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1、环境材料学第九章1本讲稿第一页，共九十八页本章内容本章内容v概论概论v无机非金属材料的生态化改造无机非金属材料的生态化改造v无机非金属材料零排放与零废弃制备科无机非金属材料零排放与零废弃制备科学技术学技术2本讲稿第二页，共九十八页9.19.1概论概论v无无机机非非金金属属材材料料的的许许多多特特点点与与金金属属材材料料和和高高分分子子材材料料差差异异很很大大，因因此此，研研究究开开发发无无机机非非金金属属类类生生态态环环境境材材料料，首首先先应应对它的特点和与其他材料的差异性加以说明和比较。对它的特点和与其他材料的差异性加以说明和比较。v本本节节结结合合无无机机非非金金属属材材料料的的原原料料
2、来来源源、工工艺艺方方法法和和独独特特的的材材料料设设计计思思想想，概概要要介介绍绍研研究究开开发发无无机机非非金金属属生生态态环环境境材料的材料的基本理论和生态化改造对策基本理论和生态化改造对策。3本讲稿第三页，共九十八页9.1.1 9.1.1 无机非金属材料的分类、特点及其生态化无机非金属材料的分类、特点及其生态化改造的重点及难点改造的重点及难点v无无机机非非金金属属材材料料是是以以某某些些元元素素的的氧氧化化物物、碳碳化化物物、氮氮化化物物、卤卤素素化化合合物物、硼硼化化物物以以及及硅硅酸酸盐盐、铝铝酸酸盐盐、磷磷酸酸盐盐、硼硼酸酸盐盐等等物物质质组组成成的的材材料料，是是除除高高分分子
3、子材材料料和和金金属属材材料料以以外外的的所有材料的统称。所有材料的统称。v无无机机非非金金属属材材料料是是2020世世纪纪4040年年代代后后，随随着着现现代代科科学学技技术术的的发发展展从从传传统统的的硅硅酸酸盐盐材材料料演演变变而而来来的的，已已与与高高分分子材料和金属材料并列为经济建设中的三大材料。子材料和金属材料并列为经济建设中的三大材料。4本讲稿第四页，共九十八页v在在晶晶体体结结构构上上无无机机非非金金属属材材料料的的元元素素结结合合力力主主要要为为离离子子键键、共共价价键键或或离离子子共共价价混混合合键键。这这些些化化学学键键的的特特点点是是高高的的键键能能、键键强强，这这一一
4、大大类类材材料料有有高高熔熔点点、高高硬硬度度、耐耐腐腐蚀蚀、耐耐磨磨损损、高高强强度度和和良良好好的的抗抗氧氧化化性性等等基基本本属属性性以以及及宽宽广的广的导电性、铁磁性和压电性导电性、铁磁性和压电性。v无无机机非非金金属属材材料料品品种种和和名名目目极极其其繁繁多多，用用途途各各异异，因因此此还还没没有有一一个个统统一一而而完完善善的的分分类类方方法法。通通常常把把它它们们分分为为普普通通的的(传传统的统的)和先进的和先进的(新型的新型的)无机非金属材料两大类。无机非金属材料两大类。5本讲稿第五页，共九十八页v传传统统的的无无机机非非金金属属材材料料是是工工业业和和基基本本建建设设所所必
5、必需需的的基基础础材材料。料。水泥水泥(硅酸盐质和铝酸盐质硅酸盐质和铝酸盐质)是一种重要的建筑材料；是一种重要的建筑材料；耐耐火火材材料料(硅硅质质、硅硅酸酸铝铝质质、高高铝铝质质、镁镁质质)与与高高温温技技术术尤尤其其是是钢铁工业的发展关系密切；钢铁工业的发展关系密切；各种规格的各种规格的平板破璃平板破璃、仪器玻璃和普通的光学玻璃、仪器玻璃和普通的光学玻璃日日用用陶陶瓷瓷、卫卫生生陶陶瓷瓷、建建筑筑陶陶瓷瓷、化化工工陶陶瓷瓷和和电电瓷瓷等等，它它们们的的生生产产历史较长，产量大，用途广。历史较长，产量大，用途广。v其其他他产产品品，如如搪搪瓷瓷、碳碳素素材材料料、非非金金属属矿矿(石石棉棉、
6、云云母母、大理石等大理石等)也都属于传统的无机非金属材料。也都属于传统的无机非金属材料。6本讲稿第六页，共九十八页v新型无机非金属材料新型无机非金属材料是指是指2020世纪中期以后发世纪中期以后发展起来并具有特殊性能和用途的材料。展起来并具有特殊性能和用途的材料。v它们是现代新技术、新兴产业和传统工业技它们是现代新技术、新兴产业和传统工业技术改造的物质基础，也是发展现代国防和生术改造的物质基础，也是发展现代国防和生物医学所不可缺少的。物医学所不可缺少的。v主要包括主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维无机涂层、无机纤维等。等。7本讲稿第七页，
7、共九十八页9.1.29.1.2制制备备无无机机非非金金属属材材料料的的原原料料及及其其生生态态化化改改造造对策对策v制制备备无无机机非非金金属属材材料料的的原原料料种种类类繁繁多多。主主要要有有天天然然矿矿物物原原料料与与人人工工合合成成原原料料两两大大类类。自自然然界界存存在在的的各各种种矿矿物物是是由由构构成成这这些些矿矿物物的的各各种元素组成的。种元素组成的。v现现已已探探明明氧氧、硅硅、铝铝三三种种元元素素的的总总量量约约占占地地壳中元素总量的壳中元素总量的90%90%。8本讲稿第八页，共九十八页地壳中主要元素的蕴藏量v由下图可知，地壳中由下图可知，地壳中硅酸盐和铝硅酸盐硅酸盐和铝硅酸
8、盐占明占明显优势，它们和其他一些氧化物矿物是制备显优势，它们和其他一些氧化物矿物是制备无机非金属材料的无机非金属材料的最主要原料最主要原料。9本讲稿第九页，共九十八页v传统无机非金属材料原料大多直接取自天然传统无机非金属材料原料大多直接取自天然矿物，就原料而言环境负荷低。矿物，就原料而言环境负荷低。v但是，天然原料通常杂质较多，性能波动大。但是，天然原料通常杂质较多，性能波动大。10本讲稿第十页，共九十八页v鉴鉴于于较较高高的的性性能能要要求求，新新型型无无机机非非金金属属材材料料或或者者采采用用严严格格精精选选的的天天然然原原料料，或或者者采采用用人人工工合合成成原原料料，势势必必会会加重环
9、境负荷加重环境负荷。v采采用用地地壳壳中中含含量量最最为为丰丰富富的的氧氧化化铝铝、氧氧化化硅硅和和生生物物圈圈、大大气气圈圈中中含含量量丰丰富富并并能能够够再再循循环环的的碳碳、氮氮为为主主要要原原料料，应是无机非金属材料应是无机非金属材料原料生态化的首选原料生态化的首选。v此此外外，在在开开发发新新型型无无机机非非金金属属类类生生态态环环境境材材料料时时，通通过过结结构构设设计计和和工工艺艺设设计计，在在保保证证高高性性能能的的同同时时尽尽量量直直接采用天然原料接采用天然原料。11本讲稿第十一页，共九十八页9.1.3 9.1.3 无机非金属材料的生产工艺及其生态化改无机非金属材料的生产工艺
10、及其生态化改造对策造对策v普普通通无无机机非非金金属属材材料料的的生生产产工工艺艺通通常常都都要要经经过过以以下下工工序：粉料制备、成型、高温烧成和后处理。序：粉料制备、成型、高温烧成和后处理。v对对人人工工晶晶体体和和玻玻璃璃制制品品，成成型型是是在在高高温温熔熔制制的的同同时时或或之后进行。之后进行。v对对所所有有的的原原料料，作作为为共共同同的的特特点点，高高温温烧烧成成乃乃是是最最重重要要的的工序。工序。12本讲稿第十二页，共九十八页v在在此此之之前前，各各种种原原料料只只经经受受较较简简单单的的物物理理变变化化(粉粉碎碎、配料、混合和造型配料、混合和造型)；v在在烧烧成成过过程程中中
11、，物物料料一一般般要要在在1400140016001600或或更更高高的的温温度度下下发发生生一一系系列列复复杂杂的的物物理理化化学学变变化化，使使之之转转变变成成为为所所需需性性能能的的多多晶晶态态(陶陶瓷瓷、耐耐火火材材料料、水水泥泥等等)或或非非晶晶态态(玻璃、珐琅等玻璃、珐琅等)。v后后处处理理则则视视产产品品而而定定，如如陶陶瓷瓷的的上上釉釉、彩彩饰饰，水水泥泥的的粉粉磨，玻璃的退火磨，玻璃的退火等。等。13本讲稿第十三页，共九十八页v新新型型无无机机非非金金属属材材料料的的生生产产工工艺艺过过程程基基本本上上和和普普通通材材料料类类似似。但但生生产产条条件件的的控控制制要要精精细细
12、严格严格得多。得多。v例例如如原原料料多多采采用用高高纯纯、超超细细、成成分分固固定定的的人人工合成原料。工合成原料。v成成型型方方法法则则视视产产品品的的形形状状而而定定。以以陶陶瓷瓷为为例例，成成型型方方法法有有干干压压、挤挤压压、注注浆浆、热热压压铸铸、等等静压、轧模、流延、注射或蒸镀等。静压、轧模、流延、注射或蒸镀等。14本讲稿第十四页，共九十八页v高高温温烧烧成成除除了了炉炉温温有有时时会会达达到到18001800或或更更高高外外，炉炉内内气气氛氛也也可可由由空空气气、燃燃气气改改为为真真空空、氮氮、氩氩、氢氢气气等等，压压力力由由负负压压至至几几个个、几几十十个个乃乃至至上上百百个
13、个大大气气压压，热热源源由由液液体体、气气体体燃燃料发展为电热、微波和等离子。料发展为电热、微波和等离子。v后后处处理理则则发发展展为为各各种种热热处处理理、化化学学处处理理、表表面处理和精细的机械加工等。面处理和精细的机械加工等。15本讲稿第十五页，共九十八页v无机非金属材料无机非金属材料环境负荷最大的工艺环节环境负荷最大的工艺环节是是高温过程和粉碎过程高温过程和粉碎过程，总体而言，采用以电，总体而言，采用以电为热源的为热源的连续式加热工艺连续式加热工艺和和闭路粉碎闭路粉碎工艺具工艺具有较小的能耗和污染。有较小的能耗和污染。16本讲稿第十六页，共九十八页9.1.4 9.1.4 无机非金属类生
14、态环境材料设计思想无机非金属类生态环境材料设计思想v与与金金属属或或高高分分子子材材料料相相比比，除除工工艺艺、性性能能上上的的差差异异外外，无无机机非非金金属属材材料料设设计计思思想想也也有有很很大不同。大不同。v研研究究开开发发无无机机非非金金属属生生态态环环境境材材料料，必必须须充充分考虑到这些差异。分考虑到这些差异。17本讲稿第十七页，共九十八页v 对对于于金金属属材材料料与与高高分分子子材材料料，一一件件产产品品的的最最终终完完成成可可分分为为材材料料制制备备(以以金金属属材材料料为为例例，包包括括采采矿矿、冶冶炼炼、铸铸造造、轧轧制制到到型型材材出出厂厂等等环环节节)和和产产品品制
15、制造造两两个个截截然然分分开开的的阶阶段段，材材料料工工作作者者仅仅仅仅面面向向材材料料制制备备阶阶段段，通通常常不不用用为为最最终终用用户负责。户负责。v设设计计也也分分为为材材料料设设计计和和产产品品设设计计两两个个独独立立的的阶阶段段，材材料料工工作作者者负负责责设设计计制制造造出出具具有有各各种种性性能能(牌牌号号)的的材材料料，产产品品制制造造者者负负责责选选材材和和产产品品设设计计、生生产产，相相应应地地环环境境协调性评价也分为协调性评价也分为MLCAMLCA和和PLCAPLCA。18本讲稿第十八页，共九十八页v对于无机非金属材料对于无机非金属材料，由于加工的困难性，通常，由于加工
16、的困难性，通常材料和材料和产品是同时完成的产品是同时完成的，材料即是产品，产品即是材料，二，材料即是产品，产品即是材料，二者不可分割。者不可分割。v材料设计贯穿于产品的整个生产中，材料工作者直接面向材料设计贯穿于产品的整个生产中，材料工作者直接面向最终产品，对最终用户负责。最终产品，对最终用户负责。v因此，因此，无机非金属材料的设计、生产模式不同于金属材无机非金属材料的设计、生产模式不同于金属材料或高分子材料料或高分子材料，也不能够沿用传统材料与产品相分离，也不能够沿用传统材料与产品相分离的设计思想。的设计思想。19本讲稿第十九页，共九十八页陶瓷材料与产品的设计框图陶瓷材料与产品的设计框图v
17、经过数十年的材料强度研究，特别是根据先进陶瓷经过数十年的材料强度研究，特别是根据先进陶瓷材料强度与材料设计方面的经验，我们提出了材料强度与材料设计方面的经验，我们提出了集材料集材料设计与产品设计于一体的新设计思想设计与产品设计于一体的新设计思想，并在某些陶瓷材料，并在某些陶瓷材料的设计与应用中取得了成功。该设计思想可以下述框图表的设计与应用中取得了成功。该设计思想可以下述框图表示示。20本讲稿第二十页，共九十八页v这这一一设设计计思思想想的的要要点点在在于于：首首先先根根据据材材料料的的实实际际服服役役条条件件开开展展失失效效分分析析找找出出产产品品早早期期失失效效或或损损伤伤的的主主要要因因
18、素，即材料的主要抗力指标素，即材料的主要抗力指标(或性能指标或性能指标).).v然然后后针针对对如如何何提提高高该该性性能能指指标标，进进行行材材料料工工艺艺设设计计与与材材料料制备，并进行性能评价制备，并进行性能评价。v对对材材料料优优化化并并达达到到性性能能要要求求后后，再再进进行行产产品品设设计计、制制造造与与使使用用考考核核，若若达达不不到到理理想想要要求求，需需重重复复上上述述过过程程，直直至至成成功功。v上上述述设设计计思思想想尽尽管管是是从从陶陶瓷瓷材材料料实实践践中中得得出出的的，但但由由于于无无机机非非金金属属材材料料所所具具有有的的共共性性，其其基基本本思思路路对对于于大大
19、多多数数无机非金属材料具有普通意义。无机非金属材料具有普通意义。21本讲稿第二十一页，共九十八页v无无机机非非金金属属类类生生态态环环境境材材料料的的设设计计，除除了了要要考考虑虑上上述述设设计计思思想想以以外外，还还应应将将环环境境协协调调性性评评价价(LCA)(LCA)和和材材料料、工工艺艺的的生生态态化化设设计计、优优化化加加入入其其中中，这这样样就就形形成成一一个个设设计计“双双环环”，见下图，见下图.无机非金属生态环境材料和产品的设计框图无机非金属生态环境材料和产品的设计框图22本讲稿第二十二页，共九十八页v由由于于无无机机非非金金属属材材料料的的固固有有特特点点，MLCAMLCA和
20、和PLCAPLCA是是统统一一的的，并并贯贯穿穿于于材材料料(产产品品)的的设设计计、制制造造、使使用用等等整整个个寿寿命命周周期期中。中。v需需要要注注意意的的是是，图图中中“产产品品设设计计、制制造造与与检检验验。和和“产产品品使使用用、考考核核与与评评价价”，都都应应采采用用包包括括使使用用性性能能评评价价和和LCALCA的的“双指标双指标”评价检测体系评价检测体系。23本讲稿第二十三页，共九十八页9.2 9.2 无机非金属材料的生态化改造无机非金属材料的生态化改造v无机非金属材料品种繁多，用量巨大，在国无机非金属材料品种繁多，用量巨大，在国民经济中占有民经济中占有重要地位重要地位。v但
21、由于长期以来对环境资源问题重视不够，但由于长期以来对环境资源问题重视不够，生产工艺落后，导致生产工艺落后，导致资源、能源和环境污染资源、能源和环境污染问题问题十分严重。十分严重。v因此，对无机非金属材料的因此，对无机非金属材料的生态化改造生态化改造具有具有十分重要的意义。十分重要的意义。24本讲稿第二十四页，共九十八页9.2.19.2.1传统无机非金属材料面临的主要生态环境问题传统无机非金属材料面临的主要生态环境问题v1)1)使用性能与环境协调性的矛盾突出使用性能与环境协调性的矛盾突出v材材料料使使用用性性能能与与环环境境协协调调性性是是一一对对矛矛盾盾，使使用用性性能能好好的的材料环境协调性
22、往往较差，反之亦然。材料环境协调性往往较差，反之亦然。v无无机机非非金金属属材材料料的的原原料料广广泛泛、工工艺艺多多样样，微微观观结结构构千千变变万万化化，上述矛盾更加，上述矛盾更加突出突出。v例例如如，普普通通陶陶瓷瓷以以粘粘土土、石石英英砂砂等等天天然然矿矿物物为为原原料料，这这些些原原料料只只需需简简单单处处理理即即可可使使用用，烧烧结结温温度度也也较较低低，因因此此环环境境协协调调性性较较好好，但但其其性性能能差差，强强度度一一般般不不高高于于100MPa100MPa，不能够作为结构材料用于机械工程领域。不能够作为结构材料用于机械工程领域。25本讲稿第二十五页，共九十八页v相相反反，
23、先先进进陶陶瓷瓷采采用用超超细细、高高纯纯的的人人工工合合成成原原料料，有有时时还还采采用用化化学学合合成成原原料料，成成型型、烧烧结结、加加工工工工艺艺复复杂杂，排排出出有有害害物物多多，因因此此，环环境境协协调调性性较较差差，但但性性能能优优良良，强强度度能能够够高高于于1000MPa1000MPa，可可广广泛泛用用于于机机械械、化化工工、冶冶金金等等领域。领域。v如如何何兼兼顾顾使使用用性性能能和和环环境境协协调调性性，是是无无机机非非金属材料生态化改造中应首先考虑的问题。金属材料生态化改造中应首先考虑的问题。26本讲稿第二十六页，共九十八页v2)2)制备过程中能耗高制备过程中能耗高v无
24、无机机非非金金属属材材料料生生产产中中都都要要经经过过高高温温煅煅烧烧(烧烧结结)过程，过程，能耗高能耗高。v据据统统计计，19951995年年无无机机非非金金属属材材料料产产业业(矿矿物物采采选选和和材材料料制制造造)能能耗耗为为1.361.36亿亿吨吨标标准准煤煤，占占全全部工业能耗的部工业能耗的14%14%。v我我国国无无机机非非金金属属材材料料产产业业单单位位能能耗耗一一般般是是西西方先进国家的方先进国家的两倍左右两倍左右。v高高的的单单位位能能耗耗不不仅仅消消耗耗能能源源，而而且且是是污污染染物物高高排排放放的的最最直直接接原原因因。因因此此，它它的的生生态态化化改改造造应该从应该从
25、降低能耗降低能耗入手。入手。27本讲稿第二十七页，共九十八页v 3)3)很难再循环利用很难再循环利用v金属材料金属材料可以重新回炉熔炼，可以重新回炉熔炼，热塑性树脂热塑性树脂可以重塑成型，可以重塑成型，热固性树脂热固性树脂也可以回收能源也可以回收能源(燃烧、炼油燃烧、炼油)，但是，无机，但是，无机非金属材料却很难再循环利用。非金属材料却很难再循环利用。v由于无机非金属材料的自身特点，其废弃物由于无机非金属材料的自身特点，其废弃物很难破碎很难破碎，即，即使能够粉碎再利用，其能耗也要比直接使用矿物原料高很使能够粉碎再利用，其能耗也要比直接使用矿物原料高很多，带来更大的多，带来更大的二次污染二次污染
26、。v因此，它的生态化改造考虑的重点应该是因此，它的生态化改造考虑的重点应该是超常寿命化超常寿命化设计设计，尽量提高材料的使用寿命。全面提高无机非金属材，尽量提高材料的使用寿命。全面提高无机非金属材料的循环料的循环(再生再生)利用率和再资源化率是很困难的。利用率和再资源化率是很困难的。28本讲稿第二十八页，共九十八页v 4)4)固体废弃物难处理固体废弃物难处理v无机非金属材料固体废弃物数量特别巨大，再循环利用无机非金属材料固体废弃物数量特别巨大，再循环利用又很困难，因此，目前很多固体废弃物堆积如山，占用又很困难，因此，目前很多固体废弃物堆积如山，占用大量耕地，少量的也多是低附加值利用，如铺路。所
27、以，大量耕地，少量的也多是低附加值利用，如铺路。所以，对固体废弃物的低能耗、高附加值再资源化利用，是无对固体废弃物的低能耗、高附加值再资源化利用，是无机非金属材料生态化改造的难点。机非金属材料生态化改造的难点。29本讲稿第二十九页，共九十八页v 5)5)有毒有害添加剂和排放物问题有毒有害添加剂和排放物问题v无无机机非非金金属属材材料料产产业业有有毒毒有有害害添添加加剂剂和和废废气气、废废水水排排放放物物数量也很巨大。数量也很巨大。v例例如如，19961996年年该该产产业业的的废废气气排排放放量量占占整整个个材材料料产产业业的的约约50%50%，占整个工业排放量的，占整个工业排放量的1 14
28、4。v玻玻璃璃和和一一些些先先进进陶陶瓷瓷工工业业，采采用用大大量量氟氟、铜铜、铅铅、砷砷等等有有毒毒化化合合物物，以以废废水水、废废气气形形式式污污染染环环境境，对对人人体体健健康康也也造成危害。造成危害。v此此外外，由由于于大大多多数数无无机机非非金金屑屑材材料料在在制制造造的的某某个个阶阶段段以以粉粉末形式存在。因此，带来的末形式存在。因此，带来的粉尘污染粉尘污染也很严重。也很严重。30本讲稿第三十页，共九十八页9.2.2 9.2.2 无机非金属材料原料的生态化设计无机非金属材料原料的生态化设计v 1)1)高纯化与复合化高纯化与复合化v原料的原料的高纯化高纯化是先进无机非金属材料的一个是
29、先进无机非金属材料的一个重要发展方向。重要发展方向。v随着纯度的提高，晶界玻璃相和有害杂质减随着纯度的提高，晶界玻璃相和有害杂质减少，材料的少，材料的力学性能力学性能，特别是，特别是耐高温性能耐高温性能显显著提高，这是人们追求高纯度的目的。著提高，这是人们追求高纯度的目的。v此外，对于许多功能陶瓷而言，高纯度是必此外，对于许多功能陶瓷而言，高纯度是必不可少的。不可少的。31本讲稿第三十一页，共九十八页v但是，提高原料纯度，需要增加额外的提纯、但是，提高原料纯度，需要增加额外的提纯、净化工艺，甚至要借助于化学合成，这必然净化工艺，甚至要借助于化学合成，这必然导致导致能源和资源的额外消耗能源和资源
30、的额外消耗。v陶瓷材料制备过程中陶瓷材料制备过程中最主要的污染最主要的污染，正是来，正是来自提纯、净化和化学合成环节。自提纯、净化和化学合成环节。v显然，高纯度与环境协调性有矛盾。这与金显然，高纯度与环境协调性有矛盾。这与金属材料的情况不甚一致。属材料的情况不甚一致。32本讲稿第三十二页，共九十八页v人人为为添添加加多多种种原原料料，最最终终形形成成具具有有多多种种相相结结构构的的复复合合或或复复相相材材料料，是是先先进进无无机机非非金金属属材材料料的的另另一一个个重重要要发发展展方方向。向。v经经过过合合适适的的晶晶界界设设计计和和相相设设计计，复复合合或或复复相相材材料料具具有有单单一组成
31、相所不具备的优良性能。一组成相所不具备的优良性能。v例例如如，部部分分稳稳定定氧氧化化锆锆复复相相陶陶瓷瓷及及纤纤维维增增强强陶陶瓷瓷基基复复合材料合材料，是目前陶瓷领域强度和韧性水平最高的两类材料。，是目前陶瓷领域强度和韧性水平最高的两类材料。33本讲稿第三十三页，共九十八页v与与金金属属材材料料不不同同，多多数数陶陶瓷瓷材材料料的的性性能能对对成成分分的的微微小小变变化化不不敏敏感感。传传统统陶陶瓷瓷自自身身及及其其原原料料几几乎乎全全都都是是复复相相物物质质，成成分分范范围围很很宽宽，再再加加上上陶陶瓷瓷资资源源丰丰富富，废废弃弃物物再再生生制制品品多多用用于于建建材材领领域域，因因此此
32、，复复相相或或复复合合化化对对陶陶瓷瓷材材料料环境协调性带来的危害，没有金属材料严重环境协调性带来的危害，没有金属材料严重。34本讲稿第三十四页，共九十八页v 2)2)天然原料与合成原料天然原料与合成原料v传传统统无无机机非非金金属属材材料料多多使使用用天天然然矿矿物物原原料料，由由于于成成分分范范围围宽宽，常常含含有有有有害害杂杂质质，因因此此，使用性能较差。使用性能较差。v先先进进无无机机非非金金属属材材料料为为实实现现原原料料的的高高纯纯化化和和复合化，多采用合成原料，使用性能优异。复合化，多采用合成原料，使用性能优异。35本讲稿第三十五页，共九十八页v但是，但是，天然原料天然原料直接来
33、自自然界，经过漫长的演化过程，直接来自自然界，经过漫长的演化过程，其组成及存在形式其组成及存在形式与周围环境达到了最佳的协调与稳定与周围环境达到了最佳的协调与稳定，以此制成的制品废弃后，与周围环境也会有较好的亲以此制成的制品废弃后，与周围环境也会有较好的亲和性，不会对水系和土壤造成污染。和性，不会对水系和土壤造成污染。v合成原料合成原料不仅要消耗额外资源和能量，而且会产生有害不仅要消耗额外资源和能量，而且会产生有害污染，最终制成品与环境的亲和性也较差。污染，最终制成品与环境的亲和性也较差。v天然原料性能差，但环境协调性好。合成原料则相反，这一天然原料性能差，但环境协调性好。合成原料则相反，这一
34、对矛盾是使用性能与环境协调性矛盾的重要原因，对矛盾是使用性能与环境协调性矛盾的重要原因，成分设成分设计时必须加以统筹考虑计时必须加以统筹考虑。36本讲稿第三十六页，共九十八页v 综上所述，如何用天然原料和自然环境中含综上所述，如何用天然原料和自然环境中含量丰富的元素，量丰富的元素，通过结构设计和相设计通过结构设计和相设计，制，制备出性能优良的材料，是无机非金属材料原备出性能优良的材料，是无机非金属材料原料生态化改造的方向。料生态化改造的方向。37本讲稿第三十七页，共九十八页9.2.3 9.2.3 无机非金属材料的结构、性能设计和长寿命无机非金属材料的结构、性能设计和长寿命化改造化改造v9.2.
35、3.1 9.2.3.1 性能设计性能设计v 1)1)长寿命化性能设计的原则长寿命化性能设计的原则v(1)(1)以以服服役役条条件件、失失效效分分析析为为依依据据。无无机机非非金金属属材材料料使使用用范范围围广广，服服役役条条件件千千差差万万别别，要要求求的的材材料料性性能能也也不不同同。因因此此，应应该该根根据据无无机机非非金金属属材材料料的的设设计计思思想想，依依据据失失效效分分析析，确确定影响使用寿命的关键性能指标。定影响使用寿命的关键性能指标。38本讲稿第三十八页，共九十八页v(2)(2)将成分设计和结构设计相结合将成分设计和结构设计相结合。某些与化。某些与化学变化有关的性能对材料成分敏
36、感，对结构学变化有关的性能对材料成分敏感，对结构不敏感，相反，大多数力学性能对结构敏感。不敏感，相反，大多数力学性能对结构敏感。但总体来讲，材料的性能是由化学成分和微但总体来讲，材料的性能是由化学成分和微观结构共同决定的。因此，对材料的性能设观结构共同决定的。因此，对材料的性能设计需要计需要将成分设计与结构设计相结合将成分设计与结构设计相结合才能实才能实现。现。39本讲稿第三十九页，共九十八页v 2)2)高温性能设汁高温性能设汁v很很大大一一部部分分无无机机非非金金属属材材料料应应用用于于高高温温领领域域，也也正正是是在在高高温温领领域域无无机机非非金金属属材材料料显显示示出出其其他他材材料料
37、难难以以替替代代的的优优势。势。v(1)(1)高高温温强强度度、抗抗蠕蠕变变性性能能设设计计。良良好好的的高高温温强强度度，是是结结构构材材料料作作为为高高温温承承载载使使用用的的前前提提。下下图图给给出出了了典典型型结结构陶瓷的高温强度特性。构陶瓷的高温强度特性。40本讲稿第四十页，共九十八页陶瓷的高温强度陶瓷的高温强度41本讲稿第四十一页，共九十八页v氧氧化化物物陶陶瓷瓷室室温温强强度度超超过过2000 2000 MPaMPa，但但高高温温强强度度急急剧剧下下降降。SiSi3 3N N4 4陶陶瓷瓷在在13001300以以下下有有良良好好的的高高温温强强度度，SiCSiC的的高高温温强强度
38、度可可以以保保持持到到16001600左左右右。新新近近开开发发的的SiSi3 3N N4 4/SiC/SiC纳纳米米复复合合材材料料，15001500左左右右时时强强度度仍仍能能保保持持在在1000 1000 MPaMPa以上。以上。42本讲稿第四十二页，共九十八页v抗蠕变性能是与高温低应力下使用寿命相关抗蠕变性能是与高温低应力下使用寿命相关的指标。研究表明，无机非金属材料的指标。研究表明，无机非金属材料(陶瓷陶瓷)的蠕变断裂寿命可以下式表示：的蠕变断裂寿命可以下式表示：v式中：式中：为临界应变；为临界应变；为蠕变速率；为蠕变速率；是蠕是蠕变断裂寿命。变断裂寿命。43本讲稿第四十三页，共九十
39、八页v在在少少数数以以断断裂裂为为寿寿命命终终止止条条件件的的情情况况下下，如如要要求求不不高高的的高高温温窑窑具具材材料料，尽尽量量高高的的断断裂裂应应变变特有利于材料寿命的提高。特有利于材料寿命的提高。v多多数数情情况况下下，临临界界应应变变在在没没有有达达到到断断裂裂应应变变时时材材料料已已经经不不能能够够有有效效服服役役，寿寿命命已已经经终终止止，如如陶陶瓷瓷发发动动机机部部件件，临临界界应应变变受受制制于于部部件件之之间间必必要要的的间间隙隙配配合合，这这种种情情况况下下惟惟有有降降低低材材料的蠕变速率料的蠕变速率才能有效提高使用寿命。才能有效提高使用寿命。44本讲稿第四十四页，共九
40、十八页v(2)(2)热热震震抗抗力力设设计计。很很多多无无机机非非金金属属材材料料服服役役于于冷冷热热骤骤变变的的条条件件下下，此此时时决决定定材材料料寿寿命命的的关键因素是热震抗力。关键因素是热震抗力。v无无机机非非金金属属材材料料的的热热震震失失效效大大致致可可分分为为两两大大类类；即即热热震震断断裂裂(thermal(thermal shock shock fracture)fracture)和和热震损伤热震损伤(thermal shock damage)(thermal shock damage)。45本讲稿第四十五页，共九十八页v热热震震断断裂裂是是指指当当材材料料固固有有强强度度不
41、不足足以以抵抵抗抗热热冲冲击击温温差差T T引引起起的的热热应应力力而而产产生生的的材材料料瞬瞬时时断断裂裂；材材料料的的热热震震损损伤伤是是指指在在热热冲冲击击应应力力作作用用下下，材材料料出出现现开开裂裂、剥剥落落，损损伤伤不不断断积积累累，最最终终导导致致碎碎裂裂或或整整体体断断裂裂的的过过程程。显显然然，就就寿命而言，控制因素是热震损伤抗力。寿命而言，控制因素是热震损伤抗力。46本讲稿第四十六页，共九十八页v研究表明，热震损伤抗力参数研究表明，热震损伤抗力参数 可以下式可以下式表示表示v v式中：式中：为断裂韧性；为断裂韧性；为泊松比；为泊松比；为断裂强度。为断裂强度。v可见，对提高热
42、震损伤寿命而言，可见，对提高热震损伤寿命而言，较低的断较低的断裂强度和高的断裂韧性裂强度和高的断裂韧性是有利的。是有利的。47本讲稿第四十七页，共九十八页v(3)(3)抗抗氧氧化化设设计计。非非氧氧化化物物无无机机非非金金属属材材料料在在空空气气中中高高温温使使用用时时，不不可可避避免免地地面面临临氧氧化化问问题题。15001500几几乎乎是是所所有有非非氧氧化化物物无无机机非非金金属属材材料料使使用用的的温温度度上上限限，其其原原因因主主要要在于在于氧化氧化。v氧氧化化问问题题也也阻阻碍碍了了强强韧韧性性极极佳佳的的碳碳纤纤维维、碳碳化化硅硅纤纤维维增增强陶瓷基复合材料在更高温度的使用。强陶
43、瓷基复合材料在更高温度的使用。v通通常常氧氧化化是是一一个个渐渐进进的的过过程程，最最终终导导致致材材料料完完全全失失效效。因因此此，提提高高抗抗氧氧化化能能力力在在许许多多情情况况下下是是延延长长使使用用寿寿命命的关键。的关键。48本讲稿第四十八页，共九十八页v对于致密材料而言，抗氧化性对结构不敏感。对于致密材料而言，抗氧化性对结构不敏感。通常采取的抗氧化手段是在材料表面自生或通常采取的抗氧化手段是在材料表面自生或涂敷涂敷抗氧化膜抗氧化膜，以阻挡对内部材料的氧化。，以阻挡对内部材料的氧化。49本讲稿第四十九页，共九十八页v3)3)强度、韧性、抗疲劳性能设计强度、韧性、抗疲劳性能设计 如如果果
44、无无机机非非金金属属材材料料服服役役中中承承受受连连续续冲冲击击载载荷荷、周周期期性性载载荷荷或或工工作作于于腐腐蚀蚀性性介介质质中中，则则会会发发生生裂裂纹纹的的慢慢速速生生长长过过程程(SCG)(SCG)，从从而而导导致致材材料料延延迟迟断断裂裂(疲疲劳劳)，这这种种现现象象在在玻玻璃璃类类材材料料、氧氧化化物物陶陶瓷瓷、晶晶界界含含有有玻玻璃璃相相的的碳碳化化物物、氮氮化化物物陶陶瓷瓷中中特特别别明明显显。陶陶瓷瓷材材料料的的疲劳寿命可以用下式近似描述：疲劳寿命可以用下式近似描述：v式中：式中：为外加应力；为外加应力；为材料断裂强度；为材料断裂强度；为外加应力强度因子；为外加应力强度因子
45、；为材料断裂韧性；为材料断裂韧性；n n为应力腐蚀指数为应力腐蚀指数(疲劳指数疲劳指数)。上式表明。上式表明较高的强较高的强度、韧性或较大的应力腐蚀指数，可以获得较长的使用寿命度、韧性或较大的应力腐蚀指数，可以获得较长的使用寿命。50本讲稿第五十页，共九十八页v应应力力腐腐蚀蚀指指数数n n的的大大小小反反映映了了材材料料对对疲疲劳劳的的敏敏感感性性，n n越越小小越易发生疲劳破坏。越易发生疲劳破坏。v无无机机非非金金属属材材料料应应力力腐腐蚀蚀指指数数变变化化范范围围很很宽宽，可可以以从从玻玻璃类材料的璃类材料的10-2010-20增加到非氧化物陶瓷的增加到非氧化物陶瓷的100100以上。以
46、上。v需需要要特特别别指指出出的的是是，与与强强度度、断断裂裂韧韧性性不不同同，应应力力强强度度因因子子并并不不能能完完全全看看做做是是材材料料的的性性能能常常数数，除除了了材材料料自身成分、结构自身成分、结构以外，它还对以外，它还对环境介质、载荷形式环境介质、载荷形式很敏感。很敏感。51本讲稿第五十一页，共九十八页v此此外外，研研究究表表明明，某某些些对对增增加加材材料料强强度度、韧韧性性很很明明显显的的手手段段，如如相相变变增增韧韧、微微观观结结构构增增韧韧、第第二二相相增增韧韧，对对应应力腐蚀指数的改变不明显力腐蚀指数的改变不明显。v由由于于应应力力腐腐蚀蚀指指数数的的影影响响是是指指数
47、数关关系系，因因此此，这这些些手手段段不不能能够够像像增增强强、增增韧韧那那样样显显著著改改变变材材料料的的抗抗疲疲劳劳破破坏坏能能力力，材材料料的的疲疲劳劳抗抗力力更更多多地地受受控控于于化化学学组组成成。这这在在提提高高无无机机非金属材料疲劳寿命的研究中是应该充分重视的。非金属材料疲劳寿命的研究中是应该充分重视的。52本讲稿第五十二页，共九十八页v4)4)耐腐蚀、磨损性能设计耐腐蚀、磨损性能设计v在在石石油油、冶冶金金、化化工工等等领领域域应应用用的的无无机机非非金金属属材材料料，很很多多情情况其况其寿命决定于材料的耐腐蚀、耐磨损性能寿命决定于材料的耐腐蚀、耐磨损性能。v尽尽管管从从总总体
48、体上上讲讲，无无机机非非全全属属材材料料的的耐耐腐腐蚀蚀、耐耐磨磨损损性性能能很很优优异异，但但在在腐腐蚀蚀、冲冲刷刷、磨磨损损、高高温温等等严严酷酷条条件件的的联联合合作作用用下下，这这种种逐逐渐渐的的破破坏坏常常常常对对材材料料寿寿命命构构成成关关键键的影响。的影响。v耐耐磨磨损损性性能能主主要要取取决决于于材材料料的的力力学学性性能能，耐耐腐腐蚀蚀性性能能比比较较复复杂杂，与与材材料料化化学学组组成成有有关关，也也与与材材料料的的微微观观结结构构，特特别是晶界结构有关。别是晶界结构有关。53本讲稿第五十三页，共九十八页9.2.3.2 9.2.3.2 结构设计结构设计v 1)1)晶粒设计晶
49、粒设计v(1)(1)晶晶粒粒尺尺寸寸。无无机机非非金金属属材材料料的的许许多多力力学学性性能能与与晶晶粒粒尺尺寸寸关关系系密密切切。强强度度与与晶晶粒粒尺尺寸寸存存在在着着类类似似金金属属材材料料的的ParisParis关系，即晶粒越细强度越高。关系，即晶粒越细强度越高。v晶晶粒粒尺尺寸寸对对传传统统材材料料(耐耐火火材材料料、传传统统陶陶瓷瓷材材料料等等)断断裂裂韧韧性性的的影影响响较较为为复复杂杂。但但对对致致密密精精细细陶陶瓷瓷而而言言，影影响响与与强强度度类类似似，晶晶粒粒越越细细韧韧性性越越好好。因因此此，多多数数情情况况下下，晶晶粒粒超超细，材料室温下的使用寿命越长。细，材料室温下
50、的使用寿命越长。54本讲稿第五十四页，共九十八页v晶粒尺寸对材料高温力学行为的影响与室温晶粒尺寸对材料高温力学行为的影响与室温不同不同.与晶粒尺寸与晶粒尺寸D D的关系为的关系为v 式中式中m m为扩散指数。对应于晶粒扩散和晶界为扩散指数。对应于晶粒扩散和晶界扩散，较大的晶粒尺寸使蠕变速率降低，从扩散，较大的晶粒尺寸使蠕变速率降低，从而提高使用寿命。而提高使用寿命。55本讲稿第五十五页，共九十八页v(2)(2)晶晶粒粒形形状状。从从形形态态上上讲讲，无无机机非非金金属属材材料料的的晶晶粒粒大大致分为三类：致分为三类：等轴晶、柱状晶和片状晶等轴晶、柱状晶和片状晶。v具具有有柱柱状状晶晶和和片片状