第5章無機非金屬材料5.1陶瓷材料5.2水泥和玻璃5.3礦物材料簡介

5.1陶瓷材料

5.1.1概述

1．陶瓷的概念

陶瓷(Ceramics)是一類歷史悠久的無機非金屬材料。陶瓷在國際上并沒有統一的定義。

2．陶瓷的原料

大多數傳統陶瓷的主要原料有黏土、石英和長石。黏土是細顆粒的含水硅酸鹽，如高嶺土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、蒙脫土(Al2O3·4SiO2·nH2O)等，它們具有層狀的晶體結構，屬于可塑性原料。

3．陶瓷的分類

陶瓷制品是多種多樣的。從微細的單晶晶須、細小的磁芯和襯底基板到幾噸重的耐火爐爐襯材料，從嚴格控制組成的單相制品到多相多組分制品，以及從無氣孔而透明的各類晶體到輕質絕緣的泡沫制品(多孔陶瓷)等，由于其品種如此之多、范圍如此之廣，目前對陶瓷尚無統一的分類方法。5.1.2陶瓷的結構與性能

1．陶瓷的結構

陶瓷是由金屬元素和非金屬元素的化合物組成，主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、Na2O、PbO等。

1)晶體相

晶體相是陶瓷材料最主要的組成相，而且是多相多晶體，又分為主晶相、次生相和第三相等。圖5-1硅酸鹽的基本結構單元圖5-2鏈狀連接[SiO4]四面體結構

2)玻璃相

玻璃相是一種非晶態固體，是陶瓷材料中SiO2在燒結處于熔化狀態后冷卻時原子不能規則排列形成的非晶態玻璃相。

3)氣相

氣相是陶瓷中坯體各成分在加熱過程中單獨或互相發生物理、化學作用所生成的空隙或氣孔，常以孤立狀態分布在玻璃相中，或以細小氣孔分布在晶界和晶內，是陶瓷生產工藝中不可避免地形成而保留下來的。

2．陶瓷的性能

1)高彈性模量、高硬度

陶瓷主要以離子鍵和共價鍵結合，其彈性模量和硬度在各類材料中是最高的。

2)低抗拉強度和較高抗壓強

由于陶瓷材料結合鍵的結合力很高，因此具有很高的理論強度，但其微觀結構又具有復雜性和不均勻性(原料粉碎、混合和燒結成型過程中產生的雜質、氣孔及各種缺陷的影響)，則容易產生裂紋，致使陶瓷材料的實際抗拉強度值(約為E/1000～E/100或更低)遠低于理論值(約為E/10～E/5)，比金屬的要低得多。

3)塑性、韌性低，脆性大

由于陶瓷材料的滑移系非常少，同時共價鍵又有明顯的方向性和飽和性、而離子鍵的同性離子接近時排斥力很大，所以在陶瓷材料受到外載荷時不發生塑性變形而直接斷裂，即在低應力下脆斷。

4)優良的高溫性能和低抗熱振性

陶瓷的熔點遠高于金屬，因而具有優于金屬的高溫

強度。

5)熱性能

熱性能包括熔點、比熱容、熱膨脹系數、熱導率等與溫度有關的物理性能。

6)電性能與絕緣性好

大多數陶瓷具有很高的電阻率、很低的介電常數和介電損耗，因此可以作為絕緣材料。

7)化學穩定性

從陶瓷的晶體結構看，金屬正離子被周圍氧負離子所包圍，屏蔽于其緊密排列的間隙之中，很難再與周圍的氧發生反應，甚至在1000℃以上的高溫下也是如此，所以陶瓷具有很好的耐火性或不燃燒性。5.1.3陶瓷的制備工藝

1．陶瓷坯料的制備

1)傳統陶瓷坯料的制備

陶瓷坯料是指陶瓷原料經過配料和加工后得到的多成分混合物，一般指成型前按照要求配制好的供成型的物料。

2)特種陶瓷坯料的制備

特種陶瓷在性能方面有著相對較高的要求，因而其原料采用高純的化學試劑合成陶瓷粉末，以滿足特種陶瓷原料高純度的要求。

2．陶瓷坯體的成型

陶瓷成型是將配制成的漿料、可塑泥團、半干粉料，經適當的方法和設備制成一定形狀、體積和強度的塊體的過程。陶瓷的成型方法很多，按坯料含水量的多少可分為三種：粉料成型法、塑性料團成型法、注漿成型法。

3．陶瓷坯體的干燥與排塑

成型后的坯件含有較多的水分，強度不是很高，而且成型體中含有一定量的有機添加劑和溶劑。

4．施釉

施釉是指通過高溫方式，在陶瓷生坯上或燒好的瓷件上燒附一層近似玻璃態的物質，使其表面具有光亮、美觀、致密、絕緣、不吸水、不透水及化學穩定性好等優異性能的一種工藝方法。

5．燒成或燒結

燒成通常是指在高溫下粉粒集合體(坯體)表面積減少、氣孔率降低、致密度提高、顆粒間接觸面積增大以及機械強度提高的過程。干燥后的陶瓷坯體必須經過高溫燒成，才能獲得堅固的外形并達到所要求性能。目前，應用較多的方法主要有以下幾種。

1)熱壓燒結

2)氣氛燒結

3)反應燒結

4)熱等靜壓燒結

5)等離子體燒結

6)微波燒結

6．陶瓷的加工與表面改性

1)陶瓷的加工

傳統陶瓷在燒成后一般不需要加工，但燒結后的特種陶瓷制件，在形狀、尺寸、表面狀態等方面一般難以滿足使用要求。

2)陶瓷的表面改性

作為結構陶瓷，陶瓷是脆性材料，尤其是陶瓷表面，存在大量缺陷，易成為裂紋源，其抗拉強度明顯低于抗壓強度。5.1.4典型的陶瓷材料

1．普通陶瓷

普通陶瓷是以黏土、長石、石英為原料，經配料—成型—燒結而制成的。

2．典型結構陶瓷

結構陶瓷一般具有良好的力學性能化學性質穩定性，它耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等。隨著現代科學技術的發展，工業、能源、交通、航空航天等部門對材料的要求越來越苛刻，如不僅要求材料具有良好的耐高溫性、耐磨性、耐腐蝕性和足夠的機械強度等，還要求能在苛刻的條件下使用。在金屬材料無法滿足使用要求的情況下，陶瓷材料則較能勝任，例如氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硅化物陶瓷。

3．典型功能陶瓷

功能陶瓷是一類具有機、電、光、聲、熱、磁及其之間的耦合以及部分生物功能的多晶無機固體材料，其功能的實現主要來自于它所具有的特定的電絕緣性、半導體性、導電性、壓電性、鐵電性、磁性、生物適應性等。功能陶瓷是現代信息、自動化等工業的基礎材料，在耐熱性、化學穩定性方面優于金屬和有機聚合物材料。功能陶瓷包括壓電陶瓷、光電陶瓷、超導陶瓷、磁性陶瓷、光學陶瓷、生物陶瓷、敏感陶瓷等。

5.2水?泥?和?玻?璃

5.2.1水泥

1．水泥的概況

水泥為粉狀水硬性無機膠凝材料，加水攪拌后成漿體，能在空氣中硬化或者在水中更好地硬化，并能把砂、石等材料牢固地膠結在一起。

2．水泥的分類

(1)按用途及性能分類，可分為：①通用水泥，指一般土木建筑工程采用的水泥，包括六大類：硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復合硅酸鹽水泥；②專用水泥，專門用途的水泥，如G級油井水泥、道路硅酸鹽水泥；③特性水泥，某種性能比較突出的水泥，如快硬硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥、膨脹硫鋁酸鹽水泥。

(2)按其主要水硬性物質名稱分類，可分為：①硅酸鹽水泥，即國外通稱的波特蘭水泥；②鋁酸鹽水泥；③硫鋁酸鹽水泥；④鐵鋁酸鹽水泥；⑤氟鋁酸鹽水泥；⑥以火山灰或潛在水硬性材料及其他活性材料為主要組分的水泥。

(3)按其主要技術特性分類，可分為：①按凝結時間分為快硬水泥和特快硬水泥兩類；②按水化熱值分為中熱水泥和低熱水泥兩類；③抗硫酸鹽性分中抗硫酸鹽腐蝕水泥和高抗硫酸鹽腐蝕水泥兩類；④按膨脹性分為膨脹水泥和自應力水泥兩類。

3．水泥的生產工藝和性質

水泥以石灰石和黏土為主要原料，經破碎、配料、磨細制成生料，喂入水泥窯中煅燒成熟料，加入適量石膏(有時還摻加混合材料或外加劑)磨細而成。水泥的性質與組成水泥的礦物成分，顆粒細度，硬化時的溫度、濕度，以及水泥中加水的比例等因素有關。5.2.2玻璃

1．玻璃的概念和通性

玻璃是一種較為透明的固體物質，在熔融時形成連續網絡結構，冷卻過程中黏度逐漸增大并硬化卻不結晶的硅酸鹽類非金屬材料。

2．玻璃的類別及應用

1)按主要成分分類

按主要成分分類，玻璃可分為氧化物玻璃和非氧化物玻璃。2)按性能特點分類

按性能特點，玻璃又分為以下幾類：

(1)鋼化玻璃

(2)多孔玻璃

(3)導電玻璃

(4)微晶玻璃

(5)中空玻璃

(6)乳濁玻璃

(7)壓花玻璃

(8)夾層玻璃

(9)防彈玻璃

(10)磨砂玻璃

(11)防護玻璃

3．玻璃的結構和形成

玻璃的結構非常復雜，沒有一致的結論，目前被普遍接受的玻璃結構理論有微晶學說和無規則網絡學說。

4．玻璃的制備與成型

玻璃制備過程主要包括：原料預加工。

5.3礦物材料簡介

5.3.1概論

1．礦物和礦物材料的定義

礦物是指在自然狀態下通常由無機作用所形成的單質或化合物，具有特定的(但一般并非固定的)化學成分內部晶體結構的均勻固態，在一定的物理化學條件范圍內穩定，是組成巖石或礦石的基本單元。

2．礦物材料的分類

礦物材料種類很多，不同地區、不同位置的礦物成因、結構、組成都有很大不同，其應用幾乎遍及所有工業領域。5.3.2典型礦物材料

1．膨潤土

膨潤土又名膨土巖、斑脫石，俗名觀音土，由凝灰巖或其他火山巖在堿性介質下蝕變而成。膨潤土的主要礦物成分是蒙脫石，含量在85%～90%，另含少量石英、方解石及火山玻璃。

2．高嶺土

高嶺土又稱瓷土，主要由小于2mm的微小片狀、管狀、疊片狀等高嶺石簇礦物組成，理想的化學式為Al2O3·2SiO2·

2H2O，其主要礦物成分除高嶺石和多水高嶺石外，還有蒙脫石、石英和長石等其他礦物(含Fe2O3、TiO2、微量的K2O、Na2O、CaO和