無(wú)機(jī)非金屬工藝學(xué)

無(wú)機(jī)非金屬材料工藝學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院二○一三年九月劉

銀1.王琦，無(wú)機(jī)非金屬材料工藝學(xué)，中國(guó)建材工業(yè)出版社2.劉康時(shí)，陶瓷工藝原理，華南理工大學(xué)出版社3.沈威，水泥工藝學(xué)，武漢工業(yè)大學(xué)出版社

4.玻璃工藝學(xué)，西北輕工業(yè)學(xué)院

參考書目一、課程基本信息

課程名稱：無(wú)機(jī)非金屬材料工藝學(xué)學(xué)分：2學(xué)時(shí)：32適用專業(yè)：無(wú)機(jī)非金屬材料先修課程：材料科學(xué)基礎(chǔ)等二、課程的性質(zhì)與任務(wù)

性質(zhì)：無(wú)機(jī)非金屬材料專業(yè)主干課，必修，是固體廢棄物再生、利用過(guò)程不可或缺的一門課程。

任務(wù)：課程旨在讓學(xué)生掌握無(wú)機(jī)非金屬材料的制備原理、生產(chǎn)工藝過(guò)程中的共性及特點(diǎn)、生產(chǎn)過(guò)程中的物理化學(xué)變化。并使學(xué)生對(duì)無(wú)機(jī)非金屬材料的性能、生產(chǎn)過(guò)程和應(yīng)用有較全面的了解。三、課程教學(xué)基本要求

1、掌握無(wú)機(jī)非金屬材料的生產(chǎn)過(guò)程、工藝原理和質(zhì)量控制；2、了解各類無(wú)機(jī)非金屬材料的生產(chǎn)控制、性能和應(yīng)用領(lǐng)域；3、掌握無(wú)機(jī)非金屬材料各種有關(guān)加工過(guò)程中的主要工藝參數(shù)、工藝性能的測(cè)試方法，具備處理實(shí)驗(yàn)資料、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力。強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際；強(qiáng)調(diào)知識(shí)間的相互聯(lián)系；強(qiáng)調(diào)能力的培養(yǎng)及潛能的發(fā)掘；強(qiáng)調(diào)工程技術(shù)能力、科研能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；四、本課程教學(xué)重點(diǎn)

五、有關(guān)教學(xué)環(huán)節(jié)的要求

1、考核方式：閉卷考試2、成績(jī)?cè)u(píng)定：考試(70%)+平時(shí)(30%)（含作業(yè)和討論）0緒論一、材料的定義與分類1.材料：能夠用以加工有用物質(zhì)的物質(zhì)（廣義）2.材料的分類

(1)按化學(xué)組成和特性無(wú)機(jī)非金屬材料：水泥、陶瓷、玻璃等

金屬材料：金屬、合金等有機(jī)高分子材料：塑料、合成橡膠、合成纖維等(2)按用途結(jié)構(gòu)材料：利用其強(qiáng)度、硬度、韌性等機(jī)械性能制成的各種材料。功能材料：利用材料的熱、光、電、磁等性能用于電子、激光、通訊、能源和生物工程等許多高新技術(shù)領(lǐng)域，如光導(dǎo)纖維。復(fù)合材料：無(wú)機(jī)-有機(jī)、無(wú)機(jī)-金屬等二、無(wú)機(jī)非金屬材料的定義與分類

1、定義

無(wú)機(jī)非金屬材料(inorganicnonmetalmaterials)是除有機(jī)高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統(tǒng)稱。包括氧化物、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、硼酸鹽等物質(zhì)組成的材料。2、分類（1）傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料（2）新型無(wú)機(jī)非金屬材料材

料品種示例傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料水泥和其他膠凝材料硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、石灰、石膏等陶

瓷粘土質(zhì)、長(zhǎng)石質(zhì)、滑石質(zhì)和骨灰質(zhì)陶瓷等耐火材料硅質(zhì)、硅酸鹽質(zhì)、高鋁質(zhì)、鎂質(zhì)、鉻鎂質(zhì)等玻

璃硅酸鹽、硼酸鹽、氧化物、硫化物和鹵素化合物玻璃等搪

瓷鋼片、鑄鐵、鋁和銅胎等鑄

石輝綠石、玄武巖、鑄石等研磨材料氧化硅、氧化鋁、碳化硅等多孔材料硅藻土、沸石、多孔硅酸鹽和硅酸鋁等碳素材料石墨、焦炭和各種碳素制品等非金屬礦粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金剛石等水泥石灰平板玻璃光學(xué)玻璃日用陶瓷衛(wèi)生陶瓷密封環(huán)蜂窩陶瓷燈具系列絕緣瓷件高壓電瓷氧化鋯氧化鋁碳化硅碳素材料石棉云母非金屬礦

上述傳統(tǒng)的陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均為硅酸鹽，因此統(tǒng)稱為硅酸鹽材料。20世紀(jì)中期以后，性能更為優(yōu)良以及有特殊功能的新型陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥、涂層、磨料等制品的飛速發(fā)展。它們?cè)诨瘜W(xué)組成上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了硅酸鹽化合物的范圍，而是擴(kuò)展到了其他氧化物、氮化物、硼化物、碳化物、硫系化合物和鈦酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽等，以至幾乎一切無(wú)機(jī)化合物。這些稱為新型無(wú)機(jī)非金屬材料。新型無(wú)機(jī)非金屬材料高頻絕緣材料氧化鋁、氧化鈹、滑石、鎂橄欖石質(zhì)陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等鐵電和壓電材料鈦酸鋇系、鋯鈦酸鉛系材料等磁性材料錳-鋅、鎳-鋅、錳-鎂、鋰-錳等鐵氧體、磁記錄和磁泡材料等導(dǎo)體陶瓷鈉、鋰、氧離子的快離子導(dǎo)體和碳化硅等半導(dǎo)體陶瓷鈦酸鋇、氧化鋅、氧化錫、氧化釩、氧化鋯等過(guò)渡金屬元素氧化物系材料等光學(xué)材料釔鋁石榴石激光材料，氧化鋁、氧化釔透明材料和石英系或多組分玻璃的光導(dǎo)纖維等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷高溫氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等難熔化合物超硬材料碳化鈦、人造金剛石和立方氮化硼等人工晶體鈮酸鋰、鉭酸鋰、砷化鎵、氟金云母等生物陶瓷長(zhǎng)石質(zhì)齒材、氧化鋁、磷酸鹽骨材和酶的載體等無(wú)機(jī)復(fù)合材料陶瓷基、金屬基、碳素基的復(fù)合材料YAG玻璃纖維

高壓鈉燈人造關(guān)節(jié)三、無(wú)機(jī)非金屬材料的特性

高熔點(diǎn)、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強(qiáng)度、良好的抗氧化性、寬廣的導(dǎo)電性、隔熱性、透光性及良好的鐵電性、鐵磁性和壓電性。

化學(xué)鍵：離子鍵、共價(jià)鍵或離子-共價(jià)混合鍵為主。缺點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度低、韌性差等四、無(wú)機(jī)非金屬材料生產(chǎn)過(guò)程的共性與個(gè)性1、無(wú)機(jī)非金屬材料生產(chǎn)過(guò)程的共性原料

天然非金屬礦物。石英砂(SiO2)、粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、長(zhǎng)石(K2O·Al2O3·6SiO2等)、鋁釩土(Al2O3·nH2O)、石灰石(CaCO3)、白云石(CaCO3·MgCO3)、硅灰石(CaO·SiO2)、硅線石(Al2O3·SiO2)

氧、硅、鋁三者的總量，占地殼中元素總量的90%。其中除天然砂和軟質(zhì)粘土外，都是比較堅(jiān)硬的巖石。儲(chǔ)量豐富，分布廣泛，成分和結(jié)構(gòu)上都存在很大的差別。粉料的制備與運(yùn)輸

因原料大多來(lái)自天然的硬質(zhì)礦物，要使其重新化合、造型，必須進(jìn)行礦物的破(粉)碎，再利用粉料配料，然后才能進(jìn)行各種熱處理或成形。

粉體的制備和運(yùn)輸是無(wú)機(jī)非金屬材料的生產(chǎn)過(guò)程中不可缺少的一環(huán)。粉塵和噪音污染高純度和高細(xì)度、粉體的合成。

成型方法很多，原理也各不相同，但是它們的任務(wù)是相同的，都是將粉體制成某種形狀，使其成為具有一定機(jī)械強(qiáng)度和準(zhǔn)確尺寸的坯體。陶瓷、耐火材料生產(chǎn)，外形尺寸要求較高。

干燥

1、原料；2、料漿；3、成型后的制品。目的都是要從物料和制品中將水分除去。遵循相同的基本原理：熱量的傳遞，水分的蒸發(fā)。加熱的方式、空氣的溫度和流速對(duì)水分蒸發(fā)的影響，干燥過(guò)程中坯體的體積變化等。高溫加熱(熱處理)

高度穩(wěn)定的物質(zhì)，或使其形成熔融體大部分無(wú)機(jī)非金屬材料生產(chǎn)都有加熱過(guò)程，而且是整個(gè)生產(chǎn)的核心過(guò)程，一般都在用耐火材料砌筑的窯爐中進(jìn)行，一般在1000℃以上。

生產(chǎn)的核心過(guò)程：水泥生料的煅燒、玻璃工業(yè)中的加熱、陶瓷的燒結(jié)。

加熱過(guò)程中所遵循相同的基本原理：熱的傳遞，氣體的流動(dòng)，物質(zhì)的傳遞，熔體、氣體對(duì)爐體的侵蝕，氣氛的影響等等。2、無(wú)機(jī)非金屬材料生產(chǎn)過(guò)程的個(gè)性

將粉體的制備過(guò)程以P(Powder)來(lái)表示，熱處理過(guò)程用H(Heating)來(lái)表示，成型以F(Forming)來(lái)表示，則無(wú)機(jī)非金屬材料的各種生產(chǎn)工藝過(guò)程可以有P-H-P，H-P-F，P-H-F等組合。膠凝材料類(bindingmaterial)

水泥：P(原料粉磨)-H(熱處理，生成3CaO·SiO2、2CaO·SiO2等)-P(熟料磨粉)-F(澆筑成形)，就水泥粉的制備而言，也可寫成P-H-P；混凝土的制備：F石灰：H(大塊石灰石)-P（-F）；石膏：P(石膏)-H(半水石膏CaSO4·1/2H2O)-P-(F)。玻璃、玻璃纖維、鑄石、人工晶體類

玻璃(glass)：P(配料)-H(熔化)-F(冷卻固化成形)；

玻璃纖維(glassfiber)：P(配料)-H(熔化)-F(拉絲冷卻成形)；

微晶玻璃、鑄石、人工晶體類：P-H-F-H

磚瓦、陶瓷、耐火材料類

磚瓦(brickandtile)、陶瓷(ceramic)：P-F(制坯)-H(燒成或燒結(jié))；耐火材料與陶瓷類似。五、典型無(wú)機(jī)非金屬材料膠凝材料定義、分類 無(wú)機(jī)有機(jī)水泥的定義、分類水泥的基本特性2.玻璃定義、分類 無(wú)機(jī)有機(jī)金屬玻璃通性硅酸鹽玻璃的分類3、陶瓷

（1）狹義（2）廣義1.陶瓷的定義與分類

2.分類方法

化學(xué)組成、礦物組成、制造方法、功能、用途、材料的結(jié)構(gòu)和基本物理性能

吸水率/%透光性胎體特征敲擊聲

陶器

≥3

不透光未?；蜉^差，結(jié)構(gòu)不致密，斷面粗糙

渾濁

瓷器

≤3

透光?；潭雀?，結(jié)構(gòu)致密，細(xì)膩，斷面呈石狀或貝殼狀

清脆1.按坯體的物理性能特征來(lái)分類表1我國(guó)日用陶瓷分類標(biāo)準(zhǔn)（1）（GB5001-85）

吸水率（%）特征

陶器粗陶器>15不施釉，制作粗糙普遍陶器≯12斷面顆粒較粗，氣孔大，表面施釉，制作不夠精細(xì)

細(xì)陶器≯15斷面顆粒細(xì)，氣孔小，結(jié)構(gòu)均勻施釉或不施釉，制作精細(xì)

瓷器

炻瓷器≯3透光性差，通常胎體較厚，呈色，斷面呈石狀，制作較精細(xì)普遍瓷器≯1有一定透光性，斷面呈石狀或貝殼狀，制作較精細(xì)細(xì)瓷器≯0.5透光性好，斷面細(xì)膩，呈貝殼狀，制作精細(xì)表2我國(guó)日用陶瓷分類標(biāo)準(zhǔn)（2）

吸水率：陶＞10%，瓷＜0.5%；介于兩者之間半瓷器；炻器2-5%；土器（瓦器）＞25%。2.按陶瓷概念和用途分類1）原料

普通陶瓷特種陶瓷2）性能及用途 結(jié)構(gòu)陶瓷功能陶瓷陶瓷普通陶瓷特種陶瓷日用陶瓷(包括藝術(shù)陳列陶瓷)

建筑衛(wèi)生陶瓷

化工陶瓷

化學(xué)瓷

電瓷及其它工業(yè)用陶瓷

結(jié)構(gòu)陶瓷

功能陶瓷

六、無(wú)機(jī)非金屬材料發(fā)展簡(jiǎn)史

傳統(tǒng)陶瓷：舊石器時(shí)代的石器工具→原始部落制作的粗陶器→商代的原始瓷器和上釉的彩陶→東漢青瓷→唐、宋、元、明、清各歷史時(shí)期的不斷展，已達(dá)到相當(dāng)高的技術(shù)和藝術(shù)水平，并成為中華民族的瑰寶。

傳統(tǒng)的硅酸鹽材料又叫窯業(yè)材料。

從河北省陽(yáng)原縣泥河灣地區(qū)發(fā)現(xiàn)的舊石器時(shí)代晚期的陶片來(lái)看，在中國(guó)陶器的產(chǎn)生距今已有11700多年的悠久歷史。

灰陶、磁山文化的紅陶、仰韶文化的彩陶、大汶口的“蛋殼黑陶”、商代白陶、西周硬陶，秦代的兵馬俑、漢代的釉陶、唐代的唐三彩等。到了宋代，瓷器的生產(chǎn)迅猛發(fā)展，制陶業(yè)趨于沒(méi)落，但是有些特殊的陶器品種仍然具有獨(dú)特的魅力，如宋、遼三彩器和明、清至今的紫砂壺、琉璃、法花器及廣東石灣的陶塑等。

陶器出現(xiàn)

裴李崗文化時(shí)期的陶器（距今約8000年）。出土于河南省鄭州市新鄭市裴李崗村。出土的陶器主要以泥質(zhì)紅陶和夾砂紅陶為主，紅陶在中國(guó)出現(xiàn)最早，燒成溫度900℃左右。

仰韶文化時(shí)期陶器

1972年河南省鄭州市大河村出土彩陶雙連壺

龍山文化時(shí)期出土的黑陶（距今約4600－4000年）商代早期陶器（河南滎陽(yáng)出土）

商代幾何紋白陶瓿

陶器向瓷器過(guò)渡西漢（公元前206──公元24年）1975年河南省三門峽市出土北齊武平六年（公元575年）1971年河南省安陽(yáng)縣范粹墓出土彩繪陶甗黃釉舞樂(lè)扁壺

早在3000多年前的商代，我國(guó)已出現(xiàn)了原始青瓷，再經(jīng)過(guò)1000多年的發(fā)展，到東漢時(shí)期終于擺脫了原始瓷器狀態(tài)，燒制出成熟的青瓷器。

唐朝瓷器有很大發(fā)展，如北方邢窯白瓷“類銀類雪”，南方越窯青瓷“類玉類冰”。形成“北白南青”的兩大窯系。同時(shí)唐代還燒制出雪花釉、紋胎釉和釉下彩瓷及貼花裝飾等品種。

宋代是我國(guó)瓷器空前發(fā)展的時(shí)期，除青、白兩大瓷系外，黑釉、青白釉和彩繪瓷紛紛興起。舉世聞名的汝、官、哥、定、鈞五大名窯的產(chǎn)品為世所珍。還有耀州窯、湖田窯、龍泉窯、建窯、吉州窯、磁州窯，是我國(guó)陶瓷發(fā)展史上的第一個(gè)高峰。

唐代：“第三次飛躍”是瓷器由半透明釉發(fā)展到半透明胎。

唐三彩鈞瓷景德鎮(zhèn)陶瓷七、地位和作用

1、國(guó)家建設(shè)和人民生活中不可缺少的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

2、科學(xué)技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展支柱。

3、建立與發(fā)展新技