8.1無機非金屬類材料生態(tài)化

第八章

無機非金屬類環(huán)境材料1精選課件本章內(nèi)容概論無機非金屬材料的生態(tài)化改造無機非金屬材料零排放與零廢棄制備科學技術(shù)2精選課件這一大類材料有高熔點、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強度和良好的抗氧化性等根本屬性以及寬廣的導電性、鐵磁性和壓電性。傳統(tǒng)的無機非金屬材料是工業(yè)和根本建設所必需的根底材料。水泥(硅酸鹽質(zhì)和鋁酸鹽質(zhì))——一種重要的建筑材料；耐火材料(硅質(zhì)、硅酸鋁質(zhì)、高鋁質(zhì)、鎂質(zhì))——與高溫技術(shù)，尤其是鋼鐵工業(yè)的開展關(guān)系密切；3精選課件二、制備無機非金屬材料的原料及其生態(tài)化改造對策制備無機非金屬材料的原料主要有天然礦物原料與人工合成原料兩大類。自然界存在的各種礦物是由構(gòu)成這些礦物的各種元素組成的?，F(xiàn)已探明氧、硅、鋁三種元素的總量約占地殼中元素總量的90%。傳統(tǒng)無機非金屬材料原料大多直接取自天然礦物，就原料而言環(huán)境負荷低。天然原料通常雜質(zhì)較多，性能波動大。4精選課件地殼中主要元素的蘊藏量由以下圖可知，地殼中硅酸鹽和鋁硅酸鹽占明顯優(yōu)勢，它們和其他一些氧化物礦物是制備無機非金屬材料的最主要原料。5精選課件鑒于較高的性能要求，新型無機非金屬材料或者采用嚴格精選的天然原料，或者采用人工合成原料，勢必會加重環(huán)境負荷。采用地殼中含量最為豐富的氧化鋁、氧化硅和生物圈、大氣圈中含量豐富并能夠再循環(huán)的碳、氮為主要原料，應是無機非金屬材料原料生態(tài)化的首選。在開發(fā)新型無機非金屬類生態(tài)環(huán)境材料時，通過結(jié)構(gòu)設計和工藝設計，在保證高性能的同時盡量直接采用天然原料。6精選課件無機非金屬材料環(huán)境負荷最大的工藝環(huán)節(jié)是高溫過程和粉碎過程，總體而言，采用以電為熱源的連續(xù)式加熱工藝和閉路粉碎工藝具有較小的能耗和污染。7精選課件四、無機非金屬類生態(tài)環(huán)境材料設計思想與金屬或高分子材料相比，除工藝、性能上的差異外，無機非金屬材料設計思想也有很大不同。研究開發(fā)無機非金屬生態(tài)環(huán)境材料，必須充分考慮到這些差異。8精選課件對于金屬材料與高分子材料，一件產(chǎn)品的最終完成可分為材料制備(以金屬材料為例，包括采礦、冶煉、鑄造、軋制到型材出廠等環(huán)節(jié))和產(chǎn)品制造兩個截然分開的階段，材料工作者僅僅面向材料制備階段，通常不用為最終用戶負責。設計也分為材料設計和產(chǎn)品設計兩個獨立的階段，材料工作者負責設計制造出具有各種性能(牌號)的材料，產(chǎn)品制造者負責選材和產(chǎn)品設計、生產(chǎn)，相應地環(huán)境協(xié)調(diào)性評價也分為MLCA和PLCA。9精選課件對于無機非金屬材料，由于加工的困難性，通常材料和產(chǎn)品是同時完成的，材料即是產(chǎn)品，產(chǎn)品即是材料，二者不可分割。材料設計貫穿于產(chǎn)品的整個生產(chǎn)中，材料工作者直接面向最終產(chǎn)品，對最終用戶負責。因此，無機非金屬材料的設計、生產(chǎn)模式不同于金屬材料或高分子材料，也不能夠沿用傳統(tǒng)材料與產(chǎn)品相別離的設計思想。10精選課件陶瓷材料與產(chǎn)品的設計框圖

經(jīng)過數(shù)十年的材料強度研究，特別是根據(jù)先進陶瓷材料強度與材料設計方面的經(jīng)驗，我們提出了集材料設計與產(chǎn)品設計于一體的新設計思想，并在某些陶瓷材料的設計與應用中取得了成功。該設計思想可以下述框圖表示。11精選課件這一設計思想的要點在于：首先根據(jù)材料的實際服役條件開展失效分析，找出產(chǎn)品早期失效或損傷的主要因素，即材料的主要抗力指標(或性能指標)。然后針對如何提高該性能指標，進行材料工藝設計與材料制備，并進行性能評價。對材料優(yōu)化并到達性能要求后，再進行產(chǎn)品設計、制造與使用考核。假設達不到理想要求，需重復上述過程，直至成功。上述設計思想盡管是從陶瓷材料實踐中得出的，但由于無機非金屬材料所具有的共性，其根本思路對于大多數(shù)無機非金屬材料具有普通意義。12精選課件無機非金屬類生態(tài)環(huán)境材料的設計，除了要考慮上述設計思想以外，還應將環(huán)境協(xié)調(diào)性評價(LCA)和材料、工藝的生態(tài)化設計、優(yōu)化參加其中，這樣就形成一個設計“雙環(huán)〞，見以下圖。無機非金屬生態(tài)環(huán)境材料和產(chǎn)品的設計框圖13精選課件無機非金屬材料的固有特點，MLCA和PLCA是統(tǒng)一的，并貫穿于材料(產(chǎn)品)的設計、制造、使用等整個壽命周期中。需要注意的是，圖中“產(chǎn)品設計、制造與檢驗〞和“產(chǎn)品使用、考核與評價〞都應采用包括使用性能評價和LCA的“雙指標〞評價檢測體系。14精選課件9.2無機非金屬材料的生態(tài)化改造無機非金屬材料品種繁多，用量巨大，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。由于長期以來對環(huán)境資源問題重視不夠，生產(chǎn)工藝落后，導致資源、能源和環(huán)境污染問題十分嚴重。因此，對無機非金屬材料的生態(tài)化改造具有十分重要的意義。15精選課件一、傳統(tǒng)無機非金屬材料的主要生態(tài)環(huán)境問題1.使用性能與環(huán)境協(xié)調(diào)性的矛盾突出材料使用性能與環(huán)境協(xié)調(diào)性是一對矛盾，使用性能好的材料環(huán)境協(xié)調(diào)性往往較差，反之亦然。無機非金屬材料的原料廣泛、工藝多樣，微觀結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，上述矛盾更加突出。例如，普通陶瓷以粘土、石英砂等天然礦物為原料，這些原料只需簡單處理即可使用，燒結(jié)溫度也較低，因此環(huán)境協(xié)調(diào)性較好，但其性能差，強度一般不高于100MPa，不能夠作為結(jié)構(gòu)材料用于機械工程領域。16精選課件相反，先進陶瓷采用超細、高純的人工合成原料，有時還采用化學合成原料，成型、燒結(jié)、加工工藝復雜，排出有害物多，因此，環(huán)境協(xié)調(diào)性較差，但性能優(yōu)良，強度能夠高于1000MPa，可廣泛用于機械、化工、冶金等領域。如何兼顧使用性能和環(huán)境協(xié)調(diào)性，是無機非金屬材料生態(tài)化改造中應首先考慮的問題。17精選課件2.制備過程中能耗高無機非金屬材料生產(chǎn)中都要經(jīng)過高溫煅燒(燒結(jié))過程，能耗高。我國無機非金屬材料產(chǎn)業(yè)單位能耗一般是興旺國家的兩倍左右。高的單位能耗不僅消耗能源，而且是污染物高排放的最直接原因。因此，它的生態(tài)化改造應該從降低能耗入手。18精選課件

3.很難再循環(huán)利用金屬材料可以重新回爐熔煉，熱塑性樹脂可以重塑成型，熱固性樹脂也可以回收能源(燃燒、煉油)，但是，無機非金屬材料卻很難再循環(huán)利用。由于無機非金屬材料的自身特點，其廢棄物很難破碎，即使能夠粉碎再利用，其能耗也要比直接使用礦物原料高很多，帶來更大的二次污染。因此，它的生態(tài)化改造考慮的重點應該是超長壽命化設計，盡量提高材料的使用壽命。全面提高無機非金屬材料的循環(huán)(再生)利用率和再資源化率是很困難的。19精選課件4.固體廢棄物難處理無機非金屬材料固體廢棄物數(shù)量特別巨大，再循環(huán)利用又很困難，因此，目前很多固體廢棄物堆積如山，占用大量耕地，少量的也多是低附加值利用，如鋪路。所以，對固體廢棄物的低能耗、高附加值再資源化利用，是無機非金屬材料生態(tài)化改造的難點。20精選課件5.有毒有害添加劑和排放物問題無機非金屬材料產(chǎn)業(yè)有毒有害添加劑和廢氣、廢水排放物數(shù)量也很巨大。玻璃和一些先進陶瓷工業(yè)，采用大量氟、銅、鉛、砷等有毒化合物，以廢水、廢氣形式污染環(huán)境，對人體健康造成危害。由于大多數(shù)無機非金屬材料在制造的某個階段以粉末形式存在。因此，帶來的粉塵污染也很嚴重。21精選課件二、無機非金屬材料原料的生態(tài)化設計1.高純化與復合化原料的高純化是先進無機非金屬材料的一個重要開展方向。隨著純度的提高，晶界玻璃相和有害雜質(zhì)減少，材料的力學性能，特別是耐高溫性能顯著提高，這是人們追求高純度的目的。對于許多功能陶瓷而言，高純度是必不可少的。22精選課件提高原料純度，需要增加額外的提純、凈化工藝，甚至要借助于化學合成，必然導致能源和資源的額外消耗。陶瓷材料制備過程中最主要的污染，正是來自提純、凈化和化學合成環(huán)節(jié)。顯然，高純度與環(huán)境協(xié)調(diào)性有矛盾。這與金屬材料的情況不甚一致。23精選課件人為添加多種原料，最終形成具有多種相結(jié)構(gòu)的復合或復相材料，是先進無機非金屬材料的另一個重要開展方向。經(jīng)過適宜的晶界設計和相設計，復合或復相材料具有單一組成相所不具備的優(yōu)良性能。例如，局部穩(wěn)定氧化鋯復相陶瓷及纖維增強陶瓷基復合材料，是目前陶瓷領域強度和韌性水平最高的兩類材料。與金屬材料不同，多數(shù)陶瓷材料的性能對成分的微小變化不敏感。傳統(tǒng)陶瓷自身及其原料幾乎全都是復相物質(zhì)，成分范圍很寬，再加上陶瓷資源豐富，廢棄物再生制品多用于建材領域，因此，復相或復合化對陶瓷材料環(huán)境協(xié)調(diào)性帶來的危害，沒有金屬材料嚴重。24精選課件2.天然原料與合成原料傳統(tǒng)無機非金屬材料多使用天然礦物原料，由于成分范圍寬，常含有有害雜質(zhì)，因此，使用性能較差。先進無機非金屬材料為實現(xiàn)原料的高純化和復合化，多采用合成原料，使用性能優(yōu)異。天然原料直接來自自然界，經(jīng)過漫長的演化過程，其組成及存在形式與周圍環(huán)境到達了最正確的協(xié)調(diào)與穩(wěn)定，以此制成的制品廢棄后，與周圍環(huán)境也會有較好的親和性，不會對水系和土壤造成污染。合成原料不僅要消耗額外資源和能量，而且會產(chǎn)生有害污染，最終制成品與環(huán)境的親和性也較差。25精選課件天然原料性能差，但環(huán)境協(xié)調(diào)性好。合成原料那么相反，這一對矛盾是使用性能與環(huán)境協(xié)調(diào)性矛盾的重要原因，成分設計時必須加以統(tǒng)籌考慮。綜上所述，如何用天然原料和自然環(huán)境中含量豐富的元素，通過結(jié)構(gòu)設計和相設計，制備出性能優(yōu)良的材料，是無機非金屬材料原料生態(tài)化改造的方向。26精選課件三、無機非金屬材料的結(jié)構(gòu)、性能設計和長壽命化改造1.性能設計1)長壽命化性能設計的原那么(1)以服役條件、失效分析為依據(jù)。無機非金屬材料使用范圍廣，服役條件千差萬別，要求的材料性能也不同。因此，應該根據(jù)無機非金屬材料的設計思想，依據(jù)失效分析，確定影響使用壽命的關(guān)鍵性能指標。27精選課件(2)將成分設計和結(jié)構(gòu)設計相結(jié)合。

某些與化學變化有關(guān)的性能對材料成分敏感，對結(jié)構(gòu)不敏感，相反，大多數(shù)力學性能對結(jié)構(gòu)敏感。但總體來講，材料的性能是由化學成分和微觀結(jié)構(gòu)共同決定的。因此，對材料的性能設計需要將成分設計與結(jié)構(gòu)設計相結(jié)合才能實現(xiàn)。28精選課件2)高溫性能設汁很大一局部無機非金屬材料應用于高溫領域，在高溫領域無機非金屬材料顯示出其他材料難以替代的優(yōu)勢。(1)高溫強度、抗蠕變性能設計。良好的高溫強度，是結(jié)構(gòu)材料作為高溫承載使用的前提。(2)熱震抗力設計

很多無機非金屬材料服役于冷熱驟變的條件下，此時決定材料壽命的關(guān)鍵因素是熱震抗力。(3)抗氧化設計非氧化物無機非金屬材料在空氣中高溫使用時，不可防止地面臨氧化問題。1500℃幾乎是所有非氧化物無機非金屬材料使用的溫度上限，其原因主要在于氧化。29精選課件3)強度、韌性、抗疲勞性能設計

4)耐腐蝕、磨損性能設計在石油、冶金、化工等領域應用的無機非金屬材料，很多情況其壽命決定于材料的耐腐蝕、耐磨損性能。30精選課件2.結(jié)構(gòu)設計1)晶粒設計(1)晶粒尺寸無機非金屬材料的許多力學性能與晶粒尺寸關(guān)系密切。強度與晶粒尺寸存在著類似金屬材料的Paris關(guān)系，即晶粒越細強度越高。晶粒尺寸對傳統(tǒng)材料(耐火材料、傳統(tǒng)陶瓷材料等)斷裂韌性的影響較為復雜。但對致密精細陶瓷而言，晶粒越細韌性越好。因此，多數(shù)情況下，晶粒超細，材料室溫下的使用壽命越長。31精選課件

(2)晶粒形狀。

2)晶界設計無機非金屬材料晶界上總是或多或少存在著第二相，這些第二相經(jīng)常以玻璃相形式存在，對材料的性能，特別是高溫強度、蠕變性能和耐腐蝕性能影響很大。

3)多相復合設計32精選課件(3)纖維、晶須復合結(jié)構(gòu)是最經(jīng)典的復合材料制備手段材料的力學性能優(yōu)異，斷裂韌性也是幾種復合結(jié)構(gòu)中最高的。這類復合材料目前存在兩個問題限制了其應用范圍：第一，工藝上較復雜，除了玻璃基體外，很難制得完全致密的材料；第二，由于目前可供選擇的無機纖維、晶須種類有限，材料在氧化型氣氛下的高溫性能降低較大。33精選課件(4)智能自修復結(jié)構(gòu)屬于機敏材料(smartmaterials)中的一種。其中的一個例子是用裝有修復液體的空芯纖維增強混凝土復合材料。當混凝土局部開裂時，纖維中的液體流出，侵入裂紋縫隙并凝固，以到達修復作用，延長材料使用壽命。這種材料已應用于混凝土大壩。34精選課件四、與應用有關(guān)的無機非金屬材料生態(tài)化改造和宏觀結(jié)構(gòu)設計除了材料自身條件之外，無機非金屬材料的生態(tài)化改造還涉及應用方式。合理的宏觀結(jié)構(gòu)設計，能夠充分發(fā)揮材料作用，提高其壽命，這是其生態(tài)化改造的重要方面。在選材和結(jié)構(gòu)設計方面注意合理性，以節(jié)約、夠用為原那么。35精選課件傳統(tǒng)無機非金屬材料脆性大、可靠性低，因此，目前多用充裕強度和大的平安系數(shù)來進行宏觀結(jié)構(gòu)設計。當缺乏對破壞機理的深刻認識時，大的平安系數(shù)也不一定平安。例如材料的疲勞破壞和低應力蠕變斷裂。通過對破壞機理和失效原因的分析，找到影響壽命的關(guān)鍵控制因素，再結(jié)合合理的宏觀結(jié)構(gòu)設計，那么可能以盡量少的材料獲得足夠的平安性。36精選課件9.3無機非金屬材料零排放與零廢棄制備科學技術(shù)無機非金屬材料的排放和廢棄有兩個特點：第一，大多數(shù)無機非金屬材料生產(chǎn)中的排放與高的能耗有密切聯(lián)系，降低制備中的能耗是控制排放的關(guān)鍵；第二，無機非金屬材料固體廢棄物數(shù)量特別巨大，對其再循環(huán)和再利用是控制廢棄的關(guān)鍵。37精選課件一、無機非金屬材料的低能耗、少污染制備技術(shù)1.免燒和低溫固結(jié)技術(shù)無機非金屬材料一般都有高溫燒結(jié)過程，這一過程占制備中能源消耗的70%左右。如果降低燒結(jié)溫度，甚至采用免燒技術(shù)，那么能顯著降低能耗和污染排放。38精選課件2.快速燒結(jié)技術(shù)降低燒結(jié)溫度是有局限性的，一方面多數(shù)無機非金屬材料必須在高溫下才能固化，另一方面低的燒結(jié)溫度通常也降低使用溫度，有時還含有水和其他易分解物質(zhì)，限制材料使用領域。因此，通過縮短高溫燒結(jié)過程來降低能耗的技術(shù)適用面更廣，其中兩個典型技術(shù)是微波燒結(jié)和爆炸燒結(jié)。