材料概论第3-1章(2011)

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1、材 料 概 论,原材料的选用与合成制备工艺过程与方法,第三章 材料的制备方法,3.1 原材料的选用与合成 3.2 制备工艺过程与方法,3.1 原材料的选用与合成 需考虑化学组成、纯度、颗粒度等，以及成本和对环境的影响。一般可将材料领域的原材料分为:,第三章 材料的制备方法,1.矿石的开采和还原 3.工业废渣的利用 2.硅酸盐矿物原料 4.原料的质量要求,3.1.1 天然矿物原料,第三章 材料的制备方法,金属矿物冶炼金属：如铁矿石、铝土矿、方铅矿、黄铜矿等 硅酸盐矿物玻璃、陶瓷、水泥等主原料：石英砂、粘土、长石、石灰石等； 石油、天然气、煤、电石及某些农副产品等：合成高分子化合物的基本原料,B.

2、矿石原料的开采和选别 C.矿石原料的预处理：焙烧富集，or 球团化 D.可当材料使用的天然矿物,1.矿石的开采和还原,第三章 材料的制备方法,A.矿物：指地壳中的化学元素，经各种地质作用所形成的、并在一定条件下相对稳定的单质or化合物，是组成矿石和岩石的基本单元。具有比较均一的成分和内部结构，是具有相对固定的化学性质和物理性质、并有一定几何形态的自然物体。,矿物涉及的内容较广，可简略归纳为3点：,第三章 材料的制备方法,具有一定的化学组成和化学性质，绝大多数为各种化合物的混合物。,在一定的地质条件下所形成的某些矿物，具有共生组合规律。,除石油外液态矿物为数极少，绝大多数矿物是固态无机物，且属于

3、晶质矿物，理想条件下能长成规则的几何多面体(如方铅矿呈立方体，方解石呈菱面体)；属非晶质矿物的很少，如蛋白石、火山玻璃。,自然界中已知矿物3000多种，被利用200余种，重要的仅100多种。在地壳中的分布是不均匀的。 矿石矿物：有开采利用价值的矿物，其集合体称矿石； 脉石矿物：与矿石矿物相伴生的无用矿物，组成脉石。 按用途可分为：金属矿、非金属矿和燃料矿。,第三章 材料的制备方法,矿物不是孤立地存在于地壳中，往往是几种矿物共同产生在一个矿床中。 地壳(厚度36km)中含量最多、分布最广的有8种元素见表3-1，其总的质量已占98.59%。,表3-1 地壳中8种主要元素的含量与分布情况,富集元素：

4、分布较集中，能形成独立矿物，甚至富集成矿床，如金、银、汞等； 分散元素：含量不一定比富集元素少，但却趋于分散很难形成独立的矿物or矿床，常以类质同象混入物形式，参加到其他矿物中去，如钒、钴、钍等。,B.矿石原料的开采和选别 根据来源可分为：露天矿、地下矿和海底采矿。,第三章 材料的制备方法,金属矿石中，所含金属并非以“纯”金属而是以化合物状态存在，如氧化物、硫化物、氢氧化物、碳化物、硅酸盐等见p71表3-2。 实际上，矿石很少单独以上述化合物形式出现，而是在一些脉石矿物(石英，石灰石等)中存在着一些“富”含金属的矿物。,表3-2 一些重要的矿石及其金属含量,无机材料工业中，通过选矿达到除去石英

5、砂、粘土等矿物中的含铁等杂质。 选矿的基本任务有三个方面：,第三章 材料的制备方法,富集矿石中的有用矿物或金属其品位，并与脉石分开，有害杂质矿物冶炼的需要。 把共生在矿石中的有用矿物或金属分选出来。 使尾矿中的有用矿物or金属%最小，回收率。,图3-1 选矿流程示意图 矿石破碎 (粒度达到305mm )粉碎(磨矿) (粒度达到10.074mm) 选别中矿 精矿 尾矿浓缩 废弃浓缩精矿 溢流过滤滤饼 滤液干燥精矿产品,重选法、浮选法和磁选法，及手选和电选法等，都是不改变矿物物化性质的机械选矿法。 化学选矿：可与机械选矿法联合使用，处理成分复杂的难选矿石，即采用草酸、硫酸和盐酸的酸处理。,第三章

6、材料的制备方法,选矿的原理 根据矿石的物理化学性质的不同，如利用不同密度(重力分离法)、不同磁性(铁矿石)、在酸液、碱液中不同的溶解度(铜、贵金属、铝矾土)、在有机溶液中不同的润湿特性等，将有用矿物和脉石矿物分离。 常用的选矿方法：,C.矿石原料的预处理,第三章 材料的制备方法,D.可当材料使用的天然矿物 有少部分天然矿物可直接当作材料来加以使用：,第三章 材料的制备方法,2.硅酸盐矿物原料 是粘土类、石英类、长石类、碳酸盐类等矿物原料的通称。 传统无机材料的典型组分则存在于自然界，不需物质转换的过程，但须加一定限制： 天然原料的纯度和均一性等难以满足现代陶瓷技术的要求，需 化学反应or物理转

7、变 高质量的合成原材料氧化物陶瓷、非氧化物特种陶瓷、电子陶瓷等。,A.粘土类原料 1种疏松的or呈胶状致密的水铝硅酸盐矿物，种类多，是多种微细矿物和杂质的混合物，多数粒径2m。主要成分：SiO2、Al2O3及H2O。,第三章 材料的制备方法,普通陶瓷的最主要原料(用量最多)，常用的有：高岭石类粘土、蒙脱石类粘土和伊利石类粘土。 耐火粘土耐火材料的原料。 水泥生产中的粘土质原料有：黄土、粘土、页岩、泥岩、粉砂岩及灰泥等。,B.石英类原料 石英是自然界中分布很广泛的矿物，主要是SiO2，在地壳中的丰度约为60%。 少量杂质为Al2O3、CaO、MgO、TiO2等。 石英呈多种状态，水晶最纯，产量很

8、少。 陶瓷生产中较多采用：脉石英、砂岩、石英砂、硅藻土、燧石、硅石等。 玻璃生产中常用：硅砂(石英砂)和砂岩。,第三章 材料的制备方法,玻璃和陶瓷工业中常用：钾长石、钠长石。 作为长石的代用品，常用的有以下几种矿物：伟晶花岗岩、霞石正长岩、酸性玻璃熔岩、含锂矿物(锂云母、锂辉石等)。,C.长石类原料 不含水的碱or碱土金属铝硅酸盐，有4种基本类型：R2OAl2O36SiO2(R=K,Na)、ROAl2O32SiO2(R=Ca, Ba) 。前3种居多，钡长石较少，彼此可按一定的混溶规律形成固溶体。,第三章 材料的制备方法,D.碳酸盐类原料 无机材料中引入CaO和MgO所常用的天然原料。,第三章

9、材料的制备方法,白云石：CaCO3/MgCO3的固溶体，含Fe、Mn等杂质。能陶瓷坯体的T烧成，坯体的透明度，石英的熔解及莫来石的生成，也是瓷釉的重要原料。 方解石(CaCO3)：含镁、铁、锰、锌等杂质。属此组成还包括冰洲石、石灰石、石笋、钟乳石、白垩、大理石、霞石等。在陶瓷坯料中于分解前起瘠化作用，分解后起熔剂作用，也是高温釉的重要原料。 菱镁矿(MgCO3)：含铁、钙、锰等杂质。生产镁质耐火材料、镁质瓷、镁质精陶等。,石灰岩：由CaCO3组成的化学与生物化学沉积岩，主矿物是方解石。 泥灰岩：由CaCO3和粘土物质同时沉积所形成的均匀混合的沉积岩。 白垩和贝壳：白垩是由海生生物外壳与贝壳堆积

10、成的，主要由隐晶or无定形细粒疏松的CaCO3所组成的石灰岩。,第三章 材料的制备方法,E.其他原料 滑石(3MgO4SiO2H2O)和蛇纹石(3MgO2SiO22H2O)均为含水硅酸镁矿物。,硅灰石(CaOSiO2)：偏硅酸钙类矿物，不含有机物质、吸附水及结晶水。,透辉石(CaOMgO2SiO2): 偏硅酸钙镁, 1种新型陶瓷原料, 与硅灰石相似, 可作助熔剂也可作主原料。,透闪石(2CaO5MgO4SiO2H2O): 含水的钙镁硅酸盐矿物。,第三章 材料的制备方法,骨灰和磷灰石：钙的磷酸盐，主要用于骨灰瓷，也可用作玻璃的乳浊剂。骨灰的主成分是羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2。,萤石

11、(CaF2 )：氟石，为无色、白色、浅绿等。在新型陶瓷和冶炼钢铁过程中主要用作助熔剂，玻璃生产中作为乳浊剂 。,A.粉煤灰：火电厂排出的灰烬，由石英和莫来石结晶体、玻璃体、赤铁矿(Fe2O3)和磁铁矿(Fe3O4)，及少量未燃炭粒组成。化学成分较大，40%65%SiO2、15%40% Al2O3、4%20% Fe2O3 、2%7% CaO和3%10%未燃的炭。我国年排出量几千万吨，主要用做水泥的组分材料。,3.工业废渣的利用,第三章 材料的制备方法,废渣和废料工业生产及矿山开发中不可避免的产物，量大处理难，且污染环境。很重视综合利用变废为宝。废渣的储存量在不断，20世纪80年代初我国的废渣年排

12、放量已达3亿吨。主要包括：,B.煤矸石：夹在煤层间的脉石，是碳质页岩、碳质灰岩等含碳岩石和页岩、砂岩等的混合物。成分随岩石种类和矿物组成而变，粘土岩类煤矸石含 4060% SiO2，1530%Al2O3，砂岩类煤矸石SiO270%，铝质岩类Al2O340%，碳酸盐煤矸石CaO30%。,第三章 材料的制备方法,C.石煤：低炭煤，组成性质与泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤无本质差别，可燃的沉积岩。C%煤，挥发份和发热量低，灰分%高，且伴生较多的金属元素。 煤矸石与石煤的矿物组成大多数是粘土矿物和石英。,第三章 材料的制备方法,E.铝渣(赤泥)：矾土提取Al2O3排出的赤色废渣，含大量硅酸二钙(5354%)

13、。1吨Al2O31.51.8吨赤泥。4250%CaO、1824%SiO2、5.37.7%Al2O3、412.5%Fe2O3、27.5%TiO2等。,D.炉渣：高炉矿渣冶炼生铁的废渣，主要成分 CaO、MgO、SiO2、Al2O3。粉碎后呈晶体形状，由硅酸盐及少量氧化物、硫化物组成。成分基本稳定，资源丰富、成本低，水泥和陶瓷生产中得到广泛采用。 炼钢炉渣硅酸钙、铁酸钙等化合物，而游离的氧化钙和氧化镁的量较少。 城市及民用炉渣,F.电石渣：乙炔发生车间排出的含水约8590%的消石灰浆，1050m的颗粒80%。1吨电石可产生1.15吨干渣(相当于67吨料浆)。,第三章 材料的制备方法,G.碳酸法制糖

14、厂的糖滤泥、氯碱法制碱厂的碱渣以及造纸厂的白泥：主成分碳酸钙，均可作石灰质原料。,H.磷矿渣：生产黄磷的废渣，主成分为SiO2 44.08%、CaO 43.66%。与硅灰石一样能引入CaO而不带入挥发性组分，生产面砖的好原料，还可用来配制低温釉熔块。亦可用于陶瓷工业。,I.萤石矿渣 ：主要是硅酸钙，可代替硅灰石配制面砖坯料，也可作地砖料的熔剂。 J.碎玻璃 ：在工艺上影响玻璃配合料的熔化和澄清、热耗、玻璃制品的性能、加工性能和大窑生产率等。,第三章 材料的制备方法,K.其他 低品位铁矿石、炼铁厂尾矿以及硫酸厂硫酸渣等，均可用作水泥的铁质校正原料。 铜矿渣与铅矿渣：不仅可用作水泥的铁质校正原料，

15、其中的FeO能其T烧成和T液相，还可起矿化剂作用。,工业废料的综合利用,第三章 材料的制备方法,水泥工业 ：粉煤灰、硫酸渣、高炉矿渣等已作为原料or混合原料，赤泥、电石渣等也逐步使用。近来用煤矸石、石煤等代替粘土质原料也已取得一定效果。,陶瓷工业 ：高炉炉渣、磷矿渣、萤石矿渣等较多，除釉面砖、墙地砖外，还可生产卫生陶瓷和日用瓷。,玻璃工业 ：含碱矿物、矿渣和尾矿引入部分Na2O。主要有：天然碱、珍珠岩、含稀碱氧化物的花岗岩尾矿、食盐等。,4.原料的质量要求,第三章 材料的制备方法,金属矿物，所需的金属越高越好，一定值，则失去冶炼价值；根据可提炼金属，可分为富矿和贫矿，将品位不同的矿石许多不同等

16、级。,1.氧化物原料：A.单一氧化物：Al2O3、ZrO2、TiO2、MgO、BeO等。B.复合氧化物 2.非氧化物原料p84 3.其他化工原料,3.1.2 无机合成原料 化工原料按化学组成分级，即工业纯、化学纯(CP)、分析纯(AR) 及光谱纯等。就组分而言，又可分为氧化物和非氧化物原料两大类。,第三章 材料的制备方法,A.单一氧化物 氧化铝(Al2O3)：氧化物精细陶瓷的代表性原料之一，高温耐火材料、磨料、磨具、激光材料及Al2O3宝石等的重要原料。主要用途见表。,第三章 材料的制备方法,氧化锆(ZrO2)：最耐高温的氧化物之一，高温结构陶瓷、电子陶瓷和耐火材料的重要原料。种类和用途见表。主要以斜锆石和锆英石为原料，采用碱金属化合物分解法、氯化和热分解法、石灰熔融法和等离子弧法等制备。,