《材料成形基础5第五章jj》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料成形基础5第五章jj（107页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五章 硅酸盐类材料的生产及工艺原理,材料工程基础,第五章 硅酸盐类材料的生产及工艺原理,硅酸盐类材料，包括： 玻璃、陶瓷、水泥、耐火材料等若干类型。 本章将分类介绍其生产工艺方法及原理。,第一节 玻璃的生产与加工 玻璃，从广义上讲包括单质玻璃、有机玻璃和无机玻璃。狭义上一般仅指无机玻璃。 无机玻璃的生产与加工工艺流程如图5-1所示。,不同产品与工艺的主要差异表现在各自的成分设计和成形方法及深加工方面。 例如，窗用玻璃在成分设计上采用钠钙硅玻璃系，由浮法成形制得一次制品； 光学玻璃在成分设计上采用磷酸盐玻璃系，压制法成形，经研磨、抛光而制得一次制品。 一次制品经深加工后，可增添新的性质和用途，
2、这种玻璃为二次制品，也常称为深加工玻璃。 例如，把一次制品的窗玻璃，经磁控离子溅射法制成镀膜玻璃，可使玻璃增加彩色和反射光的性质。,一、玻璃的生产制备 (一)原材料 制造玻璃的原料通常分为主要原料和辅助原料。 一般玻璃的主要成分包括SiO2、Na2O、CaO、Al2O3、MgO等五种成分 为引入上述成分而使用的原料称为主要原料。,作为引入SiO2的原料主要有硅砂和砂岩，也是玻璃原料的主要成分。 它能使玻璃具有高的化学稳定性、力学性能、电学性能、热学性能。但是含量过多，会使熔制的玻璃液的粘度增大。 引入Na2O的原料主要是纯碱和芒硝； 引入MgO的原料主要是白云石； 引入CaO的原料主要是石灰石
3、、方解石； 引入Al2O3的原料主要是长石和高岭土。,为使玻璃获得其他性质，或为加速玻璃的熔制过程而引入的原料，通常称为辅助原料。 例如，氧化砷和氧化锑、硫酸盐类原料(硫酸钠)、氟化物类原料(氟石等)是作为澄清剂，它们能在玻璃熔制过程中分解产生一定量气体，气体的排放对于配合料和玻璃熔体产生搅拌作用，有利于玻璃熔体的澄清和均匀化。 除澄清剂以外，还有着色剂、脱色剂、氧化剂、还原剂、乳浊剂等。,(二)配合料的制备 ，将各种原料的粉料按一定比例称量、混合而成的均匀混合物，称为配合料。,(三)玻璃的熔制 将配合料经过高温加热成为均匀的、无可见气泡并符合成形要求的玻璃液的过程，称为玻璃的熔制。,化学过程
4、：包括固相反应、各种盐类的分解、水化物的分解、化学结合水的排除、组分间的相互作用及硅酸盐的形成。 物理化学过程：包括低熔点共熔物的生成、组分和生成物间的相互溶解，玻璃液与炉气介质及气泡间的相互作用，玻璃液与耐火材料间的相互作用等。 现以硅酸盐玻璃熔制为例，上述过程大体又可划分为：硅酸盐的形成、玻璃液的形成与澄清、均化与冷却等五个阶段。,(五)浮法成形 所谓浮法成形是指从熔窑中流出的熔融玻璃液，在流入盛有熔融金属锡的锡池后，在其表面上形成平板玻璃的方法。 其成形过程如图5-2所示：,由上述过程可知，浮法玻璃的成形是在锡槽中进行的。玻璃液由熔窑经导流槽进入锡槽后，其成形过程包括有自由展薄、抛光、拉
5、引等工艺环节。,二、玻璃制品成形加工 (一)玻璃成形加工原理 玻璃在玻璃化温度以下处于硬脆状态，一般只能进行机械研磨、抛光处理。 当温度高于玻璃化温度时属于热塑性材料，因此玻璃制品的成形一般都是采用热塑成形。,常见的成形方法有： 吹制法(如瓶罐等空心玻璃)，压制法(如烟缸、盘子等器皿玻璃) 压延法(如压花玻璃等) 拉制法(如纤维、管子等) 浇铸法(光学玻璃等) 离心法(如显像管玻壳、玻璃棉等) 喷吹法(玻璃珠、玻璃棉等) 焊接法(艺术玻璃、仪器玻璃等)等。,玻璃制品的成形过程包括成形和定形两个阶段： 第一阶段是赋于制品以一定的几何形状； 第二阶段是把制品的形状固定下来，是在温度降低下进行的。,
6、(二)日用玻璃器件成形 日用玻璃器件主要包括玻璃瓶罐、玻璃器皿等。这类玻璃器件的成形方法有人工成形和机械成形两种。 1人工成形 人工成形是一种比较原始的成形方法，这种方法目前最常用的是人工吹制法。 具体是由操作工人用一空心吹管，将一端挑起熔制好的玻璃料，然后依次均匀地吹成小泡、吹制、加工等操作而使玻璃制品成形。这种成形方法要求操作工人具有丰富的工作经验和熟练的操作手法。,2机械成形 玻璃制品的机械成形起源于19世纪末，其雏形是模仿人工操作的半机械化方法成形。19世纪8090年代发明的压一吹法和吹一吹法，使玻璃制品的成形完全实现了机械化。 一般空心制品的成形机，大多数采用压缩空气为动力，推动气缸
7、来带动机器动作。压缩空气容易向各个方向运动，可以灵活地适应操作制度，而且也便于防止制动事故。除压缩空气外，也有一部分空心制品的成形机是采用液压传动的。 空心制品的机械成形可以分为供料与成形两大部分： (1)供料如何将玻璃液供给成形机，是机械化成形的主要问题。 不同的成形机，要求的供料方法也不同，主要有以下三种：,1)液流供料。利用熔窑中玻璃本身的流动进行连续供料. 2）真空吸料 3)滴料供料 (2)成形 通常有压制与机械吹制两种方法：,3拉制成形 拉制多用来成形长的玻璃工件，例如薄板玻璃，玻璃棒、管，玻璃纤维等。这些产品都有恒定的截面。图57为玻璃薄板连续拉制工艺示意图。如果能将薄板漂浮通过处
8、于高温的熔化锡浴池，可以更进一步提高其平整度和降低表面粗糙度。,三、玻璃的退火 玻璃及玻璃制品在成形后的冷却过程中，经受激烈的、不均匀的温度变化，产生的热应力会导致大多数制品在存放、加工及使用中自行破裂，所以一般在其成形后均要经过退火，以减少或消除应力。 (一)玻璃的热应力 玻璃中的应力一般可分为三类：热应力、结构应力、机械应力。 玻璃中由于存在温度差而产生的应力，称为热应力。在玻璃中热应力分为暂时应力和永久应力两种。,1暂时应力 温度低于应变点(对应于为1013.6Pas粘度值)而处于弹性变形温度范围的玻璃，在加热或冷却过程中，即使加热或冷却的速度不是很大，玻璃的内层与外层也会形成一定的温度
9、梯度，从而产生一定的热应力。 这种热应力随着温度梯度的存在(或消失)而存在(或消失)，所以称为暂时应力。 应该指出，对玻璃中的暂时应力值也必须控制，如果暂时应力超过了玻璃的抗拉强度，玻璃同样会破裂。,2永久应力 在常温下玻璃内外层温度均衡后，即温度梯度消失后，仍然残留的热应力称为永久应力(也叫做残余应力)。,(二)玻璃退火的原理及工艺 如上所述，玻璃的永久热应力产生于从转变温度附近到退火温度区的结构调整(应力松弛)，因此，为了消除永久应力，也必须将制品加热到质点可移动、调整的温度(此温度下制品应该不变形)。 玻璃的退火温度上限与其化学组成有关，大部分器皿玻璃的退火上限为55020，平板玻璃为5
10、50570，瓶罐玻璃为550600，而铅玻璃则为460490。 在生产中，一般取退火上限为低于转变温度2030。,玻璃的退火工艺按温度和时间的变化，可分为一次退火、二次退火及精密退火(光学玻璃采用)等三种；按退火设备不同又分为间歇退火和连续退火两类。,第二节普通陶瓷的生产制备 陶瓷，是陶器和瓷器的统称，其渊源可追溯到远古的陶器时代。 它是用粘土及其他天然矿物原料经过粉碎加工、成形、烧结等工艺过程而制成。,陶器通常有一定吸水率，断面粗糙无光，不透明，敲击之声音粗哑，有的无釉，有的施釉。 瓷器的坯体致密，吸水率很低，有一定的半透明性，通常都施有釉层(某些特种瓷并不施釉，甚至颜色不白，但烧结程度仍相
11、当高)。 介于陶器与瓷器之间的一类产品，坯体较致密，吸水率也小，颜色深浅不一，缺乏半透明性。这类产品国外通称为拓器，也有称为半瓷。我国科技文献中提到的烦器、原始瓷器和船瓷均属于这一类。,陶瓷产品的应用范围遍及国民经济的各个领域。 它的生产和发展经历了由简单到复杂、由粗糙到精细、从无釉到施釉、从低温到高温的过程。随着生产力的发展和技术水平的提高，各个历史阶段赋予陶瓷的涵义和范围也不断发生变化。 现在习惯上将天然硅酸盐类原料烧结而成的陶瓷称为普通陶瓷或传统陶瓷。,按照普通陶瓷或传统陶瓷的特性与用途，又可划分为： 日用陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷、艺术瓷等多种系列 各系列中又包括若干种不同特性的品
12、种。 英、美和西欧等国则从制品的物理化学性质、坯体的颜色及气孔率等方面来加以分类，见表5-1。,一、普通陶瓷用原料 普通陶瓷用原料大部分属于天然矿物原料，部分为化工原料与合成原料。 分别介绍如下：,(一)天然矿物原料 天然矿物原料主要有粘土类、长石类、石英类、滑石类及硅灰石类原料等。 1粘土类原料 粘土是含水、铝硅酸盐多种微细矿物的混合物。它为陶瓷制品成形提供必须的可塑性和悬浮性，并在烧结中起重要作用。在配料中的用量常达到40以上。,粘土的主要化学成分为 SiO2和A12O3，还有少量碱金属氧化物(K2O、Na2O，碱土金属氧化物(CaO、MgO)，着色氧化物(Fe2O3、TiO2)和灼烧减量
13、(机械结合水、化合水、有机物、碳酸盐、硫酸盐等)。 粘土按其主要粘土矿物的不同可分为高岭石、蒙脱石和伊利石三大类别。 一般蒙脱石、伊利石类粘土比高岭石类粘土细小。粘土的颗粒越细，可塑性越强，干坯强度、干燥收缩也越大。,粘土-水混合物所具有的可塑性，使陶瓷坯体得以成形，在成形后保持其形状，并且在干燥和烧成过程中能保持其形状和强度，这种能力是独特的。 另外，粘土在某一范围内熔融，使坯体在一定温度下，靠其表面张力的拉紧作用而变得密实、坚硬，又不失去其外形。 同时，粘土中含有较高的Al2O3，它和SiO2在高温下生成莫来石晶体(3 Al2O32SiO2)，使陶瓷具有良好的抗热震性和机械强度等。,2长石
14、类原料 长石是地壳上分布广泛的造岩矿物。 化学组成是碱金属或碱土金属的铝硅酸盐，呈架状硅酸盐结构。自然界中长石的种类很多，根据架状硅酸盐的结构特点，长石主要有四种基本类型： 钾长石(K2OAl2O3SiO2)、 钠长石(Na2OAl2O36SiO2)、 钙长石(CaOA12O32SiO2) 和钡长石(BaOAl2O32SiO2)o,长石是陶瓷坯料的熔剂原料，熔融的长石形成粘稠的玻璃体，在高温下熔解部分高岭土分解物和石英颗粒，促使成瓷反应进行，降低陶瓷产品的烧成温度；同时，促进莫来石晶体的发育生长，赋予坯体机械强度和化学稳定性； 高温下长石熔体具有的粘度，起了高温热塑作用和胶结作用，防止了高温变
15、形；长石熔体冷却后，构成了瓷的玻璃基质，增加了透明度，用作釉料的组分可提高釉面光泽和使用性能，所以也是良好的釉用原料。 此外，长石作为瘠性(非塑性)原料，可提高坯体的干燥速度，减小坯体的干燥收缩和变形等。,3石英类原料 石英是自然界构成地壳的主要矿物。 石英的化学成分为SiO2。 它有脉石英、石英岩、砂岩、石英砂及蛋白石等类型。 SiO2有许多结晶型态和一个玻璃态。 最常见的晶态是：-石英、-石英、-鳞石英、-鳞石英、-鳞石英、一方石英和-方石英。 这些晶态在一定的温度和其他条件下，型态、结构会互相转化。,在陶瓷坯体中，石英起“骨架”作用。 石英作为釉料使用，有利于使釉面形成半透明的玻璃体，提
16、高白度。石英是非可塑性原料，可减小坯体的干燥收缩和缩短干燥时问，防止坯体变形。 在陶瓷产品烧成过程中，二氧化硅的体积膨胀可以起着补偿坯体收缩的作用。,4滑石类原料 滑石是天然的含水硅酸镁矿物。 它的化学通式为：3MgO4SiO2H2O，其结晶构造式为Mg3Si4O10(OH)2。其理论化学组成(质量分数)为：MgO31.89，SiO263.36，H2O 4.75o,滑石是制造滑石瓷、镁橄榄石瓷的主要原料。 釉面砖也可用它配料。 坯体中加入少量滑石，可降低烧成温度，在较低的温度下形成液相，加速莫来石晶体的生成，同时扩大烧结范围，提高白度、透明度、机械强度和热稳定性。 釉料中加入滑石，可改善釉层的弹性、热稳定性、加宽熔融范围等。,5硅灰石类原料 硅灰石是偏硅酸钙
