第七章 无机非金属类生态环境材料要点
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四、 与应用有关的无机非金属材料生态化改 造和宏观结构设计
/S
软性系数
S kc
陶瓷的正断抗力 陶瓷的切断抗力
kc
S km
S kc kc
金属的正断抗力
金属的切断抗力
km
S km km
对陶瓷材料进行强度设计时应注意以下两点： （1）陶瓷材料应当尽可能避免用于较硬的应力 状态（单向拉伸、多向拉伸或缺口拉伸等）。 （2）采用组合式结构，将拉应力状态尽可能地 转化为较软的应力状态。
高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等难熔化合物 碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等 铌酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等 长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的载体等 陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料
无机非金属材料的分类
二、 制备无机非金属材料的原料及其生态化 改造对策
地壳中硅酸盐和铝硅酸盐占明显优势，它们和 其他一些氧化物矿物是制备无机非金属材料的最主要 原料。
传统无机非金属材料原料大多直接取自天然矿 物，就原料而言环境负荷低。 采用地壳中含量最为丰富的氧化铝、氧化硅和 生物圈、大气圈中含量丰富并能够再循环的碳、氮为 主要原料，应是无机非金属材料原料生态化的首选。
三、 无机非金属材料的生产工艺及其生态化 改造对策 普通无机非金属材料的生产工艺通常都 要经过以下工序：粉料制备、成型、高温烧 成和后处理。 对所有的原料，作为共同的特点，高温 烧成乃是最重要的工序。 无机非金属材料环境负荷最大的工艺环 节是高温过程和粉碎过程，总体而言，采用 以电为热源的连续式加热工艺和闭路粉碎工 艺具有较小的能耗和污染。
一、 传统无机非金属材料面临的主要生态环 境问题 1）使用性能与环境协调性的矛盾突出 2）制备过程中能耗高 3）很难再循环利用 4）固体废弃物难处理 5）有毒有害添加剂和排放物问题 6）土地资源占用和消耗量大、破坏严重
二、 无机非金属材料原料的生态化设计 1）高纯化与复合化 2）天然原料与合成原料 三、 无机非金属材料的结构、性能设计和长 寿命化改造 1． 性能设计 1）长寿命化性能设计的原则 （1）以服役条件、失效分析为依据。 （2）将成分设计和结构设计相结合。
氧化硅、氧化铝、碳化硅等 硅藻土、沸石、多孔硅酸盐和硅酸铝等 石墨、焦炭和各种碳素制品等 粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金刚石等
研磨材料 多孔材料 碳素材料 非金属矿
高频绝缘材料
铁电和压电材料 新 型 无 机 非 金 属 材 料 磁性材料 导体陶瓷 半导体陶瓷
氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等
钛酸钡系、锆钛酸铅系材料等 锰-锌、镍-锌、锰-镁、锂-锰等铁氧体、磁记录和磁泡材料等 钠、锂、氧离子的快离子导体和碳化硅等 钛酸钡、氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化锆等过渡金属元素氧化物系材料等
光学材料
高温结构陶瓷 超硬材料 人工晶体 生物陶瓷 无机复合材料
钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透明材料和石英系或多组分玻璃的光导纤维等
1． 水泥 2． 耐火材料 1）原料煅烧 2）原料加工 3）烧成 3.玻璃 硅酸盐玻璃是以石英砂、石灰石、纯碱 等为主要原料，经高温熔制、成型、热处理、 冷加工等工序制成。
4． 陶瓷（传统陶瓷与先进陶瓷） 1）粉体制备 2）陶瓷成型 3）陶瓷烧结 4）陶瓷加工 5． 碳素材料 1）碳／碳复合材料的浸渍碳化法 2）碳／碳复合材料的气相渗积法 6． 无机涂层 通过特定工艺将无机非金属材料附着于基体材料 表面制成膜状材料，起到保护、装饰和特殊功能的作 用，可以充分发挥膜与基体材料各自的优势。涂层工 艺按涂层组元被涂到基体表面以前的形态分为气相法、 液相法和固相法三种。
2．结构设计 1）晶粒设计 （1）晶粒尺寸 （2）晶粒形状 2）晶界设计 3）多相复合设计 （1）原位自生复相结构 （2）纳米复合结构 （3）纤维、晶须复合结构 （4）智能自修复结构
3．无机非金属材料长寿命化的典型设计—陶 瓷涂层 在一种材料表面形成另一种材料的涂层 1）锅炉传热管陶瓷涂层 2）飞机发动机的陶瓷绝热涂层
五、无机非金属材料生态化改造实例 1．成分设计实例—新型粘土质复相陶瓷
粘土的主要成分是SiO2和Al2O3，假定的化学通式为 Al2O3· 2SiO2· 2H2O，此外还含有Fe、Ti、Mg、Ca等氧化物
3C＋SiO2SiC＋2CO 煅烧在氮气保护下进行，则最终制成Si3N4和Al2O3。 作为碳源，也可以在粘土中直接混入废木屑、废纸 浆、植物秸秆等，这样制成的材料则具有类似晶须的强韧 化作用，并能够实现废物利用。
材
料
品种示例
水泥和其他胶凝材料
陶 传 统 无 机 非 金 属 材 料 瓷
硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、石膏等
粘土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等 硅质、硅酸盐质、高铝质、镁质、铬镁质等 硅酸盐、硼酸盐、氧化物、硫化物和卤素化合物玻璃等 钢片、铸铁、铝和铜胎等
耐火材料 玻 搪 璃 瓷
铸
石
辉绿石、玄武岩、铸石等
2）高温性能设计 （1）高温强度、抗蠕变性能设计 （2）热震抗力设计 （3）抗氧化设计
3）强度、韧性、抗疲劳性能设计
外加应力强度因子
外加应力
a tf f
n
KI K IC
n
应力腐蚀 指数（疲 劳指数）
材料断裂强度 材料断裂韧性
4）耐腐蚀、磨损性能设计
第七章 无机非金属 类生态环境材料
内
容
• 7.1 概述 • 7.2 无机非金属材料的生态化改造 • 7.3 无机非金属材料零排放与零废弃制备 科学技术 • 7.4 生态建材
7.1 概论
• 一、 无机非金属材料的分类、特点及其生 态化改造的重点及难点 无机非金属材料是以某些元素的氧 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 盐等物质组成的材料，是除高分子材料和 金属材料以外的所有材料的统称。
四、 无机非金属类生态环境材料设计思想 对于无机非金属材料，由于加工的困难 性，通常材料和产品是同时完成的，材料即 是产品，产品即是材料，二者不可分割。
• 由于无机非金属材料的固有特点，MLCA和 PLCA是统一的，并贯穿于材料（产品）的 设计、制造、使用等整个寿命周期中。
7.2 无机非金属材料的生态化改造
四、 与应用有关的无机非金属材料生态化改 造和宏观结构设计
/S
软性系数
S kc
陶瓷的正断抗力 陶瓷的切断抗力
kc
S km
S kc kc
金属的正断抗力
金属的切断抗力
km
S km km
对陶瓷材料进行强度设计时应注意以下两点： （1）陶瓷材料应当尽可能避免用于较硬的应力 状态（单向拉伸、多向拉伸或缺口拉伸等）。 （2）采用组合式结构，将拉应力状态尽可能地 转化为较软的应力状态。
高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等难熔化合物 碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等 铌酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等 长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的载体等 陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料
无机非金属材料的分类
二、 制备无机非金属材料的原料及其生态化 改造对策
地壳中硅酸盐和铝硅酸盐占明显优势，它们和 其他一些氧化物矿物是制备无机非金属材料的最主要 原料。
传统无机非金属材料原料大多直接取自天然矿 物，就原料而言环境负荷低。 采用地壳中含量最为丰富的氧化铝、氧化硅和 生物圈、大气圈中含量丰富并能够再循环的碳、氮为 主要原料，应是无机非金属材料原料生态化的首选。
三、 无机非金属材料的生产工艺及其生态化 改造对策 普通无机非金属材料的生产工艺通常都 要经过以下工序：粉料制备、成型、高温烧 成和后处理。 对所有的原料，作为共同的特点，高温 烧成乃是最重要的工序。 无机非金属材料环境负荷最大的工艺环 节是高温过程和粉碎过程，总体而言，采用 以电为热源的连续式加热工艺和闭路粉碎工 艺具有较小的能耗和污染。
一、 传统无机非金属材料面临的主要生态环 境问题 1）使用性能与环境协调性的矛盾突出 2）制备过程中能耗高 3）很难再循环利用 4）固体废弃物难处理 5）有毒有害添加剂和排放物问题 6）土地资源占用和消耗量大、破坏严重
二、 无机非金属材料原料的生态化设计 1）高纯化与复合化 2）天然原料与合成原料 三、 无机非金属材料的结构、性能设计和长 寿命化改造 1． 性能设计 1）长寿命化性能设计的原则 （1）以服役条件、失效分析为依据。 （2）将成分设计和结构设计相结合。
氧化硅、氧化铝、碳化硅等 硅藻土、沸石、多孔硅酸盐和硅酸铝等 石墨、焦炭和各种碳素制品等 粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金刚石等
研磨材料 多孔材料 碳素材料 非金属矿
高频绝缘材料
铁电和压电材料 新 型 无 机 非 金 属 材 料 磁性材料 导体陶瓷 半导体陶瓷
氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等
钛酸钡系、锆钛酸铅系材料等 锰-锌、镍-锌、锰-镁、锂-锰等铁氧体、磁记录和磁泡材料等 钠、锂、氧离子的快离子导体和碳化硅等 钛酸钡、氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化锆等过渡金属元素氧化物系材料等
光学材料
高温结构陶瓷 超硬材料 人工晶体 生物陶瓷 无机复合材料
钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透明材料和石英系或多组分玻璃的光导纤维等
1． 水泥 2． 耐火材料 1）原料煅烧 2）原料加工 3）烧成 3.玻璃 硅酸盐玻璃是以石英砂、石灰石、纯碱 等为主要原料，经高温熔制、成型、热处理、 冷加工等工序制成。
4． 陶瓷（传统陶瓷与先进陶瓷） 1）粉体制备 2）陶瓷成型 3）陶瓷烧结 4）陶瓷加工 5． 碳素材料 1）碳／碳复合材料的浸渍碳化法 2）碳／碳复合材料的气相渗积法 6． 无机涂层 通过特定工艺将无机非金属材料附着于基体材料 表面制成膜状材料，起到保护、装饰和特殊功能的作 用，可以充分发挥膜与基体材料各自的优势。涂层工 艺按涂层组元被涂到基体表面以前的形态分为气相法、 液相法和固相法三种。
2．结构设计 1）晶粒设计 （1）晶粒尺寸 （2）晶粒形状 2）晶界设计 3）多相复合设计 （1）原位自生复相结构 （2）纳米复合结构 （3）纤维、晶须复合结构 （4）智能自修复结构
3．无机非金属材料长寿命化的典型设计—陶 瓷涂层 在一种材料表面形成另一种材料的涂层 1）锅炉传热管陶瓷涂层 2）飞机发动机的陶瓷绝热涂层
五、无机非金属材料生态化改造实例 1．成分设计实例—新型粘土质复相陶瓷
粘土的主要成分是SiO2和Al2O3，假定的化学通式为 Al2O3· 2SiO2· 2H2O，此外还含有Fe、Ti、Mg、Ca等氧化物
3C＋SiO2SiC＋2CO 煅烧在氮气保护下进行，则最终制成Si3N4和Al2O3。 作为碳源，也可以在粘土中直接混入废木屑、废纸 浆、植物秸秆等，这样制成的材料则具有类似晶须的强韧 化作用，并能够实现废物利用。
材
料
品种示例
水泥和其他胶凝材料
陶 传 统 无 机 非 金 属 材 料 瓷
硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、石膏等
粘土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等 硅质、硅酸盐质、高铝质、镁质、铬镁质等 硅酸盐、硼酸盐、氧化物、硫化物和卤素化合物玻璃等 钢片、铸铁、铝和铜胎等
耐火材料 玻 搪 璃 瓷
铸
石
辉绿石、玄武岩、铸石等
2）高温性能设计 （1）高温强度、抗蠕变性能设计 （2）热震抗力设计 （3）抗氧化设计
3）强度、韧性、抗疲劳性能设计
外加应力强度因子
外加应力
a tf f
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KI K IC
n
应力腐蚀 指数（疲 劳指数）
材料断裂强度 材料断裂韧性
4）耐腐蚀、磨损性能设计
第七章 无机非金属 类生态环境材料
内
容
• 7.1 概述 • 7.2 无机非金属材料的生态化改造 • 7.3 无机非金属材料零排放与零废弃制备 科学技术 • 7.4 生态建材
7.1 概论
• 一、 无机非金属材料的分类、特点及其生 态化改造的重点及难点 无机非金属材料是以某些元素的氧 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 盐等物质组成的材料，是除高分子材料和 金属材料以外的所有材料的统称。
四、 无机非金属类生态环境材料设计思想 对于无机非金属材料，由于加工的困难 性，通常材料和产品是同时完成的，材料即 是产品，产品即是材料，二者不可分割。
• 由于无机非金属材料的固有特点，MLCA和 PLCA是统一的，并贯穿于材料（产品）的 设计、制造、使用等整个寿命周期中。
7.2 无机非金属材料的生态化改造