无机材料科学基础
第五节 专业相图
单元系统专业相图
SiO2系统相图 ZrO2系统相图 C2S系统相图 CaO－SiO2系统相图 Al2O3－SiO2系统 MgO－SiO2系统 Na2O－SiO2系统
二元系统专业相图
三元系统专业相图
CaO－Al2O3－SiO2系统 K2O－Al2O3－SiO2系统 MgO－Al2O3－SiO2系统 Na2O－CaO－SiO2系统
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（3） 由组成估计其液相量 如在1600℃、Al2O3＝5.5～72％范围内，用杠杆规 则确定的组成于液相量的对于关系如下：
Al2O3％ 液相％
10 96
20 80
30 64
46 40
72 0（痕量）
（4） 由液相线的倾斜度判断液相量随温度变化情况
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（二） CaO－SiO2系统相图
（四） Na2O－SiO2系统
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（1） Na2O－SiO2系统中生成的化合物有：
N2S、NS、NS2、N3S8 （2）生成化合物的性质： 一致熔融化合物：NS、NS2 不一致熔融化合物：N2S、N3S8
（3）划分分二元系统：
Na2O－NS分二元系统 NS－NS2分二元系统 NS2－SiO2分二元系统 （4）分别讨论各分二元系统：
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2、 CS －C2S分二元系统
有一个不一致熔融化合物 C3S2 低共熔点E：1460℃ 转熔点F： 1464℃
LF C2 S C3S2
晶型转变：1125℃
CS CS
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3、 C2S － CaO分二元系统
低共熔点H：2050℃ LH C3S C2 S
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多晶转变体积效应： 物质在发生多晶转变时，由于其内部结构发生
了变化，所以必然伴随着体积的变化，即多晶 转变
时存在体积效应。
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2、SiO2相平衡
图 6-17
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在硅酸盐制品中，SiO2常以介稳态晶相出现 β－方石英、β磷石英和 γ－磷石英虽然都是 低温下的热力学不稳定态，但由于它们转变为热 力学稳定态的速度极慢，实际上可以长期保持自 己的形态。
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1、 SiO2 －CS 分二元系统
低共熔点： C 点、TC＝1436℃，组成为37％CaO 液相分层：富SiO2液相区 多晶转变：
石英 磷石英 CS CS 磷石英 方石英
为什么在硅砖生产中可以采取 CaO作矿化剂，而不严重影响其 耐火度？
滑石 —— 偏滑石
粘土 —— 偏高岭土
1）滑石瓷：主晶相 MS 2）堇青石瓷：M2A2S5 3）低损耗滑石瓷 4）镁橄榄石瓷：M2S
（2）微晶玻璃
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本章重点：
三元系统相图的分析：
连线规则、切线规则、三角形的性质（重心原理）、 初晶区规则、三角形规则、杠杆规则、副三角形划分原则
专业相图分析及应用：
液相线、相区、无变点性质
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三、三元系统专业相图
（一） CaO－Al2O3－SiO2系统
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CaO－Al2O3－SiO2系统相图
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1、相图介绍
1）判断化合物的性质：共有十个二元化合物、二个三元化合物
一致熔融二元化合物： CS、 C2S、C12A7、A3S2
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（2）对压电材料制备的指导作用
图 6-17
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（二） ZrO2系统相图 相图分析：
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相图应用:
（1）ZrO2制品在烧成过程中开裂
生产上：加入稳定剂，6～8％CaO和15％Y2O3。 （2）增韧陶瓷
PSZ（部分稳定二氧化锆材料）
利用四-ZrO2方向单斜-ZrO2转变时体积膨胀
不一致熔融化合物： MS
（3）划分分二元系统： MgO－M2S 分二元系统； M2S － SiO2 分二元系统。 （4）分别讨论各分二元系统：
液相线、相区、无变点性质
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2、MgO－SiO2系统相图应用
（1）MS晶型转变
原顽火辉石 加热： 顽火辉石
1260℃
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2、高钙区CaO－C2S－C12A7
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3、 CaO－Al2O3－SiO2系统相图应用
（1）硅酸盐水泥配料范围的选择
水泥的配料组成（化学组成wt％）： 原料 成份 石灰石 CaO 粘土 Al2O3 SiO2 Fe粉 Fe2O3
wt％
60～67
5～7
20～24
4～6
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二、二元元系统专业相图
复杂相图研究方法： （1）系统中生成化合物的个数； （2）生成化合物的性质：一致熔融、不一致熔融； （3）根据一致熔融化合物，将系统划分为若干简单 的分二元系统； （4）分别讨论各分二元系统：液相线、相区、无变 点性质
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（一） Al2O3－SiO2系统
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（四）MgO－Al2O3－SiO2系统
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1、相图介绍
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本系统中，各组分氧化物及多数二元化合物熔点都
很高，但三元无变点T降低，∴不同二元系列的耐火材 料不应混合使用，否则，会降低液相出现温度及耐火度
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2、相图应用
（1） 镁质陶瓷 原料：
定性和强度不能满足使用要求。
（2）分析玻璃生产中产生失透现象的原因
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（三） K2O－Al2O3－SiO2系统
1、相图介绍
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2、相图应用 ——长石质陶瓷
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配料三角形与产物三角形
配料组成：粘土、长石、石英 矿物组成：莫来石、石英、长石
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（1） CaO－SiO2系统中生成的化合物有： CS、C3S2、C2S、C3S （2）生成化合物的性质： 一致熔融化合物： CS、 C2S 不一致熔融化合物： C3S2、C3S （3）划分分二元系统： SiO2 －CS分二元系统；
CS－C2S分二元系统；
C2S － CaO分二元系统。 （4）分别讨论各分二元系统：
SiO2系统相图、CaO- SiO2系统相图、Al2O3- SiO2系统
相图、MgO- SiO2系统相图、CaO-Al2O3- SiO2系统相图、
Na2O-CaO- SiO2系统相图、K2O- Al2O3- SiO2系统相图
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一、单元系统专业相图及应用
（一） SiO2系统相图
1、 SiO2的多晶转变
石英 磷石英 方石英 熔体
870 C 1470 C 1723 C
573℃
160℃
268℃
－石英
－磷石英
117℃
－方石英
磷石英
一级变体间的转变：重建型转变 二级变体间的转变：位移型转变
30～48
48～90 70～72 > 90
莫来石、方石英、磷石英
莫来石、少量硅氧晶体及玻璃相 莫来石、玻璃相 刚玉、玻璃相
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（2） Al2O3含量对硅质耐火材料性能的影响
随Al2O3含量的增加，引起材料耐火性能的变化
如：硅砖 在硅砖生产和使用过程 中，要严防Al2O3的混入，
否则，硅砖耐火度会下降。
生成一个一致熔融型化合物A3S2（莫来石）
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Al2O3－SiO2系统相图应用： —— 硅铝质耐火材料 （1）硅铝质耐火材料分类及相应矿物组成
材料 Al2O3wt％ 主要矿物相
硅质
半硅质
<1
15～30
磷石英、方石英、玻璃相
方石英、磷石英、少量莫来石及玻璃相
粘土质
高铝质 莫来石质 刚玉质
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（2）烧成
非平衡加热过程
（3）冷却 不同的冷却制度，水泥熟料的相组成和含量不同
平衡冷却：
急冷： 介于两者之间：——独立析晶
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（二） Na2O－CaO－SiO2系统
1、相图介绍
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2、相图应用 —— 钠钙硅酸盐玻璃
（1）确定玻璃的配料组成范围 a）考虑析晶性能 —— 选择析晶能力小的熔体 析晶能力：低共熔点处 < 界线上 < 初晶区内 b）综合考虑玻璃的其它工艺性能和使用性能 低共熔点6处组成的玻璃析晶能力最小， 但其中的Na2O含量高（22％），其化学稳
配料三角形：△QWD
产物三角形： △ QWm
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应用：
1）产品中的莫来石量取决于配料中的粘土量（等含量规则）；
2）烧成温度范围宽—— 日用瓷的实际烧成温度在1250～1450℃；
3）估计烧成时的液相量的多少和烧成后获得的制品中的相组成。
配料1－5 ：莫来石、石英、玻璃相 配料6 ：莫来石、玻璃相 配料7－8 ：莫来石、长石、玻璃相
晶型转变：
C2S 的 α、α`、β、γ晶型转变
不一致熔融化合物C3S ：
1250℃ C3S C2 S CaO
2150℃ C3S LM CaO
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CaO－SiO2系统中的无变量点
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（三） MgO－SiO2系统