硅酸盐岩相分析.ppt
材料岩相分析第一章 绪论,第一章 绪论,材料岩相分析（即材料岩相学）是观测分析无机非金属材料的一门技术基 础课。通过本课程的学习，可以初步了解 掌握无机非金属材料的基本性质及其显微 观测分析方法。,内容主要包括晶体光学基础，矿物及岩石的性质、特点、用途，偏、反光显微镜分析原理，以及无机功能材料、无机结构材料的岩相分析方法。,一.何谓材料岩相学 在无机材料科学领域内，研究金属材料生产工艺的学科，称为冶金学；研究金属材料显微结构的学科，叫作金相学。metallography,1-1 岩相学的概念,研究无机非金属材料生产工艺的学科，称为无机材料工艺学。根据无机材料品种又分有水泥工艺学、玻璃工艺学、陶瓷工艺学、耐火材料工艺学、人造晶体工艺学等。我们在这里，将研究这些无机非金属材料显微结构的学科，叫作岩相学(材料岩相分析)。phase analysis of inorganic nonmetal material,二.显微结构的定义 各种材料内部结构随着所用仪器分辨率的不同将有不同的结构类型和名称。可将材料的结构分类归纳列于表1-1中。,表1-1：材料结构分类及所用观察设备,表1-1：材料结构分类及所用观察设备（续）,可将“显微结构”定义为：在光学或电子显微镜下分辨出的试样中所含相的种类及数量，颗粒的形状、大小、分布取向和它们相互之间的综合特征。,材料岩相分析包括材料制品的相组成鉴定和显微 结构特征研究两部分内容。一.物相组成的分析和鉴定 材料制品的组成相有结晶相、玻璃相和气相三类。分析和鉴定物相组成是材料岩相分析的前提和基础。,1-2 材料岩相分析的研究内容,结晶相的鉴定除玻璃及其制品外，在所有无机材料制品的组成相中都存在有结晶相。结晶相尤其是主晶相又往往决定着制品的理化性能。即使在玻璃及其制品内亦常出现由结晶相构成并直接影响其性能和质量的玻璃缺陷。可见，结晶相的识别和认定是非常重要的。,玻璃相的分析由高温熔体冷凝而成的固态非晶质相称为玻璃相。玻璃相在制品中起着粘结及填充空隙的作用。岩相分析时主要是用光学显微镜测定和研究玻璃相的含量、分布、析晶情况及其与其它相之间的关系。,气相的研究除少数制品不允许气相存在外，在绝大多数制品中均或多或少地含有气相，制品中的气相是以气泡或气孔形式存在的。气相的存在与否以及气孔的形状、大小、含量、分布和连通情况等，对制品的性能、质量及使用均有显著影响，有时起着决定性作用。研究制品中的气孔是不可忽略的工作。,二显微结构特征的研究和测定 形态学研究研究制品中组成相的几何形状及其变化，进一步探究它们与生产工艺及制品性能之间关系的科学，称为形态学。（）晶相形态学研究内容有晶体形态特点、自形程度、集合体形态和细微结构等四方面。,（）固态非晶相形态学主要研究固态非晶相的形状特点、分布情况及与其他物相之间的结合关系。进一步研究非晶态团粒中隐晶质的晶体种类、大小、分布、含量，这可帮助分析原料颗粒配比和热工制度等。它还研究玻璃相的含量和分布以及析晶相种类和形态特点，如对玻璃体内结石形态学特点的研究，可以帮助鉴定晶体结石成因及来源的讨论。,（）气相形态学研究制品中气孔的形状、大小、数量、分布及气孔的贯通情况、存在形式（是晶内气孔还是晶间气孔）等。这些都对制品的性能有极大的影响。,研究物相间的分布 岩相分析时要研究各物相分布的均匀性、取向性、致密程度以及玻璃相、气相与晶相间的分布情况等。制品中物相间的分布情况是制造过程中各种因素作用的综合结果，这直接影响甚至决定着制品的技术性能、质量和使用效果。,研究物相之间结合关系在岩相分析时，要注意研究不同相之间接合的相界结构，还要研究制品中玻璃相与晶相间结合关系以及气孔壁的结构特点等。物相间的结合情况与制品生产过程直接有关，亦显著地影响着制品的技术性能和使用效果。,材料岩相分析的研究对象可归纳为：无机材料制品、使用后残品、其它工业废渣或副产品、无机材料原料矿物等四大类。本课程主要讨论前两类试样的显微结构特征与生产工艺和制品性能及效果之间的关系。,1-材料岩相分析的研究对象,一.工业原料与制品显微结构的关系 制造无机材料所用的工业原料的种类及质量、颗粒尺寸及其配比、原料组成、化学成分的结合形式及结晶程度等，都决定着制品的显微结构、性能和质量。,1.原料的种类 众所周知，工业原料的化学矿物成分直接决定着无机材料制品的相组成和显微结构特征，亦决定了制品的技术性能和用途。例如，在用高熔点矿物为主要原料制造的产品中，多保留着原料的组成矿物，具有耐高温、高强度等性能，适用于制造耐火材料和高温结构陶瓷等。,2.原料的质量 原料的质量不仅影响制品的相组成和显微结构特征，对其性能亦有明显影响，因为任何原料均会有不同的和含数量不等的杂质成分，绝对纯的原料是不存在的。在用不同纯度（即不同质量）的原料所制造的同种制品中相组成及其含量均会存在明显的差异，直接影响制品显微结构和性能。,3.原料的结构 原料的结构特征主要有：结晶程度、化合物形态、颗粒大小、杂质赋存形式等。例如烧制硅酸盐水泥熟料需要一定量的SiO2,但在主原料石灰岩中含有较多的燧石结核时，尽管SiO2含量达到要求，仍无法获得合格的水泥，因为石灰岩中燧石的颗粒粗、硬度大，不易磨细，在烧制过程中反应不完全，使熟料中出现较多的游离氧化钙等。,4.混合料的配方 根据使用性能和生产工艺，每种制品均有一定的化学组成配方要求，这是用不同原料互相配合来满足的。若原料选择不当、配料计算或称量不准、拌和不均匀或配合料在加料过程中发生物料偏析等，均会影响制品的显微结构和性能。,二.热工制度与制品显微结构的关系 制造无机材料的整个高温处理所遵循的温度-时间制度，称为热工制度。熔融型无机材料的热工制度，包括最高熔化温度、保温时间、冷却速度以及热处理制度等；而烧结型无机材料则包括升温速度、最高烧结温度、保温时间及冷却速度。每个环节对制品的显微结构和性能、质量、用途都有直接影响，有时甚至起决定作用。,1.升温速度 升温速度在制造烧结型材料是必须严格控制，因为物料在升温过程中将发生脱水、分解、气体逸出、固相反应、多晶转变、部分物料熔融、固液反应、重结晶等一系列作用和变化。,过快地升温将影响这些作用的充分进行，而且水分及气体过快逸出和多晶转变引起的剧烈体积效应等，会使制品产生较多的裂纹甚至开裂，制品将出现欠烧显微结构，影响其性能和质量；如果升温速度过慢，将造成能源浪费、产量下降，增加了生产成本。,2.最高温度及保温时间 制造熔融型和烧结型无机材料，都有一个合理最高温度及保温时间，因为每种原料均有一个熔点，混合料则有一个低共熔温度和熔融温度范围。每种化学作用都需要一定的温度条件，并有一定的速度，只有达到一定温度并有足够时间才能使这些作用趋于完全。,过高的烧成温度和过长的保温时间，不仅浪费能源，缩短高温炉使用寿命，还会出现过烧显微结构；过低的最高温度或太短的保温时间则达不到烧结目的，产生欠烧显微结构，均无法获得优质产品。,3.冷却速度 熔融型和烧结型无机材料对冷却制度有不同的要求：成型烧结制品要求维持比较慢的冷却速度，使坯体内外比较均匀的冷却，冷却速度过快将造成坯体的炸裂而损坏。,粉料烧结的无机材料（如水泥熟料）则要求比较快的冷却，防止其主晶相发生晶型变化或分解以保证制品质量。熔融型玻璃材料则要求快速冷却，使流动的高温熔体在成型以后能保持成形体形状，并防止玻璃体发生析晶而造成废品。,4.热处理制度 熔融型制品在高温熔体冷却成型凝固后，还需要在某一温度或温度范围内按一定温度-时间制度进行冷却，这称为热处理。热处理目的有三种：玻璃及其制品的热处理称为退火处理，目的是为了消除玻璃体内的残余应力，保证在使用和保存过程中不会产生裂纹或炸裂。,微晶玻璃的热处理主要是为促进非晶态玻璃体内生成晶核并长大成微晶，形成以细小结晶相为主体甚至是全晶质的微晶；熔融结晶制品的结晶种类、晶粒大小、结合关系等都决定于热处理的温度、保温时间及降温速度等。,此外，高温窑炉内的气氛、蒸汽压、气流、外加压力、明火煅烧还是隔焰煅烧等因素，对制品的显微结构、技术性能、使用效果等都有一定影响，有时还相当显著。,综上所述，无机材料的显微结构是生产工艺过程及条件的真实记录，又直接决定着制品的性能、质量和用途。通过显微结构分析研究，既可以指导工业生产，又能为研究制品技术性能、质量和使用效果提供可靠的理论依据，显微结构的核心地位是显而易见的。,
