8.1無機(jī)非金屬類材料生態(tài)化

第八章

無機(jī)非金屬類環(huán)境材料1精選課件本章內(nèi)容概論無機(jī)非金屬材料的生態(tài)化改造無機(jī)非金屬材料零排放與零廢棄制備科學(xué)技術(shù)2精選課件這一大類材料有高熔點(diǎn)、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強(qiáng)度和良好的抗氧化性等根本屬性以及寬廣的導(dǎo)電性、鐵磁性和壓電性。傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料是工業(yè)和根本建設(shè)所必需的根底材料。水泥(硅酸鹽質(zhì)和鋁酸鹽質(zhì))——一種重要的建筑材料；耐火材料(硅質(zhì)、硅酸鋁質(zhì)、高鋁質(zhì)、鎂質(zhì))——與高溫技術(shù)，尤其是鋼鐵工業(yè)的開展關(guān)系密切；3精選課件二、制備無機(jī)非金屬材料的原料及其生態(tài)化改造對(duì)策制備無機(jī)非金屬材料的原料主要有天然礦物原料與人工合成原料兩大類。自然界存在的各種礦物是由構(gòu)成這些礦物的各種元素組成的?，F(xiàn)已探明氧、硅、鋁三種元素的總量約占地殼中元素總量的90%。傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料原料大多直接取自天然礦物，就原料而言環(huán)境負(fù)荷低。天然原料通常雜質(zhì)較多，性能波動(dòng)大。4精選課件地殼中主要元素的蘊(yùn)藏量由以下圖可知，地殼中硅酸鹽和鋁硅酸鹽占明顯優(yōu)勢，它們和其他一些氧化物礦物是制備無機(jī)非金屬材料的最主要原料。5精選課件鑒于較高的性能要求，新型無機(jī)非金屬材料或者采用嚴(yán)格精選的天然原料，或者采用人工合成原料，勢必會(huì)加重環(huán)境負(fù)荷。采用地殼中含量最為豐富的氧化鋁、氧化硅和生物圈、大氣圈中含量豐富并能夠再循環(huán)的碳、氮為主要原料，應(yīng)是無機(jī)非金屬材料原料生態(tài)化的首選。在開發(fā)新型無機(jī)非金屬類生態(tài)環(huán)境材料時(shí)，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，在保證高性能的同時(shí)盡量直接采用天然原料。6精選課件無機(jī)非金屬材料環(huán)境負(fù)荷最大的工藝環(huán)節(jié)是高溫過程和粉碎過程，總體而言，采用以電為熱源的連續(xù)式加熱工藝和閉路粉碎工藝具有較小的能耗和污染。7精選課件四、無機(jī)非金屬類生態(tài)環(huán)境材料設(shè)計(jì)思想與金屬或高分子材料相比，除工藝、性能上的差異外，無機(jī)非金屬材料設(shè)計(jì)思想也有很大不同。研究開發(fā)無機(jī)非金屬生態(tài)環(huán)境材料，必須充分考慮到這些差異。8精選課件對(duì)于金屬材料與高分子材料，一件產(chǎn)品的最終完成可分為材料制備(以金屬材料為例，包括采礦、冶煉、鑄造、軋制到型材出廠等環(huán)節(jié))和產(chǎn)品制造兩個(gè)截然分開的階段，材料工作者僅僅面向材料制備階段，通常不用為最終用戶負(fù)責(zé)。設(shè)計(jì)也分為材料設(shè)計(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)兩個(gè)獨(dú)立的階段，材料工作者負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)制造出具有各種性能(牌號(hào))的材料，產(chǎn)品制造者負(fù)責(zé)選材和產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，相應(yīng)地環(huán)境協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)也分為MLCA和PLCA。9精選課件對(duì)于無機(jī)非金屬材料，由于加工的困難性，通常材料和產(chǎn)品是同時(shí)完成的，材料即是產(chǎn)品，產(chǎn)品即是材料，二者不可分割。材料設(shè)計(jì)貫穿于產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)中，材料工作者直接面向最終產(chǎn)品，對(duì)最終用戶負(fù)責(zé)。因此，無機(jī)非金屬材料的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)模式不同于金屬材料或高分子材料，也不能夠沿用傳統(tǒng)材料與產(chǎn)品相別離的設(shè)計(jì)思想。10精選課件陶瓷材料與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)框圖

經(jīng)過數(shù)十年的材料強(qiáng)度研究，特別是根據(jù)先進(jìn)陶瓷材料強(qiáng)度與材料設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)，我們提出了集材料設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)于一體的新設(shè)計(jì)思想，并在某些陶瓷材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用中取得了成功。該設(shè)計(jì)思想可以下述框圖表示。11精選課件這一設(shè)計(jì)思想的要點(diǎn)在于：首先根據(jù)材料的實(shí)際服役條件開展失效分析，找出產(chǎn)品早期失效或損傷的主要因素，即材料的主要抗力指標(biāo)(或性能指標(biāo))。然后針對(duì)如何提高該性能指標(biāo)，進(jìn)行材料工藝設(shè)計(jì)與材料制備，并進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。對(duì)材料優(yōu)化并到達(dá)性能要求后，再進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造與使用考核。假設(shè)達(dá)不到理想要求，需重復(fù)上述過程，直至成功。上述設(shè)計(jì)思想盡管是從陶瓷材料實(shí)踐中得出的，但由于無機(jī)非金屬材料所具有的共性，其根本思路對(duì)于大多數(shù)無機(jī)非金屬材料具有普通意義。12精選課件無機(jī)非金屬類生態(tài)環(huán)境材料的設(shè)計(jì)，除了要考慮上述設(shè)計(jì)思想以外，還應(yīng)將環(huán)境協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)(LCA)和材料、工藝的生態(tài)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化參加其中，這樣就形成一個(gè)設(shè)計(jì)“雙環(huán)〞，見以下圖。無機(jī)非金屬生態(tài)環(huán)境材料和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)框圖13精選課件無機(jī)非金屬材料的固有特點(diǎn)，MLCA和PLCA是統(tǒng)一的，并貫穿于材料(產(chǎn)品)的設(shè)計(jì)、制造、使用等整個(gè)壽命周期中。需要注意的是，圖中“產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造與檢驗(yàn)〞和“產(chǎn)品使用、考核與評(píng)價(jià)〞都應(yīng)采用包括使用性能評(píng)價(jià)和LCA的“雙指標(biāo)〞評(píng)價(jià)檢測體系。14精選課件9.2無機(jī)非金屬材料的生態(tài)化改造無機(jī)非金屬材料品種繁多，用量巨大，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。由于長期以來對(duì)環(huán)境資源問題重視不夠，生產(chǎn)工藝落后，導(dǎo)致資源、能源和環(huán)境污染問題十分嚴(yán)重。因此，對(duì)無機(jī)非金屬材料的生態(tài)化改造具有十分重要的意義。15精選課件一、傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料的主要生態(tài)環(huán)境問題1.使用性能與環(huán)境協(xié)調(diào)性的矛盾突出材料使用性能與環(huán)境協(xié)調(diào)性是一對(duì)矛盾，使用性能好的材料環(huán)境協(xié)調(diào)性往往較差，反之亦然。無機(jī)非金屬材料的原料廣泛、工藝多樣，微觀結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，上述矛盾更加突出。例如，普通陶瓷以粘土、石英砂等天然礦物為原料，這些原料只需簡單處理即可使用，燒結(jié)溫度也較低，因此環(huán)境協(xié)調(diào)性較好，但其性能差，強(qiáng)度一般不高于100MPa，不能夠作為結(jié)構(gòu)材料用于機(jī)械工程領(lǐng)域。16精選課件相反，先進(jìn)陶瓷采用超細(xì)、高純的人工合成原料，有時(shí)還采用化學(xué)合成原料，成型、燒結(jié)、加工工藝復(fù)雜，排出有害物多，因此，環(huán)境協(xié)調(diào)性較差，但性能優(yōu)良，強(qiáng)度能夠高于1000MPa，可廣泛用于機(jī)械、化工、冶金等領(lǐng)域。如何兼顧使用性能和環(huán)境協(xié)調(diào)性，是無機(jī)非金屬材料生態(tài)化改造中應(yīng)首先考慮的問題。17精選課件2.制備過程中能耗高無機(jī)非金屬材料生產(chǎn)中都要經(jīng)過高溫煅燒(燒結(jié))過程，能耗高。我國無機(jī)非金屬材料產(chǎn)業(yè)單位能耗一般是興旺國家的兩倍左右。高的單位能耗不僅消耗能源，而且是污染物高排放的最直接原因。因此，它的生態(tài)化改造應(yīng)該從降低能耗入手。18精選課件

3.很難再循環(huán)利用金屬材料可以重新回爐熔煉，熱塑性樹脂可以重塑成型，熱固性樹脂也可以回收能源(燃燒、煉油)，但是，無機(jī)非金屬材料卻很難再循環(huán)利用。由于無機(jī)非金屬材料的自身特點(diǎn)，其廢棄物很難破碎，即使能夠粉碎再利用，其能耗也要比直接使用礦物原料高很多，帶來更大的二次污染。因此，它的生態(tài)化改造考慮的重點(diǎn)應(yīng)該是超長壽命化設(shè)計(jì)，盡量提高材料的使用壽命。全面提高無機(jī)非金屬材料的循環(huán)(再生)利用率和再資源化率是很困難的。19精選課件4.固體廢棄物難處理無機(jī)非金屬材料固體廢棄物數(shù)量特別巨大，再循環(huán)利用又很困難，因此，目前很多固體廢棄物堆積如山，占用大量耕地，少量的也多是低附加值利用，如鋪路。所以，對(duì)固體廢棄物的低能耗、高附加值再資源化利用，是無機(jī)非金屬材料生態(tài)化改造的難點(diǎn)。20精選課件5.有毒有害添加劑和排放物問題無機(jī)非金屬材料產(chǎn)業(yè)有毒有害添加劑和廢氣、廢水排放物數(shù)量也很巨大。玻璃和一些先進(jìn)陶瓷工業(yè)，采用大量氟、銅、鉛、砷等有毒化合物，以廢水、廢氣形式污染環(huán)境，對(duì)人體健康造成危害。由于大多數(shù)無機(jī)非金屬材料在制造的某個(gè)階段以粉末形式存在。因此，帶來的粉塵污染也很嚴(yán)重。21精選課件二、無機(jī)非金屬材料原料的生態(tài)化設(shè)計(jì)1.高純化與復(fù)合化原料的高純化是先進(jìn)無機(jī)非金屬材料的一個(gè)重要開展方向。隨著純度的提高，晶界玻璃相和有害雜質(zhì)減少，材料的力學(xué)性能，特別是耐高溫性能顯著提高，這是人們追求高純度的目的。對(duì)于許多功能陶瓷而言，高純度是必不可少的。22精選課件提高原料純度，需要增加額外的提純、凈化工藝，甚至要借助于化學(xué)合成，必然導(dǎo)致能源和資源的額外消耗。陶瓷材料制備過程中最主要的污染，正是來自提純、凈化和化學(xué)合成環(huán)節(jié)。顯然，高純度與環(huán)境協(xié)調(diào)性有矛盾。這與金屬材料的情況不甚一致。23精選課件人為添加多種原料，最終形成具有多種相結(jié)構(gòu)的復(fù)合或復(fù)相材料，是先進(jìn)無機(jī)非金屬材料的另一個(gè)重要開展方向。經(jīng)過適宜的晶界設(shè)計(jì)和相設(shè)計(jì)，復(fù)合或復(fù)相材料具有單一組成相所不具備的優(yōu)良性能。例如，局部穩(wěn)定氧化鋯復(fù)相陶瓷及纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，是目前陶瓷領(lǐng)域強(qiáng)度和韌性水平最高的兩類材料。與金屬材料不同，多數(shù)陶瓷材料的性能對(duì)成分的微小變化不敏感。傳統(tǒng)陶瓷自身及其原料幾乎全都是復(fù)相物質(zhì)，成分范圍很寬，再加上陶瓷資源豐富，廢棄物再生制品多用于建材領(lǐng)域，因此，復(fù)相或復(fù)合化對(duì)陶瓷材料環(huán)境協(xié)調(diào)性帶來的危害，沒有金屬材料嚴(yán)重。24精選課件2.天然原料與合成原料傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料多使用天然礦物原料，由于成分范圍寬，常含有有害雜質(zhì)，因此，使用性能較差。先進(jìn)無機(jī)非金屬材料為實(shí)現(xiàn)原料的高純化和復(fù)合化，多采用合成原料，使用性能優(yōu)異。天然原料直接來自自然界，經(jīng)過漫長的演化過程，其組成及存在形式與周圍環(huán)境到達(dá)了最正確的協(xié)調(diào)與穩(wěn)定，以此制成的制品廢棄后，與周圍環(huán)境也會(huì)有較好的親和性，不會(huì)對(duì)水系和土壤造成污染。合成原料不僅要消耗額外資源和能量，而且會(huì)產(chǎn)生有害污染，最終制成品與環(huán)境的親和性也較差。25精選課件天然原料性能差，但環(huán)境協(xié)調(diào)性好。合成原料那么相反，這一對(duì)矛盾是使用性能與環(huán)境協(xié)調(diào)性矛盾的重要原因，成分設(shè)計(jì)時(shí)必須加以統(tǒng)籌考慮。綜上所述，如何用天然原料和自然環(huán)境中含量豐富的元素，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相設(shè)計(jì)，制備出性能優(yōu)良的材料，是無機(jī)非金屬材料原料生態(tài)化改造的方向。26精選課件三、無機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)、性能設(shè)計(jì)和長壽命化改造1.性能設(shè)計(jì)1)長壽命化性能設(shè)計(jì)的原那么(1)以服役條件、失效分析為依據(jù)。無機(jī)非金屬材料使用范圍廣，服役條件千差萬別，要求的材料性能也不同。因此，應(yīng)該根據(jù)無機(jī)非金屬材料的設(shè)計(jì)思想，依據(jù)失效分析，確定影響使用壽命的關(guān)鍵性能指標(biāo)。27精選課件(2)將成分設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合。

某些與化學(xué)變化有關(guān)的性能對(duì)材料成分敏感，對(duì)結(jié)構(gòu)不敏感，相反，大多數(shù)力學(xué)性能對(duì)結(jié)構(gòu)敏感。但總體來講，材料的性能是由化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)共同決定的。因此，對(duì)材料的性能設(shè)計(jì)需要將成分設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)。28精選課件2)高溫性能設(shè)汁很大一局部無機(jī)非金屬材料應(yīng)用于高溫領(lǐng)域，在高溫領(lǐng)域無機(jī)非金屬材料顯示出其他材料難以替代的優(yōu)勢。(1)高溫強(qiáng)度、抗蠕變性能設(shè)計(jì)。良好的高溫強(qiáng)度，是結(jié)構(gòu)材料作為高溫承載使用的前提。(2)熱震抗力設(shè)計(jì)

很多無機(jī)非金屬材料服役于冷熱驟變的條件下，此時(shí)決定材料壽命的關(guān)鍵因素是熱震抗力。(3)抗氧化設(shè)計(jì)非氧化物無機(jī)非金屬材料在空氣中高溫使用時(shí)，不可防止地面臨氧化問題。1500℃幾乎是所有非氧化物無機(jī)非金屬材料使用的溫度上限，其原因主要在于氧化。29精選課件3)強(qiáng)度、韌性、抗疲勞性能設(shè)計(jì)

4)耐腐蝕、磨損性能設(shè)計(jì)在石油、冶金、化工等領(lǐng)域應(yīng)用的無機(jī)非金屬材料，很多情況其壽命決定于材料的耐腐蝕、耐磨損性能。30精選課件2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1)晶粒設(shè)計(jì)(1)晶粒尺寸無機(jī)非金屬材料的許多力學(xué)性能與晶粒尺寸關(guān)系密切。強(qiáng)度與晶粒尺寸存在著類似金屬材料的Paris關(guān)系，即晶粒越細(xì)強(qiáng)度越高。晶粒尺寸對(duì)傳統(tǒng)材料(耐火材料、傳統(tǒng)陶瓷材料等)斷裂韌性的影響較為復(fù)雜。但對(duì)致密精細(xì)陶瓷而言，晶粒越細(xì)韌性越好。因此，多數(shù)情況下，晶粒超細(xì)，材料室溫下的使用壽命越長。31精選課件

(2)晶粒形狀。

2)晶界設(shè)計(jì)無機(jī)非金屬材料晶界上總是或多或少存在著第二相，這些第二相經(jīng)常以玻璃相形式存在，對(duì)材料的性能，特別是高溫強(qiáng)度、蠕變性能和耐腐蝕性能影響很大。

3)多相復(fù)合設(shè)計(jì)32精選課件(3)纖維、晶須復(fù)合結(jié)構(gòu)是最經(jīng)典的復(fù)合材料制備手段材料的力學(xué)性能優(yōu)異，斷裂韌性也是幾種復(fù)合結(jié)構(gòu)中最高的。這類復(fù)合材料目前存在兩個(gè)問題限制了其應(yīng)用范圍：第一，工藝上較復(fù)雜，除了玻璃基體外，很難制得完全致密的材料；第二，由于目前可供選擇的無機(jī)纖維、晶須種類有限，材料在氧化型氣氛下的高溫性能降低較大。33精選課件(4)智能自修復(fù)結(jié)構(gòu)屬于機(jī)敏材料(smartmaterials)中的一種。其中的一個(gè)例子是用裝有修復(fù)液體的空芯纖維增強(qiáng)混凝土復(fù)合材料。當(dāng)混凝土局部開裂時(shí)，纖維中的液體流出，侵入裂紋縫隙并凝固，以到達(dá)修復(fù)作用，延長材料使用壽命。這種材料已應(yīng)用于混凝土大壩。34精選課件四、與應(yīng)用有關(guān)的無機(jī)非金屬材料生態(tài)化改造和宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了材料自身?xiàng)l件之外，無機(jī)非金屬材料的生態(tài)化改造還涉及應(yīng)用方式。合理的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠充分發(fā)揮材料作用，提高其壽命，這是其生態(tài)化改造的重要方面。在選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面注意合理性，以節(jié)約、夠用為原那么。35精選課件傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料脆性大、可靠性低，因此，目前多用充裕強(qiáng)度和大的平安系數(shù)來進(jìn)行宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)缺乏對(duì)破壞機(jī)理的深刻認(rèn)識(shí)時(shí)，大的平安系數(shù)也不一定平安。例如材料的疲勞破壞和低應(yīng)力蠕變斷裂。通過對(duì)破壞機(jī)理和失效原因的分析，找到影響壽命的關(guān)鍵控制因素，再結(jié)合合理的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，那么可能以盡量少的材料獲得足夠的平安性。36精選課件9.3無機(jī)非金屬材料零排放與零廢棄制備科學(xué)技術(shù)無機(jī)非金屬材料的排放和廢棄有兩個(gè)特點(diǎn)：第一，大多數(shù)無機(jī)非金屬材料生產(chǎn)中的排放與高的能耗有密切聯(lián)系，降低制備中的能耗是控制排放的關(guān)鍵；第二，無機(jī)非金屬材料固體廢棄物數(shù)量特別巨大，對(duì)其再循環(huán)和再利用是控制廢棄的關(guān)鍵。37精選課件一、無機(jī)非金屬材料的低能耗、少污染制備技術(shù)1.免燒和低溫固結(jié)技術(shù)無機(jī)非金屬材料一般都有高溫?zé)Y(jié)過程，這一過程占制備中能源消耗的70%左右。如果降低燒結(jié)溫度，甚至采用免燒技術(shù)，那么能顯著降低能耗和污染排放。38精選課件2.快速燒結(jié)技術(shù)降低燒結(jié)溫度是有局限性的，一方面多數(shù)無機(jī)非金屬材料必須在高溫下才能固化，另一方面低的燒結(jié)溫度通常也降低使用溫度，有時(shí)還含有水和其他易分解物質(zhì)，限制材料使用領(lǐng)域。因此，通過縮短高溫?zé)Y(jié)過程來降低能耗的技術(shù)適用面更廣，其中兩個(gè)典型技術(shù)是微波燒結(jié)和爆炸燒結(jié)。