第三章 材料的制备方法
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9
(2) 矿石原料的预处理
Baking
现代气—固 反应技术 （流化床还原）
(2) Raw materials pretreatment
Nodulizing
高炉冶炼等
10
(3) 可以当作材料使用的天然材料
石棉、云母、页岩、 蓝宝石、红宝石、金刚石等
天然无机材料
(3) Crude materials
反应溅射
PVD for Preparing Film Materials
44
低钠氧化铝
(1) Use of Al2O3
易烧结氧化铝 一般是低钠的
高纯氧化铝 纯度在99.9%以上
Ruby红宝石
Ruby & Sapphire
Sapphire红宝石
45
（2）氧化锆（ZrO2）
(2) ZrO2
氧化锆纤维软制品
46
表3-4. ZrO2原料粉末的种类与用途
规 格 说 明 用 途 用电熔法制得 耐火材料，颜料，研磨材料的 原料
架状结构 SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、CaO
23
钠长石
Examples
钾长石
24
表3-2. 长石的主要用途
领域
玻璃 及玻 璃制 品
主要用途
质量要求
碱长石作为各种玻璃制品的原料， Al2O3 > 15% 可降低玻璃熔化温度，节约纯碱。 Fe2O3 < 0.6％ 钠长石作为玻璃纤维原料，可改善 K2O + Na2O > 10% 其质量及取代叶腊石等
J 3.2 制造工艺过程与方法
Catalog
2
3.1 Select and Synthesis of Raw Materials
天然原料 (矿物) 原材料
3.1 Select and synthesis of raw materials
化学组成 纯度
颗粒度
化工原料 (人工合成原料)
成本
对环境的影响
Slag Aluminum slag Carbide slag Phosphorite slag Cullet
40
石煤
Stone coal 铝渣 电石渣
磷矿渣 碎玻璃
萤石矿渣Fluorite slag
3.1.2 Inorganic Synthetic Raw Materials
普通陶瓷生产的助剂
特种陶瓷（结构和功能陶瓷）的生产原料
6
Gravity Method
Mineral
Dressing
Method
Flotation Method
(1) Mineral dressing method
Magnetic Method
7
表3-1. 选矿实例——硅石和硅砂选矿方法
分离原理及分离杂质 设 备 序号 选矿方法 应用 种类 洗矿—— 除去< 0.1mm 的粘土 1 常规洗矿分级设备 多 分级 杂质 用擦洗机或带有超声 2 擦 洗 除去硅砂表面铁质 多 波振荡的擦洗机 3 常用扇形溜槽或螺旋 重 选 除去高密度重砂矿物 选矿机作粗选，溜槽 或摇床作精选
Use of feldspar
是生产各种陶瓷、搪瓷、电瓷的坯 陶瓷 料(配入20～40%)和釉料(配入20～ Fe2O3 < 0.3～1.0％ 70%)的主要原料 水泥 是生产白水泥的原料之一 化学工业上,磨碎的长石适于作乳胶, 作填料，可含较多游离 化工 涂料和氨基甲酸乙酯、丙烯类物质 石英；作皮肤化妆粉， 2～8μm 碱长石 的填充料 磨料 粉状长石可用于磨具磨料工业
17
The Montmorillonite Group
两个四面体片 夹一八面体片 组成一个晶片， 八面体片中， 部分Mg取代Al 而使层片带负电， 多余电荷 由层间阳离子中和。
蒙脱石族 The Montmorillonite / Smectite Group
18
Examples
19
四面体中的 Si部分被Al取代， 层间阳离子K+ 嵌入四面体层的 六角孔隙， 由于强烈的静电作用 使相邻晶片紧密结合。
14
A、Clay
A、 Clay
形成黄土高原的厚粘土层
15
Al2O3 粘土
SiO2
Structure of clay
硅氧四面体 片层结构
铝氧八面体
16
The Kaolinite Group
四面体片与八面体片 通过共用氧原子 结合成一个晶片， 晶片间以氢键相连， 水化时基本不膨胀。
高岭石族 The Kaolinite Group
The Illite Group
伊利石族 The Illite Group / The Clay-mica
20
B、Quartz
石英砂 石英砂岩
B、 Quartz
石英岩 脉石英
粉石英
21
Examples
22
C、Feldspar
钾、钠、钙、钡等 碱金属或碱土金属的铝硅酸盐矿物
C、 Feldspar
Examples
多
4
除磁铁矿、钛铁矿、 一般湿式强磁选或弱 强磁选 赤铁矿、磁硫铁矿、 磁选机 黑云母等磁性矿物
少
5
化学处理
用硫酸溶解氧化铁、 极少 氧化铝提纯硅砂
8
（续表3-1）
对石英、长石混合物加 HF 进行反应， 使长石表面产生KF、AlF3 的导电薄膜， 一般 成本高 6 电 选 同时石英表面也生成SiF4 薄膜，但SiF4 电选机 极少 加热被脱除而不导电，分离长石、石英 用HF作长石活化剂，在酸性介质中用阳 一般 有 很 多 离子胺类捕收剂浮出已活化的长石，分 氟 浮选机 离长石、石英
25
D、Carbonate
白云石 Dolomite
D、 Carbonate
CaCO3· MgCO3 晶体属三方晶系
26
Examples
27
方解石 Calcite
CaCO3 晶体属三方晶系
Calcite
28
Examples
29
菱镁矿 Magnesite
MgCO3
Magnesite
30
石灰岩 Lime stone
CaO٠SiO2 针状晶形 细小的颗粒也呈纤维状
34
透辉石 Diopside
CaO٠MgO٠2SiO2 单斜晶系 柱状晶体
Diopside
35
磷灰石 Apatite
Apatite
M代表Ca、Ba、Na等, X代表F、Cl、OH
磷酸盐矿物的总称 M5(PO4)3 X
六方晶系
36
Apatite
37
3.1.2 Inorganic synthetic raw materials
玻璃生产辅助原料
耐火材料采用的合成原料
41
化学 组分
无机 合成 原料
工业级 化学纯 分析纯 光谱纯
Classification
单一氧化物 氧化物原料 复合氧化物 原料 碳化物 组分 氮化物 非氧化物原料 硼化物 硅化物 硫化物 图3-1. 无机合成原料的分类
天然有机材料
木材、天然橡胶、天然纤维等
11
Examples
石棉
12
Examples
云母
可加工微晶云母陶瓷
J
13
3.1.1.2 Silicate Mineral Raw Materials
粘土类原料 石英类原料 长石类原料 碳酸盐类原料 其它原料
3.1.1.2 Silicate mineral raw materials
3
3.1 原材料的选用与合成
J 3.1.1 天Βιβλιοθήκη Baidu矿物原料
J 3.1.2 无机合成原料
Catalog 3.1
J 3.1.3 天然高分子化合物 J 3.1.4 有机合成原料
4
3.1.1 Natural Mineral
3.1.1.1 Mineral Dressing and Raw Materials Pretreatment
Use of MgO
用作耐火材料的原料,引发剂载体、 重烧氧化镁 重烧氧化镁 填料等 用作耐火材料、电加热器、热电偶 电熔氧化镁 电熔氧化镁 的原料
50
3.1.3 Natural Polymer
图3-2. 天然高分子化合物的主要用途
3.1.3 Natural polymer
J
51
3.1.4 Organic Synthetic Raw Materials
CaCO3 三方晶 系
Lime stone
31
E、Others
滑石 Talc
E、 Others
3MgO٠4SiO2٠H2O 三斜晶系
32
蛇纹石 Serpentine
Serpentine
3MgO٠2SiO2٠2H2O 一族层状结构的硅酸盐矿物的总称
33
硅灰石 Wollastonite
Wollastonite
47
（3）氧化钛（TiO2）
纳米氧化钛制品
(3) TiO2
纳米氧化钛电镜照片
48
（4）氧化镁（MgO）
(4) MgO
氧化镁产品
49
表3-5. MgO的种类与用途
规 格 说 明 用 途 用作合成橡胶的填料、制药、钢铁 冶炼的添加剂与镁铁氧体。 轻烧氧化镁 轻烧氧化镁 纯度有98%、99%、99.9%几种， 而用于陶瓷的是纯度为99.9%
42
3.1.2.1 Oxide Raw Materials A、单一氧化物 （1）氧化铝（Al2O3）
3.1.2.1 Oxide raw materials
氧化铝陶瓷
43
表3-3. Al2O3粉末原料的种类与用途
规 格 说 明 用 途 普通氧化铝 煅烧氧化铝的总称， 烧结、电熔氧化铝、尖晶石、 含Na2O>0.3% 玻璃研磨材料、瓷器用原料 电子元件、火花塞、机械零 件、切削工具等 机械构件、切削工具、电子 元件、耐火材料 透明氧化铝、荧光材料（发 光材料）、切削工具、单晶、 电子元件等
荧石 Fluorspar
CaF2 等轴晶系
Fluorspar
38
Fluorspar
39
3.1.1.3 Utilizing of Industrial Waste Residue
粉煤灰Flyash 煤矸石Duns 炉渣
3.1.1.3 Utilizing of industrial waste residue
3.1.1 Natural mineral
无利用价值 的脉石矿物 （石英、石灰石等）
“富”含金属 矿石 的矿物
5
(1) 选矿方法
选矿
根据矿石的物理化学
3.1.1.1 Mineral dressing and raw materials pretreatment
性质的不同，采用不同的
方法将有用矿物和脉石矿 物分离。
Examples
① 片柳方法：用不含氟药剂作长石活化 剂，如用硫酸或盐酸(pH=2) 、再用高级 浮 7 脂肪类胺盐和石油磺酸钠混合物作捕收 选 一般 无 剂，分离长石、石英 很 多 G· Malghan方法：加入硫酸 氟 ② 美国S· 浮选机 (pH=1.7～2.0) ，采用烷基丙撑二胺双油 酸盐作捕收剂，水溶性聚乙二醇类作起 泡剂，分离长石、石英
物理气相沉积法 PVD 化学气相沉积法 CVD
3.2.1 Deposition
不发生 化学反应
气相聚合 Gas Phase Polymerization 发生气相 化学反应
54
Relationfhip of different film deposition mothods
Figure 3-4 Relationfhip of different film deposition mothods
单斜氧化锆
用湿法制得，纯度高 压电元件、氧传感器的原料和 （达99.5%） 光学玻璃的添加剂
Use of ZrO2
添加MgO、CaO、 主要用作CaO稳定的电熔氧化 立方晶系 Y2O3作为稳定剂通过 锗，也用作特种陶瓷，耐火材 氧化锆 固溶制得 料的原料 用Y2O3共沉淀制得, 是精细陶瓷的一种令人瞩目的 共沉淀法 纯度高（>99.9%）， 原料，能在较低温度下，且能 氧化锆 晶粒粒径小（<50nm） 得到高的强度
3.1.4 Organic synthetic raw materials
图3-3. 合成高分子化合物的主要用途
J
52
3.2 Manufacturing Process and Technique
J J J
3.2.1 气相法
Catalog 3.2
3.2.2 液相法 3.2.3 固相法
53
3.2.1 气相法 Deposition
55
3.2.1.1 Physical Vapor Deposition
3.2.1.1 Physical vapor deposition
56
真空蒸镀
电阻加热法
电子轰击法
二极直流溅射
PVD法
阴极溅射法
离子镀法 图3-5. PVD法的分类
57
Classification of PVD
高频溅射
磁控溅射
Chapter 3 Chemosynthesis and Preparation Technique of Materials
Chapter 3 Chemosynthesis and preparation technique of materials
材料的 制备方法
1
3.1 原材料的选用与合成 J
(2) 矿石原料的预处理
Baking
现代气—固 反应技术 （流化床还原）
(2) Raw materials pretreatment
Nodulizing
高炉冶炼等
10
(3) 可以当作材料使用的天然材料
石棉、云母、页岩、 蓝宝石、红宝石、金刚石等
天然无机材料
(3) Crude materials
反应溅射
PVD for Preparing Film Materials
44
低钠氧化铝
(1) Use of Al2O3
易烧结氧化铝 一般是低钠的
高纯氧化铝 纯度在99.9%以上
Ruby红宝石
Ruby & Sapphire
Sapphire红宝石
45
（2）氧化锆（ZrO2）
(2) ZrO2
氧化锆纤维软制品
46
表3-4. ZrO2原料粉末的种类与用途
规 格 说 明 用 途 用电熔法制得 耐火材料，颜料，研磨材料的 原料
架状结构 SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、CaO
23
钠长石
Examples
钾长石
24
表3-2. 长石的主要用途
领域
玻璃 及玻 璃制 品
主要用途
质量要求
碱长石作为各种玻璃制品的原料， Al2O3 > 15% 可降低玻璃熔化温度，节约纯碱。 Fe2O3 < 0.6％ 钠长石作为玻璃纤维原料，可改善 K2O + Na2O > 10% 其质量及取代叶腊石等
J 3.2 制造工艺过程与方法
Catalog
2
3.1 Select and Synthesis of Raw Materials
天然原料 (矿物) 原材料
3.1 Select and synthesis of raw materials
化学组成 纯度
颗粒度
化工原料 (人工合成原料)
成本
对环境的影响
Slag Aluminum slag Carbide slag Phosphorite slag Cullet
40
石煤
Stone coal 铝渣 电石渣
磷矿渣 碎玻璃
萤石矿渣Fluorite slag
3.1.2 Inorganic Synthetic Raw Materials
普通陶瓷生产的助剂
特种陶瓷（结构和功能陶瓷）的生产原料
6
Gravity Method
Mineral
Dressing
Method
Flotation Method
(1) Mineral dressing method
Magnetic Method
7
表3-1. 选矿实例——硅石和硅砂选矿方法
分离原理及分离杂质 设 备 序号 选矿方法 应用 种类 洗矿—— 除去< 0.1mm 的粘土 1 常规洗矿分级设备 多 分级 杂质 用擦洗机或带有超声 2 擦 洗 除去硅砂表面铁质 多 波振荡的擦洗机 3 常用扇形溜槽或螺旋 重 选 除去高密度重砂矿物 选矿机作粗选，溜槽 或摇床作精选
Use of feldspar
是生产各种陶瓷、搪瓷、电瓷的坯 陶瓷 料(配入20～40%)和釉料(配入20～ Fe2O3 < 0.3～1.0％ 70%)的主要原料 水泥 是生产白水泥的原料之一 化学工业上,磨碎的长石适于作乳胶, 作填料，可含较多游离 化工 涂料和氨基甲酸乙酯、丙烯类物质 石英；作皮肤化妆粉， 2～8μm 碱长石 的填充料 磨料 粉状长石可用于磨具磨料工业
17
The Montmorillonite Group
两个四面体片 夹一八面体片 组成一个晶片， 八面体片中， 部分Mg取代Al 而使层片带负电， 多余电荷 由层间阳离子中和。
蒙脱石族 The Montmorillonite / Smectite Group
18
Examples
19
四面体中的 Si部分被Al取代， 层间阳离子K+ 嵌入四面体层的 六角孔隙， 由于强烈的静电作用 使相邻晶片紧密结合。
14
A、Clay
A、 Clay
形成黄土高原的厚粘土层
15
Al2O3 粘土
SiO2
Structure of clay
硅氧四面体 片层结构
铝氧八面体
16
The Kaolinite Group
四面体片与八面体片 通过共用氧原子 结合成一个晶片， 晶片间以氢键相连， 水化时基本不膨胀。
高岭石族 The Kaolinite Group
The Illite Group
伊利石族 The Illite Group / The Clay-mica
20
B、Quartz
石英砂 石英砂岩
B、 Quartz
石英岩 脉石英
粉石英
21
Examples
22
C、Feldspar
钾、钠、钙、钡等 碱金属或碱土金属的铝硅酸盐矿物
C、 Feldspar
Examples
多
4
除磁铁矿、钛铁矿、 一般湿式强磁选或弱 强磁选 赤铁矿、磁硫铁矿、 磁选机 黑云母等磁性矿物
少
5
化学处理
用硫酸溶解氧化铁、 极少 氧化铝提纯硅砂
8
（续表3-1）
对石英、长石混合物加 HF 进行反应， 使长石表面产生KF、AlF3 的导电薄膜， 一般 成本高 6 电 选 同时石英表面也生成SiF4 薄膜，但SiF4 电选机 极少 加热被脱除而不导电，分离长石、石英 用HF作长石活化剂，在酸性介质中用阳 一般 有 很 多 离子胺类捕收剂浮出已活化的长石，分 氟 浮选机 离长石、石英
25
D、Carbonate
白云石 Dolomite
D、 Carbonate
CaCO3· MgCO3 晶体属三方晶系
26
Examples
27
方解石 Calcite
CaCO3 晶体属三方晶系
Calcite
28
Examples
29
菱镁矿 Magnesite
MgCO3
Magnesite
30
石灰岩 Lime stone
CaO٠SiO2 针状晶形 细小的颗粒也呈纤维状
34
透辉石 Diopside
CaO٠MgO٠2SiO2 单斜晶系 柱状晶体
Diopside
35
磷灰石 Apatite
Apatite
M代表Ca、Ba、Na等, X代表F、Cl、OH
磷酸盐矿物的总称 M5(PO4)3 X
六方晶系
36
Apatite
37
3.1.2 Inorganic synthetic raw materials
玻璃生产辅助原料
耐火材料采用的合成原料
41
化学 组分
无机 合成 原料
工业级 化学纯 分析纯 光谱纯
Classification
单一氧化物 氧化物原料 复合氧化物 原料 碳化物 组分 氮化物 非氧化物原料 硼化物 硅化物 硫化物 图3-1. 无机合成原料的分类
天然有机材料
木材、天然橡胶、天然纤维等
11
Examples
石棉
12
Examples
云母
可加工微晶云母陶瓷
J
13
3.1.1.2 Silicate Mineral Raw Materials
粘土类原料 石英类原料 长石类原料 碳酸盐类原料 其它原料
3.1.1.2 Silicate mineral raw materials
3
3.1 原材料的选用与合成
J 3.1.1 天Βιβλιοθήκη Baidu矿物原料
J 3.1.2 无机合成原料
Catalog 3.1
J 3.1.3 天然高分子化合物 J 3.1.4 有机合成原料
4
3.1.1 Natural Mineral
3.1.1.1 Mineral Dressing and Raw Materials Pretreatment
Use of MgO
用作耐火材料的原料,引发剂载体、 重烧氧化镁 重烧氧化镁 填料等 用作耐火材料、电加热器、热电偶 电熔氧化镁 电熔氧化镁 的原料
50
3.1.3 Natural Polymer
图3-2. 天然高分子化合物的主要用途
3.1.3 Natural polymer
J
51
3.1.4 Organic Synthetic Raw Materials
CaCO3 三方晶 系
Lime stone
31
E、Others
滑石 Talc
E、 Others
3MgO٠4SiO2٠H2O 三斜晶系
32
蛇纹石 Serpentine
Serpentine
3MgO٠2SiO2٠2H2O 一族层状结构的硅酸盐矿物的总称
33
硅灰石 Wollastonite
Wollastonite
47
（3）氧化钛（TiO2）
纳米氧化钛制品
(3) TiO2
纳米氧化钛电镜照片
48
（4）氧化镁（MgO）
(4) MgO
氧化镁产品
49
表3-5. MgO的种类与用途
规 格 说 明 用 途 用作合成橡胶的填料、制药、钢铁 冶炼的添加剂与镁铁氧体。 轻烧氧化镁 轻烧氧化镁 纯度有98%、99%、99.9%几种， 而用于陶瓷的是纯度为99.9%
42
3.1.2.1 Oxide Raw Materials A、单一氧化物 （1）氧化铝（Al2O3）
3.1.2.1 Oxide raw materials
氧化铝陶瓷
43
表3-3. Al2O3粉末原料的种类与用途
规 格 说 明 用 途 普通氧化铝 煅烧氧化铝的总称， 烧结、电熔氧化铝、尖晶石、 含Na2O>0.3% 玻璃研磨材料、瓷器用原料 电子元件、火花塞、机械零 件、切削工具等 机械构件、切削工具、电子 元件、耐火材料 透明氧化铝、荧光材料（发 光材料）、切削工具、单晶、 电子元件等
荧石 Fluorspar
CaF2 等轴晶系
Fluorspar
38
Fluorspar
39
3.1.1.3 Utilizing of Industrial Waste Residue
粉煤灰Flyash 煤矸石Duns 炉渣
3.1.1.3 Utilizing of industrial waste residue
3.1.1 Natural mineral
无利用价值 的脉石矿物 （石英、石灰石等）
“富”含金属 矿石 的矿物
5
(1) 选矿方法
选矿
根据矿石的物理化学
3.1.1.1 Mineral dressing and raw materials pretreatment
性质的不同，采用不同的
方法将有用矿物和脉石矿 物分离。
Examples
① 片柳方法：用不含氟药剂作长石活化 剂，如用硫酸或盐酸(pH=2) 、再用高级 浮 7 脂肪类胺盐和石油磺酸钠混合物作捕收 选 一般 无 剂，分离长石、石英 很 多 G· Malghan方法：加入硫酸 氟 ② 美国S· 浮选机 (pH=1.7～2.0) ，采用烷基丙撑二胺双油 酸盐作捕收剂，水溶性聚乙二醇类作起 泡剂，分离长石、石英
物理气相沉积法 PVD 化学气相沉积法 CVD
3.2.1 Deposition
不发生 化学反应
气相聚合 Gas Phase Polymerization 发生气相 化学反应
54
Relationfhip of different film deposition mothods
Figure 3-4 Relationfhip of different film deposition mothods
单斜氧化锆
用湿法制得，纯度高 压电元件、氧传感器的原料和 （达99.5%） 光学玻璃的添加剂
Use of ZrO2
添加MgO、CaO、 主要用作CaO稳定的电熔氧化 立方晶系 Y2O3作为稳定剂通过 锗，也用作特种陶瓷，耐火材 氧化锆 固溶制得 料的原料 用Y2O3共沉淀制得, 是精细陶瓷的一种令人瞩目的 共沉淀法 纯度高（>99.9%）， 原料，能在较低温度下，且能 氧化锆 晶粒粒径小（<50nm） 得到高的强度
3.1.4 Organic synthetic raw materials
图3-3. 合成高分子化合物的主要用途
J
52
3.2 Manufacturing Process and Technique
J J J
3.2.1 气相法
Catalog 3.2
3.2.2 液相法 3.2.3 固相法
53
3.2.1 气相法 Deposition
55
3.2.1.1 Physical Vapor Deposition
3.2.1.1 Physical vapor deposition
56
真空蒸镀
电阻加热法
电子轰击法
二极直流溅射
PVD法
阴极溅射法
离子镀法 图3-5. PVD法的分类
57
Classification of PVD
高频溅射
磁控溅射
Chapter 3 Chemosynthesis and Preparation Technique of Materials
Chapter 3 Chemosynthesis and preparation technique of materials
材料的 制备方法
1
3.1 原材料的选用与合成 J