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1、合 肥 学 院Hefei University无机非金属材料工艺学课程总结题 目：无机非金属材料工艺学课程总结 年 级: XXXXXXXXXX 学 号: XXXXXXXXXXXX 姓 名: XXXXXX 指导老师： 田长安 2017年 6月 4 日无机非非金属材料工艺学课程总结无机非金属材料科学与工艺：是一门研究材料组成、结构、合成与制备、使用效能四者之间的关系与规律的科学。合成与制备：是研究如何将原子、分子聚合起来并最终转变为有用产品的一系列连续过程，是提高材料质量、降低生产成本的关键，也是开发新材料、新器件的中心环节。组成：是指构成材料物质的原子、分子、添加剂及其分布。结构：是指组成原子、
2、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布。组成和结构是材料的基本表征。它们一方面是特定的合成与制备条件下的产物，另一方面又是决定材料性能与使用效能的内在因数。无机非金属材料工艺学的研究内容：了解材料的组成与结构及它们同合成与制备之间、性能与使用效能之间的内在联系。材料材料的定义：能够用以加工有用物质的物质。无机非金属材料：是除金属材料和有机高分子材料之外的所有材料的总称。无机非金属材料的特性1、与金属材料和有机高分子材料的区别化学组成：（1）无机非金属材料：氧化物、碳化物、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（如氮化物Si3N4、碳化物SiC、氮化硼BN）等。（
3、2）金属材料：一般为固体单质材料（除水银外）。（3）有机高分子材料：碳、氢、氧、氮、氯等元素组成的化合物。化学键组成：（1）无机非金属材料：主要为离子键（如NaCl）或离子-共价键（如SiO2离子键和共价键各占50%）。碳材料是例外，如金刚石是共价键，石墨是共价键和金属键（2）金属材料：金属键（3）有机高分子材料：共价键2、无机非金属材料的特征（1）具有复杂的晶体结构（2）没有自由电子（石墨除外）（3）高硬度（4）较好的耐化学腐蚀能力（5）绝大多数是绝缘体（6）制成薄膜时大多是透明的（7）一般具有低导热性（8）大多数情况下变形微小3、无机非金属材料的基本属性（1）高熔点、高硬度、高抗压（2）耐
4、腐蚀、耐磨损（3）良好的抗氧化性、隔热性（4）优良的介电、压电、光学、磁学性能及功能转换特性（5）抗拉强度低、韧性差无机非金属材料生产过程的共性与个性1、原料共性：都是以铝硅酸盐（粘土、长石等）、硅质、石灰质、铝质原料为主。个性：化学组成不同2、原料的破碎共性：绝大多数原料都需要破碎为什么绝大多数原料都需要破碎？破碎后的好处：（1）好均化、烘干、配料（2）利于成型（3）利于热处理，节能（4）产量高，产品性能好，且稳定3、粉体的制备陶瓷：一般采用湿法制备粉体 水泥：湿法和干法制备玻璃：干法制备4、成型陶瓷成型：在高温热加工之前玻璃成型：在高温热加工之后水泥成型：在使用时5、烘干水泥：在粉体制备之
5、前，粘土、混合材需要烘干陶瓷：成型后的坯体必须烘干 6、高温热处理水泥：通过煅烧获得水泥熟料玻璃：熔融获得均匀、透明、无缺陷的熔体陶瓷：形成坚硬的烧结体水泥1.水泥的基本性质水泥浆具有良好的可塑性、与其他材料混合后的混合物可拥有适当的和易性较强的适应性较好的耐侵蚀、防辐射性能硬化后的水泥浆具有较高的强度，且强度随龄期的延长而逐渐增长良好的耐久性通过改变水泥的组成，可适当调整水泥的性质可与纤维、聚合物等多种有机-无机材料配制的各种水泥基复合材料，充分发挥材料的潜能2.水泥的定义与分类通用水泥专用水泥特种水泥：快硬高强水泥膨胀水泥自应力水泥水工水泥油井水泥：特别注意在不同温度和压力情况下水泥的稠化
6、时间的变化装饰水泥耐高温水泥其它特种水泥：道路硅酸盐水泥、防辐射水泥、耐酸水泥、砌筑水泥、高效无声破碎剂等注意：使用高效无声破碎剂一定要考虑温度的影响玻璃1、玻璃的特性（1）玻璃的定义及基本特性传统玻璃的定义：熔融物冷却、硬化而得到的非晶态固体基本特性：（a）透明、坚硬，良好的耐蚀、耐热、电学和光学性质（b）适用不同使用条件的要求（c）易于制备各种形状制品或部件2、玻璃的通性1）各向同性2）介稳性3）无固定熔点4）固态和熔融态间转化的渐变性和可逆性5）性质随成分变化的连续性和渐变性3、玻璃的分类（1）按组成分类元素玻璃：单一元素的原子构成的玻璃。有硫系玻璃、硒玻璃等。氧化物玻璃：借助桥氧形成聚
7、合结构的玻璃。非氧化物玻璃：（a）卤化物玻璃（氟化物玻璃如BeF2）和氯化物玻璃（如ZnCl2）等。（b）硫族化合物玻璃氧化物和非氧化物的混合玻璃：如BaF2-Al2O3-P2O5玻璃等。（2）按用途分类建筑玻璃日用轻工玻璃仪器玻璃3）按性能分类光学特性分：光敏玻璃、声光玻璃、光色玻璃、高折射玻璃、低色散玻璃、反射玻璃、半透过玻璃、透红外玻璃等等。热学特性分：热敏玻璃、隔热玻璃、耐高温玻璃、低膨胀玻璃等电学特性分：高绝缘玻璃、导电玻璃、半导体玻璃、高介电玻璃、超导玻璃等力学特性分：高强玻璃、耐磨玻璃等化学稳定性分：耐碱玻璃、耐酸玻璃等4）按形态分类泡沫玻璃玻璃纤维薄膜玻璃等5）按颜色分类无色玻
8、璃颜色玻璃半透明玻璃乳白色玻璃等石英玻璃：其光学性能有独到之处，它既可以透过远紫外线，是所有紫外材料最优者，又可透过可见光和近红外光谱，热膨胀系数极小，化学稳定性好，气泡、条纹、均匀性、双折射有可与一般光学玻璃媲美，所以它是在各种恶劣场合下工作具有高稳定度光学系数的必不可少的光学材料。 产品应用主要应用于军工、激光、冶金、光学仪器、舞台灯光等行业的高温窗口。陶瓷1、陶瓷的定义与分类传统陶瓷定义：以无机非金属天然矿物或化工产品为原料，经过原料处理、成型、干燥、烧结等工序制成的产品。是陶器和瓷器的总称。陶瓷的分类：（1）按组成分类：硅酸盐陶瓷氧化物陶瓷非氧化物陶瓷（2）按性能分类：普通陶瓷：包括日
9、用陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷等特种陶瓷：包括结构陶瓷、功能陶瓷2、陶瓷的基本性能与特点（1）陶瓷的显微结构由结晶相、气孔和玻璃相组成。（2）陶瓷的基本性能较高的弹性模量强度高，抗压强度远远大于抗拉强度耐磨性能良好好的耐久性，如抗氧化，耐高温、耐腐蚀硬度高优良的电绝缘性能脆性大，经不起外力撞击，也不能急冷急热。理论强度高，但实际强度远远低于理论强度原因：陶瓷材料存在很多微裂纹微裂纹一旦形成，就会迅速的扩展对于金属，在外力的作用下可以产生塑性变形，塑性变形可以吸收扩展裂纹的能量，起到止裂纹的作用。对于陶瓷，缺乏塑性变形，裂纹一旦形成，材料内部的应力就会集中在裂纹的尖端，推动裂纹的扩展，直至断裂。如果
10、是在热冲击的情况下，由于陶瓷材料导热性差，热应力因此增加，促进裂纹迅速扩展。无机非金属材料的组成及配料计算1.无机非金属材料的组成 (1)CaO-Si02-Al203系统 在CaO-Si02-Al203系统中，随着各氧化物之间比例的不同，生成的矿物组成极其复杂。其中主要有： 硅酸三钙C3S 硅酸二钙C2S 钙铝黄长石C2AS 铝酸一钙CA 铝酸三钙C3A七铝酸十二钙C12A7二铝酸一钙CA六铝酸一钙CA61) 硅酸三钙(C3S)。 主要由硅酸二钙和氧化钙反应生成。在水泥中其含量为50%左右，有时高达60%以上。C3S在12502065时稳定，在1250以下分解为C2S和CaO。 思考：为什么水
11、泥在常温下有C3S存在？ C3S又分属于三个晶系的七种变型：三方晶系的R型；单斜晶系的M、M、MI型和三斜晶系的T、T、TI型。 纯C3S在常温下，通常只能保留三斜晶系(T型)，如含有少量MgO、Al2O3、S03、ZnO、Cr2O3、Fe2O3和R2O等稳定剂形成固溶体，便可保留M型或R型。故硅酸三钙通常为M型或R型。 硅酸三钙固溶体的密度为31403250kgm3。 阿利特或A矿：在硅酸盐水泥熟料中， C3S并不是已纯的形式出现，总含有少量的MgO、Al2O3 、 Fe2O3等形成固溶液，称为阿利特或A矿。 硅酸三钙加水调和后，初凝时间大于或等于45min，终凝时间小于或等于12h。它水化
12、较快。粒径为4045um的硅酸三钙颗粒加水28d后，有70左右与水反应。所以硅酸三钙可产生较高的强度，且强度发展比较快，早期强度较高，且强度增进率较大，28d强度可以达到它一年强度的7080。但硅酸三钙水化热较高，抗水性较差。 C3S含少量其他氧化物形成的固溶体，将影响它的反应能力和晶型。另外，硅酸三钙固溶体晶体尺寸和发育程度会影响其反应能力。 当烧成温度高时，C3S固溶体晶形完整，晶体尺寸适中，几何轴比大(晶体长度与宽度之比LB=23)，矿物分布均匀，界面清晰，强度较高。 当加矿化剂或用急剧升温等新的煅烧方法低温烧成时，虽然很多C3S固溶体晶体比较细小，但发育完整、分布均匀，熟料强度也很高。
13、2）硅酸二钙(C2S) 在水泥中C2S一般在20%左右。由氧化钙与氧化硅反应生成纯硅酸二钙。贝利特或B矿： C2S与少量MgO 、 Al2O3 、 Fe2O3 、R2O等氧化物形成固溶体，称为贝利特或B矿在1 450oC温度以下时， C2S进行下列多晶转变 。 当温度低于500oC时，硅酸二钙由 型转变为型，体积膨胀10%而导致物料粉化。 型几乎无水硬性。 硅酸二钙固溶体与水反应速度较慢，凝结固化较慢，早期强度低，但后期强度增进率较高。 硅酸二钙固溶体的水化热较低，耐水性好。3）中间体 它填充在阿利特和贝利特之间可包括铝酸盐、铁酸盐、组成不定的玻璃体和含碱化合物以及游离氧化钙和方镁石。但以包裹
14、体形式存在于阿利特和贝利特中的游离氧化钙和方镁石除外。中间体在熟料煅烧过程中，熔融成为液相，冷却时结晶，但有部分来不及结晶而凝固成玻璃体。无机非金属材料的组成设计及配料计算 (1)硅酸盐水泥的组成设计 1)硅酸盐水泥对矿物组成的要求。 2)硅酸盐水泥组成矿物的选择。 (2)配料计算 1)熟料的率值。 水泥熟料是一种多矿物集合体，而这些矿物又是由四种主要氧化物化合而成。 率值：控制各氧化物之间的比例即率值。率值作为生产控制的一种指标 石灰饱和系数(KH)。 熟料中四个主要氧化物是： CaO、Si02、 A1203、 Fe2O3 其中： CaO为碱性氧化物，其余三个为酸性氧化物，两者相互化合形成C2S、C3S、C3A、C4AF四个主要熟料矿物。 从理论上讲，酸性氧化物应形成碱性最高的熟料矿物C3S、
