无机材料工学_无机材料工学
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一、无机非金属材料的定义与分类
1、定义：无机非金属材料是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。包括氧化物、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无机材料。主要包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料等。
2、分类
（1）传统无机非金属材料 由SiO2及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料。
（2）新型无机非金属材料指经过微观结构设计、精确化学计量、先进制备技术而达到不含有害元素且具有特定性能的材料。
二、无机非金属材料生产过程的共性
1、原料来源丰富 主要是天然非金属矿物。（1）粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)
（2）石英SiO2（3）长石(K2O·Al2O3·6SiO2等)（4）铝钒土(Al2O3·nH2O)、硅线石(Al2O3·SiO2)（5）方解石、泥灰岩、白垩、石灰石(CaCO3)和硅灰石(CaO·SiO2)等（6）菱镁矿(MgCO3)、滑石(Mg3[Si4O10]（OH）2)和白云石(CaCO3·MgCO3)等
2、粉料的制备与运输
因原料大多来自天然的硬质矿物，要使其重新化合、造型，必须进行矿物的破(粉)碎，再利用粉料配料，然后才能进行各种热处理或成型。
3、脱水和干燥
1、原料；
2、料浆；
3、成型后的制品。目的都是要从物料和制品中将水分除去→输送、储存和其他环节处理
4、成型
目的是将粉体制成某种形状，使其成为具有一定机械强度和准确尺寸的坯体
5、高温加热(热处理)原料稳定、耐高温→生成高度稳定的物质，都在高温下进行。大部分无机非金属材料生产都有加热过程，而且是整个生产的核心过程。
三、原料
粘土：粘土是一种颜色多样，细分散的一种或者多种含水铝硅酸盐矿物的混合体。
1、粘土的组成粘土的性能取决于粘土的组成，包括粘土的 化学组成、矿物组成 和 颗粒组成 1．
1、粘土的化学组成主要化学成分为SiO2、A12O3和结晶水（H2O）。含有少量的碱金属氧化物K2O、Na2O，碱土金属氧化物CaO、MgO，以及着色氧化物Fe2O3、TiO2等。1.2、粘土的矿物组成粘土很少由单一矿物组成，而是多种微细矿物的混合体。粘土矿物主要为：
高岭石： 1:1 型层状结构硅酸盐。特点：吸附能力小，可塑性和结合性较差，杂质少、白度高、耐火度高。
蒙脱石：2:1 型层状结构。特点：蒙脱石显著的特点是能吸收大量的水，体积膨胀；离子交换能力强；膨润土可塑性大，触变厚化性强，严重影响泥浆性能；随外界环境的温度和湿度而变化，引起Ｃ轴膨胀与收缩。
伊利石：2:1型层状硅酸盐。一般可塑性低，干后强度小，干燥烧成收缩小，烧结温度低，烧结范围窄。一般在800℃左右开始烧结，完全烧结温度在1000～1150℃ 1.3、粘土的颗粒组成颗粒组成：粘土中含有的不同大小颗粒的体积百分比含量。颗粒很细，小于l～2um。
2、石英多晶转变的体积效应：
一级转变（重建性转变）的体积变化大，但由于其转化速度慢，体积效应小，且在高温下有液相存在，对坯体影响不大。
二级转变（位移性转变即纵向系列之间的转变）的体积变化小，但转化速度快，瞬间完成，体积效应大，无液相，对坯体影响大，必须严格控制。
四、粉体制备
1、研磨时间过长对粉体的影响？
在粉碎过程中,当物料的粒度达到一定细度时,如果继续研磨下去,就会出现粒度不但不会越来越细,反而越磨越粗,且这种现象随着超细粉碎的进展而越来越普遍，称为过粉磨现象。固体物料的粉碎首先主要是依靠机械作用的碰撞、研磨导致物料颗粒的粒度变小,比表面积增大。在粒度逐渐细化的过程中,如果物料得不到充分分散,那么又会在同一个机械作用(当然还有其它作用,如范德华作用、双电层静电作用等)下,促使物料颗粒的团聚,从而增大表观粒度,减小比表面积。当达到颗粒尺寸达到极限值，进一步延长粉碎时间是徒劳的，只会提高燃料的消耗和电力消耗，增加生产成本。
五、成型
1、浮法成型的特点及工艺制度？
浮法是指玻璃液漂浮在熔融金属表面上生产平板玻璃的方法。特点是玻璃质量高(接近或相当于机械磨光玻璃)，拉引速度快，产量大，厚度可控制在1.7~30mm，宽度目前可达5.6m，便于生产自动化。浮法成型的工艺制度：
(1)玻璃液通过坎式宽流槽流人锡槽；温度约1100℃。
(2)摊平抛光区，温度在1050~900℃，玻璃液粘度为102.7~103.2Pa·s。连续均匀流入锡槽的玻璃液浮在锡液表面，摊平并被抛光，摊平抛光过程所需的时间约为2min。
(3)徐冷区，温度由900℃降至850℃，玻璃液粘度从103.2Pa·s变为104.25Pa·s。
(4)拉薄区，温度从850℃降至700℃，玻璃液粘度为104.25~105.75Pa·s。在该粘度下，表面张力使玻璃变厚作用已不明显，受拉力作用玻璃易于伸展变薄，且厚度、宽度几乎按比例减小。
2、玻璃的退火目的，包括的工艺阶段及各阶段的要点？
消除玻璃制品在成型或热加工后残留在制品内的永久应力的过程称为退火。
目的是防止炸裂和提高玻璃的机械强度。熔铸耐火材料和铸石等成型后也都要经过退火。玻璃制品的退火包括加热、保温、慢冷及快冷四个阶段。加热阶段：把制品加热到退火温度。加热速度可以较快。
保温阶段：消除快速加热时制品存在的温度梯度，并消除制品中所固有的内应力。慢冷阶段：防止在降温过程中由于温度梯度而产生新的应力。慢冷阶段的结束温度，必须低于玻璃的应变点。
快冷阶段：指应变温度到室温这段温度区间。保证制品不致因热应力而破坏的前提下，可以尽快冷却玻璃制品。
六、脱水与干燥
1、湿扩散与热扩散的区别？
湿扩散是指在水分浓度差的作用下，水分从物料内浓度高的的地方向浓度低的地方的迁移过程。湿扩散速率与物料制品的厚度有关，因此减薄制品的厚度可以提高干燥速率。热扩散是指在温度差的作用下，水分从物料内温度高的地方向温度低的地方的迁移过程。用内部加热方式，物料内部温度高于表面温度，热扩散成为干燥的动力。
2、干燥速率的影响因素
（一）外扩散速率
干燥介质及生坯表面的蒸气分压、干燥介质及生坯表面的温度，干燥介质的流速和方向，生坯表面粘滞气膜的厚度、热量的供给方式、干燥方法。
1、干燥介质的温度
干燥介质的温度t↑，物料与介质的温度差△t↑，传热速度↑，传热量Q↑，干燥速度v↑
2、干燥介质的湿度
介质的相对湿度Ψ↓，水分汽化速度↑，干燥速度w↑。
3、干燥介质的流速
介质的流速w↑，q对流↑，干燥速度v↑；流体与物料表面的层流底层厚度δ层↓，对传热、传质都有利。
4、干燥介质与物料的接触面
干燥介质与物料的接触面F↑，干燥速度v↑。
5、物料的性质、结构
物料的性质、结构不同，它的化学组成与水的结合方式不同，有的物料以非结合水为主，有的物料以结合水为主。物料中结合水↑，干燥时间↑，干燥速度↓。
6、物料的水分量
物料的初水分、终水分、临界水分决定着等速阶段、降速阶段的长短，影响干燥时间，即影响干燥速度。
7、干燥机的构造
合理的尺寸、结构型式，良好的密封和操作情况，以及适当地提高回转烘干机的转速，将有利于提高干燥速度速度，缩短干燥时间。
（二）内扩散速率
内因：含水率、生坯的组成与结构等；外因：生坯温度；内扩散：湿扩散、热扩散。湿扩散速率与物料制品的厚度有关，因此减薄制品的厚度可以提高干燥速率。热扩散用内部加热方式，物料内部温度高于表面温度，热扩散成为干燥的动力。应尽可能采用内部加热方式或其它使热扩散能够成为干燥动力的加热方式。
七、烧成1、烧成与烧结的比较? 烧成过程:将坯体在一定的条件下进行热处理，坯体经过一系列的物理—化学变化，形成预期的矿物组成和显微结构，从而固定外形并获得所要求性能指标的陶瓷产品的过程。陶瓷的高温热处理过程:烧成.烧结是一种利用热能使粉末坯体致密化的技术，是指多孔状陶瓷坯体在高温条件下，表面积减小、孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。如果侧重考虑高温下粉料填充空隙的过程:烧结
2、低温与快烧的作用，降低烧成温度的工艺措施？ 低温与快烧的作用（1）节约能源
燃料费用占生产成本30%。
1、烧成温度每下降100℃，单位燃耗节省13%。
2、烧成时间每缩短10%，产量可增加19%，单位制品热耗可降低4%。
（2）充分利用原料资源
降低原料成本。地方性原料、低质原料、某些新开发的原料：低熔点成分、来源丰富、价格低廉。（3）提高窑炉与窑具的使用寿命
烧成温度在较大幅度降低，可以减少匣钵的破损和高温荷重变形，延长其使用寿命。
（4）缩短生产周期、提高生产效率
快速烧成，素烧为60分钟，釉烧为40分钟，总的烧成时间不到2小时。
（5）低温烧成，有利于提高色料的显色效果，丰富釉下彩和色釉的品种。
（6）快速烧成可使坯体中晶粒细小，从而提高瓷件的强度、改善某些介电性能。降低烧成温度的工艺措施（1）、调整坯、釉料组成主要通过引入添加剂（烧结助剂）碱金属、碱土金属氧化物，碱金属氧化物会降低粘土质坯体出现液相的温度和促进坯体中莫来石的形成。（2）、提高坯料细度
颗粒越细则烧结活性越大、烧结温度越低
3、满足快速烧成的工艺条件？
（1）坯、釉料能适应快速烧成的要求
坯料：A、干燥收缩和烧成收缩均小；B、坯料的热膨胀系数要小；C、导热性能好；D、少含晶型转变的成份。
釉料：A、化学活性强，以利于物理化学反应能迅速进行；B、始熔温度要高些；C、高温粘度比普通釉料低些，而且随温度升高粘度降低较多，以便获得平坦光滑无缺陷的釉面；D、膨胀系数较常规烧成时小。
（2）减少坯体入窑水分、提高坯体入窑温度。（3）控制坯体厚度、形状和大小。
（4）选用温差小和保温良好的窑炉。小截面窑炉（5）选用抗热震性能良好的窑具
八、陶瓷
1、陈腐作用主要体现在以下几个方面：
（1）通过毛细管的作用，使坯料中水分的分布更加均匀。
（2）在水和电解质的作用下，粘土颗粒充分水化和离子交换，一些非可塑性的硅酸盐矿物（如白云母，绿泥石，长石等），长期与水接触发生水解变为粘土物质，从而使塑性提高。（3）粘土中的有机物，在陈腐过程中发酵或腐烂，变成腐植酸类物质，使坯料的可塑性提高。
（4）陈腐过程中，还会发生一些氧化还原反应，例如；FeS2分解为H2S，CaSO4还原为CaS，并与H2O及CO2作用生成CaCO3和H2S，产生的气体扩散、流动，使泥料松散均匀
2、釉层的作用以及釉与玻璃的异同点有哪些？ 釉的作用：
（1）使坯体对液体和气体具有不透过性，不吸湿、不透气；（2）改善外观质量，增加艺术性（3）防止沾污坯体
（4）在釉下装饰中，釉层还能起到保护画面
（5）改善陶瓷制品的机械性质、热性能、电性能等。釉与玻璃的异同： 相同点： 各向同性，没有明显的熔点，具有光泽，硬度大，能抵抗酸和碱的侵蚀（氢氟酸和热碱除外）等。不同点：
（1）微观组织结构和化学组成的均匀性都较玻璃为差（2）釉不单纯是硅酸盐，有时还含有硼酸盐或磷酸盐（3）化学组成沿横断面的分布亦有不同程度的差异（4）Al2O3的含量远多于一般玻璃（5）熔融温度范围宽
3、提高釉层的适应性，从哪几方面考虑？
坯釉适应性是指陶瓷坯体与釉层有互相适应的物理性质（主要是热膨胀系数匹配），釉面不致龟裂或剥落的能力。
要提高坯釉的适应性，应从控制釉层应力的性质和应力的大小入手。
（一）坯釉膨胀系数
坯釉膨胀系数的差值是釉层出现应力的来源，选择釉料组成时，希望其膨胀系数接近于坯体而稍低于坯体。
（二）坯釉中间层
对调整坯釉之间的差别、缓和釉层中应力的作用、改善坯釉的结合性起一定作用（1）可以降低釉的膨胀系数，消除釉裂；（2）若中间层生成与坯体性质相近的晶体有利于坯釉的结合；（3）釉料溶解坯体表面，使界面粗糙，提高釉的粘附能力。
（三）釉层的弹性和抗张强度
釉层的弹性是抵抗和缓和釉层应力的另一个因素，其作用是：消除坯、釉膨胀系数差异所引起的缺陷；补偿机械力作用所产生的危害。釉的抗张强度和釉的弹性模量往往交织在一起影响釉面开裂。釉的弹性模量低，抗张强度高。釉层也不一定开裂。当釉的抗张强度低而弹性模量大时,稍受应力就可能使釉层开裂。釉层的弹性大，好。釉的抗张强度大，好。
（四）釉层厚度 当坯釉组成不变时，釉层中产生的应力和其厚度密切相关，釉层的厚薄在一定程度上影响坯釉的适应性。薄釉层有利于坯釉结合：（1）因薄釉层在烧成时组分改变相应大，α釉降低得也大；（2）中间层相对厚度增大；（3）薄釉层的弹性也较厚釉层好。釉层也不可太薄，否则易造成干釉缺陷
九、玻璃
影响玻璃化学稳定性的因素（１）玻璃组成的影响
硅氧含量愈多，硅氧四面体[SiO4]互相连接程度愈大，玻璃的化学稳定性越高。以SiO2、Al2O3、ZrO2最为显著。（２）温度与热处理的影响
温度的升高，侵蚀速度增加。退火时间增长和退火温度提高，化学稳定性增加。（３）表面状态的影响
新断口的表面化学稳定性最低。用表面处理的方法（采用无机、有机涂膜）来提高玻璃的化学稳定性。
玻璃体的缺陷有哪些，各自产生的原因及解决办法？ 气泡、结石、条纹和节瘤。
（一）气泡
分为（1）一次气泡：熔制过程中澄清不良造成。采取措施：
1、提高澄清温度；
2、调节澄清剂用量；
3、降低窑内气体压力；
4、降低玻璃与气体界面上的表面张力。
（2）二次气泡 物理原因：降温后的玻璃液又一次升温超过一定限度，原溶解于玻璃液的气体由于温度升高引起溶解度降低，析出十分细小、数量很多、均匀分布的二次气泡。化学原因：与玻璃的化学组成和使用原料有关。解决办法：
1、稳定的熔制温度制度；
2、气氛；
3、窑压。
（3）耐火材料气泡 来源：
1、耐火材料空隙中的气体被排到玻璃液；
2、耐火材料与玻璃液的某些反应形成气体。防止：
1、提高耐火材料质量；
2、稳定熔窑作业制度。
（二）结石
1、配合料结石 结石的产生与配合料的制备质量，熔制时的加料方式和熔制工艺制度有关。
2、耐火材料结石
原因：
1、受到侵蚀剥落；
2、高温时与玻璃液作用；
3、滴落物夹带到制品中。解决措施：合理选择优质耐火材料；避免熔化温度过高；避免助熔剂用量过大。
3、析晶结石
原因：
1、晶体形成和生长的温度范围；
2、化学组分不均匀。
避免：合理的玻璃化学组成；制定合理的熔化制度和成形制度；合理的熔窑结构。
（三）条纹和节瘤
1、熔制不均匀引起的条纹和节瘤；
2、窑碹玻璃滴引起的条纹和节瘤；
3、耐火材料被侵蚀引起的条纹和节瘤；
4、结石熔化引起的条纹和节瘤
10、耐火材料
耐火度：耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性质。耐火度不低于1580℃的材料才能算是耐火材料。
耐火材料的定义 传统：耐火度不小于1580℃的无机非金属材料；ISO：耐火度不小于1500℃的非金属材料及制品。
荷重软化温度是指耐火材料在一定的重力负荷和热负荷共同作用下达到某一特定压缩变形时的温度。
荷重软化点：以压缩0.6％时的变形温度作为被测材料的荷重软化开始温度。
硅砖的生产工艺要点
（1）原料：SiO2含量不低于97％的硅石（主要矿物是石英），不煅烧；废硅砖，约20%；（2）矿化剂，轧钢皮、石灰乳；（3）压制成型；
（4）烧成困难(相变、液相少)，不超过1430℃，弱还原，低温缓冷（晶型转变）。
耐火材料与玻璃材料的生产过程有何异同？ 耐火材料的生产过程与陶瓷基本相同。
（一）原料的选择和加工
1.耐火原料的选择 具有高熔点的单质、化合物以及高耐火度的矿物。2.原料的煅烧 原料煅烧有：活化烧结、轻烧、二步煅烧及死烧等。
（二）坯料的制备和混练
1.坯料的制备（1）颗粒配合 坯料的颗粒组成对坯体的致密度有很大影响。考虑颗粒配合，“两头大，中间小”。（2）结合剂 半干压制法要求坯料具有足够的结合性，要加入纸浆废液、结合粘土或石灰乳。（3）混练 使两种以上不均匀物料的成分和颗粒度均匀化，最终达到混合均匀。（4）陈腐
简单的塑化处理方法之一是困料（陈腐）。
（三）成型
大多采用干法、半干法成型。
1.振动成型 ；2.电熔铸法成型 ；3．捣打 捣打成型法一般用于成型形状复杂、体积较大的制品
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