无机非金属材料工程概论

第二篇无机非金属材料工程基础第三章无机非金属材料工程概论本章内容及要求1.本章共三节，教授课时2学时，通过本章学习，要掌握无机非金属材料生产工艺过程的共性和特性。

3.1 概述3.2 无机非金属材料生产工艺过程的共性3.3 不同类型无机非金属材料生产过程的特性2.重点是无机非金属材料生产工艺过程的共性。

3.要求：①掌握无机非金属材料生产工艺过程的共性；②掌握几种典型无机非金属材料生产工艺过程的特性；③了解无机非金属材料的分类和发展简史。

具体内容第一节概述一、无机非金属材料定义与分类无机非金属材料（inorganic nonmetallic materials）是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐、硫酸盐、碳酸盐等物质组成的材料。

是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。

无机非金属材料是20世纪40年代以后，随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。

与有机高分子材料和金属材料并列的三大类型材料之一。

在晶体结构上，无机非金属材料的元素结合力主要为离子键、共价键或离子—共价混合键。

这些化学键所特有的高键能、高键强度赋于这一大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性，以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。

无机非金属材料品种和名目极其繁多，用途各异，因此，分类方法较多，但还没有一个统一而完善的分类方法。

可以按无机非金属材料所含化学成分和矿物组成分类、按材料性能（功能）分类、按材料用途分类、按材料内部结构和生产工艺特点分类等，通常把它们分为普通的（传统的）和先进的（新型的）无机非金属材料两大类。

传统的无机非金属材料是工业和基本建设所必需的基础材料。

如水泥是一种重要的建筑材料，耐火材料与高温技术与冶金钢铁工业的发展关系密切，各种规格的平板玻璃、仪器玻璃和普通的光学玻璃以及日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和电瓷等与我们的生活密切相关，它们产量大，用途广。

其他产品，如搪瓷、磨料（碳化硅、氧化铝）、铸石（辉绿岩、玄武岩等）、碳素材料等也都属于传统的无机非金属材料。

新型无机非金属材料是指20世纪中期以后发展起来的、具有特殊性能和用途的无机非金属材料。

它们是现代新技术、新产业、传统工业技术改造、现代国防和生物医学所不可缺少的物质基础。

主要有先进陶瓷（advanced ceramics）、非晶态材料(noncrystal material)、人工晶体(artificial crystal)、无机涂层(inorganic coating)、无机纤维(inorganic fibre)和功能矿物材料（non—metallic materials）等。

二、无机非金属材料发展简史传统的硅酸盐材料一般是指以天然的硅酸盐矿物（粘土、石英、长石等）为主要原料，经粉磨、混合、成型及高温窖烧制而成的一大类材料，故又称窑业材料，包括日用陶瓷、一般工业用陶瓷、普通玻璃、水泥、耐火材料等。

这类材料具有非常悠久的历史。

从远古旧石器时代的石器工具，原始部落所制作的粗陶器，中国商代开始出现的原始瓷器和上釉的彩陶，东汉时期的青瓷，经过唐、宋、元、明、清不断发展，已达到相当高的技术和水平，并成为中华民族的瑰宝。

与此并行发展的耐火材料（粘土质和硅质材料），从青铜器时代、铁器时代到近代钢铁工业的兴起，都起过关键的作用。

距今五六千年前的古埃及文物中即发现有绿色玻璃珠饰品，中国白色玻璃珠亦有近3000年的历史。

17世纪以来，由于用工业纯碱代替天然草木灰与硅石、石灰石等矿物原料生产钠钙硅酸盐玻璃，各种日用玻璃和技术玻璃迅速进入普通家庭、建筑物和工业领域。

在距今五六千年的史前和古代建筑中已大量使用石灰和石膏等气硬性胶凝材料，公元初期有了水硬性石灰和火山灰胶凝材料。

但是用人工方法合成硅酸盐水泥制品还只有100多年的历史。

19世纪初，英国人J.阿斯普丁(Aspdin)发明用硅酸盐矿物和石灰原料经高温煅烧制成波特兰水泥（portlamd cement）（又称硅酸盐水泥），从而开始了高强度水硬性胶凝材料的新纪元。

上述陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均为硅酸盐，因而长期以来，在学术界和工业生产部门中将其称为硅酸盐材料。

20世纪中期以后，随着微电子、航天、能源、计算机、激光、通信、光电子、传感、红外、生物医学和环境保护等新技术的兴起，对材料提出了愈来愈高的要求，促进了性能更为优良以及有特殊功能的新型陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥、涂层、磨料等制品的飞速发展。

它们在化学组成上远远超出了硅酸盐化合物的范围，而是扩展到了其他氧化物、氮化物、硼化物、碳化物硫系化合物和钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等以至几乎一切无机化合物。

已有相当一些在其组成中完全不含氧化硅的产品，如刚玉瓷、镁质耐火材料、磷酸盐和硼酸盐光学玻璃等，已形成大规模的工业生产并广泛使用。

在不少制品（如氧化锆陶瓷）的组成中，氧化硅反倒成为最有害的杂质而必须严格禁止。

这样在用硅酸盐材料来概括这些材料已显得过时，因此无机非金属材料这一名称在学术界逐渐形成并获得使用。

在国际上因陶瓷历史最悠久，且应用广泛，故常沿用广义的陶瓷来表示无机非金属材料。

三、无机非金属材料的地位和作用无机非金属材料是国家建设和人民生活中不可缺少的重要物质基础。

人类发展的历史证明：材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。

纵观人类利用材料的历史，可以清楚的看到，每一种重要材料的发现和利用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个水平，给社会生产力和人类生活带来巨大的变化，把人类物质文明和精神文明向前推进一步。

例如，半导体材料的出现，，对电子工业的发展具有巨大的推动作用。

计算机小型化和功能的提高，与锗、硅等半导体材料密切相关。

钢铁冶炼发展过程中的每一次重大演变都有赖与耐火材料新品种的开发，碱性空气转炉成功的关键之一是由于开发了白云石耐火材料；平炉成功的一个重要因素是生产了具有高荷重软化温度的硅砖；耐急冷急热的镁铬砖的发明促进了全碱性平炉的发展。

近年来，钢铁冶炼新技术，如大型高炉高风温热风炉、复吹氧气转炉、铁水预处理和炉外精炼、连续铸钢等，都无例外的有赖于优质高效耐火材料的开发。

玻璃瓶罐、器皿、保温瓶、工艺美术品等，已成为人们生活用品的一部分。

窗玻璃、平板玻璃、空心玻璃砖、饰面板和隔声、隔热的泡沫玻璃，在现代建筑中得到了普遍的采用；钢化玻璃、磨光玻璃、夹层玻璃、高质量的平板玻璃，装配着各种运输工具的风挡和门窗；各种颜色信号玻璃在海、陆、空交通中起着“指挥员”的作用；电真空玻璃和照明玻璃，充分利用了玻璃的气密、透明、绝缘、易于密封和容易抽真空等特性，是制造电子管、电视机、电灯等不可取代的材料；光学玻璃用于制造光学仪器的核心部件，广泛的应用于科研、国防、工业生产、测量等各方面；显微镜、望远镜、照相机、光谱仪和各种复杂的光学仪器，大大的改变了科学研究的条件和方法；玻璃化学仪器、温度计、是化学、生物学、医学、物理学工作者必备的实验用具；玻璃大型设备及管道，是化学工业上耐蚀、耐温的优良器材；光导纤维的出现，改变了整个通信体系，使“信息高速公路”的设想成为现实；玻璃纤维、玻璃棉及其纺织品，是电器绝缘、化工过滤和隔声、隔热、耐蚀的优良材料，它们与各种树脂制成的玻璃钢，质量轻、强度高、耐蚀、耐热，用以制造绝缘器件和各种壳体。

新型结构陶瓷、功能陶瓷由于其高温下的高强度、高硬度、抗氧化、耐磨损、耐烧蚀等特性，为先进的耐热、耐磨部件的应用开劈了良好的前景。

超导陶瓷的出先成为现代物理学和材料科学的重大突破。

生物陶瓷由于其优良的相容性和生物活性等特殊性能，已广泛停应用于生物医学工程中，人工晶体、无机涂层、无机纤维、纳米陶瓷等先进材料已逐渐成为近代尖端科学技术的重要组成部分。

无机非金属材料工业在国民经济中占有重要的先行地位，具有超前特性，其发展速度通常高于国民经济总的发展速度。

以水泥为例，50年代到60年代，水泥增长的先行弹性系数（水泥产值递增率/国民生产总值递增率）是：美国1.60；前苏联：1.48~1.74；日本：1.38~2.02；联邦德国：1.18~1.38；法国：1.17~1.27。

在“一五”期间，我国以水泥、玻璃、陶瓷为主的传统无机非金属材料工业先行弹性系数为1.91。

从1980年到1995年我国国民经济生产总值基本上翻了两翻，但水泥的总产量却从1980年的7986万吨增加到了1995年的44560万吨，增加了5.58倍。

可以说无机非金属材料工业是整个国民经济兴衰的“晴雨表”，与人类的文明生活和国民经济的发展息息相关。

四、无机非金属材料工业进展简史随着人类文明和科学技术的飞速发展，无机非金属材料工业产生了巨大的飞跃，取得了重大的进展。

在第一次产业革命中问世的水泥工业，一个半世纪以来，工艺和设备不断改进，间歇式的土窑烧制水泥熟料成为历史。

以冶炼技术为突破口的第二次产业革命的兴起，进一步推动了水泥生产设备的更新。

1877年发明了用回转窑（rotary kiln）烧制水泥熟料的新技术，从而导致了单筒冷却机（rotary cooler）、立式磨以及单仓钢球磨等新设备的问世，有效的提高了产量和质量。

到19世纪末与20世纪初，其它工业的发展带动了水泥工艺技术和生产设备的不断改造与更新。

1910年立窑（shaft kiln）首次实现了机械化连续生产；1928年出现了较大幅度降低水泥热耗、提高窑产量的立波尔窑(Lepol kiln)。

特别是在第二次世界大战后，以原子能、合成化工为标志的第三次产业革命引起了水泥工业的深刻变化。

50年代至60年代，悬浮预热气窑(dry process kiln with suspension preheater)的出现和电子计算机在水泥工业中的应用，使水泥热耗大幅度降低，水泥制造设备也不断更新换代。

特别是1971年日本引进联邦德国的悬浮预热器技术以后开发的水泥窑外分解技术(pricalcining technology)，实现了水泥工业的重大突破，使干法生产的熟料质量显著提高，到70年代中期，先进的水泥厂通过电子计算机和自动化的控制仪表等设备，采用全厂集中控制、巡回检查的方式，在生料、烧成车间以及包装发运、矿山开采等环节分别实现了自动控制。

近20年来，水泥生产规模进一步扩大，进行干法生产取得了决定性的主导地位，生产效率显著提高，单机能力达到了日产8000~10000吨熟料的水平，熟料热耗(heat consumption of clinker)降低到3000kJ/kg熟料以下。

同时由于新型粉磨技术的发展，使水泥生产电耗降低到100kw.h/t以下。

此外，为配合干法生产的需要，在均化、环保、自动化以及余热发电等技术的应用方面取得了新的成就，使水泥生产条件发生了显著变化。