无机非金属材料工艺学-绪论

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
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。
通用水泥硅酸盐水泥一般用途的水泥主要用于一般民用建筑工程普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥复合硅酸盐水泥等专用水泥油井水泥有专门用途的水泥主要用于专门建筑工砌筑水泥特性水泥快硬硅酸盐水泥指有某种特殊性能的水泥主要用于特殊建筑工程低热矿渣硅酸盐水泥抗硫酸盐硅酸盐水泥膨胀硫铝酸盐水泥自应力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
3.煤气炉中电子打火用的是什么材料？ 压电陶瓷
想一想： 4.现在的长途电话信号是通过什么传输的？
光导纤维
0.4 无机非金属材料的现状及发展趋势
陶瓷 –先进功能陶瓷及结构陶瓷 玻璃 -特种玻璃 水泥 –高性能水泥
Keywords：资源节约；环境友好型； 智能化、自动化
0.5 无机非金属材料工艺学的研究内容
0.3 无机非金属材料在现代化建设中的作用
无机非金属材料的产品已遍及到民用、工业和国防的各个 方面，是现代化建设中重要的行业。
❖ 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
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（3）混凝土
混凝土的出现
古老年代，其所用的胶凝材料为粘土、石灰、石膏、火山灰等。 19世纪20年代出现了波特兰水泥后，由于用它配制成的混凝土具有工程 所需要的强度和耐久性，而且原料易得，造价低，特别是能耗低，因而用 途极为广泛。 20世纪初，水灰比等学说的建立，初步奠定了混凝土强度的理论基础。 以后，相继出现了轻集料混凝土、加气混凝土及其他混凝土，各种混凝土 外加剂也开始使用。 60年代以来，广泛应用减水剂，并出现了高效减水剂和相应的流态混凝 土；高分子材料进入混凝土材料领域，出现了聚合物混凝土；多种纤维被 用于分散配筋的纤维混凝土。
0.2.3 陶瓷 陶瓷的定义
通常按吸水率划分。 吸水率>12%陶器 3%-12%瓷器
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
◄ 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。
0.1.4 无机非金属材料生产过程的共性 共性
（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、
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。
阿联酋UCC10000t/d水泥生产线
源自文库
山东烟台东源水泥公司3000t/d和 5000t/d水泥生产线
云南红塔集团滇西水泥股份有限公司 高海拔3×1000t/d生产线
No Image
（a）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。
3、装饰性水泥基复合材料 赋予水泥基复合材料的装饰性，是提高材料自身价值的重要途径。重要产品 包括清水混凝土、装饰型砌筑材料、装饰型建筑板材等大类。
4、其他水泥基复合材料 功能型水泥基复合材料品种很多，以上只涉及声、热、轻、装饰等方面，其 它还有防辐射、种植、导电、防爆、智能等诸多功能。
水泥基复合材料的功能化趋势越来越受到重视，市场前景越来越 好，研究开发工作需要国家和社会的大力支持。
✓ 水泥生产在粉体制备前，粘土、混合材料等需要烘干； ✓ 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。
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
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。
玻璃的通性
（1）各向同性：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
一般用途的水泥，主 要用于一般民用建筑 工程
有专门用途的水泥， 主要用于专门建筑工 程
指有某种特殊性能的 水泥，主要用于特殊 建筑工程
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
（b）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：
❖ 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。
（3）粉体制备
粉体颗粒的大小、级配、形状以及均匀性对产品的产量、质 量有着极为重要的影响。
（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。
（5）烘干
烘干是为了除去物料或坯体中一定量的自由水。
0.2 传统无机非金属材料
0.2.1 胶凝材料 （1）胶凝材料
胶凝材料定义
凡能在物理、化学作用下，从浆体变成坚固的石状体， 并能胶结其他物料而具有一定机械强度的物质，统称为胶凝 材料，又称胶结料。
胶凝材料分类 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
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
材料 有机高分子材料
大坝
复合材料
0.1.2 无机非金属材料的定义与分类
定义
以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、 硼化物、 及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐和非氧化物等物质组成的材 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。
➢ 对象：研究无机非金属材料领域内组成、结构、制备、性质之间 的关系与规律的科学。
➢ 任务：不断利用材料科学及其他相邻学科的发展成就，实现按使用性能 要求设计和制造材料的目标。
0.6 典型无机非金属材料工艺
a) 水泥生产工艺流程 机械化立窑水泥生产工艺流程图
用石灰、石膏 作为胶凝材料
（2）水泥
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。
低的稳定状态，而是处于介稳状态。 （3）无固定熔点：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。 （5）性质随成分变化的连续性和渐变性。
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
按用途分类
建筑玻璃
日用轻工玻璃
仪器玻璃 光学玻璃
按加工工艺 分类
电真空玻璃
钢化玻璃 磨砂玻璃 喷砂玻璃 压花玻璃 夹层玻璃
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。
水泥的分类
按用途和 性能分类
通用水泥：一般土木建筑工程通常采用的水泥； 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。
通用水泥
按 其 用 途 专用水泥 和 性 能
特性水泥
硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥等
油井水泥 砌筑水泥 快硬硅酸盐水泥 低热矿渣硅酸盐水泥 抗硫酸盐硅酸盐水泥 膨胀硫铝酸盐水泥 自应力铝酸盐水泥
课程要求：具有扎实的基础知识。
全面系统地掌握无机非金属材料的基本概念、基本理论、制备原理、 生产过程的共性与个性及无机非金属材料的基本性能。
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
非金属材料工艺知识体系，培养应用型人材。
材料家族-无机非金属材料
以上图片说明这样一个事实，即在人类社会发
0.2.2 玻璃 玻璃的问世
五六千年前，古埃及一位制造陶器的工匠，在一次从窑中取出陶盆时，看到 陶盆里有一块亮晶晶的东西。这位聪明而细心的工匠，没有放过这个意外发现 的晶体，他分析陶土里的成分，一次次试验烧制，搞清了这亮晶晶的东西是沙 子和苏打混合物烧成的，这就是后来的玻璃。
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 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。
水泥基复合材料
1、水泥基复合吸声材料 水泥基块体吸声材料通过砌筑可直接形成声屏障，通过对其块型、结构、表 面状态进行优化设计，使其吸声面具有良好的吸声性能。
2、水泥基复合保温隔热材料 通过内部成孔、掺杂多孔超轻集料、优化组成和配合比等措施，在降低传统 水泥基复合材料密度的同时，赋予其良好的热工性能，包括保温和隔热性能。
分类
无机非金属材料
胶凝材料 天然材料
玻璃
陶瓷
气硬性胶 凝材料
水硬性胶 凝材料
普通 玻璃
特种 普通 玻璃 陶瓷
特种 陶瓷
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。无机非金属材料有以下 特征：
❖ 具有复杂的晶体结构 ❖ 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 ❖ 一般具有低导热性 ❖ 大多数情况下变形微小
课程简介：研究无机非金属材料组成、结构、制备与性能直接关系，阐述无
机非金属材料工艺中的基本概念、基本理论、基本工艺过程等， 介绍了近年来工艺进展等方面的成果。
计划学时：48学时
参考教材： 《无机非金属材料工艺学》张巨松，哈尔滨工业大学出版社
《无机非金属材料工艺学》王琦，中国建材工业出版社 《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
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。
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）
混凝土的定义与分类 定义
混凝土是用凝胶材料（无机、有机的或有机无机复合的） 将骨/集料胶结合成整体的复合固体材料的总称。
eg. 水泥混凝土：水泥、颗粒状集料、水、化学添加剂和参合材料混合组成。
分类
按胶结分类
无机胶结 有机胶结
➢ 水泥类 ➢ 石灰类 ➢ 石膏类 ➢ 硫磺 ➢ 水玻璃 ➢ 碱矿渣类
➢ 沥青类 ➢ 合成树脂+水泥 ➢ 树脂 ➢ 聚合物（浸渍）
展的过程中，大自然馈赠与人类的材料(如泥土、木
材、石头等)，已远远不能满足人类社会发展的需求。
为了人类自身发展的需要，人们总是在大自然的馈赠
之外，用自己的聪明才智和勤劳的双手，不断地研制、
创造着各种各样的新材料，以满足人类物质文明和科 学技术不断发展的需要。
人类使用和制造材料有着悠久的历史，从制造出