位置，这种固溶体称为间隙型固溶体。如碳化物晶体缺位型固溶体：由不等价的离子取代引起的离子空位结构三、熔体结晶理论由上图可见，2线有一最高点，即在此温度下晶核形成速度最大，这种情况是在温度较低、熔体粘度较大的条件下。同样1线也有一个最高点，表明在此温度下晶体成长速度最大，这是在温度较高、熔体粘度较小的情况下。这两曲线最高部分不重合，因此唯有在两曲线交界处(T1附近)的温度才是既有利于晶核形成又有利于晶体的成长。也即是说，T1是熔体结晶的最佳理论温度，此时相应的拈度是104一105泊。由图又可看出1线与2线交迭处有一个温度范围，在此范围内都有结晶的可能。因此要避免结晶就必须快速冷却，迅速越过此温度范围。【本讲课程的小结】掌握下列问题：1．二元、三元相图基本理论2．固溶体的概念及分类3．熔体结晶理论。【本讲课程的作业】画出熔体结晶示意图。

课程名称：矿物材料基础班级：矿物加工工程第3~4学时上讲课程内容复习本讲课程内容（或教材章节题目）第一章熔融结晶材料第一节Al2O3-SiO2-ZrO2系统第二节铸石本讲课程目的要求及重点、难点：【目的要求】使同学们了解Al2O3-SiO2-ZrO2系统、铸石的生产，掌握Al2O3-SiO2-ZrO2系统相图及Al2O3-SiO2系统相图【重点】Al2O3-SiO2-ZrO2系统相图、Al2O3-SiO2系统相图【难点】Al2O3-SiO2-ZrO2系统相图、Al2O3-SiO2系统相图教学内容第一章熔融结晶材料第一节Al2O3-SiO2-ZrO2系统一、相关相图Al2O3和SiO2系统中在高温稳定的化合物为3Al2O3•2SiO2（A3S2），即莫来石。二、Al2O3-SiO2-ZrO2熔融结晶材料的生产包括电熔刚玉、电熔莫来石、电熔斜锆石1.电熔铸合成莫来石按照莫来石的理论组成（Al2O371.8%，SiO228.2%）进行配料。原料：工业氧化铝、烧结优质矾土、高纯硅石等。工艺过程：配料→混匀→熔融（电弧炉）→浇注→热处理（结晶：纤维状或细小结晶；退火：缓慢冷却）隧道窑式退火炉，冷却速度<100-150℃/h→机械加工2.熔铸刚玉原料：特级高铝矾土（铝土矿、硬水铝矿）、工业氧化铝、天然刚玉还原剂：无烟煤（固定碳>80%，灰分<10%，挥发分<7%，水分<3%）适量铁屑（目的：增大硅铁密度和磁性，使之沉于炉底便于SiO2和TiO2的还原）工艺过程：配料→混匀→熔融（电弧炉）→浇注→热处理（结晶：纤维状或细小结晶；退火：缓慢冷却）3.熔融硅铝锆质制品原料：工业氧化铝、锆英石精矿组成：Al2O371.8%，SiO228.2%，ZrO232.8%温度：1685℃→三元系统中三元最低共熔点，上述组成为三元系统中三元最低共熔点的组成配料组成在熔融浇注析晶时，莫来石、刚玉和斜锆石三个晶相同时析出，形成交错排列结构。以上熔铸制品性能：耐火度：>1700℃荷重软化温度（200MPa）：>1700℃线膨胀（20-800℃）：莫来石：6.67×10-6刚玉：7.8×10-6第二节铸石铸石的特点：1、耐磨性能好（作溜槽、漏斗等磨损大的衬里）2、抗腐蚀性能好（酸容器的衬里）3、绝缘性能好4、较高抗压强度（代替花岗岩、大理石等建材)一、原料1、玄武岩2、辉绿岩3、工业废料A、铬渣：需配天然石英和粉煤灰B、炉渣和粉煤灰C、冶金炉渣D、其他原料二、炉料的制备1、原料的选择☆主原料的化学组成尽可能符合铸石制品的化学组成☆化学组成稳定，结晶度细，结构致密均匀。☆炉料熔点低，熔液粘度小，流动性好，易于浇注☆岩浆具有适中的结晶能力，结晶收缩小，不易翘折。☆原料尽量就地取材，储量大，开采和运输方便。2、配料A、理论计算法：柯特罗娃1958年提出，出发点：按形成普通辉石类矿物的铸石的要求，计算炉料的化学组成。缺点：不符合实际，计算繁琐，不易掌握。B、选配法：根据经验，提出一理想的铸石制品化学组成的波动范围，分析主原料化学组成，列出其平均值。附加料的选择。选配。☆选配。——理想的铸石化学组成——主、附原料的组合百分数——计算各种料在炉料中的化学组成——同类化学组分相加——得炉料总的化学组成。☆考虑SiO2、Al2O3等组分的渗入。3、原料的加工冲天炉：直径500-700mm，主原料破碎到30-60mm直径700-1000mm，主原料块度60-100mm池窑：80-100mm4、熔化及设备◆炉料的熔化：将配合好的炉料在高温作用下，经一系列物化反应，熔化成均匀的和具较好流动性的熔液的过程，称炉料的熔化。◆阶段：预热阶段：＜500℃；吸附水排除，挥发份逸出，有机物分解分解软化阶段：500-1100℃；晶粒破坏，有机组分燃尽，碳酸盐及硫化物分解。高温熔融阶段：1450℃，全熔化阶段“低共熔现象”澄清和均化阶段：“排气”◆设备：冲天炉池窑5、浇铸工艺◆按铸石产品的类型可分为：板材浇铸、管材浇铸。◆按浇铸方法可分为：静力浇铸法、离心浇铸法。6、结晶过程（1）岩浆在降温时结晶，情况有三：A、岩浆降温缓慢，达到矿物的结晶温度，矿物开始结晶。无法得到细粒的铸石制品。B、岩浆急剧冷却达矿物的结晶温度，矿物来不及结晶长大。能得到细粒微晶结构的铸石。C、岩浆急剧冷却，温度降至凝固点下，固结为玻璃，再升温使之重结晶。可得到结构致密的微晶制品，但工艺复杂，燃料消耗大，我国很少用。（2）结晶中心与结晶促进剂：结晶中心：结晶作用的出发点,岩浆中首先结晶出来的最微小的晶体或机械混入物的粉末。结晶促进剂：人为加的结晶中心，如铬铁矿粉、铬渣。（3）铸石中各种矿物的析出：A、磁铁矿：首先析出的是磁铁矿，它在铸石中的作用有二：作为辉石或橄榄石的结晶中心或充填于其他矿物间隙中。析出温度范围较宽：1300-650℃B、橄榄石：磁铁矿从溶液中析出后，橄榄石等其他矿物随之析出。析出温度范围：1300-900℃C、斜长石：在铸石岩浆的冷却中，斜长石的析出温度范围较窄，一般在1150-1170℃开始，1000℃结束。在大多数情况下，长石在铸造中常来不及析出而形成玻璃。析出温度范围：1300-900℃D、辉石：辉石是铸石中的主要矿物相(占70%-95％)，也是我们所希望析山的矿物。辉石在1200℃时开始结晶，但主要是在1150℃及更低的温度下析出的。它的结晶品温度下限—般是800℃，也就是说，辉石的结晶温度范围是很宽的，因此在铸石中有较多出现的可能性是极大的。E、黄长石：常在CaO多的铸石中出现。是最后结晶的物相之一。F、玻璃相：5%-20%。7、退火工艺铸件结晶后必须退火处理：目的：使铸件缓慢冷却，以便内部结构可自动调整，使应力大部分消除。一般，退火应以40-50℃/小时的降温速度冷却。在500-600℃间，降温速度应慢一些，在其他区间可快一些。【本讲课程的小结】掌握下列问题1Al2O3-SiO2-ZrO2系统相图；2Al2O3-SiO2系统相图；3铸石的工艺过程【本讲课程的作业】在数字图书馆查一下铸石目前的原料来源。

课程名称：《矿物材料学基础》第3讲次本讲课程内容（或教材章节题目）第二章玻璃第一节概述第二节传统玻璃的特征第三节玻璃的转变第四节玻璃的结构第五节玻璃的形成本讲课程目的要求及重点、难点：【目的要求】使同学们了解玻璃的分类、转变、玻璃的结构即形成，掌握玻璃的定义及传统玻璃的特征。【重点】传统玻璃的特征、玻璃的定义【难点】玻璃体结构的远程无序教学内容【本讲课程的引入】上节课我们讲了熔浆型材料包括结晶质材料和玻璃态材料，这节课我们来讲一下玻璃。第二章玻璃第一节概述一、玻璃的定义对比：A、晶体：微观结构呈有序排列（周期性与对称性）→远程有序B、玻璃体：无周期性与对称性→远程无序Si-O键键能高、有方向性、低配位，熔体形成大的、形状不规则的、短程有序的离子聚集体۩为什么玻璃体结构远程无序？Si-O为共价键，R-O为离子键，R-O键键强比Si-O键弱很多，Si2+能把R-O上的氧原子拉在自己周围，结果使桥氧断裂，Si-O键键强、键长、角度都发生变动。在熔融SiO2中，O/Si比为2:1，[SiO4]连接成架状，在熔融SiO2中加入Na2O，则使O/Si比升高，随着加入量增加，O/Si比由原来的2:1逐步升高至4:1，[SiO4]连接方式从架状→层状→带状→环状→岛状，这称为熔融石英的分化过程。各种低聚物生成量和高聚物残存量由熔体的组成和温度决定。最后得到不同聚合程度的聚合体的混合物，因此造成了熔体结构远程无序，急冷后玻璃保存了这种结构。定义：1、广义：所有具有远程无序结构的固体物质。2、狭义：由熔体经过冷却，因粘度增加所得到的具有固体机械性质和一定结构特征的玻璃态物质。二、玻璃的分类常见的分类方法：势能剖面图分类法自由能分类法原子径向分布函数分类法过剩构形熵分类法。1、玻璃化了的固体：2、由液体制得干凝胶：3、熔融法形成的玻璃：4、蒸气沉积所形成的玻璃态物质：第二节传统玻璃的特征一、各向同性玻璃体的任何方向具有相同性质。表明它内部质点的随机分布和宏观的均匀状态（类似液体）。如折射率、弹性系数、硬度等在不同的方向具有相同的数值，而结晶态物质，除立方晶体外，为各向异性。二、介稳性在一定条件下系统虽未处于最低能量状态，却处于一种可以较长时间存在的状态，叫做处于介稳状态。۩玻璃体是由熔体经过“过冷”而得到的，当熔体转变为玻璃体时，放出的能量少于结晶热。所以玻璃体和晶体相比，含有过剩的内能，因此玻璃态是一种介稳状态。۩从热力学角度，玻璃态是不稳定的，它有自发转变为晶体的内在条件，但是玻璃经百年也没结晶，这是由于常温下，玻璃的粘度非常大，消除了玻璃自发转变为晶体的可能性。因此，动力学观点又是稳定的。三、物理化学性质随温度变化的连续性四、凝固的逐渐性与可逆性熔体慢冷形成晶体：有新相出现，有固定熔点，结晶温度时粘度飞跃增高；熔体降温形成玻璃：无新相出现，玻璃无固定熔点，只有一个软化温度范围，利用这一性质，吹制、拉制成型玻璃制品。第三节玻璃的转变1、不同的冷却速度，冷却后的固态玻璃的结构不同，故而影响到其性质。即：当熔体向固态玻璃转化时，其冷却速度越快，冷却后的固态玻璃的结构愈接近高温时熔体的结构。图2-22、在转变温度区域内的某一温度下，玻璃熔体有对应于该温度的平衡结构，此时的玻璃具有一定的物理性质。图2-3即：固态玻璃的物理性质不是一个常数，而是随冷却速度的增加而降低，故生产上利用这点可调整玻璃的性质。如：在光学玻璃工业中，用改变退火速度和退火温度的办法来调整光学常数，以增加成品率。第四节玻璃的结构玻璃结构：玻璃中质点在空间的几何配置，有序程度及它们彼此间的结合状态。目前主要的玻璃结构学说：晶子假说：列别捷夫无规则网络假说：扎卡里阿森一、晶子假说要点：

玻璃结构是一种不连续的原子集合体，即无数“微晶”分散在无定形介质中；

“微晶”的化学性质和数量取决于玻璃的化学组成，可以是独立原子团或一定组成的化合物和固溶体等微观多相体，与该玻璃物系的相平衡有关；

“微晶”不同于一般微晶，而是晶格极度变形的微小有序区域，在“微晶”中心质点排列较有规律，愈远离中心则变形程度愈大；

从“微晶”部分到无定形部分的过渡是逐步完成的，两者之间无明显界线。二、无规则网络学说要点：玻璃的结构与相应的晶体结构相似，同样形成连续的三维空间网络结构。但玻璃的网络与晶体的网络不同，玻璃的网络是不规则的、非周期性的，因此玻璃的内能比晶体的内能要大。由于玻璃的强度与晶体的强度属于同一个数量级，玻璃的内能与相应晶体的内能相差并不多，因此它们的结构单元（四面体或三角体）应是相同的，不同之处在于排列的周期性。第五节玻璃的形成既然玻璃是物质的一种存在状态，那么是不是任何物质都可以形成玻璃呢？No！一种物质能否形成玻璃，不但与物质的组成有关，还与形成玻璃的条件有关。一般，凡能单独形成玻璃的物质，叫玻璃形成物，NF有些物质本身不能单独形成玻璃网络结构，而是充填在玻璃网络结构的孔隙中，叫玻璃调整物，NM单键强度介于二者之间的一些物质，叫玻璃中间物。NI【本讲课程的小结】掌握下列问题1为什么玻璃体结构远程无序？2传统玻璃的特征有哪些？【本讲课程的作业】为什么传统玻璃具有与晶体相比的四个特征？

课程名称：《矿物材料学基础》第4讲次本讲课程内容（或教材章节题目）第二章玻璃第六节玻璃的分相第七节传统玻璃的生产工艺第八节玻璃的缺陷第九节实用玻璃和新型玻璃本讲课程目的要求及重点、难点：【目的要求】使同学们了解玻璃的分相、缺陷、实用玻璃和新型玻璃，掌握玻璃的配料计算。【重点】传统玻璃的配料计算【难点】玻璃的配料计算教学内容【本讲课程的引入】上节课我们讲了玻璃的定义、分类、结构、形成等内容，这节课我们来讲一下玻璃的分相及传统玻璃的工艺。第六节玻璃的分相长期以来，人们都认为玻璃是均匀的单相物质，但是用盐酸处理硼硅酸盐玻璃时，可使其中的Na2O全部萃取出来，因此而发现了玻璃分相，从而玻璃分相理论得到发展，玻璃分相对玻璃的性质、生产以及玻璃的理论发展均有密切关系。一、玻璃分相的定义定义：一个均匀的玻璃相在一定的温度和组成范围内有可能分成两个互不溶解或部分溶解的玻璃相并相互共存的现象。二、玻璃分相与玻璃结构理论的发展有着密切关系（同学们自己看书了解）三、玻璃分相与玻璃性质有着密切关系（同学们自己看书了解）四、玻璃分相与玻璃生产有着密切关系利用玻璃分相对生产进行控制：1、提高玻璃或瓷釉的乳浊度锌釉中加入CeO2(乳浊剂)®产生析晶，乳浊性­。利用分相促进析晶，制成微晶玻璃。2、高硅氧玻璃分相发生后才产生。3、仪器玻璃使化学稳定性­4、多孔玻璃(生物载体：如酿酒)第七节传统玻璃的生产工艺一、原料的选择☆原料质量符合技术要求、如：原料的品位高，化学成分稳定，水分稳定，颗粒组成均，着色矿物和难熔矿物少。☆便于在日常生产中调整玻璃成分、☆适于熔化和澄清、☆对耐火材料的侵蚀要轻、☆原料易加工，矿藏量大、分布广、运输方便和价格低。二、主要原料1、硅质原料包括石英砂、砂岩、石英岩、脉石英、粉石英等2、铝质原料包括长石、粘土、叶腊石、工业氧化铝、氢氧化铝等3、钙镁原料包括石灰石、方解石、白垩、工业碳酸钙、白云石、菱镁矿等4、Na2O原料纯碱和芒硝5、K2O原料钾碱6、Li2O原料锂辉石、锂云母、碳酸锂7、B2O3原料硼酸、硼砂8、BaO原料碳酸钡、重晶石9、ZnO原料锌氧粉、菱锌矿10、PbO原料红丹、黄丹三、辅助原料澄清剂、氧化剂、还原剂、离子着色剂、脱色剂、乳浊剂（具体看书p57-58）四、其他（珍珠岩、霞石正长岩、碎玻璃等）五、配料1、工艺参数纯碱挥散率=(纯碱挥散量/纯碱用量)×100%碳粉含率=[（碳粉×C含量）/（芒硝×Na2SO4含量）]×100%芒硝含率=[芒硝引入的Na2O/（芒硝引入的Na2O+纯碱引入的Na2O）]×100%萤石含率=[（萤石×CaF2含量）/原料总量]×100%碎玻璃掺入率=[碎玻璃量/（生料量+碎玻璃量）]×100%2、计算步骤Ⅰ粗算假定玻璃中全部SiO2、Al2O3均由硅砂和砂岩引入MgO、CaO均由白云石和菱镁石引入Na2O由纯碱和芒硝引入。Ⅱ校正粗算中，在硅砂和砂岩用量中，没考虑其它原料引入的SiO2、Al2O3,所以进行校正。Ⅲ换算把计算结果换算成实际配料单（考虑含水量等）。3、配料计算实例（同学们请看书p59-63，计算过程虽然复杂，但原理简单，看完书之后请简单陈述一下计算过程）六、玻璃的熔制定义：将配合料经高温加热熔融成合乎要求的玻璃液的过程，称为玻璃的熔制过程。阶段：硅酸盐的形成阶段(800-900℃)玻璃液的形成阶段(1200℃)玻璃液的澄清阶段(1400-1500℃)玻璃液的均化阶段(最高温度保温）玻璃液的冷却阶段七、玻璃的成型方法1、浮法（玻璃液流到锡液面、玻璃液展薄、玻璃抛光、拉薄）2、垂直引上法（有槽垂直引上、无槽垂直引上、对棍法）3、平拉法第八节玻璃的缺陷主要有气泡、玻璃状夹杂物、结石等。一、气泡的类型与形成的原因1、残留气泡的形成2、二次气泡的形成3、其他原因二、玻璃状夹杂物（线道、结节、条纹）1、硅质玻璃状夹杂物2、硅铝质玻璃状夹杂物三、结石1、粉料结石2、耐火材料结石3、析晶结石第九节实用玻璃与新型玻璃简介一、钢化玻璃二、光致变色玻璃三、开关和存贮玻璃四、防辐射玻璃【本讲课程的小结】掌握下列问题1玻璃的配料计算。2玻璃熔制的几个阶段。【本讲课程的作业】请在课下复习玻璃的配料计算。

课程名称：《矿物材料学基础》第5讲次本讲课程内容（或教材章节题目）第三章釉料第一节釉的作用与分类第二节釉的物理化学性质第三节制釉的原料本讲课程目的要求及重点、难点：【目的要求】使同学们了解釉的作用、分类以及制釉的原料，掌握釉的物理化学性质。【重点】釉的物理化学性质【难点】坯釉适应性教学内容【本讲课程的引入】上节课我们讲了玻璃的分相及传统玻璃的工艺等内容，这节课我们来开始新的一章：陶瓷釉料。釉是附着于陶瓷坯体表面的连续玻璃质层。经过在特殊的配料，釉则成为玻璃与晶体的混合层，具有与玻璃相类似的物理化学性质。釉不但增加了陶瓷的美观，还可使陶瓷的电绝缘性能、抗化学腐蚀性能有所提高，对日用瓷，为器皿的洗涮清洁提供了方便。第一节釉的作用与分类一、釉的作用釉是施于陶瓷坯体表面上的一层极薄的玻璃体。施釉的作用：（1）釉能够提高瓷体的表面光洁度。（2）釉可提高瓷件的力学性能和热学性能。（3）提高瓷件的电性能，如压电、介电和绝缘性能。（4）改善瓷体的化学性能。（5）使瓷件与金属之间形成牢固的结合。（6）釉可以增加瓷器的美感，艺术釉还能够增加陶瓷制品的艺术附加值，提高其艺术欣赏价值。二、釉与玻璃体的异同一般认为，釉是玻璃体宏观上，釉不仅具玻璃所具有的一般性质，如各向同性，无固定熔点，而且这些性质随温度和组成变化的规律也极近于玻璃。但制品上的釉层与玻璃仍有区别：A、釉层的微观组织结构和化学组成的均匀性比玻璃差。B、釉中常夹杂一些熔化不透的残留石英，新生成的莫来石，尖晶石等晶体，及数量不等的气泡。C、釉层的化学组成，在横断面上的分布不相同，紧靠坯体的一侧和最外层釉中，Al、Si含量比中间层高。三、釉的分类（1）按釉中主要助熔物划分：如铅釉、石灰釉、长石釉等。（2）按釉的制备方法划分：生料釉：即指釉料配方组成中未使用熟料－熔块的釉。熔块釉：即指由熔块与一些生料按配比制作而成的釉料。熔盐釉：在产品烧至高温时，向室内投入挥发物而成的一种釉。土釉：采用易熔的天然有色粘土，经淘洗后直接作釉料使用。（3）按照釉的烧成温度划分：易熔釉或低温釉：指熔融温度一般不超过1150℃的釉中熔釉或中温釉：指熔融温度一般在1150~1300℃的釉难熔釉或高温釉：指熔融温度一般达1130℃的釉（4）按釉烧成后外观特征和具有的特殊功能划分透明釉、乳浊釉、画釉、结晶釉、纹理釉、无光釉、腊光釉、荧光釉、香味釉、金属光泽釉、彩虹釉、抗菌釉、自洁釉等。（5）按釉的用途划分：装饰釉、电瓷釉、化学瓷釉、面釉、底釉、钧釉等。（6）按釉的显微结构和性状划分：透明釉——无定形玻璃体晶质釉——乳浊釉、析晶釉、砂金釉、无光釉熔析釉——铁红釉、兔毫釉第二节釉的物理化学性质釉的质量，一般比较着重于外观质量（平整、光泽、色调）以及对人体有害组分含量（如铅）。为了获得良好釉层，以满足外观质量要求，对釉的化学性质粘度、表面张力、弹性、热膨胀等各项性质，必须给予应有注意。1、釉的化学性质釉组分的熔融、溶解成玻璃的过程釉烧成时釉与坯体相互作用的过程→中间层（15-20um)釉与坯体的相互作用生成了中间层：1）釉料中的某些组分渗入坯体中，坯体中的组分也渗入釉层中，使中间层的化学组成和性质逐渐由坯体的组成过渡到釉料的组成，但无明显的界限；2）中间层可以析出莫来石、钙长石、硅灰石类晶体；3）中间层可调和釉与坯体间的性质差异，增进坯釉结合。因此，必须使釉与坯体的化学性质保持适当的差别。坯釉中间的化学性质相差过大，则反应强烈，会出现釉被坯体吸收现象（干釉）坯体的酸性较高（SiO2/RO↑）→釉采用中等酸性坯体的酸性中等（SiO2/RO中等）→釉采用弱酸性坯体的酸性较弱（SiO2/RO↓）→釉采用中性或弱碱性2、釉的热膨胀性、弹性与坯釉适应性釉与坯体是否相互适应，生成良好的釉面，除了决定于他们的化学性质之外，热膨胀与弹性性质也是两个非常重要的因素。1）热膨胀系数使坯体表面的釉层处于压应力状态，往往使上釉制品具有高的机械强度防止产生隙裂缺陷常温洗涤的机械振动，不致破损因此：α釉<α坯，在烧成过程的冷却阶段，由于坯体强烈收缩，使釉受到压应力。α坯=5~20×10-7α坯-α釉≈10×10-7釉的热膨胀系数过大时，可按下列方法之一进行调整：A、增加SiO2的含量，并同时降低碱性氧化物溶剂的含量。B、加入B2O3或提高B2O3含量部分取代SiO2，使釉的熔融温度降低。C、加入低分子量的碱性氧化物，按同分子数之比取代高分子量氧化物溶剂。例如以MgO取代CaO,实际上，这样就相应的提高的SiO2含量。2）弹性模数E釉<E坯弹性模数E↑，弹性↓，补偿坯釉之间产生应力能力↓釉层的薄厚对坯釉适应性有影响：薄→弹性↑厚→弹性↓釉的组成对E的影响：A、碱土金属氧化物提高釉的弹性模数（影响最大的为CaO）B、碱金属氧化物降低釉的弹性模数。≤12%→提高弹性模数C、B2O3>12%→降低弹性模数一般釉的弹性模数为59～69GN/m23.釉熔体的高温粘度、表面张力、润湿性（1）粘度是判断釉流动情况的尺度。粘度适当，不仅能填补坯体表面的一些凹坑，而且还有利于坯釉相互结合，生成中间层。影响釉粘度的重要因素：釉的组成、结构和烧成温度。a.碱金属氧化物降低釉的粘度。（破坏[SiO4]网络结构）b.碱土金属氧化物：低温下增加熔体的粘度，高温下降低熔体的粘度。c.+3价及高价金属氧化物，Al2O3，SiO2，ZrO2，TiO2提高粘度。硼反常现象：B2O3的加入量<15％时，B处于[BO4]四面体中，呈三维空间连接使网络结构紧密，粘度上升。B2O3的加入量>15％时，B处于[BO3]三角体中，使网络结构松散，粘度降低。（2）表面张力过大，阻碍气体排出和熔体均化，高温时对坯体润湿性不利，易造成“缩釉”；表面张力过小，易造成“流釉”。影响因素：a.化学组成碱金属离子半径↑表面张力降低↑b.烧成温度温度每升高10℃，表面张力下降1～2%c.烧成气氛还原气氛下的表面张力>氧化气氛20～25％（3）润湿性接触角θ→釉在成熟前必须将坯体全部润湿。目前，我国在精陶和卫生陶瓷中，采用“高温素烧，低温釉烧”釉的表面张力较高，容易获得平滑、光泽的釉面低温时釉的粘度较高，降低釉的流动性，有碍获得平滑的釉面第三节制釉的原料制釉原料与制坯原料大体相同（粘土、长石、石英）不同之处：釉料中含熔剂成分多，含粘土成分少。SiO2（60～75%）：主要以石英加入，Al2O3：高岭土（其它粘土）、长石CaO:方解石、大理石、白云石MgO：滑石（煅烧）→降低膨胀系数Na2O、K2O：钠长石、钾长石ZnO:以工业生产的氧化锌引入其他原料：【本讲课程的小结】掌握下列问题1釉的物理化学性质。【本讲课程的作业】请在课下上网查一些釉料的配方。

课程名称：《矿物材料学基础》第6讲次本讲课程内容（或教材章节题目）第三章釉料第四节釉料配制原则、方法及其计算本讲课程目的要求及重点、难点：【目的要求】使同学们了解釉的配制原则、方法，掌握釉的配料计算。【重点】釉的配料计算【难点】釉的配料计算教学内容【本讲课程的引入】上节课我们讲了釉的作用与分类、釉的物理化学性质、坯釉适应性以及制釉的原料，这节课我们讲釉料的配制计算、配制方法。第四节釉料配制原则、方法及计算一、釉料配方的制定原则始熔点要高于坯体中物质氧化分解反应的最终温度。釉料的膨胀系数要与坯体的配方的膨胀系数相适应。釉的熔融温度范围须与坯体的烧成范围相适应。在最高烧成温度下和较短烧成时间内，面釉要有足够的流散度。面釉要有足够的光泽度或较理想的哑光。二、确定釉料配方的方法与步骤1、掌握必要的资料2、借助三元相图和有效的经验3、利用釉的组成-温度图与有效的经验4、参考测温锥的组成进行配方（知识点：实验式）化学纯物质→分子式结构复杂的物质→结构式一般物质→元素的百分比or氧化物的百分比硅酸盐矿物或由他们作原料生产出来的制品→实验式例如：钾长石的矿物实验式：K2O•Al2O3•6SiO2高岭土的矿物实验式：Al2O3•2SiO2•2H2O陶瓷釉的实验式：（P76)实验式：只表示出物质化学成分中各种氧化物之间的数量关系，不表示出结构特性的化学式，称为～。用于表示矿物组成时，称为矿物实验式；用于表示坯料组成时，称为坯式；用于表示釉料组成时，称为釉式。坯式与釉式的一般排列是：R2ORO2R2O3ROR2O5按照碱性、中性、酸性氧化物的顺序排列，在每种氧化物前冠以它在组成中的分子数比例坯式习惯上有两种表示方法：一种是以R2O3为基础，即R2O3的分子数为1，列出坯式，如：这种坯式便于将它与粘土、长石等矿物原料比较，以估价高温性能。另一种是以为基础，二者分子数之和为1.如：这种表示方法便于坯与釉比较，以判定坯与釉的温度适应性。（注：釉式一般采用第二种表示方法）三、釉的配方计算按下列实验式计算各种原料的配料量：请计算各生料（钾长石、碳酸钙、石英、高岭土等）的用量。1、首先。以钾长石满足釉料中的K2O的需要，这就需要0.3分子的钾长石（K2O•Al2O3•6SiO2），但随长石引入的除了K2O外，还有0.3分子的Al2O3和6×0.3=1.8分子的SiO2。2、其次，从釉料组成的Al2O3量中减去长石引入的量，0.7-0.3=0.4分子的Al2O3量，余下的Al2O3量用0.4分子的高岭土（Al2O3•2SiO2•2H2O）满足，随高岭土引入了2×0.4=0.8分子的SiO2.3、从釉料中SiO2量中减去长石、高岭土的SiO2引入量，5.1-1.8-0.8=2.5分子的SiO2，这部分SiO2用石英满足。4、CaO用0.7分子的CaCO3满足。5、将各种原料的分子数乘以原料的分子量，而得到配料量，再以配料量为基础换算成重量百分数钾长石：0.3×556.8=167.04/490.53=34.05%高岭土：0.4×258.1=103.24/490.53=21.05%石英：2.5×60.1=150.25/490.53=30.63%碳酸钙：0.7×100=70/490.53=14.27%合计：167.07+103.24+150.25+70=490.53【本讲课程的小结】掌握下列问题：釉的配料计算。【本讲课程的作业】请在课下上网查一些釉料的配方，并使用石英、高岭土等原料计算一下配料。

课程名称：《矿物材料学基础》第7讲次本讲课程内容（或教材章节题目）第三章釉料第五节釉浆制备及施釉工艺第六节乳浊釉本讲课程目的要求及重点、难点：【目的要求】使同学们了解釉浆制备及施釉工艺以及乳浊釉【重点】釉浆制备及施釉工艺【难点】乳浊釉教学内容【本讲课程的引入】上节课我们讲了釉料的配制计算、配制方法，这节课我们了解一下施釉工艺以及乳浊釉。第五节釉浆制备及施釉工艺一、釉浆的制备日用瓷厂所用釉料均为生料釉制备过程：原料选择→称料→粉碎→制釉浆（浓度比重计测量1.3-1.5）二、施釉工艺1、基本施釉方法（1）浸釉法：即将产品用手工全部浸入釉料中，使之附着一层釉浆（2）喷釉法：喷釉法是利用压缩空气将釉浆喷成雾状，使粘附于坯体上（3）浇釉法：将釉浆浇到坯体上以形成釉层（4）刷釉法：用于在同一坯体上施几种不同釉料2、新型施釉方法（1）流化床法：利用压缩空气设法使加有少量有机树脂的干釉粉在流化床内悬浮而呈现流化状态，然后将预热到100~200℃坯体浸入到流化床中，与釉粉保持一段时间的接触。2、新型施釉方法（2）热喷施釉法：先将坯料素烧，后在炽热的素烧坯体上进行喷釉。（3）干压施釉法：压施釉法是将成型、上釉一次完成的一种方法。釉料和坯体均通过喷雾干燥来制备。成型时，先将坯料装入模具加压一次，然后撒上少许有机结合剂，再撒上釉粉，然后加压。第六节乳浊釉一、釉料乳浊化的机理在釉中存在着与基础玻璃相性质不同的第二相（或多相），使得入射光线在多相界面上产生复杂的散射、折射、漫反射等光学现象，造成光线透不过釉层而达到乳浊。第二相可以是气、液、固相，第二相颗粒的大小、数量、分布、折射率等直接影响乳浊程度。1.气相乳浊釉工艺上实现多而细小、分布均匀的气泡很难，且气泡影响釉面硬度，故一般不采用气体来实现釉面乳浊。2.液相乳浊在釉玻璃中出现了与基础玻璃相互不混溶的液相，即存在液相分离。二、釉浊釉的生产工艺1、正确选择乳浊剂2、基釉的组成对乳浊度的影响3、乳浊釉的制备工艺【本讲课程的小结】掌握下列问题1釉浆制备及施釉工艺。【本讲课程的作业】请在课下上网查一些乳浊釉的配方。

课程名称：《矿物材料学基础》第8讲次本讲课程内容（或教材章节题目）第四章陶瓷材料第一节概述第二节原料第三节坯料的制备本讲课程目的要求及重点、难点：【目的要求】使同学们了解陶瓷材料的分类、陶瓷发展史，掌握陶瓷原料各自的用途及性能，坯料的制备工艺过程。【重点】陶瓷原料（石英、长石、粘土）的性能【难点】石英晶型的转变教学内容【本讲课程的引入】上节课我们讲了釉，这节课我们讲一下第四章——陶瓷材料。第五章陶瓷材料第一节概述一、定义：传统“陶瓷”一般为陶瓷、炻器和瓷器等以粘土为主要原料的制品的总称。二、分类三、陶瓷发展简史史前文化：仰韶文化——彩陶文化（彩陶片与石器共存），1921年于河南仰韶村出土。龙山文化——黑陶文化（黑陶与石器、骨器共存），1928年于山东历城县龙山镇出土殷商时期——白陶，有釉的陶器秦代——兵马俑砖瓦修建长城阿房宫东汉晚期——陶瓷工艺进步较快，浙江越窑已开始制作瓷胎致密、釉层较厚而光润美观的青瓷唐代——禁用铜器，陶瓷业有了较大发展，越窑的青瓷、邢窑的白瓷为鼎盛时期。唐三彩宋代五大名窑哥窑（章氏兄弟）龙泉窑：淡青色、炒米黄色、裂纹釉弟窑：青色、翠色、胎薄、纯翠如美玉汝窑（河南临汝县）：卵青色、器物通体有极细纹片定窑（河北曲阳）：白色为主，有刻花、印花装饰钧窑（河南禹县）：釉面色调种类较多。元代——青花瓷（钴）明代——工艺精，能烧制大型制品，“大龙缸”清代——釉上粉彩，各种低温、高温颜色釉，从事出口“洋瓷”制作。第二节原料一、石英瘠性材料，烧成中熔解在长石玻璃中，提高液相粘度，防止高温变形，冷却后在瓷坯中起骨架作用。1、不同晶型的迟缓转化（横向转化）迟钝型转变——不同晶型之间转化时体积变化较大，但转化进程迟缓，再加上液相的缓冲作用，固体膨胀应力对生产过程的危害不大。2、同一晶型亚态之间的迅速转化（纵向转化）快速型转变——同一晶型之间转化迅速，晶体表里瞬间发生，体积膨胀较小，但转化迅速，又是在干条件下进行转化，因而破坏性强，危害性大。石英玻璃——无定形石英硅砖——鳞石英陶瓷——熔融态石英和半安定方石英应用：A、利用它的加热膨胀作用，预先煅烧块状石英（1000℃），然后急冷，使组织破坏，利于粉碎。B、制品烧成和冷却时，处于晶型转化的温度阶段，应适当控制升温与冷却速度，保证制品安定不开裂。二、长石1、助熔作用在成瓷过程中，长石熔融形成乳白色的粘稠玻璃体，冷却后不再析晶，并能在高温下溶解一部分石英及高岭土分解产物，熔融后的高粘度玻璃可以起到高温胶结作用，促进成瓷反应，降低烧成温度。2、常用长石钾长石（K2O•Al2O3•6SiO2）：1130~1450℃，熔融物粘度↑，随温度变化慢，保证制品在高温下不易变形，易于控制和掌握。钠长石（Na2O•Al2O3•6SiO2）：1120~1250℃，熔融物粘度↓，随温度变化快，易引起制品高温下变形，不易于控制和掌握。钙长石（CaO•Al2O3•2SiO2）：1250~1550℃，使用较少。钡长石（BaO•Al2O3•2SiO2）：使用较少。3、长石使用的技术要求K2O+Na2O≥11%K2O:Na2O>3MgO+CaO≤1.5%Fe2O3<0.5%三、粘土1、主体化学成分是SiO2、Al2O3和H2O，结构属层状硅酸盐。粘土具有独特的可塑性与结合性，调水后成为软泥，给坯料塑性和注浆成型性能，烧后变得致密坚硬，保证干坯强度及烧后的各种性能，是成型的基础。2、类型A、高岭石类：高岭石、迪开石、珍珠陶土B、伊利石类：水白云母、绢云母C、蒙脱石类：蒙脱石、拜来石D、水铝英石类：不常用E、叶腊石类：寿山石、青田蜡石3、我国的粘土原料（资源丰富）A、东北地区——多硬质粘土——耐火材料B、河北、山东——焦宝石——铝矾土、硬质粘土——良好陶瓷原料山西阳泉、大同粘土——铝矾土、硬质粘土——良好陶瓷原料河南焦作粘土——铝矾土、硬质粘土——良好陶瓷原料唐山古冶“紫木节”——铝矾土、硬质粘土——良好陶瓷原料C、浙江、福建——叶腊石——陶瓷、耐火优质原料D、湖南醴陵——瓷土——优质陶瓷原料E、江西景德镇——制瓷原料丰富——高岭土瓷石（绢云母、石英）釉石（绢云母、石英、长石）四、伟晶花岗岩和霞石正长岩（长石代用品）以石英和长石为主要矿物组成1、伟晶花岗岩颗粒很粗的岩石（与细晶花岗岩相对应）长石60~70%，石英25~30%由于主要含有长石，可用来代替长石作为助熔剂。2、霞石正长岩（碱性岩）SiO2含量少，碱性成分多。由霞石、钠长石、钾长石、纹长石、云母及少量其他矿物，以长石为主，可用来代替长石作为助熔剂，Al2O3含量高，23%左右，成瓷机械强度大，烧成时不易坍塌。五、滑石与蛇纹石（镁的含水层状硅酸盐）1、滑石（3MgO•4SiO2•H2O）颜色：白色、淡绿、浅黄、浅灰珠乳光泽，有滑腻感、莫氏硬度为1用于制造各种滑石质瓷和釉2、蛇纹石（3MgO•2SiO2•2H2O）国内外尚无完整经验生产，邯郸陶研所研制成功。六、方解石与白云石（熔剂原料）1、方解石（CaCO3）助熔作用，缩短烧成时间，增加瓷器透光度，使坯釉结合牢固。我国方解石资源丰富，广泛用于陶瓷生产。2、白云石[CaMg(CO3)2]白云石用于降低烧成温度，促进石英的转化与莫来石的生成。七、骨灰与磷灰石（钙的磷酸盐）用于骨灰瓷的生产1、骨灰Ca3（PO4）2,少量CaCO3一般使用牛、猪、羊、鱼等动物的残骨或经骨胶厂提胶后的骨渣，在900℃以上高温煅烧后获得。2、磷灰石氟磷灰石Ca5（PO4）3F氯磷灰石Ca5（PO4）3Cl八、化工原材料第三节坯料的制备一、坯料的制备过程二、注浆法成型坯料要求：在含水量较低的情况下具有良好的流动性、悬浮性和稳定性，料浆中原料与水分均匀混合，料将有良好的渗透性。实现方法：调整坯料配方加入合适的电解质适当工艺控制（如搅拌可减少分层，陈腐使水分均匀、空气排除）【本讲课程的小结】掌握下列问题1石英、粘土、长石在陶瓷材料中各起什么作用？【本讲课程的作业】请在课下上网查釉石、瓷石的化学组成，以及它们直接制瓷、釉的实例。

课程名称：《矿物材料学基础》第9讲次本讲课程内容（或教材章节题目）第四章陶瓷材料第四节成型第五节干燥第六节烧成本讲课程目的要求及重点、难点：【目的要求】使同学们了解陶瓷的成型及干燥，掌握陶瓷坯体烧成中的物理化学变化。【重点】陶瓷坯体烧成中的物理化学变化【难点】陶瓷坯体烧成中的物理化学变化教学内容【本讲课程的引入】上节课我们开始了第四章——陶瓷材料，这节课我们接着讲一下陶瓷材料的成型、烧成等工艺过程。第五章陶瓷材料第四节成型（了解）一、旋压成型利用旋转的石膏模子与样板刀来成型。将经过真空练泥的泥团放在石膏模中，石膏模放在辘轳机上，使其转动，然后慢慢放下样板刀，由于样板刀的压力，泥料就均匀分布在模子的内部表面，多余的泥料则贴在样板刀上，并用手清除。二、滚压成型（样板刀——滚压头）成型时，盛放泥料的模型和滚压头分别绕自己的轴线以一定的速度同方向旋转，滚压头对泥料进行“滚”和“压”的作用而成型。三、注浆成型注浆成型是基于石膏模子能迅速吸收水分的特性。将制备好的坯料泥浆注入多孔石膏模型内，由于多孔性模型的吸水性，泥浆在贴近模壁的一层（由于毛细管力）被模子吸水而形成一均匀的泥层，这泥层随时间的延长而逐渐加厚，当达到所需厚度时，将多余的泥浆倾出。最后该泥层继续脱水收缩而与模型脱离，从模型中取出后即为毛坯。四、修坯与粘接由可塑法和注浆法成型后的生坯，一般表面不太光滑，边口都呈毛边现象，因此需进一步加工修平，工厂称为修坯。粘接是将各自成型好的部件用粘接泥浆粘在一起。（适用于制造壶、杯、小口花瓶、坛子等不能一体成型的坯体。第五节坯体干燥一、坯体干燥的目的1、提高成型后坯体的强度成型后的各种坯体，一般都含有较高水分，还呈可塑状态，在运输和再加工过程中，很易变形或因强度不高而破损，干燥后，除去一部分水分，使坯体失去可塑性，具有一定的强度。2、提高坯体吸附釉层能力如果坯体中含水分较高，其吸附釉浆的能力就很差。3、经过干燥的坯体，可在烧成初期快速升温，缩短烧成周期，提高窑炉周转率，降低燃耗。二、坯体所含水分A、干燥过程排除的是自由水；吸附水排除没有实际意义，因为他很快又从空气中吸收水分B、化学结合水的排除不是干燥能解决的问题，属于烧成的范围。三、干燥过程外界热源首先将热量传给坯体表面，坯体表面获得热量后，水分立即蒸发，并向外界扩散，由于坯体表面水分的蒸发，引起坯体内外水分浓度的不一致，水分将从内部不断地扩散到表面，再由表面向外界大气中蒸发，从而达到整个坯体的干燥。四、干燥方法1、热空气干燥法A、室式干燥B、链式干燥2、辐射干燥（电热干燥）3、高频电干燥4、微波干燥（均匀快速）5、远红外干燥（红外线是介于可见光和微波之间的电磁波）6、联合干燥第六节瓷器的烧成坯体在烧成过程中发生了一系列物理化学变化，如膨胀、收缩、气体的产生、液相的出现、旧晶相的消失、新晶相的析出等等。一、坯体的水分蒸发期（室温～300℃）主要排除在干燥过程中没有除掉的残余水分。一般日用瓷坯体入窑水分2%左右，主要是吸附水。本阶段要求：加强通风，及时排除水汽。二、氧化分解及晶型转化期（300～950℃）1、粘土矿物结构水的排除2、碳酸盐的分解坯料中或多或少夹杂一些碳酸盐矿物杂质（2～3%），如石灰石、白云石这类碳酸必须在此阶段分解，并将分解产物—CO2气体在釉层封闭前排除完毕，不然会引起“坯泡”等缺陷。3、碳素、硫化物及有机物的氧化可塑性粘土及硬质粘土往往含有碳素、硫化物及有机物，并带入坯体中。4、石英的晶型转变本阶段适当控制升温速度，保证窑内氧化气氛。三、玻化成瓷期（950℃～烧成温度）玻化成瓷最大特点：釉层玻化。坯体瓷化正长石、石英、高岭石在相图上的三元最低共熔点为985℃，由于杂质存在，液相可能在较低温度出现。随着温度的提高，液相量逐渐增多。液相对坯体成瓷的促进作用表现在两个方面：一方面起致密化作用，由于液相表面张力的作用，使固体颗粒接近，使坯体致密化，另一方面，液相的存在促进晶体的生成。【本讲课程的小结】掌握下列问题1陶瓷坯体在烧成时各阶段有何物理化学变化？【本讲课程的作业】请在课下复习陶瓷坯体烧成时的物理化学变化以及各阶段应如何控制工艺。

课程名称：《矿物材料学基础》第10讲次本讲课程内容（或教材章节题目）第四章陶瓷材料第七节精细陶瓷的生产过程第八节精细陶瓷的应用第五章耐火材料第一节概述第二节耐火材料的生产过程本讲课程目的要求及重点、难点：【目的要求】使同学们了解精细陶瓷材料的生产过程，各种精细陶瓷的制备、用途及性能，掌握耐火材料的概念、分类、组成、宏观性质、力学性质、热学性质、使用性质及耐火材料的生产过程。【重点】耐火材料的的各种性能【难点】耐火材料的使用性质教学内容【本讲课程的引入】上节课我们讲了传统陶瓷材料的生产过程，这节课我们了解一下精细陶瓷材料。而且这节可我们开始新的一章——耐火材料。第七节精细陶瓷的生产过程一、概述精细陶瓷：采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术制造、加工的，进行结构设计，具有优异特性的陶瓷。新型陶瓷：相对传统陶瓷而言，指用新的原料或新的加工方法而制成的具有某些新的特性、功能和用途的一类陶瓷材料。特种陶瓷：相对普通陶瓷，指那些具有某些特殊性能和用于某种特殊目的的陶瓷材料。工业陶瓷：除传统的日用陶瓷、建筑陶瓷外，所有用于工业目的作为设备零部件和原材料的陶瓷材料，包括正处于探索与研制阶段将来可能用于工业目的的陶瓷材料。二、精细陶瓷的功能和用途1、热学性能耐热性、隔热性、导热性、抗热震性等。如：BeO、BN等具优良的电绝缘性，可作大规模集成电路的散热片。2、力学性能高强度、具润滑性、低热膨胀性、尺寸稳定性等。3、其他性能光学、生物、化学功能等。三、精细陶瓷粉料的制备第五节精细陶瓷的应用一、常见的氮化物陶瓷及氧氮化物陶瓷1、氮化硅陶瓷由Si3N4四面体组成的共价键固体。A、氮化硅的制备与烧结工艺工业硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO烧结工艺优点缺点反应烧结烧结时几乎没有收缩，能得到复杂的形状密度低，强度低，耐蚀性差热压烧结用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低B、性能特点及应用氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为0.1—0.2；热膨胀系数小；抗热震性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定性高。热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如机械密封环等。2、塞隆陶瓷sialon是Si、Al、O、N四种元素的合成词，作为一种陶瓷，它实际上是Si3N4中Si、N原子被Al和O原子置换所形成的一大类固溶体的总称。具有与Si3N4相近的高温强度、硬度及韧性，并具有很好的常温及高温化学稳定性，但成本比Si3N4低得多，因此得到广泛应用。最广泛的应用：金属切削工具和金属成型模具。还有：研磨材料未来的：引擎组件3、氮化铝陶瓷氮化铝陶瓷是近年来研究最活跃和最有希望并已经工业化的新型耐高温陶瓷。性能：不容易被熔融金属所润湿，在2000℃的非氧化气氛中非常稳定，且耐热冲击性极佳。制造方法：A、将Al2O3与C的粉末混合在含N2或NH3的气氛中加热B、由Al和N2或NH3直接反应C、由卤化铝与NH3反应4、氮化硼陶瓷BN与碳很相似，具有非晶质、六方及立方晶系，也称白碳。六方氮化硼的结构与石墨完全一致，不同之处在于：BN是电绝缘体且呈白色。可作成耐热、耐蚀制品及电绝缘体，也可作为半导体的扩散材料。性能：六方BN：耐热、耐蚀、容易切削，是极优良的润滑剂与电绝缘体。立方氮化硼的结构与金刚石一致，可作为切削工具材料。立方BN：硬度高、导热度高。二、氧化锆陶瓷氧化锆的晶型转变：立方相⇌四方相⇌单斜相。四方相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易使制品开裂。在氧化锆中加入某些氧化物(如CaO、MgO、Y2O3等)能形成稳定立方固溶体，不再发生相变，具有这种结构的氧化锆称完全稳定氧化锆(FSZ)，其力学性能低，抗热冲击性差。减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方相的形式存在。由于这种材料只使一部分氧化锆稳定，所以称部分稳定氧化锆(PSZ)。氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。当受到外力作用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好；热膨胀系数大，接近于发动机中使用的金属，抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料，如发动机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。三、氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分,含有少量SiO2的陶瓷，又称高铝陶瓷。据Al2O3含量不同分为75瓷(含75%Al2O3，又称刚玉-莫来石瓷)、95瓷和99瓷，后两者又称刚玉瓷。耐高温性能好，可使用到1950℃,具有良好的电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉的硬度极高(仅次于金刚石)。广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚、热偶套管，淬火钢的切削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。四、堇青石陶瓷堇青石(2MgO•2Al2O3•SiO2)具有异常的热膨胀性。当其晶体受热时，沿c轴产生收缩，沿a轴膨胀。800℃下，收缩与膨胀相当，800℃上，膨胀略大于收缩。堇青石陶瓷具有非常低的热膨胀系数堇青石陶瓷具有非常优良的抗热震性五、医用陶瓷用于人造骨骼和牙齿的陶瓷材料。六、陶瓷超导体（看书了解）P.215第五章耐火材料第一节概述一、耐火材料的概念耐火度不低于1580℃的无机非金属材料。（耐火度：在高温无荷重条件下不熔融软化的性能。）多与“高温工业”密切相关。我国生产耐火材料的历史悠久，目前，耐火材料的产量居世界第一。二、耐火材料的种类1、按其化学成分矿物组成分类：A、氧化硅质耐火材料。B、硅酸铝质耐火材料。C、镁质耐火材料。D、铬铁质耐火材料。E、碳质耐火材料。F、其它高耐火度制品。2、按耐火度分类：A、普通耐火材料耐火度为1580～1770℃。B、高级耐火材料耐火度为1770～2000℃。C、特级耐火材料耐火度为大于2000℃。3、根据耐火材料的化学性质分类：A、酸性耐火材料B、碱性耐火材料C、中性耐火材料4、其他分类：A、成型特点：块状/不定形B、热处理方式：不烧制品/烧成制品/熔铸制品C、制品形状及尺寸：标准砖/异型砖/管材等D、使用场合：冶金用/水泥窑用/玻璃熔窑用等三、耐火材料的组成1、化学组成◎主成分：占绝大多数，决定了制品的基本性能。镁砖——MgO；硅砖——SiO2；碳砖——C◎杂质：夹杂，往往有害，含量微少就会影响材料抗高温性能。◎外加成分：为特定目的而另外加入的少量成分。（矿化剂、助熔剂）2、物相组成◎主晶相：耐火材料结构的主体，熔点较高，对材料性质起支配作用。很多耐火制品以其主晶相来命名，如莫来石砖、刚玉砖。◎次晶相：在高温下与主晶相和液相并存的、含量较少、对材料的高温性能影响较主晶相小的第二种晶相。◎基质：耐火材料大晶体间隙中存在的细微晶体或玻璃质。四、耐火材料的宏观性质1、气孔在耐火制品内，有许多大小不同，形状不一的气孔。（1）和大气相通的气孔称为开口气孔；（2）贯穿耐火制品的气孔称为连通气孔；（3）不和大气相通的气孔称为闭口气孔；使用过程中，耐火制品被外界物质（液体、熔渣、气体）侵入而加速破坏时：1）连通气孔起主要作用；2）开口气孔也被介质侵入，但其中空气被压缩，会对流体起抑制作用；3）闭口气孔影响较小；2、气孔率若耐火砖块的总体积（包括其中的全部气孔）为V、质量为M、开口气孔的体积为V1、闭口气孔的体积为V2，连通气孔的体积为V3，则：（1）真气孔率=（V1+V2+V3）/V（2）显气孔率=（V1+V3）/V（3）闭口气孔率=V2/V3、体积密度（容重）：包括全部气孔在内的1m3砖块体积的质量。体积密度=M/V（kg/m3）4、吸水率：是原料中所有开口气孔所吸收的水的质量Mw与砖块质量M之比值。用下述公式计算:吸水率=Mw/M吸水率测定方法简便，在生产实际中常用来鉴定耐火原料的质量。原料烧结程度愈好其吸水率愈低。五、耐火材料的力学性质1、常温耐压强度常温下材料单位面积所能承受的最大压力，用MPa，即S=P/AS—试样的常温耐压强度P—试样破坏时施加的最大压力A—试样的受压面积2、高温耐压强度耐火材料在高于1000—1200℃的条件下，于红热状态单位面积所能承受的最大压力。3、抗折强度材料单位截面所能承受的极限弯曲应力。R=3PL/2bh2R—试样的抗折强度P—试样断裂时所施加的最大载荷L—两支点间的距离b—试样宽度h—试样高度4、耐磨性抵抗固体、液体和含尘气流对其表面机械磨损作用的能力。六、耐火材料的热学性质及导电性1、热膨胀性耐火制品受热膨胀，冷后收缩，这种变化属可逆变化。耐火制品的热膨胀性能主要取决于其化学—矿物组成和所受的温度。耐火制品的热膨胀性可用线膨胀系数或体积膨胀系数来表示，也可用线膨胀百分率或体积膨胀百分率表示。2、导热性导热系数：在能量传递过程中，热量从温度较高部分传至温度较低部分的数量。λ—导热系数Q—在t时间内流经面积为F截面的总热量L—冷面与热面之间的距离T1—热面的温度T2—冷面的温度3、比热容常压下加热1kg物质使之升温1℃所需的热量。耐火材料的比热容取决于其化学成分、矿物组成和所处的温度。一般随温度升高而缓慢增加。实验测定，比热容与温度的关系可用下式表示：Cp=C0+at+bt2+…Cp—耐火材料在温度t℃时的等压比热容C0—耐火材料在温度0℃时的等压比热容a,b—实验测定的系数t—温度4、导温性材料受热时温度的传递速度。可用下式表示：α—导温系数Cp—等压比热容γ—体积密度5、导电性除碳质、石墨质和碳化硅耐火材料外，一般耐火材料在常温下是电的不良导体。但是，随着温度升高，电阻减小，导电性增加，特别是在1000℃以上，导电性显著提高。耐火材料的导电性通常以电阻率表示，其与温度的关系：A，B—与材料性质有关的常数七、耐火材料的使用性质1、耐火度A、定义：耐火材料抵抗高温而不变形的性能。加热时，耐火材料中各种矿物组成之会发生反应，并生成易熔的低熔点结合物而使之软化，故耐火度只是表明耐火材料软化一定程度时的温度。B、测定：将耐火材料试样制成一个截面呈等边三角形的三角锥体。把三角锥体试样和比较用的标准锥体放在一起热。三角锥体在高温作用下则软化而弯倒，当锥的顶点弯倒并触及底板时的温度（与标准锥比较）称为该材料的耐火度。note：耐火度并不能代表耐火材料的实际使用温度。因为在实际使用时，耐火材料承受一定的机械强度，故实际使用温度比测定的耐火度低。硅砖：1690~1730℃粘土砖：1610~1750℃高铝砖1770~2000℃镁砖：>2000℃白云石砖：>2000℃2、荷重软化温度A、定义：耐火材料受压发生一定变形量的温度。B、测定方法：将待测耐火材料制成高为50mm，直径为36mm圆柱体试样，在200kPa的荷重压力下，按照一定的升温速度加热，测出试样的压缩0.6％(高度压缩0.3mm,开始变形温度)和压缩4％(高度压缩2mm）及40%（20mm)的温度作为试样的荷重软化温度。荷重变形曲线不同的原因主要取决于制品中化学矿物组成，即取决于：（1）存在的结晶相、晶体构造和性状，即晶体是否形成网络骨架或以孤岛状分散于液相中，前者变形温度高商，后者变形温度主要由液相的含量及粘度所决定，可见显微组织结构对制品的荷重变形温度有显著影响。(2)晶相和液相的数量及液相在一定温度下的粘度。(3)晶相与液相的相互作用，两者的相互作用会改变液相的数量和性质。此外，制品的致密程度对高温荷重变形亦有一定的影响。۩粘土砖的主要相组成是莫来石和作为莫来石基质的大量的硅酸盐玻璃相。针状莫来石晶体孤立的分散于基质中，而不形成结晶网络，硅酸盐玻璃相在较低的温度甚至800一900℃下就开始转变为粘度很大的液相。随着温度升高，液相的粘度并未降低，而是由于莫来石晶体在液相中具有显著的分解或溶解作用，提高液相中Al2O3含量，特别是SiO2的含量，从而使液相的粘度增大。所以粘土砖具有很宽的荷重变形温度范围。۩硅砖的相组成主要是鳞石英和少量的方石英，且鳞石英在砖中形成矛状双品相互交错构成结晶网络，这种结构形成制品的坚硬骨架。只有大约1—6％的杂质组成10一15％左右的液相，而且液相的粘度大。鳞石英又并不因有液相出现而溶解在其中破坏网络骨架，鳞石英只是在接近其熔点时，由于熔触而使骨架破坏引起砖的变形以致坍塌。故开始变形温度与终点只差10一20℃，与耐火度只差约60~70℃左右。这一特点也就决定了硅砖高温结构强度会突然丧失的特征，在使用中必须注意这一点。۩镁砖中主要相组成是方镁石结晶，但方镁石晶体在砖内不形成结晶网络骨架，而被结合物所胶结。因此，结合物的性质决定着镁砖的高温结构强度。在普通镁砖中，作为结合物的一般是钙镁模橄榄石和镁蔷薇辉石等熔点较低的硅酸盐，虽然方镁石晶粒的熔点高，但有在l400℃左右开始熔化的硅酸盐存在，且其液相在高温下粘度很小．所以反映出荷重变形开始温度与终点相差10一30℃，而与耐火度之差则超过1000℃。3、高温体积稳定性制品在实际烧成时，由于各种原因，会有烧成不充分的制品，制品在使用时，受高温作用，一些物理化学变化继续进行，结果使制品的体积发生变化。A、定义：在热负荷作用下外形体积或线度保持稳定而不发生永久变形的性能。B、表示：对烧结制品，一般以制品在无重负荷作用下的重烧体积变化百分率或重烧线变化百分率来衡量其优劣。重烧体积变化和重烧线变化的表示式如下：ΔV和ΔL—分别表示重烧体积变化率和重烧线变化率V0和V1—分别表示样品重烧前后的体积L0和L1—分布表示样品重烧前后的长度4、耐热震性（热震稳定性）耐火材料在使用中，经常会受到环境温度的急剧变化作用，例如，铸钢用盛钢桶衬砖在浇注过程中，转炉、平炉或电炉等炼钢时的加料、出钢或操作中炉温变化等，导致制品产生裂纹，剥落甚至崩溃。此种破坏作用不仅限制了制品和窑炉的加热和冷却速度，限制了窑炉操作的强化，并是制品、窑炉损坏较快的主要原因之一。定义：耐火制品抵抗温度急剧变化而不破坏的能力。测定方法：一般可以将标准砖一端在炉内加热至一定温度，并保温一定时间，随后取出在流动冷水中冷却，如此反复进行冷热处理，直至损失砖总重的一半为止，此时的急冷急热次数(热交换次数)，即为耐火砖的热震稳定性指标。5、抗渣性熔渣侵蚀是耐火材料在使用过程中最常见的一种损坏形式，如各种炼钢炉炉衬，盛钢桶的工作衬，炼铁高炉从炉身下部到炉缸的炉衬．许多有色冶金炉衬，玻璃池窑的池壁以及水泥回转窑内衬等的损坏，多是由此种作用引起的。在实际使用中，约有50％是由于熔渣侵蚀而损坏，因此，研究耐火材料的抗渣性具有非常重要的意义。A、定义：耐火材料在高温下抵抗炉渣侵蚀的能力称为抗渣性。B、影响材料抗渣性的主要因素有：a、炉渣化学性质含酸性较多的耐火材料，对酸性炉渣的抵抗能力强，对碱性炉渣的抵抗能力差;碱性耐火材料对碱性渣的抵抗能力强，对酸性渣的抵抗能力差。b、工作温度温度在800~900℃时，炉渣对材料的侵蚀作用不大显著，但温度达到1200~1400℃以上时，材料的抗渣性就大大降低。c、耐火材料的致密程度提高耐火材料的致密度，降低它的气孔率是提高耐火材料抗渣性的主要措施，可以在制砖过程中选择合适的颗粒配比和较高的成型压力。6、耐真空性通常在常温下，耐火材料的蒸汽压都很低，可以认为是极稳定而不易挥发的，但在高温减压下工作（如真空熔炼炉或钢水脱气处理等）时，其挥发性将成为不可忽视的问题，会因其挥发减量而造成损耗，加速其损坏。在这样条件下与在高温常压下（大气压）下使用不同，耐真空性成为耐火材料必备的重要特性之一。A、定义：耐火材料在真空和高温下服役时的耐久性。B、测定：常采用将耐火材料置于特定的真空和温度下经历一定时间的方法测定，并以其失重或失重速度度量。【本讲课程的小结】掌握下列问题1耐火材料的耐火度？2耐火材料的荷重变形曲线不同的原因是什么？3影响耐火材料抗渣性的因素有哪些？【本讲课程的作业】请在课下复习掌握耐火材料的各种使用性能。

课程名称：《矿物材料学基础》第11讲次本讲课程内容（或教材章节题目）第五章耐火材料第二节耐火材料的生产过程第三节氧化硅质耐火材料第四节硅酸铝质耐火材料第五节碱性及尖晶石质耐火材料本讲课程目的要求及重点、难点：【目的要求】使同学们掌握耐火材料的生产过程，氧化硅质耐火材料、硅酸铝质耐火材料、碱性及尖晶石质耐火材料各自的性能。【重点】耐火材料的生产过程【难点】耐火材料烧成中的物理化学变化教学内容【本讲课程的引入】上节课我们讲了耐火材料的性能，这节课我们讲一下耐火材料的生产过程以及不同耐火材料的生产及性能。。第二节耐火材料的生产过程一、原料加工二、配料1、组分配比A、主体原料B、辅助原料：纸浆、结合剂、水分2、粒度配比A、R大/R小>7B、三组分最紧密堆积原则：两头大，中间小大：中：细=5:1:4=6:1:3=7:1:2成型性能干燥性能烧结性能偏析性大颗粒易易不易易小颗粒不易不易易不易三、混炼1、使水分均匀、颗粒组成均匀、原料成分均匀，并且可塑性↑；2、设备：湿碾机、搅拌机、混砂机3、加料顺序：大颗粒→水、结合剂→细粉4、有的泥料需困料3天，最长达1年。困料：把泥料堆在一起，在一定温度、湿度下放置一定时间，叫做~。作用：A、使水分通过毛细管作用达到均匀；B、