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合肥学院化学与材料工程系程继海2019/10/3合肥学院化学与材料工程系2课程简介2019/10/3合肥学院化学与材料工程系3计划学时：40学时课程的目的与任务：加强学生的基础知识，拓宽知识面，全面系统地建立无机材料工艺知识体系，培养智能型与复合型人才。课程要求：具有扎实的基础知识。全面系统地掌握无机材料的基本概念、基本理论、制备原理、生产过程的共性与个性及无机材料的基本性能。成绩考核：N+2考核，其中N的内容为：1.课堂测验(1)2.课程阶段测试(1)3.无机材料典型生产工艺调研报告(1)主要参考资料：《无机非金属材料工艺学》王琦主编，中国建材工业出版社《无机材料工艺学》宋晓岚、叶昌、余海湖，冶金工业出版社《水泥工艺学》沈威等编著，武汉工业大学出版社《玻璃工艺学》西北轻工业学院主编，中国轻工业出版社《陶瓷工艺学》华南工学院等合编2019/10/3合肥学院化学与材料工程系40绪论0.1材料及无机非金属材料的定义与分类0.1.1材料的定义与分类从广义的角度，材料定义为能够用以加工有用物质的物质。材料分类按性能、使用用途分类：结构材料（受力，承载）功能材料（半导体，超导体，以及光、电、声、磁、应力转换等）2019/10/3合肥学院化学与材料工程系5按化学组成和显微结构特点分类：材料大坝材料金属材料无机非金属材料有机高分子材料复合材料2019/10/3合肥学院化学与材料工程系60.1.2无机非金属材料的定义与分类无机非金属材料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、硼酸盐和非氧化物等物质组成的材料，是除金属材料和有机高分子材料以外的所有材料的统称。无机非金属材料陶瓷胶凝材料天然材料玻璃普通玻璃特种玻璃普通陶瓷特种陶瓷水硬性胶凝材料气硬性胶凝材料2019/10/3合肥学院化学与材料工程系70.1.3无机非金属材料的特性在晶体结构上，无机非金属材料组成元素之间的化学键主要为离子键或离子-共价混合键。与化学键为金属键的金属材料和共价键的有机高分子材料相比，无机非金属材料有以下特征：具有复杂的晶体结构没有自由电子高熔点高硬度较好的耐化学腐蚀性绝大多数是绝缘体制成薄膜时大多是透明的一般具有低导热性大多数情况下变形微小2019/10/3合肥学院化学与材料工程系80.1.4无机非金属材料生产过程的共性与个性（1）原料无机非金属材料的生产以铝硅酸盐（粘土、长石等）原料、硅质（石英砂等）原料、石灰质原料、铝质原料等为主。主要化学成分：CaO、SiO2、Al2O3、Na2O等。（2）原料的破碎无机非金属材料生产所用的主要原料，绝大多数是质地坚硬的大块状物料，为了均化、烘干、配料等工艺过程的需要进行破碎。2019/10/3合肥学院化学与材料工程系9（3）粉体制备粉体具有较高的比表面积，一定的形状及一定范围的颗粒级配，同时在粉体制备过程中，物料得到进一步均化，这些因素对产品的产量、质量有着极为重要的影响。粉体制备主要应用于水泥和陶瓷生产过程。（4）成型无机非金属材料产品由于使用、进一步加工等过程的需要，成型是生产的环节之一。陶瓷成型在热加工之前；玻璃成型在热加工之后；水泥成型主要在使用时，如加工混凝土制品等。2019/10/3合肥学院化学与材料工程系10（5）烘干烘干是为了除去物料或坯体中一定量的自由水。陶瓷成型后的坯体必须经过干燥，才能进入烧成。（6）高温热处理无机非金属材料工业所用原料具有很好的稳定性和耐高温性，它们互相反应生成新的物质或使其形成熔融体，必须在较高的温度下进行，因此大部分无机非金属材料生产都需要高温热处理。高温热处理是整个生产过程中的核心。水泥煅烧陶瓷烧结玻璃熔融2019/10/3合肥学院化学与材料工程系110.2典型无机非金属材料0.2.1胶凝材料胶凝材料定义凡能在物理、化学作用下，从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其他物料而具有一定机械强度的物质，统称为胶凝材料，又称胶结料。胶凝材料分类按组成物质分类有机胶凝材料，如沥青，各种树脂等。无机胶凝材料水硬性胶凝材料气硬性胶凝材料拌水后既能在空气中硬化又能在水中硬化，如水泥。拌水后只能在空气中硬化而不能在水中硬化，如石灰、石膏等。（1）胶凝材料的定义与分类2019/10/3合肥学院化学与材料工程系12用石灰、石膏作为胶凝材料2019/10/3合肥学院化学与材料工程系13水泥的发明19世纪初（1810~1824年），用人工配合粘土与石灰石经煅烧、磨细以制造水硬性胶凝材料已经开始组织生产。1824年，英国人阿斯普丁将粘土与石灰石配合烧制成块（熟料），再经磨细而成水硬性胶凝材料，加水拌和后能硬化制成人工石，并具有较高强度，其外观与当时建筑上常用的英国波特兰岛上出产的岩石相似，故称之为“波特兰水泥”（PortlandCement)，并于1824年10月21日首先获得该产品的专利权。2019/10/3合肥学院化学与材料工程系14（2）水泥的定义与分类水泥的定义凡细磨成粉末状，加入适量水后成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等散粒或纤维材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，统称为水泥。水泥的分类按用途和性能分类通用水泥：一般土木建筑工程通常采用的水泥；专用水泥：专门用途的水泥。特性水泥：某种性能比较突出的水泥。2019/10/3合肥学院化学与材料工程系15按组成分类：硅酸盐水泥系列铝酸盐水泥系列氟铝酸盐水泥系列硫铝酸盐水泥系列铁铝酸盐水泥系列其它:如无熟料、少熟料水泥2019/10/3合肥学院化学与材料工程系16（3）水泥的基本特性作为水硬性胶凝材料的水泥具有以下特性：水泥浆具有良好的可塑性，与其它材料混合后的混和物可拥有适宜的和易性。较强的适应性。较好的耐侵蚀、防辐射性能。硬化后的水泥浆体具有较高的强度，且强度随龄期的延长而逐渐增长。良好的耐久性。通过改变水泥的组成，可适当调整水泥的质量。可与纤维、聚合物等多种有机、无机材料匹配。制得各种水泥基复合材料，充分发挥材料潜能。2019/10/3合肥学院化学与材料工程系170.2.2玻璃玻璃的定义玻璃是由熔融物冷却、硬化而得到的非晶态固体，其内能和构形熵高于相应的晶体，从熔融态转变为固态时有一定的转变温度Tg。玻璃结构为短程有序，长程无序。玻璃的特性：透明，坚硬，良好的耐蚀、耐热、电学和光学性质；通过调整化学组成，并结合各种工艺方法可大幅度调整玻璃的和物理化学性能；能够用多种成型制成各种形状和大小的制品；通过焊接和粉末烧结等加工方法制成形状复杂、尺寸严格的器件。2019/10/3合肥学院化学与材料工程系18玻璃的通性（1）各向同性在任何方向上都具有相同的性质。（2）介稳性玻璃态物质比相应的晶态物质含较大的内能，它不是处于能量最低的稳定状态，而是处于介稳状态。（3）无固定熔点玻璃态物质由固体转变为液体是在一定温度区域内进行的。（4）固态和熔融态间转化的渐变性和可逆性（图0-2-1、图0-2-2）（5）性质随成分变化的连续性和渐变性（图0-2-3）2019/10/3合肥学院化学与材料工程系19图0-2-3R2O-SiO2系统玻璃的弹性变化1-Li2O；2-Na2O；3-K2O图0-2-2不同冷却速度下玻璃的比容与温度的关系图0-2-1物质内能与体积随温度的变化2019/10/3合肥学院化学与材料工程系20玻璃的分类按组成分类元素玻璃氧化物玻璃非氧化物玻璃硫系玻璃硒玻璃卤化物玻璃硫族化学物玻璃2019/10/3合肥学院化学与材料工程系21按用途分类建筑玻璃日用轻工玻璃仪器玻璃光学玻璃电真空玻璃玻璃还可以按性能分类，一般用于一些专门用途、具有某一方面的特定性能的玻璃。如光学特性玻璃、热学特性玻璃、耐高温玻璃；导电玻璃、半导体玻璃、超导玻璃；力学方面的高强玻璃、耐磨玻璃；化学稳定性方面的耐碱玻璃、耐酸玻璃等。2019/10/3合肥学院化学与材料工程系220.2.3陶瓷陶瓷的定义本书中所述陶瓷是指以无机非金属天然矿物或化工产品为原料，经原料处理、成型、干燥、烧成等工序制成的产品，是陶器和瓷器的总称。通常按吸水率划分。陶瓷的分类随着生产和科学技术的发展，陶瓷产品的种类也日益增多。按组成可分为硅酸盐陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷；按性能可分为普通陶瓷、特种陶瓷；按用途可分为日用瓷、艺术瓷、建筑瓷、化工瓷等。2019/10/3合肥学院化学与材料工程系23陶瓷的基本特性与特点陶瓷的显微结构由结晶相、气孔和玻璃相组成。陶瓷材料的离子键、共价键赋予该种材料许多优良的性能：较高的弹性模量强度高，抗压强度远远大于抗拉强度耐磨性能良好好的耐久性，如耐腐蚀、耐高温、抗氧化硬度高优良的电绝缘性能此外陶瓷的脆性大，理论强度高，但实际强度较低，这是陶瓷性能改善的主要方面之一。2019/10/3合肥学院化学与材料工程系240.3无机非金属材料的现状及发展趋势陶瓷玻璃水泥2019/10/3合肥学院化学与材料工程系25陶瓷发展史瓷器与中国齐名(china)，可见瓷器与中国历史发展关系密切。《陶瓷发展史》介绍各个历史时期中国与世界陶瓷发展状况。陶瓷发展对中国文化和世界文化发展做出了非凡的贡献。宋代五大名陶瓷官、哥、定、钧、汝ThefourtypicalspecialistiesofJingDezhenporcelainAswhiteasjade/asbrightasamirror/asthinaspaper/asresonantaschime2019/10/3合肥学院化学与材料工程系26水泥发展简史：（1）天然胶凝材料阶段——4000——10000年前新石器——粘土＋稻草不抗水，抹彻简易建筑物强度低（2）火发明——石灰、石膏阶段——埃及金字塔（煅烧石膏调砂浆），万里长城（煅烧石灰）？？（3）石灰＋火山石灰阶段——公元初，要求强度较高且抗水的凝胶材料（4）水硬性石灰、天然水泥阶段——18世纪后半期（5）硅酸盐水泥——1824年英国阿斯普丁——波特兰水泥专利——人工配料、烧、磨细（6）不同品种的水泥阶段——快硬、早强硅酸盐水泥、油井水泥、中低热水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥2019/10/3合肥学院化学与材料工程系27玻璃发展简史：绿玻璃球（5000――6000年）白玻璃（3000年――400年）工业纯碱代草木灰＋石灰石Na－Ca－Si1957年英国人皮尔金顿PB浮法专利1975年美匹兹堡公司PPG新浮法专利。2019/10/3合肥学院化学与材料工程系280.4无机非金属材料在人类生活中的地位与作用对科学技术发展的作用对工业及社会进步的作用对巩固国防、发展军用技术的作用在生物医学方面的作用2019/10/3合肥学院化学与材料工程系290.5无机非金属材料工艺学的研究内容合成与制备结构组成性能2019/10/3合肥学院化学与材料工程系30市场应用无原则，要更多、更高、更新的材料。物理性能——显微结构——工艺、配方从宏观——微观从定性——定量从粗制——精细制作（新工艺）从大颗粒——纳米材料2019/10/3合肥学院化学与材料工程系31节能化、大型化、大型化、自动化、环境协调化——生产工艺加强基础理论研究——理论我国存在的问题：能耗高、成本高、劳动生产率低、质量不稳定、人才缺乏、劳动强度大、品种单一、环境污染厉害。2019/10/3合肥学院化学与材料工程系32几个概念1、工艺：生产方法和生产过程。2、工艺学：研究生产方法过程及其原理的一门科学。3、工艺学主线：研究产品性能、显微结构、原料及工艺关系的科学。4、矿物：由地质作用所形成的天然单质或化合物，是组成岩石和矿石的基本单元。岩石：矿物的集合体，由多种矿物按一定的规律组合而成。2019/10/3合肥学院化学与材料工程系33典型生产工艺流程机械化立窑水泥生产工艺流程图2019/10/3合肥学院化学与材料工程系342019/10/3合肥学院化学与材料工程系35回转窑水泥生产工艺流程图2019/10/3合肥学院化学与材料工程系36玻璃类（浮法）2019/10/3合肥学院化学与材料工程系3