材料学 宝石

一，水泥，陶瓷，玻璃 水泥生产工艺流程按生料制备方法不同分为干法与湿法两大类。原料经烘干、粉碎制成生料粉，然后喂入窑内煅烧成熟料的方法称为干法；将生料粉加入适量的水分制成生料球，再喂入立窑或立波尔窑内煅烧成熟料的方法一般称为半干法。将原料加水粉磨成生料浆，再喂入回转窑内煅烧成熟料的方法称为湿法。水泥原料：①粘土类（黄土 粘土 泥岩）②石英类（石灰石 石灰岩 泥灰岩③矫正类原料（铁质 铝质 硅质） 工艺流程：生料磨制-煅烧-粉磨①生料磨制：分干法和湿法两种。干法一般采用闭路操作系统，即原料经磨机磨细后，进入选粉机分选，粗粉回流入磨再行粉磨的操作，并且多数采用物料在磨机内同时烘干并粉磨的工艺，所用设备有管磨、中卸磨及辊式磨等。湿法通常采用管磨、棒球磨等一次通过磨机不再回流的开路系统，但也有采用带分级机或弧形筛的闭路系统的。②煅烧：煅烧熟料的设备主要有立窑和回转窑两类，a立窑：窑筒体立置不转动，分普通立窑和机械化立窑。b回转窑；窑筒体卧置（略带斜度，约为3%），并能作回转运动。分煅烧生料粉的干法窑和煅烧料浆（含水量通常为35％左右）的湿法窑。③粉磨：水泥熟料的细磨通常采用圈流粉磨工艺（即闭路操作系统）。为了防止生产中的粉尘飞扬，水泥厂均装有收尘设备。电收尘器、袋式收尘器和旋风收尘器等是水泥厂常用的收尘设备 陶瓷是由粘土为主要材料，并与其他矿物原料经过破碎、混合、成形、烧成等过程制成。（日用陶瓷、建筑卫生陶瓷）（电子、航空、航天、生物医学有广泛应用）。陶瓷原料：①石英类：脉石英 石英砂 石英岩 ②粘土类：高岭土 蒙脱石 伊利石（作用：烧结 可塑性 强度 化学稳定性）③钙质原料：（作用：助熔）④长石类（作用：助熔）。显微结构：晶体相 玻璃相 气相 特种陶瓷与普通陶瓷的制备区别：特种陶瓷的生产工艺过程与普通陶瓷基本相同，但在原料的制备、成型方法和烧成手段上都引进了很多新内容，除所用原料大多是人工合成的纯度很高的化工产品外，还要根据性能的要求进行严格的配料。另外，这些原料大多是瘠性料，自身难以成型，往往要加各种有机粘结剂使其成型，如热压注法、轧模法、喷射法、冷等静压法等。最后还应用了很多新的烧结方法，如反映烧结、热压烧结、热等静压烧结等。

普通陶瓷与特种陶瓷的区别 成型方法：①普通陶瓷：a注浆成型b塑性成型c压制成型为主。②特种陶瓷： a压制成型b等静压成型c扎膜成型d注射成型为主。配料：①普通陶瓷：以粘土为主要原料，并与石英，长石混合而成。②特种陶瓷：除了用传统陶瓷用的矿物原料外，还有1、氧化物原料（氧化铝：是新型陶瓷制品中使用最为广泛的原料之一，具有一系列优良性能。此外,它也是高温耐火材料、磨料、磨具、激光材料及氧化铝宝石等的重要原料。三氧化二铁：是强磁性材料的重要原料。等）2、复合氧化物原料 （钛酸盐，铝酸盐等）3、稀土氧化物原料（Tu2O3，Yb2O3等）4、非氧化物原料（碳化物，氮化物，硼化物，硅化物等）。工艺流程：①普通陶瓷：原料制备——坏料成型——干燥——制品烧成。②特种陶瓷：粉体制备——成形——烧结。应用：①普通陶瓷：餐具，茶具，陶砖，

瓷质砖等。②特种陶瓷：陶瓷气门加热器、陶瓷爆燃传感器、陶瓷发动机、陶瓷减震装置等。

玻璃：是一种凝固是基本不结晶的无机熔融物。按化学组成分：钠玻璃 钾玻璃 铝玻璃 铝镁玻璃 硼玻璃 石英玻璃 ；按功能分：平板玻璃 压花玻璃 钢化玻璃 吸热玻璃 热放射玻璃 加丝玻璃 夹层玻璃 中空玻璃 磨砂玻璃

主要原料①酸性氧化物类（石英砂 石英岩 石英）SiO2 ，硼化物类（硼酸）B2O3 ，P2O5（骨灰 碳酸岩），Al2O3（长石 高岭土 叶腊石）②碱性氧化物Na2O K2O Li2O③碱土金属氧化物：氧化钙（方解石 石灰石） 氧化镁（白云石 菱镁矿）氧化钡（重晶石） 氧化锌（菱锌矿） 氧化铅（铅干）。辅助原料：ZrO2 Tio2（澄清剂 着色剂 乳浊剂）。玻璃通性：各项同相性 无固定熔点 介稳性 连续性可塑性 玻璃的熔制：①硅酸盐形成：900℃盐的分解 多晶转变生 成硅酸盐②玻璃的形成：1300℃ 硅酸盐的熔制 大量未熔石英融化 玻璃形成 降低浓度是提高玻璃形成的关键③玻璃的澄清即将气泡排除（1400至1500℃） 方法：澄清剂 搅拌提高澄清温度 延长熔制时间 真空高压冷却⑤冷却（200至300℃） 微晶玻璃：具有玻璃和陶瓷的双重特性，微晶玻璃像陶瓷一样，由晶体组成，即原子排列是有规律的。微晶玻璃比陶瓷的亮度高，比玻璃韧性强。 成型方法：吹制法（空心玻璃等），压制法（烟缸等），压延法（压花玻璃等），浇铸法(光学玻璃等)，拉制法（窗用玻璃等），离心法（玻璃棉等），烧结法（泡沫玻璃等），喷吹法（玻璃珠等），焊接法（仪器玻璃等），浮法（平板玻璃等），

分相：由于内部质点迁移，某些组分分别浓集，形成化学组成不同的过程。退火：消除玻璃制品在熔融或热加工后残留的永久应力的过程。浮法：玻璃也飘浮在融融的金属板上声场平板玻璃的方法 玻璃体缺陷：1气泡 2结石 3条纹和节瘤 二，粉体制备

1性质：①粉体颗粒的大小 ②粒度分布 ③颗粒形状 ④杂质的种类及含量 ⑤相组成及相对含量 ⑥缺陷比例及性质 ⑦聚集程度。其中粒度决定了粉体产品的许多技术性能和应用范围。如比表面积，光学性能，化学反应速率，吸附性能，分散性，沉降速度，溶解性能，流变性等都与粒度大小和粒度分布有关 2粒度分析:确定物料粒度组成的试验方法：①筛分分析法 ②水力沉降分析法 ③显微镜分析法

筛分分析法：利用筛孔大小不同的一套筛子对物料进行粒度分析的方法，n层筛子就可把物料分成（n+1）个级别以颗粒能通过的最小正方形筛孔作为该级别的粒度。优缺点：①设备简单，易于操作 ②受颗粒形状的影响较大。适用范围：粒度范围100~0.01mm，而粒度在0.1mm以下的物料则常采用湿筛。水力沉降分析法：利用不同粒度的颗粒在水介质中沉降速度的差异将物料分成若干粒度级别。优缺点：既受颗粒形状的影响，又受颗粒密度的影响。 适用范围：1~75μm的物料。显微镜分析法：在显微镜下对颗粒的尺寸和形状直接进行观测的一种粒度分析方法。优缺点：常用来检查分选作业的产品或校正用水析法所得到的分析结果以及研究矿石的结构构造。适用范围：微细物料，

最佳测量范围0.25~50μm之间

3超细分粉体的制备 超细粉体：性质：①微米及亚微米材料的特性：a物理化学性质与大块材料的物理化学性质相差不大，但其表面积增大，表面能大，表面活性高，表面与界面性质发生了很大变化b超细粉体表面能大，表面活性高，单个超细颗粒往往处于不稳定状态。它们之间往往产生相互吸引以使自身转变成稳定状态。因此，导致了颗粒之间的团聚。②纳米材料的特性：a小尺寸效应b表面与界面效应: 超细粉体颗粒尺寸小，表面积大，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面积急剧变大。制备方法：通常将超细粉体制备方法分为物理法和化学法两大类。物理方法：①粉碎法a干式粉碎b湿式粉碎 ②构筑法a真空沉积法b加热蒸发法c混合等离子体法d气体蒸发法。化学方法：①沉淀法:a共沉淀法b化合物沉淀法c均匀沉淀法②水解法③喷雾法:a喷雾干燥法b喷雾焙烧法④氧化还原法⑤冻结干燥法⑥激光合成法⑦火花放电法。沉淀法：把沉淀剂加入金属盐溶液中进行沉淀处理。再将沉淀物加热分解则可得到所需的产品。溶胶—凝胶法：指金属有机或无饥化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成氧化物或其它化合物固体的方法。喷雾干燥法: 将溶液分散成小液滴喷入热风中，使之迅速干燥形成制品。表面改性：在保持材料或制品原性能的前提下，赋予其表面新的性能，如亲水性，生物相容性，抗静电压性。改性方法：①包覆改性 ②沉积改性 ③微胶囊改性 ④表面化学改性 ⑤机械化学改性。

三，结构缺陷1产生原因：热震动和杂质。2定义：实际晶体与理想晶体相比有一定程度的偏差或不完美性，把两种结构发生偏离的区域称为结构缺陷。3研究其意义：导电、半导体、发色（色心）、发光、扩散、烧结、固相反应。 四，干燥

1水的存在形式①化学结合水②物理化学结合水（自由水）③机械结合水（吸咐水） 2干燥方法：①机械去湿法（直接脱水）②化学去湿法（利用干燥剂吸湿）③加热（或冷冻）去湿法（利用热能使水分蒸发去湿）

3干燥过程1加热阶段：干燥最期，干燥介质传给物料的热量大于物料中水分蒸发所需热量，多余的热量使物料温度不断升高，达动态平衡时进入等速干燥阶段。2等速干燥阶段： 干燥介质传给物料的热量等于物料中水分蒸发所需热量，物料温度保持不变。主要排除机械结合水（吸咐水），温度不能过大。过大会发生制品的变形和开裂。3降速干燥阶段：内扩散速率小于外扩散速率，此地物料表面不可能保持湿润。干燥介质传给物料的热量小于物料中水分蒸发所需热量。

五，陶瓷的坯、釉在烧成过程中发生的物理化学变化：1低温预热阶段，300度左右。随着坯体中残余机械水和吸附水的排出，坯体发生下列变化：1质量减轻，水分排除出所致。2气孔率增加，水分排出，空隙增多。3体积收缩，随着水分排出，固体颗粒紧密靠拢。2氧化分解阶段，300-950度。主要反应时有机物及碳素的氧化、碳酸盐分解、结晶水排出及晶型转变。坯、釉在这一阶段随着物理化学变化会出现吸热和放热反应。1碳素和有机物的氧化 C(有机物)+O2 350℃ CO2、

C(碳素)+O2 600℃ CO2 电范围广等特点。如普通陶瓷2H2+O2→2H2O↑、S+O2 不导电而特种陶瓷具导电性。250-920℃ SO2↑、2CO+O2→②脆性大，加工性差，可靠性2CO2↑2硫化铁的氧化 差的缺点

FeS2+O2 350-450℃ FeS+SO2七，粘土的工艺性质 ↑、4FeS+7O2 500-800℃ 粘土的作用：加水混合后，有2Fe2O3+4SO2↑、Fe2(SO3)3 很好的可塑性，是莫来石和560-770℃ Fe2O3+3SO2↑3碳AI2O3的主要来源，坏体耐火酸盐、硫酸盐的分解 MgCO3 度的重要保证。 500-850℃ MgO+CO2↑、CaCO3 形成偶极矩，产生现象

600-1000℃ CaO+CO2↑、4FeCO3+O2

800-1000

℃

2Fe2O3+4CO2↑、Fe2(SO4)3 580-755℃ Fe2O3+3SO3↑、FeSO4→FeO+SO3↑ 4FeO+O2→2Fe2O3

4结晶水排出 1高岭石脱水:Al2O3 2SiO2 400-600℃ Al2O3 2SiO2(偏高岭石)+2H2O↑ 滑石脱水:3MgO 4SiO2 H2O 600-970℃ 3(MsO SiO2)(原顽火辉石)+SiO2+H2O↑ 蒙脱石脱水:Al2O3 4SiO2 nH2O→Al2O3 4SiO2+nH2O↑ 5晶型转变。 六，耐火材料

耐火度：指耐火材料在高温作用下达到特定软化程度的温度，表征材料低抗高温作用的性能，取决于材料的化学矿物组成和它们的分布情况。是评价耐火材料的一项重要技术指标。

耐火材料：是耐火度不低于1580℃的无机非金属材料。分类：按矿物组成①氧化硅质 ②硅酸铝质 ③镁质 ④白云质石 ⑤橄榄石质 ⑥尖晶石质 ⑦含碳质 ⑧含锆质 ⑨及特殊耐火材料。按制造方法：①天然矿石 ②人造方法。按成型方法：①块状耐火材料 ②不定形耐火材料。按热处理方式：①不烧制品 ②烧成制品 ③熔铸制品。按耐火度：①普通耐火材料 ②高级及特级耐火材料。按化学性质：①酸性 ②中性 ③碱性耐火材料。按密度：①轻质 ②重质耐火材料。按形状尺寸：①标准砖 ②异形砖 ③特异性砖 ④管和耐火器皿。性质：包括物理性质，力学性质，热学性质，电学性质，使用性质。其中使用性质含：①耐火度 ②荷重软化温度 ③高温体积稳定性 ④耐热震性 ⑤抗渣性 ⑥耐真空性 ⑦制品形状规则性和尺寸的准确性。 1可塑性：与适量水混合后形成泥团，在外力作用下，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。2离子交换性：粘土粒子吸附溶液中的异性离子而又可被其他离子所置换的性质。3触变性：粘土泥浆或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的性质。4膨化性：粘土加水后体积膨胀的性质。5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体积收缩。6烧结性能：加热到800℃以上体积剧烈收缩，气孔率明显减少，其对应温度称为开始烧结温度T1；继续升高温度，液相量增加，气孔率降至最低，收缩率最大，其对应温度称为烧结温度T2；若继续升温，式样因液相太多而发生形变，其对应的最低温度称为软化温度T3；T1-T2即烧结范围，烧结范围大小取决于粘土中溶剂矿物的种类和数量。（烧成-过程，烧结-状态）7耐火度：指材料在高温作用下达到特定软化程度时的温度。

八粘土内物质挥发的原因：碳酸盐、硫酸盐的分解，还有些形成化合物。

无机非金属材料：除有机高分子材料和金属材料外，以某些元素的氧化物氯化物等组成的材料。特点：①因为有离子键和共价键的存在，赋予材料高熔点，高强度，高硬度，导