材料概论(周达飞)(二版) 第3-1章

材料概论原材料的选用与合成制备工艺过程与方法第三章材料的制备方法•首先需考虑：选用什么原料or通过何种方法合成所需的原材料?不同材料需采用不同原材料。相同的原材料通过不同的制备工艺过程和方法也可制得不同性能的材料3.1原材料的选用与合成3.2制备工艺过程与方法•选择制备工艺过程和方法,一定程度上与所选的原材料有关；一旦确定了工艺过程和方法应根据工艺方法的特点和要求来选择合适的原材料。•选用合适的设备，也是制备优良材料的关键之一3.1原材料的选用与合成需考虑化学组成、纯度、颗粒度等，以及成本和对环境的影响。一般可将材料领域的原材料分为:第三章材料的制备方法•天然原料：天然的矿物or岩石与动植物原料(杂质较多，价廉)。•化工原料(人工合成原料)：采用化学or物理方法将天然原料进行富集、提纯、加工后得到(纯度较高，价也较高)。又可分为：无机化工原料&有机合成原料。1.矿石的开采和还原3.工业废渣的利用2.硅酸盐矿物原料4.原料的质量要求3.1.1天然矿物原料第三章材料的制备方法•金属矿物→冶炼金属：如铁矿石、铝土矿、方铅矿、黄铜矿等•硅酸盐矿物→玻璃、陶瓷、水泥等主原料：石英砂、粘土、长石、石灰石等；•石油、天然气、煤、电石及某些农副产品等：合成高分子化合物的基本原料•煤和石油产品→冶金和无机材料生产中的燃料。B.矿石原料的开采和选别C.矿石原料的预处理：焙烧富集，or球团化D.可当材料使用的天然矿物1.矿石的开采和还原第三章材料的制备方法A.矿物：指地壳中的化学元素，经各种地质作用所形成的、并在一定条件下相对稳定的单质or化合物，是组成矿石和岩石的基本单元。具有比较均一的成分和内部结构，是具有相对固定的化学性质和物理性质、并有一定几何形态的自然物体。矿物涉及的内容较广，可简略归纳为3点：第三章材料的制备方法具有一定的化学组成和化学性质，绝大多数为各种化合物的混合物。在一定的地质条件下所形成的某些矿物，具有共生组合规律。除石油外液态矿物为数极少，绝大多数矿物是固态无机物，且属于晶质矿物，理想条件下能长成规则的几何多面体(如方铅矿呈立方体，方解石呈菱面体)；属非晶质矿物的很少，如蛋白石、火山玻璃。不同矿物具有不同的物理性质，如颜色、光泽、透明度、硬度等。自然界中已知矿物~3000多种，被利用~200余种，重要的仅100多种。在地壳中的分布是不均匀的。•矿石矿物：有开采利用价值的矿物，其集合体称矿石；•脉石矿物：与矿石矿物相伴生的无用矿物，组成脉石。•按用途可分为：金属矿、非金属矿和燃料矿。第三章材料的制备方法•矿物不是孤立地存在于地壳中，往往是几种矿物共同产生在一个矿床中。共生组合：指同一成因、同一成矿期的矿物组合。•地壳(厚度~36km)中含量最多、分布最广的有8种元素见表3-1，其总的质量已占98.59%。表3-1地壳中8种主要元素的含量与分布情况元素质量/%原子/%体积/%O46.6062.5593.77Si27.7221.220.86Al8.136.470.47Fe5.001.920.43Mg2.091.840.29Ca3.361.941.03Na2.832.641.32K2.591.421.83•富集元素：分布较集中，能形成独立矿物，甚至富集成矿床，如金、银、汞等；•分散元素：含量不一定比富集元素少，但却趋于分散很难形成独立的矿物or矿床，常以类质同象混入物形式，参加到其他矿物中去，如钒、钴、钍等。B.矿石原料的开采和选别根据来源可分为：露天矿、地下矿和海底采矿。第三章材料的制备方法•现代冶金工业对提取金属的原料提出了一定的要求，如铜的品位≮10%，铅≮40%，锌≮40%，锡≮4550%。如此高品位的矿石不多，∴必须进行选矿。•金属矿石中，所含金属并非以“纯”金属而是以化合物状态存在，如氧化物、硫化物、氢氧化物、碳化物、硅酸盐等见p71表3-2。•实际上，矿石很少单独以上述化合物形式出现，而是在一些脉石矿物(石英，石灰石等)中存在着一些“富”含金属的矿物。表3-2一些重要的矿石及其金属含量金属矿物学名称含金属的氧化物及其他化合物金属含量/%(质量)铁铝铜钛赤铁矿磁铁矿褐铁矿菱铁矿铝土矿辉铜矿,黄铜矿金红石Fe2O3Fe3O42Fe2O3∙3H2O等FeCO3Al(OH)3Cu2S，CuFeSTiO2406045703035254020300.554050•无机材料工业中，通过选矿达到除去石英砂、粘土等矿物中的含铁等杂质。•选矿的基本任务有三个方面：第三章材料的制备方法①富集矿石中的有用矿物或金属其品位，并与脉石分开，有害杂质矿物→冶炼的需要。②把共生在矿石中的有用矿物或金属分选出来。③使尾矿中的有用矿物or金属%→最小，回收率。采矿场→矿石一系列的选矿作业工序精矿产品(合适冶炼)图3-1。其意义在于最合理地利用矿产资源。图3-1选矿流程示意图矿石破碎(粒度达到305mm)粉碎(磨矿)(粒度达到10.074mm)选别中矿精矿尾矿浓缩废弃浓缩精矿溢流过滤滤饼滤液干燥精矿产品•重选法、浮选法和磁选法，及手选和电选法等，都是不改变矿物物化性质的机械选矿法。•化学选矿：可与机械选矿法联合使用，处理成分复杂的难选矿石，即采用草酸、硫酸和盐酸的酸处理。第三章材料的制备方法选矿的原理•根据矿石的物理化学性质的不同，如利用不同密度(重力分离法)、不同磁性(铁矿石)、在酸液、碱液中不同的溶解度(铜、贵金属、铝矾土)、在有机溶液中不同的润湿特性等，将有用矿物和脉石矿物分离。•常用的选矿方法：C.矿石原料的预处理第三章材料的制备方法•对含有硫化物同时含氢氧化物or碳酸盐的铁矿石空气中富氧加热焙烧释放出SO2(凝聚收集，并利用)、H2O或CO2→富集。•为使高炉冶炼和其他工艺过程成为优化的反应技术、工艺流程均衡和最终产品质量如一，还必须将：粉碎并富集过的矿石团聚一定形状和大小的颗粒即球团化(15cm)。D.可当材料使用的天然矿物有少部分天然矿物可直接当作材料来加以使用：第三章材料的制备方法•石棉(不可燃的天然纤维)、云母和页岩(可撕成薄片)、天然岩石(砂岩、花岗岩、大理石等)、蓝宝石、红宝石和金刚石等。目前工业上使用的蓝红宝石和金刚石类材料多为人造的。•天然有机材料：木材、天然橡胶和天然纤维等。2.硅酸盐矿物原料•冶炼金属首要一步是矿石还原，传统无机材料的典型组分则存在于自然界，不需物质转换的过程，但须加一定限制：•天然原料的纯度和均一性等难以满足现代陶瓷技术的要求，∴需化学反应or物理转变高质量的合成原材料→氧化物陶瓷、非氧化物特种陶瓷、电子陶瓷等。•是粘土类、石英类、长石类、碳酸盐类等矿物原料的通称。•多数经典陶瓷材料的特性取决于组织中某些陶瓷相的特殊配置，而这种配置并非天然的配置。∴材料最终状态须经过某些反应和溶解后的结晶过程，即在高温下的材料转换过程来达到(发生在陶瓷的烧成过程中)。A.粘土类原料1种疏松的or呈胶状致密的水铝硅酸盐矿物，种类多，是多种微细矿物和杂质的混合物，多数粒径＜2m。主要成分：SiO2、Al2O3及H2O。第三章材料的制备方法•普通陶瓷的最主要原料(用量最多)，常用的有：高岭石类粘土、蒙脱石类粘土和伊利石类粘土。•耐火粘土→耐火材料的原料。•水泥生产中的粘土质原料有：黄土、粘土、页岩、泥岩、粉砂岩及灰泥等。B.石英类原料•石英是自然界中分布很广泛的矿物，主要是SiO2，在地壳中的丰度约为60%。•少量杂质为Al2O3、CaO、MgO、TiO2等。•石英呈多种状态，水晶最纯，产量很少。•陶瓷生产中较多采用：脉石英、砂岩、石英砂、硅藻土、燧石、硅石等。•玻璃生产中常用：硅砂(石英砂)和砂岩。第三章材料的制备方法•玻璃和陶瓷工业中常用：钾长石、钠长石。•作为长石的代用品，常用的有以下几种矿物：伟晶花岗岩、霞石正长岩、酸性玻璃熔岩、含锂矿物(锂云母、锂辉石等)。C.长石类原料不含水的碱or碱土金属铝硅酸盐，有4种基本类型：R2OAl2O36SiO2(R=K,Na)、ROAl2O32SiO2(R=Ca,Ba)。前3种居多，钡长石较少，彼此可按一定的混溶规律形成固溶体。有时含有微量的铯、铷、锶等。种类很多，纯的较少。第三章材料的制备方法D.碳酸盐类原料无机材料中引入CaO和MgO所常用的天然原料。第三章材料的制备方法•白云石：CaCO3/MgCO3的固溶体，含Fe、Mn等杂质。能陶瓷坯体的T烧成，坯体的透明度，石英的熔解及莫来石的生成，也是瓷釉的重要原料。•方解石(CaCO3)：含镁、铁、锰、锌等杂质。属此组成还包括冰洲石、石灰石、石笋、钟乳石、白垩、大理石、霞石等。在陶瓷坯料中于分解前起瘠化作用，分解后起熔剂作用，也是高温釉的重要原料。•菱镁矿(MgCO3)：含铁、钙、锰等杂质。生产镁质耐火材料、镁质瓷、镁质精陶等。•石灰岩：由CaCO3组成的化学与生物化学沉积岩，主矿物是方解石，并含白云石、硅质(石英或燧石)、含铁矿物和粘土质杂质。生产石灰、碳酸盐和钙盐的主原料。石灰石和白云石也是冶炼钢铁时所用的碱性熔剂。•泥灰岩：由CaCO3和粘土物质同时沉积所形成的均匀混合的沉积岩。•白垩和贝壳：白垩是由海生生物外壳与贝壳堆积成的，主要由隐晶or无定形细粒疏松的CaCO3所组成的石灰岩。第三章材料的制备方法E.其他原料•滑石(3MgO∙4SiO2∙H2O)和蛇纹石(3MgO∙2SiO2∙2H2O)均为含水硅酸镁矿物。是镁质瓷、釉面砖、地砖、炻器、耐酸陶器、匣钵、耐火材料等常用原料。•硅灰石(CaO∙SiO2)：偏硅酸钙类矿物，不含有机物质、吸附水及结晶水,干燥和烧成收缩都小(＜0.5%)，较小,便于快速烧成；有助熔作用,可坯体T烧成。•透辉石(CaO∙MgO∙2SiO2):偏硅酸钙镁,1种新型陶瓷原料,与硅灰石相似,可作助熔剂也可作主原料。∵含铁,∴生产白色陶瓷时,需控制和精选。•透闪石(2CaO∙5MgO∙4SiO2∙H2O):含水的钙镁硅酸盐矿物。陶瓷中的应用与硅灰石、透辉石相似，常作釉面砖主要原料。第三章材料的制备方法•骨灰和磷灰石：钙的磷酸盐，主要用于骨灰瓷，也可用作玻璃的乳浊剂。骨灰的主成分是羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]，含少量氟化钙、碳酸钙、磷酸镁。磷灰石是天然磷酸钙矿物，Ca5[PO4]3(F,Cl,OH)，常见的有氟(居多)和氯磷灰石，及羟和碳酸磷灰石等。•萤石(CaF2)：氟石，为无色、白色、浅绿等。在新型陶瓷和冶炼钢铁过程中主要用作助熔剂，玻璃生产中作为乳浊剂。A.粉煤灰：火电厂排出的灰烬，由石英和莫来石结晶体、玻璃体、赤铁矿(Fe2O3)和磁铁矿(Fe3O4)，及少量未燃炭粒组成。化学成分≈较大，40%65%SiO2、15%40%Al2O3、4%20%Fe2O3、2%7%CaO和3%10%未燃的炭。我国年排出量＞几千万吨，主要用做水泥的组分材料。3.工业废渣的利用第三章材料的制备方法废渣和废料——工业生产及矿山开发中不可避免的产物，量大处理难，且污染环境。∴很重视综合利用→变废为宝。废渣的储存量在不断，20世纪80年代初我国的废渣年排放量已达～3亿吨。主要包括：B.煤矸石：夹在煤层间的脉石，是碳质页岩、碳质灰岩等含碳岩石和页岩、砂岩等的混合物。成分随岩石种类和矿物组成而变，粘土岩类煤矸石含4060%SiO2，1530%Al2O3，砂岩类煤矸石SiO2~70%，铝质岩类Al2O3~40%，碳酸盐煤矸石CaO~30%。第三章材料的制备方法C.石煤：低炭煤，组成性质与泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤无本质差别，可燃的沉积岩。C%＜煤，挥发份和发热量低，灰分%高，且伴生较多的金属元素。•煤矸石与石煤的矿物组成大多数是粘土矿物和石英。第三章材料的制备方法E.铝渣(赤泥)：矾土提取Al2O3排出的赤色废渣，含大量硅酸二钙(5354%)。1吨Al2O3→1.51.8吨赤泥。4250%CaO、1824%SiO2、5.37.7%Al2O3、412.5%Fe2O3、27.5%TiO2等。D.炉渣：高炉矿渣—冶炼生铁的废