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无机非金属材料复习
第一章原料
1.重点
粘土的定义和成因
粘土是一种颜色多样,细分散的多种含水铝硅酸盐矿物的混合体。
各种富含硅酸盐矿物的岩石经风化,水解,热液蚀变等作用可变为粘土。
一次粘土、二次粘土
风化残积型——一次粘土
成因:
深层的岩浆岩(花岗岩、伟晶岩、长石岩)在原产地风化后即残留在原地,多成为优质高岭土的矿床,一般称为一次粘土(也称为残留粘土或原生粘土);粘土的产地不同,其成分也有较大波动。
代表:
我国南方的高岭土大多属于此类,如:
江西星子高岭、景德镇大州高岭、龙岩高岭、广东飞天燕等粘土矿。
沉积型——二次粘土
成因:
风化了的粘土矿物借雨水或风力的迁移作用搬离母岩后,在低洼地方沉积而成的矿床,成为二次粘土(也称为沉积粘土或次生粘土)。
代表:
漳州黑泥、山西紫木节等粘土矿。
特点:
杂质多,塑性好,干燥强度大,收缩大。
按成因分:
原生粘土(一次粘土)
次生粘土(二次粘土)
两者区别:
化学组成耐火度成型性
一次粘土较纯较高塑性低
二次粘土杂质含量高较低塑性高
高岭土结构特点
化学通式:
Al2O3·2SiO2·2H2O
理论组成:
Al2O339.5%,SiO26.54%H2O13.96%
晶系:
三斜晶系,细分散的晶体,外形呈片状、粒状、杆状,假六方片状。
晶体结构式:
Al4[Si4O10](OH)8,1:
1型层状结构硅酸盐,Si-O四面体层和Al-(O,OH)八面体层通过共用氧原子联系成双层结构,构成结构单元层。
层间以氢键相连,结合力较小,所以晶体解理完全并缺乏膨胀性。
离子吸附与置换:
晶格内部离子很少置换,在破裂时,边缘上有断键电荷不平衡时,才吸附其它阳离子[OH-]中的H+可被K+或Na+取代。
蒙脱石类(叶腊石)
外观:
微晶高岭石,胶岭石。
白色,灰白色,因含不同杂质呈黄、浅红、蓝至绿色。
化学通式:
Al2O3·4SiO2·nH2O(蒙脱石n>2,叶蜡石n=1)
晶系:
单斜晶系,结晶程度差,颗粒极细小,属胶体微粒,故晶体轮廓不清。
2:
1型层状结构,两端[SiO4]四面体,中间夹一个[AlO6]八面体,构成单元层。
单元层间靠氧相连,结合力较小,水分子及其它极性分子易进入晶层中间形成层间水,层间水的数量是可变的。
特点一:
蒙脱石显著的特点是能吸收大量的水,体积膨胀,如以蒙脱石为主的膨润土其吸水后体积可膨胀20~30倍,这就是膨润土的名称的由来。
特点二:
离子交换能力强,晶格中的四面体层Si4+部分被Al3+、P5+置换。
八面体层中Al3+被Mg2+、Fe3+、Zn2+、Li+等置换,使晶格中电价不平衡。
晶层之间吸附阳离子如Ca2+、Na+等,又增加了蒙脱石的离子交换能力。
根据吸附离子不同分为Na蒙脱石,Ca蒙脱石。
特点三:
膨润土可塑性大,触变厚化性强,严重影响泥浆性能。
煅烧时脱水过程长,收缩大,Al2O3含量低,又吸附了其它阳离子,杂质较多。
因此烧结温度低,烧后色泽差,会使坯体软化变形,用量不宜太多,一般在5%左右。
特点四:
随外界环境的温度和湿度而变化,引起C轴膨胀与收缩,因此蒙脱石吸水性强,吸水后体积膨胀,容易破裂。
颗粒极细,可塑性强,干燥后强度大,干燥收缩也大。
粘土的工艺特性
可塑性
定义:
粘土—水系统形成泥团,在外力作用下泥团发生变形,形变过程中坯泥不开裂,外力解除后,能维持形变,不因自重和振动再发生形变,这种现象称为可塑性。
表示方法:
可塑性指数,可塑性指标。
可塑性指数W:
W=W2-W1(液限与塑限之差)
可塑性限度(塑限)W1:
粘土或(坯料)由粉末状态进入塑性状态时的含水量。
反映粘土被水润湿后,形成水化膜,使粘土颗粒能相对滑动而出现可塑性的含水量。
塑限高,表明粘土颗粒的水化膜厚,工作水分高,但干燥收缩也大。
液性限度(液限)W2:
粘土或(坯料)由粉末状态进入流动状态时的含水量。
反映粘土颗粒与水分子亲和力的大小。
W2上升表明颗粒很细,在水中分散度大,不易干燥,湿坯强度低。
W降低——泥浆触变厚化度大,渗水性强,便于压滤榨泥。
可塑性指标:
在工作水分下,粘土(或坯料)受外力作用最初出现裂纹时应力与应变的乘积,也可以以这时的相应含水率表示。
反映粘土的成型性能:
应力大,应变小——挤坯成型应力小,应变大——旋坯成型
结合性
定义:
粘土的结合性是指粘土能够结合非塑性原料而形成良好的可塑泥团,并且有一定干燥强度的能力。
粘土的结合性由其结合瘠性料的结合力的大小来衡量,而结合力的大小又与粘土矿物的种类、结构等因素有关。
一般而言,可塑性强的粘土其结合力也大。
离子交换性
起因:
粘土颗粒带电荷,来源于Si4+被Al3+,Fe2+等置换以及边缘断键,而出现负电荷。
表示方法:
离子交换能力用交换容量来表示,100g粘土所吸附能够交换的阳离子或阴离子的量,单位:
mol×10/g。
交换容量大小:
H+>Al3+>Ba2+>Sr2+>Ca2+>Mg2+>NH4+>K+>Na+>Li+
除阳离子交换能力外,阴离子也会被粘土颗粒吸附,但吸附能力较小,只发生在粘土矿物颗粒的棱边上,取代顺序如下:
OH->CO32->P2O74->CNS->I->Br->Cl->NO3->F->SO42-
触变性
定义:
粘土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时,粘度会降低而流动性增加静置后能恢复原来状态。
反之,相同泥浆放置一段时间后,在维持原有水分的情况下会增加粘度,出现变稠和固化现象,上述现象可重复无数次,统称为触变性。
产生触变性的原因:
由于粘土片状颗粒的活性边面上尚残留少量电荷未被完全中和,以致形成局部边-边或边-面结合,使粘土颗粒之间常组成封闭的网络状结构。
这时,泥料中的大量的自由水被分隔和封闭在网络的空隙中,使整个粘土-水系统好像水分减少,粘度增加,变稠及固化现象,但这样的网络状结构是疏松和不稳定的,当稍有剪切力的作用或振动时,网络即被破坏,又呈流动状态。
收缩性
粘土泥料在干燥时颗粒间的水分排出,颗粒互相靠拢,引起体积收缩,称为干燥收缩。
当粘土泥料煅烧时,由于发生一系列物理化学变化,粘土泥料再度收缩,称为烧成收缩。
成型试样经干燥、煅烧后的尺寸总变化称总收缩。
粘土收缩常以线收缩及体收缩来表示。
体收缩近似等于线收缩的三倍(误差6%~9%)。
烧结性
原因:
粘土加热过程中发生一系列的物理和化学变化。
脱水、分解、析晶等较复杂的过程,是制品烧成的基本理论。
石英的多晶转变及特点
高温型的迟缓转化(横向转化或一级转化)
由表面向内部逐步进行,结构变化。
因为形成新的稳定晶型,所以需较高的活化能;转变速度慢;体积变化较大,所以需较高温度及较长时间。
低温型的迅速转变(纵向转变或二级转变)
由表及里瞬间同时转化,体积变化小,结构不特殊变化,位移型转变(键之间的角度稍做变动为位移型转变),易进行,且转化可逆。
自然界中石英大部分以—石英存在,很少以鳞石英或方石英的介稳状态存在。
石英多晶转变的体积效应:
一级转变的体积变化大,但由于其转化速度慢,体积效应小,且在高温下有液相存在,对坯体影响不大。
二级转变的体积变化小,但转化速度快,瞬间完成,体积效应大,无液相,对坯体影响大,必须严格控制。
石英理论晶型转化的基础条件:
慢升温,维持晶型转化在平衡态下进行。
陶瓷生产实际转化情况:
升温快(快速烧成),无论是否有矿化剂,都经过半安定方石英这一过渡状态。
长石的混熔特性
几种基本类型的长石,由于其结构关系,彼此可混合形成共熔体。
粘土、长石和石英在陶瓷生产中的作用
长石的作用:
1.在高温下熔融,形成粘稠的玻璃体,是坯料中碱金属氧化物的主要来源,能降低陶瓷坯体组分的熔化温度,利于成瓷和降低烧成温度。
2.熔融后的长石熔体能溶解部分高岭土分解产物和石英颗粒;液相中Al2O3和SiO2互相作用,促进莫来石的形成和长大,提高瓷体的机械强度和化学稳定性。
3.长石熔体能填充坯体孔隙,减少气孔率,增大致密度,提高坯体机械强度,改善透光性能及电学性能。
4.作为瘠性原料,提高坯体渗水性,提高干燥速度,减少坯体的干燥收缩和变形。
5.在釉料中做熔剂,形成玻璃相。
粘土的作用:
1.赋予泥坯的可塑性;
2.使注浆料与釉料具有悬浮性和稳定性;
3.在坯料中结合其它瘠性原料,使具有一定干坯强度及最大堆积密度;
4.是瓷坯中Al2O3的主要来源,也是烧成时生成莫来石晶体的主要来源。
石英的作用:
1.烧成前,石英为瘠性料,可调节泥料的可塑性,是生坯水分排出的通道,降低坯体的干燥收缩,增加生坯的渗水性,缩短干燥时间,防止坯体变形;利于施釉。
2.烧成时,石英的加热膨胀可部分抵消坯体的收缩;高温时石英部分溶解于液相,增加熔体的粘度,未溶解的石英颗粒构成坯体的骨架,防止坯体软化变形。
3.可提高坯体的机械强度,透光度,白度。
4.釉料中,SiO2是玻璃质的主要成分,提高釉料的机械强度,硬度,耐磨性,耐化学侵蚀性;提高釉料的熔融温度与粘度。
2、难点
粘土的结构特点
石英的多晶转变
第三章坯料制备
1.重点
坯料的种类和质量要求
按成型方法分为:
可塑性泥料,泥浆,干压粉料。
例如:
碗盘——滚压成型——可塑性泥料
陶瓷砖——模压成型——干压粉料
卫生洁具——注浆成型——泥浆
坯料的总体质量要求
配料准确组分均匀细度合理空气含量少
对水分的要求
可塑性泥料——滚压、旋坯:
18~25%
注浆泥浆——卫生洁具,茶壶:
28~35%
干压粉料——陶瓷砖:
8~15%(半干压)3~7%(干压)
注浆料的基本要求
流动性好:
保证产品造型完全和浇注速度。
悬浮性好:
料浆久置,固体颗粒长期悬浮不致分层沉淀。
触变性恰当:
过大:
易填塞泥浆管道影响料浆输送;
过小:
生坯强度不够,影响脱膜和修坯质量,脱膜后坯体易塌陷。
滤过性好:
水分在石膏模的压力下容易扩散、迁移,在短时间内成坯。
泥浆含水量少:
保证流动性的同时,减少水量,缩短注浆时间。
可塑泥料的基本要求
良好的可塑性:
可塑性指标>2
具有一定的形状稳定性
含水量适当:
强可塑性原料多则含水量提高
小件制品含水量>大件制品手工成型>旋坯>滚压成型
干燥强度高和收缩率小
压制粉料的基本要求
流动性好:
保证致密度压坯速度
堆积密度大:
体积密度大,气孔率下降,压缩比提高
含水率及水分均匀性:
水分均匀
成型压力大——含水率较低成型压力小——含水率较高
颗粒形状、大小粒度分布
氧化铝的预烧
作用
1.在高温下使γ-Al2O3尽量转变为α-Al2O3,保证产品性能稳定。
2.预烧工业氧化铝时,所加入的添加物和Na20生成挥发性化合机离开氧化铝,可提高原料纯度。
3.由γ-Al2O3转变α-Al2O3为引起的体积收缩在烧成时已经完成,可以使产品尺寸准确,减少开裂。
4.采用预烧过的工业氧化铝配制热压注浆料时,可以减少用蜡的数量。
方法:
影响氧化铝的预烧的因素
矿化剂H3BO3,NH4F,AlF3加入量0.3-3%
预烧气氛
γ-Al2O3转变α-Al2O3检验方法染色法显微镜法比重法
滑石的预烧
滑石预烧结晶水排出,原有结构破坏,形成偏硅酸镁MgO·SiO2,不再是鳞片状结构,因而可防止挤制泥料时,因颗粒定向排列而带来的缺陷。
预烧滑石的温度决定于原料的本性
海城滑石1400~1450oC才破坏薄片结构
掖南滑石1350~1400oC片状结构破坏
液相法合成原料
金属有机或无机化合物(称前驱物)经溶液、溶胶、凝胶
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