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第二篇 无机非金属材料工程基础

第三章 无机非金属材料工程概论

本章内容及要求

1. 本章共三节，教授课时2学时，通过本章学习，要掌握无机非金属材料生产工艺过程的共性和特性。

3.1 概述

3.2 无机非金属材料生产工艺过程的共性 3.3 不同类型无机非金属材料生产过程的特性 2. 重点是无机非金属材料生产工艺过程的共性。 3. 要求：

① 掌握无机非金属材料生产工艺过程的共性； ② 掌握几种典型无机非金属材料生产工艺过程的特性； ③ 了解无机非金属材料的分类和发展简史。

具体内容

第一节 概述

一、无机非金属材料定义与分类

无机非金属材料（inorganic nonmetallic materials）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、硫酸盐、碳酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。无机非金属材料是20世纪40年代以后，随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。与有机高分子材料和金属材料并列的三大类型材料之一。

在晶体结构上，无机非金属材料的元素结合力主要为离子键、共价键或离子—共价混合键。这些化学键所特有的高键能、高键强度赋于这一大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性，以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。

无机非金属材料品种和名目极其繁多，用途各异，因此，分类方法较多，但还

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没有一个统一而完善的分类方法。可以按无机非金属材料所含化学成分和矿物组成分类、按材料性能（功能）分类、按材料用途分类、按材料内部结构和生产工艺特点分类等，通常把它们分为普通的（传统的）和先进的（新型的）无机非金属材料两大类。

传统的无机非金属材料是工业和基本建设所必需的基础材料。如水泥是一种重要的建筑材料，耐火材料与高温技术与冶金钢铁工业的发展关系密切，各种规格的平板玻璃、仪器玻璃和普通的光学玻璃以及日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和电瓷等与我们的生活密切相关，它们产量大，用途广。其他产品，如搪瓷、磨料（碳化硅、氧化铝）、铸石（辉绿岩、玄武岩等）、碳素材料等也都属于传统的无机非金属材料。

新型无机非金属材料是指20世纪中期以后发展起来的、具有特殊性能和用途的无机非金属材料。它们是现代新技术、新产业、传统工业技术改造、现代国防和生物医学所不可缺少的物质基础。主要有先进陶瓷（advanced ceramics）、非晶态材料(noncrystal material)、人工晶体(artificial crystal)、无机涂层(inorganic coating)、无机纤维(inorganic fibre)和功能矿物材料（non—metallic materials）等。 二、无机非金属材料发展简史

传统的硅酸盐材料一般是指以天然的硅酸盐矿物（粘土、石英、长石等）为主要原料，经粉磨、混合、成型及高温窖烧制而成的一大类材料，故又称窑业材料，包括日用陶瓷、一般工业用陶瓷、普通玻璃、水泥、耐火材料等。这类材料具有非常悠久的历史。从远古旧石器时代的石器工具，原始部落所制作的粗陶器，中国商代开始出现的原始瓷器和上釉的彩陶，东汉时期的青瓷，经过唐、宋、元、明、清不断发展，已达到相当高的技术和水平，并成为中华民族的瑰宝。与此并行发展的耐火材料（粘土质和硅质材料），从青铜器时代、铁器时代到近代钢铁工业的兴起，都起过关键的作用。距今五六千年前的古埃及文物中即发现有绿色玻璃珠饰品，中国白色玻璃珠亦有近3000年的历史。17世纪以来，由于用工业纯碱代替天然草木灰与硅石、石灰石等矿物原料生产钠钙硅酸盐玻璃，各种日用玻璃和技术玻璃迅速进入普通家庭、建筑物和工业领域。

在距今五六千年的史前和古代建筑中已大量使用石灰和石膏等气硬性胶凝材料，公元初期有了水硬性石灰和火山灰胶凝材料。但是用人工方法合成硅酸盐水泥制品还只有100多年的历史。19世纪初，英国人J.阿斯普丁(Aspdin)发明用硅酸盐矿物和石灰原料经高温煅烧制成波特兰水泥（portlamd cement）（又称硅酸盐水泥），从而开始了高强度水硬性胶凝材料的新纪元。

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上述陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均为硅酸盐，因而长期以来，在学术界和工业生产部门中将其称为硅酸盐材料。20世纪中期以后，随着微电子、航天、能源、计算机、激光、通信、光电子、传感、红外、生物医学和环境保护等新技术的兴起，对材料提出了愈来愈高的要求，促进了性能更为优良以及有特殊功能的新型陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥、涂层、磨料等制品的飞速发展。它们在化学组成上远远超出了硅酸盐化合物的范围，而是扩展到了其他氧化物、氮化物、硼化物、碳化物硫系化合物和钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等以至几乎一切无机化合物。已有相当一些在其组成中完全不含氧化硅的产品，如刚玉瓷、镁质耐火材料、磷酸盐和硼酸盐光学玻璃等，已形成大规模的工业生产并广泛使用。在不少制品（如氧化锆陶瓷）的组成中，氧化硅反倒成为最有害的杂质而必须严格禁止。这样在用硅酸盐材料来概括这些材料已显得过时，因此无机非金属材料这一名称在学术界逐渐形成并获得使用。在国际上因陶瓷历史最悠久，且应用广泛，故常沿用广义的陶瓷来表示无机非金属材料。

三、无机非金属材料的地位和作用

无机非金属材料是国家建设和人民生活中不可缺少的重要物质基础。人类发展的历史证明：材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。纵观人类利用材料的历史，可以清楚的看到，每一种重要材料的发现和利用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个水平，给社会生产力和人类生活带来巨大的变化，把人类物质文明和精神文明向前推进一步。例如，半导体材料的出现，，对电子工业的发展具有巨大的推动作用。计算机小型化和功能的提高，与锗、硅等半导体材料密切相关。钢铁冶炼发展过程中的每一次重大演变都有赖与耐火材料新品种的开发，碱性空气转炉成功的关键之一是由于开发了白云石耐火材料；平炉成功的一个重要因素是生产了具有高荷重软化温度的硅砖；耐急冷急热的镁铬砖的发明促进了全碱性平炉的发展。近年来，钢铁冶炼新技术，如大型高炉高风温热风炉、复吹氧气转炉、铁水预处理和炉外精炼、连续铸钢等，都无例外的有赖于优质高效耐火材料的开发。

玻璃瓶罐、器皿、保温瓶、工艺美术品等，已成为人们生活用品的一部分。窗玻璃、平板玻璃、空心玻璃砖、饰面板和隔声、隔热的泡沫玻璃，在现代建筑中得到了普遍的采用；钢化玻璃、磨光玻璃、夹层玻璃、高质量的平板玻璃，装配着各种运输工具的风挡和门窗；各种颜色信号玻璃在海、陆、空交通中起着“指挥员”的作用；电真空玻璃和照明玻璃，充分利用了玻璃的气密、透明、绝缘、易于密封和容易抽真空等特性，是制造电子管、电视机、电灯等不可取代的材料；光学玻璃

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