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《无机非金属材料工艺学》课程教学大纲一、基本信息课程编号：01A32102课程名称：无机非金属材料工艺学英文名称：Inorganic Non-metalic Materials Technology课程类型: □通识必修课□通识核心课□通识选修课□学科基础课■专业基础课□专业必修课□专业选修课□实践环节总学时：80 讲课学时：80 实验学时：0学分：5适用对象：材料科学与工程专业本科生先修课程：专业导论、物理化学等课程课程负责人：王琦二、课程的性质与作用无机非金属材料工艺学课程是面向材料科学与工程专业学生所开设的一门主干专业基础课。
本课程的教学目的是培养学生掌握无机非金属材料性质、组成、结构、制备这四者之间的关系和规律，为学生进一步学习专业方向课程打下坚实的基础。
通过课程的学习，使学生全面系统地掌握无机非金属材料的基本概念、基本理论、组成设计与制备原理、生产过程及其共性与个性、结构与性能，系统构建无机非金属材料工艺学知识体系，使学生具备材料设计、改进材料性能、开发新材料及新工艺的能力，培养高素质高级应用型专门人才奠定基础。
三、教学目标课程目标与相关毕业要求指标点的对应关系四、教学内容及要求第一章 绪论 [教学目的与要求] 掌握无机非金属材料的定义与分类、典型无机非金属材料的定义与分类掌握其生产过程的共性与个性。
[教学重点与难点] 水泥、陶瓷与玻璃的特性。
[授 课 方 法] 多媒体教学。
[授 课 内 容]第一节材料及无机非金属材料的定义与分类第二节典型无机非金属材料简介第三节无机非金属材料现状及发展趋势第四节无机非金属材料在人类生活中的地位与作用第五节无机非金属材料工艺学的研究内容第六节典型无机非金属材料工艺简介第二章 无机非金属材料工艺原理 [教学目的与要求] 掌握原料及其预处理，典型无机非金属材料的组成与配料计算，配合料的制备与加工，干燥，煅烧、烧成与熔化，冷却。
[教学重点与难点] 组成与配料计算，热加工工艺[授 课 方 法] 多媒体教学[授 课 内 容]第一节 原料及其预处理建议学时： 8第二节 无机非金属材料的组成及配料计算建议学时：12第三节 配合料的制备与加工建议学时：10第四节 煅烧、烧成与熔化建议学时：20第五节 冷却建议学时： 1第六节 制品加工建议学时： 9第三章 无机非金属材料的物化性能 [教学目的与要求] 掌握硅酸盐水泥、陶瓷和玻璃的物化性能。
无机非金属材料工艺的工艺无机非金属材料工艺是一种重要的工艺，主要应用于陶瓷、玻璃、水泥等领域。
它是一种将无机非金属材料经过加工、成型、烧结等工艺形成规定形状和性能的过程。
下面将分别从加工、成型和烧结三个方面来介绍无机非金属材料工艺的工艺流程。
一、加工加工是无机非金属材料工艺的第一个步骤，主要是将原材料进行加工处理，得到适合成型的粉体。
加工方式主要有球磨、干燥、喷雾干燥等。
球磨是将原材料放入球磨机中磨碎，在磨碎的过程中，原材料的颗粒尺寸不断变小，从而提高了材料的比表面积。
干燥是将原材料进行干燥处理，通常使用高温烘箱或烘干机。
喷雾干燥是将原材料溶液在喷嘴处进行雾化，形成细小的颗粒，在喷雾室中通过热空气干燥。
加工处理后的粉体，需要进行筛分，筛出粒径合适的原材料，以备制备成型。
二、成型成型是指将加工处理后的粉体按照规定形状进行加工，从而得到所需的材料形状。
成型工艺主要分为压制成型和注塑成型两种。
压制成型通常使用压力机将粉体压成所需形状。
注塑成型通常使用注塑机，将粉体溶液注入模具中，经过高温高压，形成所需的形状。
在成型前，需要将粉体按照规定的比例和配方充分混合，从而得到均匀的粉体混合物。
三、烧结烧结是无机非金属材料工艺的最后一个步骤，主要是将成型后的材料在高温下进行固化和晶化，形成稳定的材料结构。
烧结温度和时间根据材料的种类而不同，通常在1000℃以上。
烧结时需要控制热量和热损失，以确保材料固化和晶化，并防止质量问题。
总之，无机非金属材料工艺的工艺流程主要包含加工、成型和烧结三个步骤。
加工处理主要是对原材料进行粉体加工，得到适合成型的材料；成型工艺主要是将粉体成型为所需形状；烧结是将成型后的材料在高温下进行固化和晶化，形成稳定的材料结构。
这些步骤相互衔接，形成了一个完整的生产流程，为无机非金属材料工艺的制备提供了保障。
无机非金属材料工艺的工艺介绍无机非金属材料是一类在自然界中普遍存在，并且没有金属元素的材料。
它们广泛应用于建筑、电子、光学、化工等领域。
而无机非金属材料的工艺则是指通过一系列的加工和处理过程将原始材料转化为最终产品的过程。
本文将深入探讨无机非金属材料工艺的各个方面。
无机非金属材料的分类根据其化学成分和性质，无机非金属材料可以分为多种类型，包括陶瓷材料、玻璃材料、水泥及混凝土材料等。
每种材料都有其独特的工艺要求和特点。
陶瓷材料陶瓷材料是由非金属物质经过成型、烧结或结晶等工艺制成的。
根据其成分和结构，陶瓷材料可分为氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和复合陶瓷。
常见的陶瓷材料有瓷器、砖瓦、隔热材料等。
玻璃材料玻璃是一种无机非晶体材料，由碱金属或碱土金属的氧化物与硅酸盐的氧化物经过熔融和快速冷却制得。
玻璃材料可分为硼酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、钠钙玻璃等。
玻璃制品广泛应用于建筑、家居、光学等行业。
水泥及混凝土材料水泥及混凝土是常用的建筑材料。
水泥是一种粉状材料，通过加水和混合其他材料后可以形成坚固的结构。
混凝土是由水泥、骨料、砂浆等组成，经过浇注和固化后形成坚实的结构体。
无机非金属材料的加工工艺无机非金属材料的加工工艺包括原料处理、成型、烧结（或固化）和后处理等阶段。
原料处理是制备无机非金属材料的第一步，它包括选材、粉体处理和配料。
在选材过程中，需要根据材料的性质和用途选择适当的原料。
粉体处理是将原料转化为粉体，通常包括干燥、研磨和分级等步骤。
在配料过程中，需要按照一定的比例将不同原料混合。
成型成型是将处理好的原料进行模具成形的过程。
常见的成型方法包括注塑成型、挤压成型、压制成型和注浆成型等。
不同的材料和产品形状要求，需要选择适当的成型方法。
烧结（或固化）烧结是将成型后的材料在一定的温度下进行加热处理，使其颗粒间发生结合，形成致密的材料。
烧结温度和时间的选择需要根据材料的性质和产品要求来确定。
对于玻璃材料，由于其是非晶体材料，不需要烧结，而是需要快速冷却固化。
无机非金属材料工艺学无机非金属材料工艺学是研究无机非金属材料的制备和加工工艺的科学。
无机非金属材料广泛应用于建筑材料、陶瓷材料、电子材料、光学材料、高温耐火材料等众多领域。
无机非金属材料工艺学的研究内容主要包括原材料的选择与处理、材料的合成与制备、材料的成型加工以及材料的性能测试与评价等方面。
在无机非金属材料工艺学中，原材料的选择与处理是非常重要的一步。
不同的原材料对最终材料的性能和用途有着重要的影响。
因此，在工艺学中，需要对原材料进行严格的筛选和处理，以确保最终的材料质量。
材料的合成与制备是无机非金属材料工艺学的核心内容之一。
根据不同的材料需求，工艺学家会通过化学合成、熔融法、溶胶凝胶法等不同的方法，制备出所需的材料。
在制备过程中，还需要关注反应条件、反应时间、添加剂的选择等因素，以确保材料的纯度和性能。
材料的成型加工是无机非金属材料工艺学的另一个重要内容。
成型加工可以根据材料的特性和用途，将材料加工成各种形状、尺寸和结构。
常见的成型加工方法包括压制、注塑、挤出、拉伸等。
在成型过程中，需要关注加工条件、模具设计、操作技术等因素，以保证加工后材料的性能和质量。
最后，材料的性能测试与评价是无机非金属材料工艺学中的关键环节。
通过各种测试方法，可以评估材料的物理、化学、力学和热学性能，以判断材料是否符合设计要求和使用环境。
常见的性能测试包括硬度测试、密度测定、热膨胀系数测量等。
无机非金属材料工艺学的研究成果，不仅可以推动无机非金属材料的发展和应用，提高材料的性能和质量，还可以为相关领域的工程技术提供有力的支持和指导。
未来，随着材料科学和工艺技术的进一步发展，无机非金属材料工艺学将继续发挥重要作用，为各行各业的发展做出贡献。
无机非金属材料工艺学是一门综合性科学，它涉及了材料科学、化学、物理、工程学等多个学科的知识，目的是通过合理的工艺和加工方法，提高无机非金属材料的性能和降低生产成本，从而推动材料技术的进步。
1 无机非金属材料工艺原理1.1 原料及其预处理1.1.1 钙质原料（1）钙质原料的种类及性质无机非金属材料工业常使用的主要钙质原料有：方解石石灰石泥灰岩白垩钙质工业废渣方解石的组成与性质主要成分：CaCO344％。
理论组成：CaO56%，CO2杂质：有Mg、Fe、Mn(8％以下)等碳酸盐。
一般为乳白色或无色。
杂质污染时可呈陪灰、黄、红、褐色等。
玻璃光泽，性脆，硬度为3，比重2.6。
分解温度900℃以上。
泥灰岩的组成与性质泥灰岩是由碳酸钙和粘土物质同时沉积所形成的均勾混合的沉积岩，是一种由石灰岩向黏土过渡的岩石。
泥灰岩中CaO大于45％。
硬度低于石灰岩，耐压强度通常小于100MPa。
白垩的组成与性质白垩由海生生物外壳与贝壳堆积而成，主要是由隐晶或无定形细粒疏松的碳酸钙所组成的石灰岩。
色白、发亮的为最纯，CaCO可达90％以上。
3白垩易于粉磨和易烧性均较好。
（2）钙质原料的组成与作用钙质原料化学组成：CaO 、CO 2；少量的SiO 2、Al 2O 3、Fe 2O 3、MgO 等杂质。
主要作用是提供制成无机非金属材料所需的CaO 。
水泥生产在硅酸盐水泥生产中，钙质原料是烧纸硅酸盐水泥熟料的主要原料之一。
主要提供生产熟料矿物所需的CaO 。
生产1t 硅酸盐水泥熟料通常需要1.2~1.3t 干石灰质原料。
用于烧制硅酸盐水泥熟料的钙质原料一般为石灰石和泥灰岩。
其中方解石的结晶粒度及石英或燧石的含量对水泥生料的易烧性影响很大。
陶瓷生产陶瓷生产中使用的钙质原料一般为方解石。
在生产中主要起助熔作用，缩短烧成时间，增加瓷器的透明度，使坯釉结合牢固。
玻璃生产玻璃中的CaO主要是通过方解石、石灰石、白垩、沉淀碳酸钙等原料来引入的，其作用为：主要是稳定剂，即增加玻璃的化学稳定性和机械强度，但含量不宜过高，否则会使玻璃的结晶倾向增大，而且易使玻璃发脆。
CaO在高温时，能降低玻璃的粘度，促进玻璃的融化和澄清，但当温度降低时，粘度增加得很快，使成型困难。
1.1.2 粘土类原料（1）粘土类原料的种类粘土是多种微细的矿物的混合体。
它主要是由铝硅酸盐类岩石经长期风化而成。
粘土：东北的灰色、灰黄色粘土；南方的红壤、黄壤黄土：主要分布在西北、华北页岩、粉砂岩：缺少粘土的山部地区河泥、湖泥：靠近江河湖海的地区各种粘土情况千差万别，但在一定程度上它们或多或少都有可塑性。
这种性质是指把粘土细粉加水调匀后，可以塑造成各种形状，干燥后维持原状不变，并且有一定强度。
（2）粘土类原料的组成粘土是含水铝硅酸盐的混合体，无固定的化学组成。
化学成分：SiO 2、Al 2O 3、结晶水，同时含少量的碱金属R 2O（K 2O 、Na 2O ）与碱土金属氧化物（CaO 、MgO ），以及着色氧化物(Fe 2O 3、TiO 2)等。
在自然界中粘土矿物很少以单矿物出现，经常是数种粘土矿物共生形成的多矿物组合。
根据结构与组成的不同，工业所用粘土中的主要矿物可分为高岭石类、蒙脱石类及伊利石类。
高岭石--最常见的粘土矿物O3·SiO 2·2H 2O组成：A12晶体构造式：A1(Si4O10)(OH)84晶体呈白色，一般是六方鳞片状、粒状、也有杆状的，二次高岭土中的粒子不规则，边缘折断，尺寸也小。
高岭土的吸附能力小，遇水不膨胀，可塑性和结合性较差，杂质少，白度高，耐火度高。
加热至400~600℃会排出结晶水。
蒙脱石以蒙脱石为主要矿物的粘土叫做膨润土。
化学通式：Al 2O 3·4SiO 2·nH 2O (n 通常大于2)晶体构造式：A14（Si 8O 20）(OH)4·nH 2O蒙脱石呈不规则细粒状或鳞片状，颗粒较小，一般＜0．5微米，结晶程度差，晶体轮廓不清。
颜色为白色或淡黄色。
比重为2.0~2.5。
容易碎裂，颗粒微细，可塑性强，干燥后强度大，但干燥收缩也大。
蒙脱石中A12O 3的含量较低，又吸附了其他阳离子，杂质较多，因此烧结温度较低，蒙脱石的离子交换力很强。
吸水性很强，吸水后体积膨胀。
MontmorillonBetonite伊利石：一种云母类矿物(AI,Fe,Mg)4(Si,A1)8O20(OH)4·nH2O。
晶体构造式：K2结构上，伊利石和蒙脱石相似。
电子显微显微图像一般呈带有尖角的片状。
也有呈边界圆滑的片状及板条状。
一般可塑性差、干后强度低，干燥收缩小、烧结温度低，一般在800℃左右开始烧结，完全烧结在1000~1150℃。
粘土的颗粒组成颗粒组成是指粘土中含有不同大小颗粒的百分比含量。
粘土矿物直径一般小于1~2微米。
颗粒组成对工艺性质的影响如下：粘土的细颗粒(＜1um的颗粒)愈多则可塑性愈强、干燥收缩大、干后强度高，而且烧结温度低。
片状结构比杆状结构的颗粒堆积致密、塑性大、强度高。
结晶程度差的颗粒可塑性也大。
测定粘土颗粒大小的方法有显微镜，电子显微镜，水簸法，混浊计法，吸附法等。
最常用的方法是筛分析(0.06mm以上)与沉降法(1~50um)。
（3）粘土的工艺性质粘土原料的工艺性质主要取决于其化学、矿物与颗粒组成；粘土的工艺性质是工业生产中合理选择粘土原料的重要指标。
可塑性结合性离子交换性触变性膨化性收缩烧结温度与烧结范围耐火度可塑性可塑性是指粘土与适量水混练后形成的泥团，在外力作用下，可塑造成各种形状而不开裂，当外力除去以后，仍能保持该形状不变的性能。
粘土坯料与可塑性的关系塑性限度(塑限)液性限度(液限)塑性指数相应含水率结合性结合性：它是指粘土能结合非塑性原料形成良好的可塑泥团、有一定的干燥强度的能力。
结合性与可塑性的关系：一般情况下，可塑性强的粘土，其结合性也大。
粘土的结合性的检测：通常以能够形成可塑泥团时所加入标准石英砂(颗粒组成为：0.25~0.15毫米70％，0.15~0.09毫米30％)的数量及干后抗折强度来反映。
离子交换性离子交换性：粘土粒子由于表面层的断键和晶格内部离子的不等价置换而带电，它能吸附溶液中的异性离子，这种被吸附的离子又可被其他离子所置。
这种性质称为粘土的离子交换性。
离子交换能力的表述：离子交换能力的大小可用离子交换容量，即pH＝7时每100克干粘土所吸附的阳离子或阴离子的毫摩尔数来表示。
影响因素：与粘土的种类、带电机理、结晶度和分散度等因素有关，且对粘土泥料的各种工艺性质有一定的影响。
触变性触变性：粘土泥浆或可塑泥团在静置以后变稠或凝固，当受到搅拌或振动时，粘度降低而流动性增加，再放置一段时间后又能恢复原来状态，这种性质称为触变性。
触变性的表述：—厚化度。
泥浆厚化度指泥浆放置30min和30s后相对粘度之比。
/ τ30s泥浆厚化度=τ30min可塑性泥团的厚化度：则指静置一定时间后，球体或圆锥体压入泥团达一定深度时剪切强度增加的百分数。
泥团厚化度=（P n–P o）/ P o式中Po—泥团开始承受的负荷，克；Pn—经过一定时间后，球体或锥体压入相同深度时泥团承受的负荷，克。
在水分不变动的情况下，粘土泥料的触变性随时间的变化是不均匀的；开始时粘度增加较快，以后变化缓慢。
在一定的含水量范围内，触变性出现最大值。
产生触变性的原因:颗粒表面荷电是粘土产生触变性的主要原因。
此外——影响粘土颗粒电荷的各种因素，如矿物组成、颗粒大小和形状、水分含量、电解质种类与用量，以及泥浆(或可塑泥料)的温度等也会对泥浆的触变性产生影响。
膨化性膨化性：粘土加水后，体积会在不同程度上有所增加，这种性质称为膨化性。
产生膨化的原因：粘土颗粒层间吸水膨胀和颗粒表面水膜形成所致。
膨化性能：通常用膨胀容来反映粘土的膨化性能。
它是指粘土在水溶液中吸水膨胀后，单位重量(克)所占的体积(厘米3)。
收缩粘土和坯料的收缩分三种：干燥收缩、烧成收缩和总收缩。
干燥收缩：粘土经110℃干燥后，由于自由水及吸附水排出所引起的颗粒间距离减小而产生的体积收缩，称为干燥收缩。
烧成收缩：干燥后的粘土经高温煅烧，由于脱水、分解、熔化等一系列的物理化学变化而导致的体积进一步收缩，称之为烧成收缩。
线收缩S1可按下式计算：S 1=（Lo–L1）/ Lo×100%式中：Lo——试样的原始长度；L1——试样干燥后或烧成后的长度。
体积收缩Sv可用下式计算：S v =（V–V1）/ V×100%式中：V——试样的原始体积；V1——试样干燥后或烧成后的体积。
粘土试样的总收缩S t 与干燥线收缩S ld 与烧成线收缩S lf 之间的数学关系如下：S lf =（S t –S ld ）/（100 -S ld ）×100%测定收缩是研制模型及制作生坯尺寸放尺的依据。
是指完全烧结之间耐火度耐火度：是指材料在高温作用下达到特定软化程度时的温度。
它反映了材料抵抗高温作用的性能。
粘土的耐火度主要取决于化学组成。
耐火度的测定图1-1-3 三角锥弯倒情况1-三角锥原貌2-三角锥顶点与底面接触3-三角锥弯倒过大（4）粘土质工业废渣某些工业废渣（如：赤泥、粉煤灰、煤矸石等）其化学成分与粘土相近，因此，它们可代替天然粘土作硅酸盐工业生产的原料。
使用工业渣时要注意其成分的的波动。
可作湿法生产的粘土质原料。
与水泥熟料化学成分相比，Al 2O 3和Fe 2O 3含量高，CaO 含量低烧结法从矾土中提取氧化铝时所排出的赤色废渣（5）粘土原料的作用在硅酸盐水泥生产中的作用粘土主要提供粘土主要提供生成熟料矿物所需的SiO 2、Al 2O 3以及Fe 2O 3等成分。
通常生产1t 水泥熟料需要0.3~0.4t 粘土质原料。
粘土质原料的SiO 2与Al 2O 3和Fe 2O 3之和之比为2.5~3.5； 通常粘土应尽量不含碎石、卵石； 应控制粘土中的碱含量； 粘土中氧化镁含量应小于3%； 粘土的工艺性能对水泥生产影响较大。
1.1.3 石英类原料对于硅酸盐工业，石英是不可缺少的基本原料。
石英是自然界中构成地壳的主要成分。
部分以硅酸盐化合物状态存在，构成各种矿物岩石。
另一部分则以独立状态存在，成为单独的矿物实体。
虽然它们的化学成分相，但由于造岩成矿的条件不同，而有许多种同，均为SiO2状态和同质异形体；又由于成矿之后所经历的地质作用不同，而呈现出多种状态。
水晶脉石英石英岩(硅石)砂岩石英砂硅砂水晶：最纯的石英晶体称为水晶。
不作硅酸盐原料使用。
脉石英：SiO 2含量高（SiO 2>99%），杂质少。
石英岩(硅石)：石英岩含有一定量的杂质，SiO 2含量为97%左右。
砂岩：是由粘土或其它物质胶结细粒二氧化硅晶体的水成岩石称为砂岩。
SiO 2含量<95%。
石英砂：石英砂又称硅砂，质地纯净的硅砂为白色，一般硅砂因含有铁的氧化物和有机质，故多呈淡黄色、浅灰色或红褐色。
硅砂：是理想的玻璃工业原料。
玛瑙（2）石英的组成石英化学成分为SiO，2O3、Fe2O3、CaO、MgO、少量杂质成分，如A12TiO2等。
