无机材料工学参考

绪论1、无机非金属材料：某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物（包括硫化物、硒化物及碲化物）和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。

2、陶瓷：广义定义——经高温烧制的无机非金属材料的总称。

精确定义——用天然原料或人工合成的粉状化合物，经成形和高温烧结制成的，由金属和非金属元素构成的多晶固体材料。

3、陶器瓷器区别4、现代陶瓷分类原料1、粘土：粘土是自然界中硅酸盐岩石（主要是长石）经过长期风化作用而形成的一种疏松的或呈胶状致密的土状或致密块状矿物，是多种微细矿物和杂质的混合体。

2、粘土的组成：通常指化学组成、矿物组成和颗粒组成。

化学：当粘土中的杂质含不多，主要是由一种粘土矿物组成时，常可根据粘土的化学组成来初步估计其主要粘土矿物的种类。

矿物：陶瓷工业所用粘土中的主要粘土矿物有高岭石类、蒙脱石类和伊利石（水云母）等三种，另外还有较少见的水铝石。

颗粒;颗粒组成指粘土中不同大小颗粒的百分含量。

粘土矿物颗粒很细，其直径一般在1～2μm。

蒙脱石、伊利石类粘土比高岭石类细小。

3、粘土的工艺性质（1）可塑性当粘土与适量的水混练后形成泥团，此泥团在外力作用下产生变形但不开裂，当外力去掉以后，仍能保持其形状不变，粘土的这种性质称为可塑性。

表示方法：常用“可塑性限度（塑限）——指粘土或坯料由粉末状态进入塑性状态时的含水量”、“液性限度（液限）——是指粘土或坯料由塑性状态进入流动状态时的含水量”、“可塑性指数”、“可塑性指标”和相应含水率等参数来表示粘土可塑性的大小。

影响因素：（2）结合性：指粘土能够结合非塑性原料而形成良好的可塑泥团，并且有一定干燥强度的能力。

粘土的结合性由其结合瘠性料的结合力的大小来衡量，而结合力的大小又与粘土矿物的种类、结构等因素有关。

一般而言，可塑性强的粘土其结合力也大。

（3）离子交换性粘土颗粒带有电荷，其来源是[SiO4]四面体中的Si4+被Al3+取代而出现负电荷，为了保持粘土颗粒表面的电价平衡，粘土颗粒在水系统中则吸附其他异电荷离子。

然而，被吸附的离子又会被其他同性电荷的离子置换，发生离子交换。

离子交换的能力用交换容量来表示，即100g干粘土所吸附能交换的阳离子或阴离子的数量，单位为mol×10/g。

粘土离子交换能力的大小除与离子性质有关外，还与粘土矿物的种类、有序度、分散度、粘土中有机物的含量和粘土矿物的结晶程度等因素有关。

（4）触变性粘土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时，粘度会降低，泥浆的流动性会增加，静置后恢复原状。

此外，当泥浆放置一段时间后，在原水分不变的情况下会出现变稠和固化现象。

这种性质我们叫它为触变性。

粘土泥浆的触变性以厚化度（或稠化度）来表示，厚化度是以泥浆粘度变化之比或剪切应力变化的百分数表示。

反映泥浆触变性的厚化系数是泥浆放置30min及30s后的相对比。

（5）收缩性粘土泥料在干燥时颗粒间的水分排出，颗粒互相靠拢，引起体积收缩，称为干燥收缩。

当粘土泥料煅烧时，由于发生一系列物理化学变化，粘土泥料再度收缩，称为烧成收缩。

成型试样经干燥、煅烧后的尺寸总变化称总收缩。

粘土收缩常以线收缩及体收缩来表示：（6）烧结性粘土是由多种矿物组成的物质，它无固定熔点，而是在一个较大的温度范围内逐渐软化。

气孔率收缩率（7）耐火度粘土原料抵抗高温作用不致熔化的能力。

它反映了材料在无荷重时抵抗高温作用的稳定性。

它的高低由物料的化学组成、分散度、液相在其中所占比例以及液相粘度等所决定。

是将欲测粘土制成高30mm、下底边长为8mm、上顶边长为2mm的截头三角锥，两截面平行，一条边与底面垂直，干燥后，直角边与基板成85°角，在电炉中以一定升温速度加热，当加热到锥顶端软化弯倒至底平面时的温度，即为该试样的耐火度。

4、石英砂的性质：石英是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物，其主要矿物成分是SiO2 ，石英砂的颜色为乳白色或无色半透明状，硬度7，性脆无解理，贝壳状断口，油脂光泽，相对密度为2.65，其化学、热学和机械性能具有明显的异向性，不溶于酸，微溶于KOH 溶液，熔点1750℃。

石英晶型转变的作用：工艺控制：若制品中含有石英时，可以通过控制升温和 冷却速率，来避免体积效应引起的开裂。

石英粉碎：如将石英加热到1000～1100℃，后急冷，使其内部产生微裂纹，便于粉碎。

5、长石类：长石是熔剂性原料。

在陶瓷坯料、釉料和玻璃配合料中作为熔剂的基本组分。

6、其他陶瓷原料：钙质原料——碳酸钙、方解石、石灰石、白云石镁质原料——滑石加热时，于600℃左右开始脱水，在880～970℃范围内结构水完全排出，滑石分解为偏硅酸镁和SiO2—3MgO ·4SiO2·H2O → 3(MgO ·SiO2) + SiO2 + H2O由于滑石多为片状结构，破碎时易呈片状颗粒，不易粉碎。

故在使用前需将其预烧，以破坏其片状结构。

煅烧温度为1200～1350℃。

原料加工及坯料制备1、原料预处理：原料的精选、原料的预烧和风化、原料的合成2、坯料的制备—破碎：对块状固体物料施加外力，使之克服内聚力，分裂为若干碎块的作业过程。

种类相应设备：球磨机 ：利用筒体内的研磨体与物料反复撞击、 研磨，将各种物料混合均匀并达到一定细度的机械。

转速：当球磨机内径小于1.25m 时：D n /40= 当球磨机内径大于1.25～1.75时：D n /35= 当球磨机内径大于1.7m 时：D n /32=料、球、水的比例约为1：（1.5～2）：（0.8～1.2）。

经过本工序，各种具有一定配比的原料，加水后，充分混合均匀并磨细，获得含水分约45% ～60%的陶瓷原料混合体——泥浆。

环辊磨机（俗称雷蒙机）：工作时，将需要粉碎的物料从主机罩壳侧面的进料口中加入机内，依靠悬挂在主机梅花架上的磨辊装置，绕着垂直轴线公转，同时本身自转，由于旋转时离心力的作用，磨辊向外摆动，紧压于磨环，使铲刀铲起物料，送到磨辊与磨环之间，加磨辊的滚转而达到粉碎物料之目的。

风选过程：3、过筛和除铁 过筛筛分就是把固体颗粒分成大小相等的不同粒子组。

除铁是减少产品的色斑，增加白度的重要措施。

一般采用磁选机和恒磁铁块除铁。

湿式除铁比在粉料状态下的干式除铁效果好。

—适用日用陶瓷4、泥浆的脱水和造粒脱水：一种是机械脱水（压滤法），可得到含水量为20～25％的坯料；经过本工序后，使含水分约45% ～60%的泥浆变成了含水量为20～25％的泥料，但水分分布不均匀，需经过练泥工序方可使用。

一种是热风脱水（喷雾干燥），可得到含水量在8％以下的坯料。

喷雾干燥器其关键是雾化（分散）、干燥（热交换）、造粒六个字。

经过本工序后，得到含水量在8％以下，具有一定粒度的球形粉料。

也就是说，喷雾干燥可使泥浆变为粉料。

5、练泥：排除泥饼中的残留空气、使泥料组织结构均匀，从而提高泥料的致密度和可塑性，改善成形性能，进而提高坯体的干燥强度和瓷器的机械强度。

真空练泥的目的：增加可塑性；水分均匀；减少气孔。

经过上述工序，可获得含水量为20～25％的可塑泥料。

总结途径成型（书上是型）1、成型：陶瓷成形简单地说，将制备好的坯料制成具有一定大小形状的坯体的过程称之为成形。

成形是将配合料制成浆体、可塑泥团、半干粉料或熔体，经适当的手段和设备变成一定形状制品的过程。

成形三要素：★动力毛细管力、机械剪切力、压力；★模具钢模、石膏模；★性能适宜的坯料。

成形的种类：选择成形方法选择的依据：产品的形状和大小。

2、注浆成形：将陶瓷坏料制成流动的泥浆，注入模型，依靠模具的脱水左右二成型的工艺。

有空心注浆（单面）、实心注浆（双面）。

3、P97石膏模型：由半水石膏（CaSO4·1/2H2O）加过量的水调成石膏浆，经浇注、硬化、干燥制成。

半水石膏有两种晶型。

一为α－半水石膏，是在蒸汽存在的条件下，加压蒸煮而得。

二为β－半水石膏，它是在空气中常压炒制所获得的。

（吸水性问题）β－半水石膏的晶体较小，比表面较大，固其调和水量较高且初凝和终凝速度快，用它制作石膏模时，其吸水率较高而强度较低。

而α－半水石膏反之。

陶瓷工业都是用β－半水石膏制造模型。

4、塑性成形：利用模具或刀具等运动所产生的外力（如压力、剪力、挤压等）使可塑泥料产生塑性变形而制成某种形状的制品的工序。

有：.拉坯成形、旋坯成形、.滚压成形—将上述型刀改为滚压头，对石膏模内的泥料进行碾压延展的一种成形方法。

分为阳模滚压和阴模滚压两种。

5、压制成形：将粉状的坯料在钢模（橡胶模）中压成致密坏体的一种成形方法。

干燥1、干燥和脱水的区别：脱水的方法一般有三种：★根据水和物料的密度不同实现重力脱水，如沉淀等；★利用机械的方法脱水，如压滤等；★用加热的方法使物料的水分蒸发，达到脱水的目的。

—用加热的方法达到除去物料中部分物理水分的过程称之为干燥。

2、物料中水分的性质：结构水（水分参与物料的构造}、.吸附水（物料周边的水膜、渗透水和细毛细管水）、自由水3、干燥三过程：传热过程、外扩散过程、内扩散过程4、三个阶段：加热阶段、等速干燥阶段、降速干燥阶段烧成1、动力：从热力学观点来看，烧成是是系统总能量减少的过程。

粉碎后的粉料比块状物料具有较大的比表面积和较高比表面能，晶格缺陷也高的多，任何体系都有向最低能量转变的趋势，这就是烧成过程的动力。

2、P139坯、釉在烧成过程中的物理化学变化——四阶段㈠低温预热阶段（室温～300℃）此阶段主要是排除坯体干燥后的残余水分质量减轻、气孔增加、体积收缩㈡氧化分解阶段（300℃～950℃）⑴炭素和有机物的氧化；⑵硫化铁的氧化；⑶碳酸盐、硫酸盐的分解；⑷结晶水的排出；高岭石脱水Al2O3·2SiO2·2H2O →Al2O3·2SiO2（偏高岭石）+ 2H2O↑(400～600℃)⑸晶型转变石英在573℃时，β–SiO2石英迅速转变为石英β–SiO2，体积膨胀％；在870℃石英缓慢地转变为鳞石英，体积膨胀16%。

由粘土脱水分解生产的无定形Al2O3，在950℃时转化为γ–Al2O3，随温度的再升高，与SiO2反应生成莫来石。

㈢高温玻化成瓷阶段（950℃～最高烧成温度）⑴氧化分解阶段未完成的反应继续进行；⑵熔融长石与低共熔物构成瓷坯中的玻璃相；粘土颗粒及石英部分地熔解在这些玻璃相中；未被熔解颗粒间地空隙逐渐被玻璃物质填充，体积增加，密度提高。

⑶高温下，粘土中高岭石的转变：Al2O3·2SiO2 →Al2O3+2SiO2Al2O3（无定形）→γ- Al2O33（γ- Al2O3）+2SiO2→3Al2O3·2SiO2一次莫来石3（Al2O3·2SiO2）→3Al2O3·2SiO2+ 4SiO2二次莫来石⑷由于玻璃相及莫来石的生成，制品的强度增加，气孔率减少，坯体急剧收缩。