無機(jī)材料工藝學(xué)高效培訓(xùn)課程

1、無機(jī)材料工藝學(xué)高效培訓(xùn)課程課程簡介無機(jī)材料工藝學(xué)7/11/20222方案學(xué)時：40學(xué)時 課程的目的與任務(wù)：加強(qiáng)學(xué)生的根底知識，拓寬知識面，全面系統(tǒng)地建立無機(jī)材料工藝知識體系，培養(yǎng)智能型與復(fù)合型人才。課程要求：具有扎實(shí)的根底知識。 全面系統(tǒng)地掌握無機(jī)材料的根本概念、 根本理論、制備原理、生產(chǎn)過程的共性與個性及無機(jī)材料的根本性能。 成績考核：N+2考核，其中N的內(nèi)容為： 1.課堂測驗(yàn)(1) 2.課程階段測試(1) 3.無機(jī)材料典型生產(chǎn)工藝調(diào)研報(bào)告(1)主要參考資料： ?無機(jī)非金屬材料工藝學(xué)?王琦主編，中國建材工業(yè)出版社 ?無機(jī)材料工藝學(xué)?宋曉嵐、葉昌、余海湖 ，冶金工業(yè)出版社 ?水泥工藝學(xué)? 沈威

2、等編著，武漢工業(yè)大學(xué)出版社 ?玻璃工藝學(xué)? 西北輕工業(yè)學(xué)院主編，中國輕工業(yè)出版社 ?陶瓷工藝學(xué)? 華南工學(xué)院等合編 7/11/202230 緒 論 0.1 材料及無機(jī)非金屬材料的定義與分類 0.1.1 材料的定義與分類 從廣義的角度，材料定義為能夠用以加工有用物質(zhì)的物質(zhì)。 材料分類 按性能、使用用途分類： 結(jié)構(gòu)材料受力，承載 功能材料半導(dǎo)體，超導(dǎo)體，以及光、電、聲、磁、應(yīng)力轉(zhuǎn)換等 7/11/20224按化學(xué)組成和顯微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類： 材 料 大壩材 料 金屬材料 無機(jī)非金屬材料 有機(jī)高分子材料 復(fù)合材料 7/11/202250.1.2 無機(jī)非金屬材料的定義與分類 無機(jī)非金屬材料 以某些元素的氧化

3、物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、 硼化物、以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽和非氧化物 等物質(zhì)組成的材料，是除金屬材料和有機(jī)高分子材料以外的 所有材料的統(tǒng)稱。 無機(jī)非金屬材料陶瓷膠凝材料天然材料玻璃普通玻璃特種玻璃普通陶瓷特種陶瓷水硬性膠凝材料氣硬性膠 凝材料7/11/202260.1.3 無機(jī)非金屬材料的特性 在晶體結(jié)構(gòu)上，無機(jī)非金屬材料組成元素之間的化學(xué)鍵 主要為離子鍵或離子-共價混合鍵。與化學(xué)鍵為金屬鍵的金屬 材料和共價鍵的有機(jī)高分子材料相比，無機(jī)非金屬材料有以下 特征： 具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu) 沒有自由電子 高熔點(diǎn) 高硬度 較好的耐化學(xué)腐蝕性 絕大多數(shù)是絕緣體 制成薄膜時大多是透明的 一般

4、具有低導(dǎo)熱性 大多數(shù)情況下變形微小 7/11/202270.1.4 無機(jī)非金屬材料生產(chǎn)過程的共性與個性 1原料 無機(jī)非金屬材料的生產(chǎn)以鋁硅酸鹽粘土、長石等原料、 硅質(zhì)石英砂等原料、石灰質(zhì)原料、鋁質(zhì)原料等為主。 主要化學(xué)成分：CaO、SiO2、Al2O3、Na2O等。 2原料的破碎 無機(jī)非金屬材料生產(chǎn)所用的主要原料，絕大多數(shù)是質(zhì)地堅(jiān) 硬的大塊狀物料，為了均化、烘干、配料等工藝過程的需要進(jìn) 行破碎。7/11/202283粉體制備 粉體具有較高的比外表積，一定的形狀及一定范圍的顆粒 級配，同時在粉體制備過程中，物料得到進(jìn)一步均化，這些因 素對產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量有著極為重要的影響。粉體制備主要應(yīng)用于水泥

5、和陶瓷生產(chǎn)過程。 4成型 無機(jī)非金屬材料產(chǎn)品由于使用、進(jìn)一步加工等過程的需要， 成型是生產(chǎn)的環(huán)節(jié)之一。陶瓷成型在熱加工之前；玻璃成型在熱加工之后； 水泥成型主要在使用時，如加工混凝土制品等。 7/11/202295烘干 烘干是為了除去物料或坯體中一定量的自由水。 陶瓷成型后的坯體必須經(jīng)過枯燥，才能進(jìn)入燒成。 6高溫?zé)崽幚?無機(jī)非金屬材料工業(yè)所用原料具有很好的穩(wěn)定性和耐 高溫性，它們互相反響生成新的物質(zhì)或使其形成熔融體， 必須在較高的溫度下進(jìn)行，因此大局部無機(jī)非金屬材料生產(chǎn) 都需要高溫?zé)崽幚?。高溫?zé)崽幚硎钦麄€生產(chǎn)過程中的核心。 水泥煅燒 陶瓷燒結(jié) 玻璃熔融7/11/2022100.2 典型無機(jī)非

6、金屬材料 0.2.1 膠凝材料 膠凝材料定義 凡能在物理、化學(xué)作用下，從漿體變成鞏固的石狀體， 并能膠結(jié)其他物料而具有一定機(jī)械強(qiáng)度的物質(zhì)，統(tǒng)稱為膠凝 材料，又稱膠結(jié)料。膠凝材料分類 按組成物質(zhì)分類 有機(jī)膠凝材料，如瀝青，各種樹脂等。 無機(jī)膠凝材料 水硬性膠凝材料 氣硬性膠凝材料 拌水后既能在空氣中硬化又能在水中硬化，如水泥。拌水后只能在空氣中硬化而不能在水中硬化，如石灰、石膏等。1膠凝材料的定義與分類 7/11/202211用石灰、石膏作為膠凝材料7/11/202212水泥的創(chuàng)造 19世紀(jì)初18101824年，用人工配合粘土與石灰石 經(jīng)煅燒、磨細(xì)以制造水硬性膠凝材料已經(jīng)開始組織生產(chǎn)。 1824

7、年，英國人阿斯普丁將粘土與石灰石配合燒制成塊熟 料，再經(jīng)磨細(xì)而成水硬性膠凝材料，加水拌和后能硬化制 成人工石，并具有較高強(qiáng)度，其外觀與當(dāng)時建筑上常用的英 國波特蘭島上出產(chǎn)的巖石相似，故稱之為“波特蘭水泥 Portland Cement)，并于1824年10月21日首先獲得該產(chǎn)品 的專利權(quán)。 7/11/2022132水泥的定義與分類 水泥的定義 凡細(xì)磨成粉末狀，參加適量水后成為塑性漿體，既能在 空氣中硬化，又能在水中硬化，并能將砂、石等散粒或纖維 材料牢固地膠結(jié)在一起的水硬性膠凝材料，統(tǒng)稱為水泥。 水泥的分類 按用途和性能分類 通用水泥：一般土木建筑工程通常采用的水泥； 專用水泥：專門用途的水泥

8、。 特性水泥：某種性能比較突出的水泥。7/11/202214按組成分類： 硅酸鹽水泥系列 鋁酸鹽水泥系列 氟鋁酸鹽水泥系列 硫鋁酸鹽水泥系列 鐵鋁酸鹽水泥系列 其它:如 無熟料、少熟料水泥 7/11/2022153水泥的根本特性 作為水硬性膠凝材料的水泥具有以下特性： 水泥漿具有良好的可塑性，與其它材料混合后的混和物可擁有 適宜的和易性。 較強(qiáng)的適應(yīng)性。 較好的耐侵蝕、防輻射性能。 硬化后的水泥漿體具有較高的強(qiáng)度，且強(qiáng)度隨齡期的延長而逐 漸增長。 良好的耐久性。 通過改變水泥的組成，可適當(dāng)調(diào)整水泥的質(zhì)量。 可與纖維、聚合物等多種有機(jī)、無機(jī)材料匹配。 制得各種水泥基復(fù)合材料，充分發(fā)揮材料潛能。

9、7/11/2022160.2.2 玻璃 玻璃的定義 玻璃是由熔融物冷卻、硬化而得到的非晶態(tài)固體，其 內(nèi)能和構(gòu)形熵高于相應(yīng)的晶體，從熔融態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時有 一定的轉(zhuǎn)變溫度Tg。玻璃結(jié)構(gòu)為短程有序，長程無序。 玻璃的特性： 透明，堅(jiān)硬，良好的耐蝕、耐熱、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)； 通過調(diào)整化學(xué)組成，并結(jié)合各種工藝方法可大幅度調(diào)整玻璃的和物理 化學(xué)性能； 能夠用多種成型制成各種形狀和大小的制品； 通過焊接和粉末燒結(jié)等加工方法制成形狀復(fù)雜、尺寸嚴(yán)格的器件。 7/11/202217玻璃的通性 1各向同性 在任何方向上都具有相同的性質(zhì)。 2介穩(wěn)性 玻璃態(tài)物質(zhì)比相應(yīng)的晶態(tài)物質(zhì)含較大的內(nèi)能，它不是處于 能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)

10、，而是處于介穩(wěn)狀態(tài)。 3無固定熔點(diǎn) 玻璃態(tài)物質(zhì)由固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w是在一定溫度區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的。 4固態(tài)和熔融態(tài)間轉(zhuǎn)化的漸變性和可逆性圖0-2-1、圖0-2-2 5性質(zhì)隨成分變化的連續(xù)性和漸變性圖0-2-3 7/11/202218圖0-2-3 R2O-SiO2系統(tǒng)玻璃的彈性變化 1-Li2O；2-Na2O；3-K2O 圖0-2-2 不同冷卻速度下玻璃的比容與溫度的關(guān)系 圖0-2-1 物質(zhì)內(nèi)能與體積隨溫度的變化 7/11/202219玻璃的分類 按組成分類元素玻璃 氧化物玻璃 非氧化物玻璃硫系玻璃 硒玻璃鹵化物玻璃 硫族化學(xué)物玻璃7/11/202220按用途分類 建筑玻璃 日用輕工玻璃 儀器玻璃 光學(xué)玻

11、璃 電真空玻璃 玻璃還可以按性能分類，一般用于一些專門用途、具有 某一方面的特定性能的玻璃。 如光學(xué)特性玻璃、熱學(xué)特性玻璃、耐高溫玻璃；導(dǎo)電玻璃、半導(dǎo)體玻璃、超導(dǎo)玻璃；力學(xué)方面的高強(qiáng)玻璃、耐磨玻璃；化學(xué)穩(wěn)定性方面的耐堿玻璃、耐酸玻璃等。 7/11/2022210.2.3 陶瓷 陶瓷的定義 本書中所述陶瓷是指以無機(jī)非金屬天然礦物或化工產(chǎn)品 為原料，經(jīng)原料處理、成型、枯燥、燒成等工序制成的產(chǎn)品， 是陶器和瓷器的總稱。 通常按吸水率劃分。陶瓷的分類 隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的開展，陶瓷產(chǎn)品的種類也日益增多。 按組成可分為硅酸鹽陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷；按性 能可分為普通陶瓷、特種陶瓷；按用途可分為日

12、用瓷、藝術(shù)瓷、 建筑瓷、化工瓷等。7/11/202222陶瓷的根本特性與特點(diǎn) 陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)由結(jié)晶相、氣孔和玻璃相組成。陶瓷材料 的離子鍵、共價鍵賦予該種材料許多優(yōu)良的性能： 較高的彈性模量 強(qiáng)度高，抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度 耐磨性能良好 好的耐久性，如耐腐蝕、耐高溫、抗氧化 硬度高 優(yōu)良的電絕緣性能 此外陶瓷的脆性大，理論強(qiáng)度高，但實(shí)際強(qiáng)度較低，這是 陶瓷性能改善的主要方面之一。 7/11/2022230.3 無機(jī)非金屬材料的現(xiàn)狀及開展趨勢 陶瓷 玻璃 水泥7/11/202224陶瓷開展史 瓷器與中國齊名(china)，可見瓷器與中國歷史開展關(guān)系密切。?陶瓷開展史?介紹各個歷史時期中國與世界

13、陶瓷開展?fàn)顩r。陶瓷開展對中國文化和世界文化開展做出了非凡的奉獻(xiàn)。宋代五大名陶瓷 官、哥、定、鈞、汝The four typical specialisties of Jing De zhen porcelainAs white as jade /as bright as a mirror /as thin as paper /as resonant as chime7/11/202225水泥開展簡史：1天然膠凝材料階段400010000年前新石器粘土稻草不抗水，抹徹簡易建筑物強(qiáng)度低2火創(chuàng)造石灰、石膏階段埃及金字塔煅燒石膏調(diào)砂漿，萬里長城煅燒石灰？3石灰火山石灰階段公元初，要求強(qiáng)度較高且抗水的凝

14、膠材料4水硬性石灰、天然水泥階段18世紀(jì)后半期5硅酸鹽水泥1824年英國阿斯普丁波特蘭水泥專利人工配料、燒、磨細(xì)6不同品種的水泥階段快硬、早強(qiáng)硅酸鹽水泥、油井水泥、中低熱水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥7/11/202226玻璃開展簡史：綠玻璃球50006000年白玻璃3000年400年工業(yè)純堿代草木灰石灰石 NaCaSi1957年英國人皮爾金頓PB浮法專利 1975年美匹茲堡公司PPG新浮法專利。7/11/2022270.4 無機(jī)非金屬材料在人類生活中的地位與作用 對科學(xué)技術(shù)開展的作用 對工業(yè)及社會進(jìn)步的作用 對穩(wěn)固國防、開展軍用技術(shù)的作用 在生物醫(yī)學(xué)方面的作用 7/11/2022280.5 無機(jī)非金屬材料工藝學(xué)的研究內(nèi)容 合成與制備結(jié) 構(gòu)組 成性 能7/11/202229市場應(yīng)用無原那么，要更多、更高、更新的材料。 物理性能顯微結(jié)構(gòu)工藝、配方 從宏觀微觀 從定性定量 從粗制精細(xì)制作新工藝 從大顆粒納米材料7/11/202230節(jié)能化、大型化、大型化、自動化、環(huán)境協(xié)調(diào)化生產(chǎn)工藝加強(qiáng)根底理論研究理論我國存在的問題： 能耗高、本錢高、勞動生產(chǎn)率低、質(zhì)量不穩(wěn)定、人才缺乏、勞動強(qiáng)度大、品種單一、環(huán)境污染厲害。7/11/202231幾個概念1、工藝：生產(chǎn)方法和生產(chǎn)過程。