無機非金屬材料工學

無機非金屬材料工學

本書主要介紹無機非金屬材料生產的過程和原理，在以單元操作為線索著重介紹各種無機非金屬材料製造過程中涉及的帶有普遍性的共同規律和特點的基礎上，以典型代表性無機非金屬材料為線索，分別介紹了幾種無機非金屬材料（水泥和其他無機膠凝材料、混凝土、陶瓷、玻璃、耐火材料等）在製造過程中涉及的基本概念、原料性質和要求、配合比設計、產品性能、國家標準、質量控制、物質變化、生產過程工藝特點等相關知識。

本書可作為高等學校無機非金屬材料工程專業學生教材使用，也可作為土木工程等相近專業學生和工程技術人員的參考用書。

緒論1

0.1無機非金屬材料的定義與分類1

0.2無機非金屬材料發展簡史2

0.3無機非金屬材料的地位和作用3

0.4無機非金屬材料的工業進展4

0.5無機非金屬材料工學的研究對象和任務5

第1篇生產過程原理

第1章概述8

1.1無機非金屬材料生產過程的共性8

1.1.1原料8

1.1.2乾燥8

1.1.3粉碎與儲運9

1.1.4成型9

1.1.5高溫加熱10

1.2無機非金屬材料生產過程的個性10

1.2.1膠凝材料類10

1.2.2玻璃、玻璃纖維、鑄石、人工晶體類11

1.2.3磚瓦、陶瓷、耐火材料類11

1.3無機非金屬材料的幾種典型生產工藝流程12

1.3.1水泥生產工藝流程12

1.3.2玻璃生產工藝流程12

1.3.3陶瓷生產工藝流程12

1.3.4耐火材料生產工藝流程12

思考題14

第2章原料16

2.1原料總論16

2.2黏土類原料17

2.2.1黏土17

2.2.2黏土的成因及其分類18

2.2.3黏土的組成19

2.2.4黏土的工藝性質19

2.3石英類原料21

2.3.1石英類原料的種類和性質21

2.3.2石英的晶型轉化22

2.3.3石英類原料的作用22

2.4長石類原料22

2.4.1長石類原料的種類和性質22

2.4.2長石的作用23

2.4.3長石的代用原料23

2.5鈣質原料24

2.5.1鈣質原料的種類和性質24

2.5.2鈣質原料在生產中的作用及其品質要求24

2.5.3鈣質工業廢渣25

2.6鋁質原料25

2.6.1高鋁礬土25

2.6.2硅線石族25

2.7鎂質原料25

2.8其他原料26

2.8.1含鈉原料26

2.8.2含硼原料27

2.8.3鐵質原料28

2.8.4輔助性原料28

思考題32

第3章粉體製備33

3.1破碎33

3.1.1破碎的方式33

3.1.2破碎比33

3.1.3粒度表示方法34

3.1.4破碎設備35

3.2粉磨36

3.2.1球磨機的工作原理、特點及類型36

3.2.2粉磨作業流程37

3.2.3影響磨機產量的主要因素37

3.2.4超細粉磨38

3.3分級39

3.3.1分級和分級效率39

3.3.2固體顆粒的篩分分級40

3.4超微粉合成41

3.4.1化學反應法41

3.4.2冷凍乾燥法41

3.4.3噴霧乾燥法41

3.4.4生成物沉澱法42

3.4.5蒸發凝聚法43

3.4.6氣相反應法43

思考題44

第4章成型45

4.1成型過程中的流變特性45

4.1.1三種基本變形及三種理想體的流變模型46

4.1.2脹流性流體與假塑性流體47

4.1.3流變模型與本構方程47

4.1.4流動曲線、應力曲線和應變曲線48

4.1.5徐變曲線和鬆弛曲線49

4.1.6觸變性與反觸變性50

4.2漿料的成型50

4.2.1成型的工藝原理50

4.2.2陶瓷注漿成型51

4.2.3混凝土和耐火混凝土漿體的密實成型55

43可塑成型59

4.3.1可塑泥料的流變特性59

4.3.2可塑成型的方法60

4.4壓製成型63

4.4.1壓製成型工藝原理63

4.4.2壓製成型對粉料的要求64

4.4.3壓製成型的過程65

4.5玻璃的成型67

4.5.1玻璃成型理論基礎68

4.5.2玻璃成型制度69

4.5.3玻璃成型方法71

4.5.4玻璃的退火75

思考題77

第5章乾燥78

5.1乾燥方法78

5.1.1外熱源法78

5.1.2內熱源法82

5.2乾燥過程84

5.2.1物料中水分的性質84

5.2.2物料乾燥過程85

5.3影響乾燥的因素86

5.3.1傳熱速率86

5.3.2外擴散速率87

5.3.3內擴散速率87

5.3.4製品在乾燥過程中的收縮與變形87

54乾燥制度88

5.4.1乾燥過程中應該控制的參數88

5.4.2熱空氣乾燥制度的類型89

5.4.3採用熱空氣乾燥工藝時的注意事項89

5.4.4陶瓷乾燥速率的控制與選定89

思考題90

第6章煅燒91

6.1水泥熟料的煅燒91

6.1.1水泥熟料的形成過程91

6.1.2水泥熟料煅燒設備92

6.1.3迴轉窯的煅燒方法92

6.1.4熟料熱化學及迴轉窯的熱工特性93

6.1.5典型迴轉窯煅燒系統95

6.1.6熟料冷卻機100

6.2陶瓷、耐火材料原料的煅燒102

6.2.1陶瓷原料的煅燒102

6.2.2耐火材料原料的煅燒103

思考題104

第7章燒成105

7.1常見燒成或燒結方法105

7.1.1熱緻密化方法105

7.1.2反應燒結105

7.1.3液相燒結105

7.1.4高溫自蔓延燒結106

7.2煅燒過程中的物理化學變化106

7.2.1低溫預熱階段106

7.2.2氧化分解階段106

7.2.3高溫玻化成瓷階段106

7.2.4冷卻階段107

7.3燒成制度107

7.3.1燒成制度與產品性能的關係107

7.3.2燒成制度的制訂112

7.4燒成方法115

7.4.1低溫燒成與快速燒成115

7.4.2特種燒成方法117

思考題119

第8章熔化120

8.1熔化的原理和過程120

8.1.1基本原理120

8.1.2熔化的三個重要過程121

8.1.3熔化過程的影響因素121

8.2玻璃的熔制121

8.2.1玻璃的熔制過程122

8.2.2玻璃的熔制方法129

8.2.3玻璃熔制的溫度制度131

8.3熔體和玻璃體的相變133

8.3.1熔體和玻璃體的成核與晶體生長過程133

8.3.2熔鑄耐火材料的晶化135

8.3.3玻璃分相135

思考題136

第2篇代表性無機非金屬材料137

第1章水泥和其他無機膠凝材料138

1.1硅酸鹽水泥138

1.1.1硅酸鹽水泥組分材料139

1.1.2硅酸鹽水泥的定義和分類139

1.1.3硅酸鹽水泥技術要求140

1.1.4合格品與不合格品140

1.2硅酸鹽水泥熟料141

1.2.1化學成分141

1.2.2礦物組成142

1.2.3熟料的率值144

1.2.4熟料礦物組成的計算147

1.3硅酸鹽水泥生料的配合148

1.3.1熟料組成設計148

1.3.2水泥生料配料計算150

1.4硅酸鹽水泥熟料的煅燒154

1.4.1乾燥與脫水154

1.4.2碳酸鹽分解154

1.4.3固相反應156

1.4.4熟料的燒成157

1.4.5熟料的冷卻158

1.4.6其他組分的作用159

1.5硅酸鹽水泥的水化和硬化161

1.5.1熟料礦物的水化161

1.5.2硅酸鹽水泥的水化164

1.5.3水化速率與凝結時間的調節165

1.5.4水化熱166

1.5.5體積變化166

1.5.6水泥石的組成與結構167

1.6環境介質對水泥石的化學侵蝕168

1.6.1淡水侵蝕168

1.6.2酸和酸性水侵蝕169

1.6.3硫酸鹽侵蝕170

1.6.4含鹼溶液侵蝕170

1.6.5改善水泥石抗蝕性的措施171

1.7摻混合材料的硅酸鹽水泥171

1.7.1水泥混合材料171

1.7.2摻混合材料的硅酸鹽水泥173

1.7.3摻混合材料的硅酸鹽水泥的生產及其性能174

1.8特性水泥和專用水泥174

1.8.1快硬和特快硬水泥174

1.8.2抗硫酸鹽水泥、中低熱水泥和道路水泥177

1.8.3膨脹和自應力水泥179

1.8.4油井水泥180

1.8.5裝飾水泥181

1.9其他無機膠凝材料181

1.9.1石膏181

1.9.2石灰184

1.9.3水玻璃185

思考題187

第2章混凝土189

2.1混凝土組分材料189

2.1.1骨料190

2.1.2化學外加劑194

2.2混凝土拌合物性能196

2.2.1和易性196

2.2.2和易性測定方法及指標197

2.2.3影響和易性的主要因素199

2.2.4混凝土拌合物澆筑後的性能199

2.3混凝土的性能201

2.3.1抗壓強度201

2.3.2抗拉強度與抗折強度204

2.3.3混凝土在荷載作用下的變形206

2.3.4混凝土在非荷載作用下的變形207

2.4混凝土耐久性211

2.4.1耐久性的概念211

2.4.2混凝土抗滲性211

2.4.3混凝土抗凍融性能214

2.4.4混凝土鋼筋鏽蝕215

2.4.5典型環境混凝土結構的耐久性設計216

2.5混凝土配合比設計219

2.5.1基本參數219

2.5.2混凝土配合比設計規範與方法220

思考題225

第3章陶瓷227

3.1陶瓷的分類227

3.1.1按坯體的物理性能特徵分類227

3.1.2按陶瓷概念和用途分類227

3.2陶瓷的組成、結構與性能228

3.2.1陶瓷性能與材料鍵性、結構的關係228

3.2.2陶瓷強度的控制和脆性的改善228

3.3陶瓷坯料的配製229

3.3.1確定坯料配方的原則229

3.3.2坯體組成的表示方法229

3.3.3配料計算231

3.3.4坯料製備235

3.3.5坯料製備流程238

3.3.6調整坯料性能的添加劑239

3.4成型方式的選擇239

3.5釉料及色料240

3.5.1釉的作用及分類240

3.5.2釉層的性質241

3.5.3坯釉適應性243

3.5.4釉料的組成244

3.5.5釉料製備245

3.5.6施釉246

3.5.7色料247

3.6普通陶瓷的燒成247

3.6.1燒成方法的比較247

3.6.2燒成方式的選擇249

3.7陶瓷產品的缺陷分析249

3.7.1斑點249

3.7.2變形249

3.7.3落臟250

3.7.4裂紋250

3.7.5起泡250

3.7.6棕眼251

3.7.7缺釉251

3.7.8色澤不良251

3.7.9夾層251

3.7.10釉縷252

3.7.11波紋252

3.7.12橘釉252

3.7.13煙熏252

3.8普通陶瓷252

3.8.1日用瓷252

3.8.2衛生陶瓷255

3.8.3建築陶瓷256

3.8.4電瓷258

3.8.5化工陶瓷259

3.9特種陶瓷261

3.9.1結構陶瓷261

3.9.2功能陶瓷262

思考題265

第4章玻璃266

4.1玻璃的定義與通性266

4.1.1玻璃的定義266

4.1.2玻璃的通性266

4.2玻璃的分類267

4.2.1光學功能玻璃267

4.2.2電磁功能玻璃268

4.2.3熱學功能玻璃268

4.2.4力學功能玻璃269

4.2.5生物及化學功能玻璃269

4.3硅酸鹽玻璃的組成、結構與性質269

4.3.1硅酸鹽玻璃的組成270

4.3.2玻璃的結構因素271

4.3.3玻璃性質271

4.4普通玻璃配合料製備276

4.4.1玻璃組成的設計和確定276

4.4.2配合料計算276

4.4.3配合料製備要求279

4.5玻璃體的缺陷280

4.5.1氣泡280

4.5.2結石281

4.6普通玻璃製品的生產281

4.6.1瓶罐玻璃281

4.6.2器皿玻璃282

4.6.3平板玻璃284

4.6.4儀器玻璃286

4.6.5顏色玻璃288

4.7玻璃的深加工288

4.7.1冷加工289

4.7.2熱加工289

4.7.3玻璃的表面處理289

4.8特種玻璃290

4.8.1光導纖維290

4.8.2激光玻璃291

4.8.3微晶玻璃291

4.8.4光致變色玻璃292

思考題293

第5章耐火材料294

5.1耐火材料的分類、組成、結構和性質294

5.1.1耐火材料的分類295

5.1.2耐火材料的組成與結構295

5.1.3耐火材料的性質297

5.2耐火材料的生產過程299

5.2.1原料的選擇和加工299

5.2.2坯料的製備301

5.2.3成型302

5.2.4乾燥302

5.2.5燒成302

5.2.6耐火材料生產的特殊過程303

5.3Al2O3SiO2系耐火材料303

5.3.1Al2O3SiO2系耐火材料的物理化學基礎303

5.3.2氧化硅質耐火材料304

5.3.3半硅質耐火材料305

5.3.4黏土質耐火材料306

5.3.5高鋁質耐火材料307

5.4鹼性耐火材料307

5.4.1鎂質耐火材料308

5.4.2白雲石質耐火材料311

5.4.3鎂橄欖石質耐火材料312

5.5鋯質耐火材料312

5.5.1鋯英石耐火材料312

5.5.2氧化鋯耐火材料313

5.5.3鋯質熔鑄耐火材料313

5.6含碳耐火材料314

5.6.1碳素耐火材料315

5.6.2石墨耐火材料315

5.6.3碳化硅質耐火材料315

5.6.4碳複合耐火材料317

5.7不定形耐火材料317

5.7.1澆注耐火材料318

5.7.2可塑耐火材料319

5.7.3其他不定形耐火材料319

5.8輕質耐火材料320

5.8.1輕質耐火材料的生產方法321

5.8.2幾種主要輕質耐火材料及性能321

5.8.3多孔隔熱耐火材料323

5.8.4纖維隔熱耐火材料324

思考題325

參考文獻327