第七章无机非金属类生态环境材料

第七章无机非金属类生态环境材料内容•7.1概述•7.2无机非金属材料的生态化改造•7.3无机非金属材料零排放与零废弃制备科学技术•7.4生态建材7.1概论•一、无机非金属材料的分类、特点及其生态化改造的重点及难点无机非金属材料是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、硼酸盐等物质组成的材料，是除高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。材料品种示例传统无机非金属材料水泥和其他胶凝材料硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、石膏等陶瓷粘土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等耐火材料硅质、硅酸盐质、高铝质、镁质、铬镁质等玻璃硅酸盐、硼酸盐、氧化物、硫化物和卤素化合物玻璃等搪瓷钢片、铸铁、铝和铜胎等铸石辉绿石、玄武岩、铸石等研磨材料氧化硅、氧化铝、碳化硅等多孔材料硅藻土、沸石、多孔硅酸盐和硅酸铝等碳素材料石墨、焦炭和各种碳素制品等非金属矿粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金刚石等新型无机非金属材料高频绝缘材料氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等铁电和压电材料钛酸钡系、锆钛酸铅系材料等磁性材料锰-锌、镍-锌、锰-镁、锂-锰等铁氧体、磁记录和磁泡材料等导体陶瓷钠、锂、氧离子的快离子导体和碳化硅等半导体陶瓷钛酸钡、氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化锆等过渡金属元素氧化物系材料等光学材料钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透明材料和石英系或多组分玻璃的光导纤维等高温结构陶瓷高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等难熔化合物超硬材料碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等人工晶体铌酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等生物陶瓷长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的载体等无机复合材料陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料无机非金属材料的分类二、制备无机非金属材料的原料及其生态化改造对策地壳中硅酸盐和铝硅酸盐占明显优势，它们和其他一些氧化物矿物是制备无机非金属材料的最主要原料。传统无机非金属材料原料大多直接取自天然矿物，就原料而言环境负荷低。采用地壳中含量最为丰富的氧化铝、氧化硅和生物圈、大气圈中含量丰富并能够再循环的碳、氮为主要原料，应是无机非金属材料原料生态化的首选。三、无机非金属材料的生产工艺及其生态化改造对策普通无机非金属材料的生产工艺通常都要经过以下工序：粉料制备、成型、高温烧成和后处理。对所有的原料，作为共同的特点，高温烧成乃是最重要的工序。无机非金属材料环境负荷最大的工艺环节是高温过程和粉碎过程，总体而言，采用以电为热源的连续式加热工艺和闭路粉碎工艺具有较小的能耗和污染。1．水泥2．耐火材料1）原料煅烧2）原料加工3）烧成3.玻璃硅酸盐玻璃是以石英砂、石灰石、纯碱等为主要原料，经高温熔制、成型、热处理、冷加工等工序制成。4．陶瓷（传统陶瓷与先进陶瓷）1）粉体制备2）陶瓷成型3）陶瓷烧结4）陶瓷加工5．碳素材料1）碳／碳复合材料的浸渍碳化法2）碳／碳复合材料的气相渗积法6．无机涂层通过特定工艺将无机非金属材料附着于基体材料表面制成膜状材料，起到保护、装饰和特殊功能的作用，可以充分发挥膜与基体材料各自的优势。涂层工艺按涂层组元被涂到基体表面以前的形态分为气相法、液相法和固相法三种。四、无机非金属类生态环境材料设计思想对于无机非金属材料，由于加工的困难性，通常材料和产品是同时完成的，材料即是产品，产品即是材料，二者不可分割。•由于无机非金属材料的固有特点，MLCA和PLCA是统一的，并贯穿于材料（产品）的设计、制造、使用等整个寿命周期中。7.2无机非金属材料的生态化改造一、传统无机非金属材料面临的主要生态环境问题1）使用性能与环境协调性的矛盾突出2）制备过程中能耗高3）很难再循环利用4）固体废弃物难处理5）有毒有害添加剂和排放物问题6）土地资源占用和消耗量大、破坏严重二、无机非金属材料原料的生态化设计1）高纯化与复合化2）天然原料与合成原料三、无机非金属材料的结构、性能设计和长寿命化改造1．性能设计1）长寿命化性能设计的原则（1）以服役条件、失效分析为依据。（2）将成分设计和结构设计相结合。2）高温性能设计（1）高温强度、抗蠕变性能设计（2）热震抗力设计（3）抗氧化设计3）强度、韧性、抗疲劳性能设计nICInfafKKt外加应力材料断裂强度外加应力强度因子材料断裂韧性应力腐蚀指数（疲劳指数）4）耐腐蚀、磨损性能设计2．结构设计1）晶粒设计（1）晶粒尺寸（2）晶粒形状2）晶界设计3）多相复合设计（1）原位自生复相结构（2）纳米复合结构（3）纤维、晶须复合结构（4）智能自修复结构3．无机非金属材料长寿命化的典型设计—陶瓷涂层在一种材料表面形成另一种材料的涂层1）锅炉传热管陶瓷涂层2）飞机发动机的陶瓷绝热涂层四、与应用有关的无机非金属材料生态化改造和宏观结构设计kcSkckckcS陶瓷的切断抗力陶瓷的正断抗力kmSkmkmkmS金属的正断抗力金属的切断抗力S/软性系数对陶瓷材料进行强度设计时应注意以下两点：（1）陶瓷材料应当尽可能避免用于较硬的应力状态（单向拉伸、多向拉伸或缺口拉伸等）。（2）采用组合式结构，将拉应力状态尽可能地转化为较软的应力状态。五、无机非金属材料生态化改造实例1．成分设计实例—新型粘土质复相陶瓷粘土的主要成分是SiO2和Al2O3，假定的化学通式为Al2O3·2SiO2·2H2O，此外还含有Fe、Ti、Mg、Ca等氧化物。3C＋SiO2SiC＋2CO煅烧在氮气保护下进行，则最终制成Si3N4和Al2O3。作为碳源，也可以在粘土中直接混入废木屑、废纸浆、植物秸秆等，这样制成的材料则具有类似晶须的强韧化作用，并能够实现废物利用。2．结构设计实例—功能型多孔过滤器（材料）将连续的多孔管道设计、连续的导电相设计、不连续增强相设计等三个互相矛盾的因素结合于一体。3．性能设计实例—高性能碳化硅材料1）增韧碳化硅窑具热应力作用下的损坏主要分两类：热震破坏和热震损伤。2）1600C级碳化硅发热体（1）氧化膜改性。（2）复合涂层（3）显微结构设计7.3无机非金属材料零排放与零废弃制备科学技术•对无机非金属材料排放和废弃的控制以及以此为目的的零排放与零废弃制备科学技术，是无机非金属类生态环境材料研究的重要内容。一、无机非金属材料的低能耗、少污染制备技术1．免烧和低温固结技术1）水热热压2）反应硬化型免烧陶瓷和电沉积陶瓷膜（1）反应硬化型陶瓷——磷灰石水泥（2）电沉积陶瓷膜2．快速烧结技术1）微波烧结2）爆炸烧结3．反应烧结技术1）反应烧结2）自蔓延烧结3）LanxideTM方法4．近净尺寸成型和可切削技术1）近净尺寸成型技术directcoagulationcasting，DCC2）可切削技术二、无机非金属固体废弃物的再循环与再利用无机非金属固体废弃物的高附加值利用方法有：①分离法，可提取其他元素或化合物；②合成法，再添加其他原料，可制备新材料；③完全利用法，即完全利用废料制成新材料。1．粉煤灰、煤矸石1）粉煤灰制取沸石2）粉煤灰、煤矸石制备高性能陶瓷2．建筑废料、废混凝土、废陶瓷3．高炉渣、钢渣7.4生态建材水泥、混凝土、建筑玻璃、建筑装饰装修材料等一、建筑材料与环境1）建筑材料对地球环境的影响2）地球环境对建筑材料的影响3）建筑材料对人类居住环境的影响二、生态建材基本概念生态建材就是赋予优异环境协调性的建筑材料，故又称环境协调建材，这一类材料环境协调性好，既具有优异性能，又有益于人体健康。（1）具有优异的使用性能：（2）生产时少用或不用天然资源，大量使用废弃物作为再生资源；（3）采用清洁的生产技术，废气、废渣和废水的排放量相对较少；（4）使用过程中有益于人体健康、有利于生态环境改善及与环境相和谐；（5）废弃后使之作为再生资源或能源加以利用，或能作净化处理。生态建材有如下主要特点：三、生态建材的研究内容目的是通过对材料环境问题的研究，寻找在生产、使用和再生过程中具有最低环境负荷的性能优异的建筑材料，以满足人类社会发展的需要。传统建材的生态化改造开展新型生态建材的研究将环境意识引入建筑材料四、生态建材的研究开发现状1．水泥1）低环境负荷水泥添加料2）生态水泥3）降低能耗的新工艺4）废弃物再生利用技术2．混凝土1）环境负荷降低型生态混凝土（1）降低制造时的环境负荷（2）降低使用时的环境负荷（3）利用混凝土降低环境负荷2）生物对应型生态混凝土3．平板玻璃1）热反射玻璃2）高性能隔热玻璃3）自动调光玻璃4）隔音隔热玻璃5）电磁屏蔽玻璃6）抗菌自洁玻璃4．建筑装饰装修材料1）建筑涂料2）壁纸墙布3）建筑胶粘剂4）建筑卫生陶瓷钛白的粘附力强，不易起化学变化，永远是雪白的。特别可贵的是钛白无毒。它的熔点很高，被用来制造耐火玻璃，釉料，珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。二氧化钛是世界上最白的东西，1克二氧化钛可以把450多平方厘米的面积涂得雪白。它比常用的白颜料—锌钡白还要白5倍，因此是调制白油漆的最好颜料。世界上用作颜料的二氧化钛，一年多到几十万吨。二氧化钛可以加在纸里，使纸变白并且不透明，效果比其他物质大10倍，因此，钞票纸和美术品用纸就要加二氧化钛。此外，为了使塑料的颜色变浅，使人造丝光泽柔和，有时也要添加二氧化钛。在橡胶工业上，二氧化钛还被用作为白色橡胶的填料。