无机材料工艺学培训课程

11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
15
0.2.2 玻璃
玻璃的定义 玻璃是由熔融物冷却、硬化而得到的非晶态固体，其
内能和构形熵高于相应的晶体，从熔融态转变为固态时有 一定的转变温度Tg。
玻璃结构为短程有序，长程无序。
玻璃的特性：
❖ 透明，坚硬，良好的耐蚀、耐热、电学和光学性质； ❖ 通过调整化学组成，并结合各种工艺方法可大幅度调整玻璃的和物理
26
0.4 无机非金属材料在人类生活中的地位与作用
❖ 对科学技术发展的作用 ❖ 对工业及社会进步的作用 ❖ 对巩固国防、发展军用技术的作用 ❖ 在生物医学方面的作用
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
27
0.5 无机非金属材料工艺学的研究内容
合成与制备
组成
性能
结构
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
12
（2）水泥的定义与分类
水泥的定义
凡细磨成粉末状，加入适量水后成为塑性浆体，既能在 空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等散粒或纤维 材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，统称为水泥。
水泥的分类 通用水泥：一般土木建筑工程通常采用的水泥；
按用途和性能分类 专用水泥：专门用途的水泥。
特性水泥：某种性能比较突出的水泥。
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
13
按组成分类：
硅酸盐水泥系列 铝酸盐水泥系列 氟铝酸盐水泥系列 硫铝酸盐水泥系列 铁铝酸盐水泥系列 其它:如 无熟料、少熟料水泥
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
14
（3）水泥的基本特性
作为水硬性胶凝材料的水泥具有以下特性：
28
市场应用无原则，要更多、更高、更新的材料。 物理性能——显微结构——工艺、配方 从宏观——微观 从定性——定量 从粗制——精细制作（新工艺） 从大颗粒——纳米材料
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
29
节能化、大型化、大型化、自动化、环境协调化—— 生产工艺
加强基础理论研究——理论 我国存在的问题：
课 程 简 介
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
1
计划学时：40学时
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材 料工艺知识体系，培养智能型与复合型人才。
课程要求：具有扎实的基础知识。 全面系统地掌握无机材料的基本概念、 基本理 论、制备原理、生产过程的共性与个性及无机材料的基本性能。
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
8
（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。
通常按吸水率划分。
本书中所述陶瓷是指以无机非金属天然矿物或化工产品 为原料，经原料处理、成型、干燥、烧成等工序制成的产品， 是陶器和瓷器的总称。
陶瓷的分类
随着生产和科学技术的发展，陶瓷产品的种类也日益增多。 按组成可分为硅酸盐陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷；按性 能可分为普通陶瓷、特种陶瓷；按用途可分为日用瓷、艺术瓷、 建筑瓷、化工瓷等。
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
2
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）
11.03.2024
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。
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
7
（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。
❖ 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
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
6
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、
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
胶凝材料
天然材料
玻璃
陶瓷
气硬性胶 水硬性胶 凝材料 凝材料
11.03.2024
普通 玻璃
特种 玻璃
合肥学院化学与材料工程系
普通 陶瓷
特种 陶瓷
5
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
宋代五大名陶瓷 官、哥、定、钧、汝
The four typical specialisties of Jing De zhen porcelain As white as jade /as bright as a mirror /as thin as paper /as resonant as chime
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
11
水泥的发明
19世纪初（1810~1824年），用人工配合粘土与石灰石 经煅烧、磨细以制造水硬性胶凝材料已经开始组织生产。 1824年，英国人阿斯普丁将粘土与石灰石配合烧制成块（熟 料），再经磨细而成水硬性胶凝材料，加水拌和后能硬化制 成人工石，并具有较高强度，其外观与当时建筑上常用的英 国波特兰岛上出产的岩石相似，故称之为“波特兰水泥” （Portland Cement)，并于1824年10月21日首先获得该产品 的专利权。
此外陶瓷的脆性大，理论强度高，但实际强度较低，这是 陶瓷性能改善的主要方面之一。
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
22
0.3 无机非金属材料的现状及发展趋势
陶瓷 玻璃 水泥
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
23
陶瓷发展史
瓷器与中国齐名(china)，可见瓷器与中国历史发展 关系密切。《陶瓷发展史》介绍各个历史时期中国与 世界陶瓷发展状况。陶瓷发展对中国文化和世界文化 发展做出了非凡的贡献。
化学性能； ❖ 能够用多种成型制成各种形状和大小的制品； ❖ 通过焊接和粉末烧结等加工方法制成形状复杂、尺寸严格的器件。
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
16
玻璃的通性
（1）各向同性 在任何方向上都具有相同的性质。
（2）介稳性 玻璃态物质比相应的晶态物质含较大的内能，它不是处于
能量最低的稳定状态，而是处于介稳状态。 （3）无固定熔点
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
21
陶瓷的基本特性与特点
陶瓷的显微结构由结晶相、气孔和玻璃相组成。陶瓷材料 的离子键、共价键赋予该种材料许多优良的性能：
❖ 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，如耐腐蚀、耐高温、抗氧化 ❖ 硬度高 ❖ 优良的电绝缘性能
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
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
9
0.2 典型无机非金属材料
0.2.1 胶凝材料 （1）胶凝材料的定义与分类
胶凝材料定义
拌水后既能在空
凡能在物理、化学作用下，从浆体变成坚气中固硬的化石又状能体在 ，
水中硬化，如水
能耗高、成本高、劳动生产率低、质量不稳定、人才 缺乏、劳动强度大、品种单一、环境污染厉害。
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
30
几个概念
1、工艺：生产方法和生产过程。 2、工艺学：研究生产方法过程及其原理的 一门科学。 3、工艺学主线：研究产品性能、显微结构、原料及工艺关系
并能胶结其拌他水物后料只能而在具空有气一定机械强度的物质，统泥称。为胶凝 材料，又称中中胶硬硬结化化料而，不如。能 石在 灰水 、
胶凝材料分类石膏等。
有机胶凝材料，如沥青，各种树脂等。
按组成物质分类 无机胶凝材料
水硬性胶凝材料 气硬性胶凝材料
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
10
用石灰、石膏 作为胶凝材料
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
24
水泥发展简史：
（1）天然胶凝材料阶段——4000——10000年前新石器— —粘土＋稻草不抗水，抹彻简易建筑物强度低 （2）火发明——石灰、石膏阶段——埃及金字塔（煅烧石 膏调砂浆），万里长城（煅烧石灰）？？ （3）石灰＋火山石灰阶段——公元初，要求强度较高且抗 水的凝胶材料 （4）水硬性石灰、天然水泥阶段——18世纪后半期 （5）硅酸盐水泥——1824年英国阿斯普丁——波特兰水 泥专利——人工配料、烧、磨细 （6）不同品种的水泥阶段——快硬、早强硅酸盐水泥、油 井水泥、中低热水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝 酸盐水泥
❖ 水泥浆具有良好的可塑性，与其它材料混合后的混和物可拥有 适宜的和易性。
❖ 较强的适应性。 ❖ 较好的耐侵蚀、防辐射性能。 ❖ 硬化后的水泥浆体具有较高的强度，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，可适当调整水泥的质量。 ❖ 可与纤维、聚合物等多种有机、无机材料匹配。 ❖ 制得各种水泥基复合材料，充分发挥材料潜能。
玻璃态物质由固体转变为液体是在一定温度区域内进行的。 （4）固态和熔融态间转化的渐变性和可逆性（图0-2-1、图0-2-2） （5）性质随成分变化的连续性和渐变性（图0-2-3）
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
17
图0-2-1 物质内能与体积 随温度的变化
11.03.2024
图0-2-2 不同冷却速度下玻璃 的比容与温度的关系
图0-2-3 R2O-SiO2系统玻璃的弹性变化 1-Li2O；2-Na2O；3-K2O
合肥学院化学与材料工程系
18
玻璃的分类
元素玻璃
硫系玻璃 硒玻璃
按组成分类
氧化物玻璃 非氧化物玻璃
卤化物玻璃 硫族化学物玻璃
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
19
按用途分类
建筑玻璃 日用轻工玻璃 仪器玻璃 光学玻璃 电真空玻璃
合肥学院化学与材料工程系
3
按化学组成和显微结构特点分类：
金属材料
无机非金属材料
大坝
材料
有机高分子材料
复合材料
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
4
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、碳化物化物
玻璃还可以按性能分类，一般用于一些专门用途、具有 某一方面的特定性能的玻璃。
如光学特性玻璃、热学特性玻璃、耐高温玻璃；导电玻璃、半导体玻璃、 超导玻璃；力学方面的高强玻璃、耐磨玻璃；化学稳定性方面的耐碱玻璃、 耐酸玻璃等。
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
20
0.2.3 陶瓷 陶瓷的定义
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
25
玻璃发展简史：
➢绿玻璃球（5000――6000年） ➢ 白玻璃（3000年――400年） ➢工业纯碱代草木灰＋石灰石 Na－Ca－Si ➢1957年英国人皮尔金顿PB浮法专利 ➢1975年美匹兹堡公司PPG新浮法专利。
11.03.2024
合肥学院化学与材料工程系
成绩考核：N+2考核，其中N的内容为： 1.课堂测验(1) 2.课程阶段测试(1) 3.无机材料典型生产工艺调研报告(1)
主要参考资料： 《无机非金属材料工艺学》王琦主编，中国建材工业出版社 《无机材料工艺学》宋晓岚、叶昌、余海湖 ，冶金工业出版社 《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