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我国陶瓷原料矿物资源十分丰富,陶瓷原料矿点分布遍及全国各省、市、自治区.我国陶瓷企业在长期的开发利用实践中,积累了丰富的技术与经验,创造出很大的经济效益,其概述如下.陶瓷粘土：如依据最新统计资料,全国已经探明的陶瓷粘土矿床达到180余处.其中高岭土矿床,湖南占全国的29%,其次有江苏、广东、江西、辽宁、福建等省,探明的储量均达到1000万吨以上.福建省龙岩发现了我国目前最大的高岭土矿,其储量高达5400万吨.瓷石的储量以江西和湖南最多,湖南醴陵马泥沟的储量达到1亿吨.陶土的储量中以新疆为最,仅塔士库一地陶土矿储量就达到1.7亿吨.另外还有吉林、江苏、江西等省集中了全国75%的陶土储量.作为可塑性陶瓷原料的粘土,可用于陶瓷坯体、釉色、色料等配方.高岭土原料除了用于生产陶瓷产品外,还被广泛用于造纸工业以及建筑材料中涂料的填料等多种用途.石英：石英在地球上储量多,在陶瓷工业中属于非可塑性陶瓷原料,可用于陶瓷产品的坯体、釉料等配方.我国优质石英资源储量丰富,以湖南、江西、河北、福建等省最丰富.它们通常以水晶、脉石英、石英岩、石英砂岩、石英砂、燧石、硅藻土、海卵石及粉石英等形式存在.石英的化学成分主要是二氧化硅.石英是陶瓷坯体中的主要原料,它可以降低陶瓷泥料的可塑性,减小坯体的干燥收缩,缩短干燥时间,防止坯体变形.在烧成中,石英的加热膨胀可以部分抵消坯体的收缩；高温时石英成为坯体的骨架,与氧化铝共同生成莫来石,能够防止坯体发生软化变形；石英还能提高瓷器的白度与半透明度.石英在釉料中能够提高釉的熔融温度与粘度,减少釉的膨胀系数,也能够提高釉的机械强度、硬度、耐磨性与耐化学腐蚀性.熔剂原料：通常指能够降低陶瓷坯釉烧成温度,促进产品烧结的原料.陶瓷工业常用的熔剂原料有长石 钾长石、钠长石 、方解石、白云石、滑石、萤石、含锂矿物等.我国长石资源分布于江西、湖南、福建、广西、广东、河南、河北、辽宁、内蒙等地.烧成前长石属于非可塑性原料,可以减少坯体收缩与变形,提高干坯强度.长石是坯釉的熔剂原料,在坯体中占有25%含量；在釉料中占50%的含量.长石的主要作用是降低烧成温度；在烧成中长石熔融玻璃可以充填坯体颗粒间空隙,并能促进熔融其他矿物原料；长石原料还可以使坯体质地致密,提高了陶瓷制品的机械强度、电气性能与半透明度.在各种陶瓷产品中,长石是一种不可缺少的常用的陶瓷原料.碳酸盐类熔剂原料：作为主要的陶瓷熔剂原料,碳酸盐类熔剂原料品种非常多.它们有碳酸钙、方解石、大理石、白云石、菱镁矿 碳酸镁 、石灰岩等.碳酸盐类熔剂原料在我国分布面积很广.如方解石、石灰石,我国各地均有出产.石灰岩分布我国北方河北、内蒙、山西、陕西与大西南的四川、云南、广西、贵州等省区；出产方解石的地区有湖北鄂西咸丰、江西萍乡与景德镇、湖南湘潭；菱镁矿的主要产区集中在辽宁海城与营口,储量占全国80%以上,约为世界产量的四分之一.此外山东、河北、四川、甘肃、西藏、青海都产出菱镁矿原料.碳酸盐类熔剂原料的主要成分碳酸钙在陶瓷坯釉料中主要是发挥熔剂作用.尤其在陶瓷面砖中,使用石灰石、方解石、大理石,其用量在5～15%之间.用于釉料中可以增加釉的硬度与耐磨度；增加釉的抗腐蚀性；降低釉的高温粘度与增加釉的光泽度等优点.碳酸盐类熔剂原料在建筑卫生陶瓷产品中使用很多.镁硅酸盐类原料：产地有辽宁、山东、内蒙、广西、湖南、云南等地.该类原料主要有滑石、蛇纹石及镁橄榄石.滑石在陶瓷工业中用途范围很广,可以生产白度高,透明度好的高档日用陶瓷产品、电瓷、及特种陶瓷制品.建筑卫生陶瓷坯料中加入滑石后,可以降低烧成温度,扩大烧成范围,提高产品的半透明与热稳定性.滑石加入到釉料中时,能够防止釉面的开裂,增加釉料的乳浊性.并能扩大釉料的烧成范围,提高成品率.此外还有广东的萤石、霞石、锆石英,新疆的含锂矿物,东北地区的透辉石,遍布全国许多地区的硅灰石及磷酸盐类原料等,在我国的储量均非常丰富,许多原料可供使用上千年或上万年.这一资源优势既能够为继续推动我国陶瓷发展打下基础,又为我国发展陶瓷原料大批量出口,创造了丰厚的条件.来源：参考资料：
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扫描下载二维码无机材料科学基础
&&&&―&&&―&&第十一章 无机材料的环境效应
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&第十一章
第十一章 无机材料的环境效应
11.3 &无机材料的再生与利用
一、无机材料的可持续发展原则
&&&&（1）开发节约资源、低污染的生产流程。
&&&&（2）发展环境友好材料。
&&&&（3）开发高性能、长寿命材料是节约资源、减少污染最有效的途径。
&&&&（4）用新技术改造无机材料生产流程。
二、无机材料生命周期评估和生态设计
（一）陶瓷材料的生命周期评估
&&&&生命周期评估（Life Cycle
Assessment， LCA）。如表11-1所示。
表11-1& 陶瓷类和一般材料制造阶段能耗及CO2排放量
能耗（103kJ/kg）
CO2排放量（kg/kg）
&&&&客观反映LCA，应当在材料组装后，进行产品的功能单位计算。材料制造的LCA计算是提供其计算的基础。
（二）陶瓷生态设计
1．陶瓷生态设计
（1）设计内容
&&&&长寿命设计、功能设计、节能设计
（2）设计重点
&&&&使用阶段降低环境负载。
（3）陶瓷生态功能的改善
&&&&通过材料微观变化来体现。
&&&&1）调节材料的组成，使不同相在微观级复合，形成不同性质的晶界面等；
&&&&2）改变工艺条件，包括原料物化性能和状态、加工成型、烧结状态和成品加工条件等。
（4）设计方法
&&&&以高温长寿命结构陶瓷为例：
&&&&1）了解陶瓷高温氧化破坏和高温应力破坏的显微结构
&&&&2）提高陶瓷断裂韧性
&&&&① 通过相变增韧；
&&&&② 自生复合陶瓷；
&&&&③ 纳米复合陶瓷；
&&&&④ 强化复合陶瓷
三、环境协调无机材料
（一）陶瓷生产生态化
&&&&&&& 1．陶瓷烧成阶段的节能
&&&&表11-2为烧成陶瓷不同连续式窑炉的对比，从中可以得到辊道窑是热效率最高的一种窑形，目前辊道窑总体向高温、宽截面、大型化方向发展。
表11-2& 烧成陶瓷不同连续式窑形的对比
旧式隧道窑
隔焰隧道窑
新型宽体隧道窑
2．低环境负载的陶瓷工艺和技术
&&&&（1）软溶液工艺
&&&&由日本学者吉村昌弘提出，指采用环境负载最少的水溶液类工艺制取陶瓷和复合材料等高功能材料。如图11-12所示为各种材料合成中的压力―温度图解，表明水溶液法具有环境负载低的优点。由表11-3软水溶液工艺的特点和作用，说明比起固相、气相或真空系统有更多的优点。
图11-12& 材料合成中的P-T图解
表11-3& 软水溶液工艺的特点和作用
工& 艺& 特& 点&
条件温和（温度、压力）
有利于降低环境负载
低能耗（不需要真空或等离子体化）
低成本（不需要特殊药品、特殊设备）
密闭系统（能加料、输送、反应、分离、循外）
非平衡状态，也生成准稳定相
有利于产生新材料、新功能
不受形状、大小限制
溶液态具有均匀性、选择性、加速性
多样性（溶媒、溶质、添加剂、基材可以是有机、无机、金属）
体系的需要
有利于产生新材料、新功能
激发可能性（热、光、电、超声波、机械、络合物、生物）
从原子（离子）水平到粒子
避免真空、电子束等系统复杂性
&&&&从溶液直接制造陶瓷的方法：
&&&&基材A成分和溶液B成分在具有氧的界面反应生成ABO2复合氧化物。溶液和基材的反应要有热、电、光的激发，即水热反应、电化学反应、光化学反应等。在溶液反应中可以利用溶解、析出、氧化、还原，水解，离子交换，螯合等物化过程或酶反应和生物反应，见图11-13所示。
图11-13& 从多成分材料的流体直接制造方法
&&&&软溶液工艺举例
&&&&（1）荧光陶瓷膜AWO4（A＝Ca、Sr、Ba）的常温合成；
&&&&（2）BaTiO3、SrTiO3薄膜水热电化学合成；
&&&&（3）热水法在TiAl上的SrTiO3涂层；
&&&&（4）热水法在SiC纤维的碳涂层；
&&&&（5）磷灰石晶须的水热法合成；
&&&&（6）热水热压法在200~300℃制造的很多陶瓷（包括从Si、TiO2到焚烧灰、放射性废弃物为原料）。
&&&&（7）采用溶液电化学法合成锂电池电极材料LiNiO2。
&&&&3．原料绿色化
&&&&（1）合理开发利用各种工业废渣、低品位原料乃至各种污泥来生产建筑陶瓷，不仅可直接降低产品成本，而且提高了社会效益和环境效益；
&&&&（2）利用矿物原料或工业矿渣制备色料，减少有毒有害原料的使用。
（二）新型陶瓷生态材料
&&&&陶瓷生态材料：通过改变陶瓷的化学成分和微观结构研制新材料或改进现有材料，使之成为具有高性能、高功能，用以取代其他高能耗、寿命短等环境负载高的材料。
&&&&现代陶瓷材料的功能和应用简介见表11-4。
表11-4& 现代陶瓷材料的功能和应用简介
氧 化 物 陶 瓷
电气、电子功能
&&&&Al2O3，BeO
&&&&BaTiO3，TiO2
&&&&电容器
&&&&Pb（Zrx，Tix）O3
&&&&ZnO，SiO2
&&&&震荡器、点火元件、表面弹性
&&&&波延迟元件
&&&&Zrx Mnx Fe2O3
&&&&记忆运算元件、磁芯&
&&&&ZnO-Bi2O3
&&&&电阻元件、气体传感器、可变电阻
离子导电性
&&&&BaTiO3，β-Al2O3，
&&&&稳定化ZrO2
&&&&NaS电池，氧传感器
&&&&Al2O3，ZrO2
&&&&研磨材料、切削工具
&&&&荧光体
&&&&Na灯套管&&&&&
&&&&光学偏光元件
&&&&SiO2，多成分系统玻璃
&&&&耐热结构材料
TiO2，CaO . n SiO2，ZrO2
&&&&绝热材料&
核能相关功能
&&&&核燃料
&&&&减速材料
电气、电子功能
&&&&C，SiC，AlN
&&&&SiC，MoSi
&&&&发热体
&&&&可变电阻、避雷器
电子放射性
&&&&电子枪用热阴极
&&&&B4C，金刚石
&&&&耐磨耗材料
&&&&C-BN，TiC，WC，TiN
&&&&切削工具
&&&&Si3N4& ，SiC
&&&&耐热，耐腐蚀材料，发动机
&&&&C，MoS2，h-BN
&&&&高温轴承润滑剂
&&&&AlON，含氮玻璃
&&&&集光材料&&&
&&&&SiC，Si3N4 ，h-BN，C
&&&&各种耐热材料
&&&&SiC，C
&&&&各种耐热材料&
&&&&SiC，C，AlN
核能相关功能
&&&&SiC，C
&&&&核燃料
&&&&核燃料包覆材料
&&&&减速剂
&&&&控制材料
生物化学功能
&&&&h-BN，TiB，Si3N4
&&&&SiC，C
&&&&蒸汽容器，泵材，其他各种耐腐蚀材料
1. 结构陶瓷
&&&&现代结构陶瓷则具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、高硬度、低膨胀系数、高导热性和质轻等优点，被广泛应用在能源、石油化工、空间技术等领域。
&&& （1）能源材料
&&&&能源材料是指提高能源设备效率和节约能源的材料。氮化硅、碳化硅陶瓷、赛隆（Sialon）陶瓷、陶瓷纤维增强合金以及陶瓷颗粒弥散增强合金，具有导热系数低、耐高温性能，可提高能源利用率，减少大气污染，是可以承担氧化物陶瓷和金属材料无法胜任条件下使用的材料。表11-5是对300kW发电规模气体涡轮机的热效率和二氧化碳排放量分析，采用金属制涡轮机热效率为20％，而陶瓷涡轮机叶的涡轮机耐高温，入口温度可达到1350℃，所以热效应可提高到42％，二氧化碳排放量可减少50％以上。
表11-5& 300kW发电规模气体涡轮机的热效率和二氧化碳排放量分析
金属制气体涡轮机
陶瓷制涡轮机叶（再生式）
液化天然气
液化天然气
涡轮机入口温度（℃）
热效率（％）
CO2产生量（kg/月）
发电单耗（kcal/kW•h）
CO2产生量（g/kW•h）
&&&&注：CO2产生量是以1日24 h运转30天，换算成碳计算；液化天然气按主要成分甲烷89％，乙烷5％，丙烷5％，丁烷1％核算。
&&&&陶瓷发动机的优点：不需要冷却水系统，因而重量轻，体积小，故障率低。耐热陶瓷还可以用在高温发热炉、高温反应器、核反应堆吸收热中子控制棒，高导热性陶瓷可用于作大规模和超大规模集成电路的散热片。
（2）长寿命材料
&&&&材料的长寿命化是减轻环境负荷的有效措施，传统陶瓷材料作为日常用品除具有脆性和不耐冲击外基本上是长寿命材料。现代陶瓷具有更高的理化性能，被广泛地应用在要求长寿命的设备和部件中。
（3）纳米陶瓷材料
&&&&纳米陶瓷是指显微结构中的物相具有纳米量级尺度的陶瓷材料，即包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等均在纳米量级上，包括纳米陶瓷粉体、单相和复相的纳米陶瓷、纳米-微米复相陶瓷和纳米陶瓷薄膜。
&&&&纳米陶瓷粉体的比表面巨大，烧结时的扩散速度大，烧结速度加快，缩短了烧结时间，节省能源。纳米陶瓷材料从根本上改变了材料的结构和制造技术，可望能够清洁生产，产品具有高生态性能，例如，使用寿命长、降低能源消耗及能够净化和修复环境，具有广阔的前景。
2. 环境净化和修复陶瓷材料
（1）催化剂载体陶瓷
&&&&氧化物陶瓷由于其具有热膨胀系数小，抗热震性，热容量小等特点，制成蜂窝状陶瓷、泡沫陶瓷、陶瓷纤维，表面积大，成为优秀的高温催化剂载体。
（2）陶瓷过滤器
&&&&陶瓷过滤器具有耐高温性能，处理高温废气有特殊的优点，使用时不需要冷却装置。核能发电排放出大量放射性废物，燃烧物的高温废气均可通过以碳化硅制成的约40μm孔径陶瓷过滤器过滤固体颗粒，使废气净化后排放。
&&&&& （3）陶瓷分离膜
&&&&陶瓷分离膜可以在高温下高效率的分离二氧化碳，分为控制孔径型和表面改性型。
（4）二氧化碳吸收陶瓷
&&&&二氧化碳吸收陶瓷采用锆酸锂，与二氧化碳呈可逆反应，在500℃附近与氧化锂反应，700℃以上发生逆反应，分解出二氧化碳。可在300℃以上反复使用，按体积比二氧化碳可吸收520倍（见表11-6）。二氧化碳吸收陶瓷可在发电厂排放高温燃烧气体中用于吸收器材料，吸收装置可小型化，可以通过切换装置连续分离。
表11-6& 氧化碳吸收陶瓷和现有技术的比较
单位体积吸收倍数
气体选择性（对氢、氮）
锆酸锂陶瓷
400―7000C
500以上（确认400）
仅分离二氧化碳，分离完全
一般陶瓷工艺，容易制造
仅分离二氧化碳
一般陶瓷工艺，容易制造
化学吸收（液体）
仅分离二氧化碳，分离完全
合成有机物，制造不困难
原理不同，不能比较
温度越高选择性越低
微孔薄膜制造困难
（5）环境除臭材料
&&&&以方石英和火山灰为主要成分的陶瓷吸附材料具有吸臭、吸湿和增加活性等特性，可用于包装袋、尿布等用品。以铂-氧化铝或铂-堇青石为催化剂用于除臭装置，具有恶臭的可燃性有机物质通过预热到150~300℃的蜂窝状铂催化剂于空气混合燃烧除臭。这种除臭装置可广泛用于化工厂、印刷、涂料施工、食品、畜产等部门。&&&
（6）降低噪音节料
&&&&多孔陶瓷具有阻尼作用，可以使高速排气管的排气速度降低。如排气速度降低1/2，则噪音降低24dB。
四、无机材料的再生与利用&&&
（一）烧成废品的再利用
&&&&如图11-14为烧成废品的利用举例。
图11-14& 烧成废品的利用举例
&&&&（1）吸音材料。废料粉体、熟料和助熔剂混合，成型和烧成，生成多孔吸音材料，根据粉碎粒度和性能调节气孔量和孔径，达到要求的吸音性能。
&&&&&&& （2）吸附材料。利用熟料的吸附能力，可吸附放射性废弃物中的放射性离子。烧成熟料对放射性离子有隐蔽能力。
&&&&&&& （3）透水材料。制造方法和吸音材料相同，可以制作地砖等。
&&&&&&& （4）过滤材料。与有机过滤材料相比，有耐药品性、耐热、长寿命等优点。&&&
&&&&&&& （5）作为原料再利用。废陶瓷微细粉体在坯料配制中加入5％~10％作为原料使用。作原料用废陶瓷，要求洁净、分类保管。
&&&&&&& （6）用做助熔剂。废陶瓷微细粉体用做耐火性能相对高的建材和低级耐火材料的助熔剂。
&&&&&&& （7）骨材。在耐火高的（1500℃以上）湿法瓷器熟料利用其作为骨料。湿法成型坯料使用骨材可以减少烧成收缩率和干燥收缩率，保证骨料尺寸稳定性。
&&&&（8）农药载体。将不吸水的瓷器熟料粉碎，用做农药载体。
（二）污泥、未烧成废料的再利用
&&&&如图11-15是污泥利用的方向。
图11-15& 污泥利用的方向
（三）废水的再利用
&&&&废水处理系统见图11-16。
&&&&在陶瓷行业积极实施清洁生产，提高资源利用效率，减少和避免污染物的产生，保护和改善环境，保障人体健康，促进行业可持续发展等具有十分重要的意义。
图11-16& 建筑卫生陶瓷工业废水处理系统
&&&&无机材料的腐蚀是由于环境包括高温腐蚀、液体腐蚀、气体腐蚀、固体腐蚀等侵蚀无机材料，形成了反应产物。其中无机材料的化学成分和矿物组成、表面自由能、孔隙和结构对材料的腐蚀带来较大的影响。不同环境状况下对结构不同的无机材料性能的影响各不相同。
&&&&无机材料的疲劳主要是由于承受变动载荷或反复承受应力和应变，即使所受的应力低于屈服强度，也会导致材料裂纹萌生和扩展，导致构件材料断裂而失效，或使其力学性质变坏的现象。无机材料疲劳破坏过程一般包括裂纹萌生、裂纹扩展和最终断裂三个组成部分。裂纹萌生是材料疲劳破坏的关键，裂纹扩展是材料疲劳破坏的进一步发展。无机材料的高温蠕变过程包括高温蠕变损伤的发育过程和蠕变裂纹的扩展过程，指出蠕变损伤的发育过程表现为晶界空腔的成核、生长及连通等三个特征阶段，空腔的成核是蠕变损伤的发育过程最关键的阶段，并从理论分析给出空腔成核速率的计算方法。在蠕变裂纹扩展机理中，较有代表性的蠕变裂纹扩展模型有Chuang蠕变裂纹扩展模型，Cao等人的蠕变裂纹扩展模型及Thouless-Evans的蠕变裂纹扩展模型，分别给出三种模型的裂纹扩展速率的计算方法。
&&&&通过对无机材料生命周期评估和生态设计，提出无机材料的长寿命设计、功能设计和节能设计，从降低环境负载、节约能源、环境保护和净化环境等方面介绍了环境协调材料的特征及工艺技术，无机材料的再生与利用，为无机非金属材料工业的可持续发展奠定基础。陶瓷选修课复习重点_百度文库
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