無機非金屬材料概論

1、無機非金屬材料概論無機非金屬材料inorganic nonmetallic materials是以某些元素的氧化物、碳化 物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質 組成的材料。 是除有機高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統(tǒng)稱。 無機非金 屬材料的提法是 20世紀 40年代以后，隨著現代科學技術的開展從傳統(tǒng)的硅酸鹽 材料演變而來的。無機非金屬材料是與有機高分子材料和金屬材料并列的三大材 料之一。常見種類二氧化硅氣凝膠、水泥、 玻璃、 陶瓷 成分結構在晶體結構上 ,無機非金屬的晶體結構遠比金屬復雜，并且沒有自由的電子。 具有比金屬鍵和純共價鍵更強的離子鍵和混合鍵。這

2、種化學鍵所特有的高鍵能、 高鍵強賦予這一大類材料以高熔點、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強度和良好的 抗氧化性等根本屬性 ,以及寬廣的導電性、隔熱性、透光性及良好的鐵電性、鐵 磁性和壓電性。硅酸鹽材料是無機非金屬材料的主要分支之一， 硅酸鹽材料是陶瓷的主要組 成物質。應用領域無機非金屬材料品種和名目極其繁多 ,用途各異 ,因此,還沒有一個統(tǒng)一而完善 的分類方法。通常把它們分為普通的 傳統(tǒng)的 和先進的 新型的 無機非金屬材料 兩大類。傳統(tǒng)的無機非金屬材料是工業(yè)和根本建設所必需的根底材料。 如水泥是 一種重要的建筑材料 ;耐火材料與高溫技術 ,尤其與鋼鐵工業(yè)的開展關系密切 ;各 種規(guī)格的平板玻璃、 儀

3、器玻璃和普通的光學玻璃以及日用陶瓷、 衛(wèi)生陶瓷、 建筑 陶瓷、化工陶瓷和電瓷等與人們的生產、生活休戚相關。它們產量大,用途廣。其他產品 ,如搪瓷、磨料 碳化硅、氧化鋁 、鑄石輝綠巖、玄武巖等 、碳素材料、 非金屬礦 石棉、云母、大理石等 也都屬于傳統(tǒng)的無機非金屬材料。新型無機非 金屬材料是 20 世紀中期以后開展起來的 ,具有特殊性能和用途的材料。 它們是現 代新技術、 新產業(yè)、 傳統(tǒng)工業(yè)技術改造、 現代國防和生物醫(yī)學所不可缺少的物質 根底。主要有先進陶瓷advaneed ceramics 非晶態(tài)材料noncrystal materia、人 工晶體artificial crys-tal、無機涂

4、層inorganic coat in g、無機纖維inorganic fibre分類傳統(tǒng)陶瓷：其中，瓷是粉體的致密燒結體，較之較早的陶，其氣孔率明顯降低，致密度 升高。陶瓷在我國有悠久的歷史，是中華民族古老文明的象征。從西安地區(qū)出土的 秦始皇陵中大批陶兵馬俑，氣勢宏偉，形象逼真，被認為是世界文化奇跡，人類 的文明寶庫。唐代的唐三彩、明清景德鎮(zhèn)的瓷器均久負盛名。傳統(tǒng)陶瓷材料的主要成分是硅酸鹽， 自然界存在大量天然的硅酸鹽， 如巖石、土壤等，還有許多礦物如云母、滑石、石棉、高嶺石等，它們都屬于天然的硅酸鹽。此外，人們?yōu)榱藵M足生產和生活的需要，生產了大量人造硅酸鹽，主要有玻璃、水泥、各種陶瓷、磚瓦、

5、耐火磚、水玻璃以及某些分子篩等。硅酸鹽制品性 質穩(wěn)定，熔點較高，難溶于水，有很廣泛的用途。硅酸鹽制品一般都是以黏土高嶺土 、石英和長石為原料經高溫燒結而成。黏土的化學組成為Al傳32SiO2H傳，石英為SiO,長石為K傳AI傳36SiO 鉀長石或Na2O AI2O3 6SiO2鈉長石。這些原料中都含有SiO2,因此 在硅酸鹽晶體結構中，硅與氧的結合是最重要也是最根本的。硅酸鹽材料是一種多相結構物質，其中含有晶態(tài)局部和非晶態(tài)局部，但以晶態(tài)為主。硅酸鹽晶體中硅氧四面體SiO4是硅酸鹽結構的根本單元。在硅氧四面 體中，硅原子以sp雜化軌道與氧原子成鍵，SiO鍵鍵長為162 pm,比起Si和 O 的離

6、子半徑之和有所縮短，故 SiO 鍵的結合是比擬強的。精細陶瓷： 精細陶瓷的化學組成已遠遠超出了傳統(tǒng)硅酸鹽的范圍。例如，透明的氧化鋁陶瓷、耐高溫的二氧化鋯ZrO2陶瓷、高熔點的氮化硅Si3N4和碳化硅SiC 陶瓷等，它們都是無機非金屬材料， 是傳統(tǒng)陶瓷材料的開展。 精細陶瓷是適應社 會經濟和科學技術開展而開展起來的，信息科學、能源技術、宇航技術、生物工 程、超導技術、 海洋技術等現代科學技術需要大量特殊性能的新材料， 促使人們 研制精細陶瓷， 并在超硬陶瓷、 高溫結構陶瓷、 電子陶瓷、 磁性陶瓷、 光學陶瓷、 超導陶瓷和生物陶瓷等方面取得了很好的進展，下面選擇一些實例做簡要的介 紹。高溫結構陶瓷

7、汽車發(fā)動機一般用鑄鐵鑄造，耐熱性能有一定限度。由于需要 用冷卻水冷卻， 熱能散失嚴重， 熱效率只有 30%左右。如果用高溫結構陶瓷制造 陶瓷發(fā)動機，發(fā)動機的工作溫度能穩(wěn)定在1 300 C左右，由于燃料充分燃燒而又 不需要水冷系統(tǒng)， 使熱效率大幅度提高。 用陶瓷材料做發(fā)動機， 還可減輕汽車的 質量，這對航天航空事業(yè)更具吸引力， 用高溫陶瓷取代高溫合金來制造飛機上的 渦輪發(fā)動機效果會更好。已有多個國家的大的汽車公司試制無冷卻式陶瓷發(fā)動機汽車。 我國也在 1990 年裝配了一輛并完成了試車。陶瓷發(fā)動機的材料選用氮化硅，它的機械強度高、 硬度高、熱膨脹系數低、導熱性好、化學穩(wěn)定性高，是很好的高溫陶瓷材

8、料。氮 化硅可用多種方法合成，工業(yè)上普遍采用高純硅與純氮在1 300 C反響后獲得：3Si+2N2Si3N4 1 300 °C高溫結構陶瓷除了氮化硅外，還有碳化硅SiC、二氧化鋯ZrO2、氧化透明陶瓷一般陶瓷是不透明的， 但光學陶瓷像玻璃一樣透明， 故稱透明陶瓷。 一般陶瓷不透明的原因是其內部存在有雜質和氣孔， 前者能吸收光， 后者使光產 生散射，所以就不透明了。 因此如果選用高純原料， 并通過工藝手段排除氣孔就 可能獲得透明陶瓷。 早期就是采用這樣的方法得到透明的氧化鋁陶瓷， 后來陸續(xù) 研究出如燒結白剛玉、氧化鎂、氧化鈹、氧化釔、氧化釔-二氧化鋯等多種氧化物系列透明陶瓷。又研制出非

9、氧化物透明陶瓷，如砷化鎵GaAs、硫化鋅ZnS、 硒化鋅ZnSe、氟化鎂MgF2、氟化鈣CaF2等。這些透明陶瓷不僅有優(yōu) 異的光學性能，而且耐高溫，一般它們的熔點都在2 000 C以上。如氧化釷-氧化釔透明陶瓷的熔點高達3 100 C,比普通硼酸鹽玻璃高1 500 Co透明陶瓷的 重要用途是制造高壓鈉燈，它的發(fā)光效率比高壓汞燈提高一倍，使用壽命達 2 萬小時，是使用壽命最長的高效電光源。 高壓鈉燈的工作溫度高達1 200 C,壓 力大、腐蝕性強， 選用氧化鋁透明陶瓷為材料成功地制造出高壓鈉燈。 透明陶瓷 的透明度、強度、硬度都高于普通玻璃，它們耐磨損、耐劃傷，用透明陶瓷可以 制造防彈汽車的窗、

10、坦克的觀察窗、轟炸機的轟炸瞄準器和高級防護眼鏡等。生物陶瓷人體器官和組織由于種種原因需要修復或再造時， 選用的材料要求 生物相容性好，對肌體無免疫排異反響；血液相容性好，無溶血、凝血反響；不 會引起代謝作用異常現象；對人體無毒，不會致癌。已開展起來的生物合金、生 物高分子和生物陶瓷根本上能滿足這些要求。利用這些材料制造了許多人工器 官，在臨床上得到廣泛的應用。 但是這類人工器官一旦植入體內， 要經受體內復 雜的生理環(huán)境的長期考驗。 例如， 不銹鋼在常溫下是非常穩(wěn)定的材料， 但把它做 成人工關節(jié)植入體內， 三五年后便會出現腐蝕斑， 并且還會有微量金屬離子析出， 這是生物合金的缺點。 有機高分子材

11、料做成的人工器官容易老化， 相比之下， 生 物陶瓷是惰性材料，耐腐蝕，更適合植入體內。氧化鋁陶瓷做成的假牙與天然齒十分接近， 它還可以做人工關節(jié)用于很多部 位，如膝關節(jié)、肘關節(jié)、肩關節(jié)、指關節(jié)、髖關節(jié)等。 ZrO2 陶瓷的強度、斷裂 韌性和耐磨性比氧化鋁陶瓷好， 也可用以制造牙根、 骨和股關節(jié)等。 羥基磷灰石 Ca10(PO4)6(OH)2是骨組織的主要成分，人工合成的與骨的生物相容性非常 好，可用于頜骨、耳聽骨修復和人工牙種植等。發(fā)現用熔融法制得的生物玻璃， 如CaO-Na2O-SiO2-P2O5,具有與骨骼鍵合的能力。陶瓷材料最大的弱點是性脆，韌性缺乏，這就嚴重影響了它作為人工人體器 官的

12、推廣應用。陶瓷材料要在生物工程中占有地位，必須考慮解決其脆性問題。納米陶瓷： 從陶瓷材料開展的歷史來看，經歷了三次飛躍。由陶器進入瓷器這是第一次 飛躍；由傳統(tǒng)陶瓷開展到精細陶瓷是第二次飛躍，在這個期間，不管是原材料， 還是制備工藝、 產品性能和應用等許多方面都有長足的進展和提高， 然而對于陶 瓷材料的致命弱點一一脆性問題沒有得到根本的解決。精細陶瓷粉體的顆粒較 大，屬微米級10 m，有人用新的制備方法把陶瓷粉體的顆粒加工到納米級10 m，用這種超細微粉體粒子來制造陶瓷材料，得到新一代納米陶瓷，這是 陶瓷材料的第三次飛躍。 納米陶瓷具有延性， 有的甚至出現超塑性。 如室溫下合 成的 TiO2 陶

13、瓷，它可以彎曲，其塑性變形高達 100%，韌性極好。因此人們寄 希望于開展納米技術去解決陶瓷材料的脆性問題。 納米陶瓷被稱為 21 世紀陶瓷。開展歷史舊石器時代人們用來制作工具的天然石材是最早的無機非金屬材料。 在公元 前6000前5000年中國創(chuàng)造了原始陶器。中國商代約公元前17世紀初約前11世紀有了原始瓷器，并出現了上釉陶器。以后為了滿足宮廷欣賞及民間 日用、建筑的需要，陶瓷的生產技術不斷開展。公元 200年東漢時期的青瓷 是迄今發(fā)現的最早瓷器。 陶器的出現促進了人類進入金屬時代， 中國夏代約公 元前 22世紀末至約前 21 世紀初約前 17世紀初煉銅用的陶質煉鍋，是最早 的耐火材料。 鐵

14、的熔煉溫度遠高于銅， 故鐵器時代的耐火材料相應地也有很大發(fā) 展。 18世紀以后鋼鐵工業(yè)的興起，促進耐火材料向多品種、耐高溫、耐腐 蝕方 向開展。公元前 3700 年，埃及就開始有簡單的玻璃珠作裝飾品。公元前 1000 年前，中國也有了白色穿孔的玻璃珠。公元初期羅馬已能生產 多種形式的玻璃制 品。10001200年間玻璃制造技術趨于成熟，意大利的威尼 斯成為玻璃工業(yè)中心。1600年后玻璃工業(yè)已普及世界各地區(qū)。公元前 3000前 2000年已使用石灰和石膏等氣硬性膠凝材料。隨著建筑業(yè)的開展，膠凝材料也 獲得相應的開展。公元初期有了水硬性石灰，火山灰膠凝材料，1700年以后制成水硬性石灰和羅馬水泥。

15、1824年英國J.阿斯普丁創(chuàng)造波特蘭水泥。上述陶瓷、 耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均為硅酸鹽，屬于典型的硅酸鹽材料。18世紀工業(yè)革命以后， 隨著建筑、 機械、鋼鐵、運輸等工業(yè)的興起， 無機非金屬 材 料有了較快的開展，出現了電瓷、化工陶瓷、金屬陶瓷、平板玻璃、化學儀器玻 璃、光學玻璃、平爐和轉爐用的耐火材料以及快硬早強等性能優(yōu)異的水泥。 同時， 開展了研磨材料、碳素及石墨制品、鑄石等。20世紀以來，隨著電子技術、航天、能源、電腦、通信、激光、紅外、光電 子學、生物醫(yī)學 和環(huán)境保護等新技術的興起， 對材料提出了更 高的要求， 促進 了特種無機非金屬材料的迅速開展。 30 40年代出現了高頻

16、絕緣陶瓷、鐵電陶 瓷和壓電陶瓷、鐵氧體又稱磁性瓷和熱敏電阻陶瓷等。5060年代開發(fā)了碳化硅和氮化硅等高溫結構陶瓷、氧化鋁透明陶瓷、B-氧化鋁快離子導體陶瓷、 氣敏和濕敏陶瓷等。至今，又出現了變色玻璃、光導纖維、電光效應、電子發(fā)射 及高溫超導等各種新型無機材料。材料特性普通無機非金屬材料的特點是：耐壓強度高、硬度大、耐高溫、抗腐蝕。此 外，水泥在膠凝性能上，玻璃在光學性能上，陶瓷在耐蝕、介電性能上，耐火材 料在防熱隔熱性能上都有其優(yōu)異的特性， 為金屬材料和高分子材料所不及。 但與 金屬材料相比， 它抗斷強度低、 缺少延展性， 屬于脆性材料。 與高分子材料相比， 密度較大， 制造工藝較復雜。 特種

17、無機非金屬材料的特點是： 各具特色。 例如： 高溫氧化物等的高溫抗氧化特性； 氧化鋁、 氧化鈹陶瓷的高頻絕緣特性； 鐵氧體 的磁學性質；光導纖維的光傳輸性質；金剛石、立方氮化硼的超硬性質；導體材 料的導電性質；快硬早強水泥的快凝、快硬性質等。各種物理效應和微觀現象。 例如：光敏材料的光 - 電、熱敏材料的熱電、壓電材料的力電、氣敏材料的 氣體-電、濕敏材料的濕度-電等材料對物理和化學參數間的功能轉換特性。不 同性質的材料經復合而構成復合材料。例如：金屬陶瓷、高溫無機涂層，以及用 無機纖維、晶須等增強的材料。生產工藝普通無機非金屬材料的生產是采用天然礦石作原料。經過粉碎、配料、混合 等工序，成型

18、陶瓷、耐火材料等或不成型水泥、玻璃等 ，在高溫下煅燒 成多晶態(tài)水泥、陶瓷等或非晶態(tài)玻璃、鑄石等 ，再經過進一步的加工如 粉磨水泥、上釉彩飾陶瓷、成型后退火玻璃、鑄石等，得到粉狀或塊狀的 制品。 特種無機非金屬材料的原料多采用高純、微細的人工粉料。單晶體材料用焰融、 提拉、水溶液、氣相及高壓合成等方法制造。多晶體材料用熱壓鑄、等靜壓、軋 膜、流延、噴射或蒸鍍等方法成型后再煅燒， 或用熱壓、 高溫等靜壓等燒結工藝， 或用水熱合成、超高壓合成或熔體晶化等方法制造粉狀、塊狀或薄膜狀的制品。 非晶態(tài)材料用高溫熔融、熔體凝固、噴涂、拉絲或噴吹等方法制成塊狀、薄膜或纖維狀的制品 國內無機非金屬材料的現狀1無

19、機非金屬新材料的新應用高技術陶瓷材料 高技術陶瓷是以人工合成的超細高純粉體為原料制備的一種新型無機非金 屬材料 ,其主要使用各種先進材料成型方法、優(yōu)秀的當代燒結工藝以及精密加工 技術制作而成。高技術陶瓷材料具有高性能、高附加值的特點,目前已經廣泛應用于高端技術領域和頂尖國防材料領域。 高技術陶瓷具有耐高溫、 高硬度、 高剛 度、耐磨耐腐蝕性優(yōu)越等優(yōu)點 ,可用于陶瓷機械零件、生物陶瓷材料、集成電路、 各種傳感器等領域。 大量材料應用結果說明 :高技術陶瓷材料是 21 世紀國家經濟 和科技開展水平的重要特征。納米材料隨著納米科學技術的快速開展 ,納米材料也迅速得到開展 ,納米材料由極細晶 粒組成

20、,其晶粒尺寸在納米尺度范圍 ,與微米晶體材料相比 ,在材料力學、材料光 學、材料電磁學等方面具有更加優(yōu)異的表現 ,因此納米材料科學是當今凝聚態(tài)物 理材料領域的熱點研究方向。比方：納米碳管的直徑為1.4 nm,5萬根納米碳管并 排后才跟一根頭發(fā)一般粗 ,但是其強度已到達鋼的 100倍。多數研究說明 ,納米材 料的特殊性將在未來日常生活和高科技領域廣泛應用。例如 ,利用納米技術研發(fā) 的新型電腦其性能更優(yōu)良 ;飛機外表涂覆納米硅基陶瓷粉可以成功避開雷達的監(jiān) 測等。復合氧化物與化學傳感器材料 復合氧化物敏感材料與化學傳感器對信息感知度強 ,其形態(tài)千變萬化、性能各 異、功能多樣。目前 ,對這類材料的研究

21、重點材料主要有 ：新型半導體材料 ;有害氣 體敏感材料 ;復合氧化物氣敏材料等。多功能敏感材料的傳感元件結構簡單、使 用方便、價格廉價、靈敏度高。廣泛用于火災報警、可燃氣報警、汽車尾氣檢測 等方面。特精細化學品材料和功能化合物材料 目前,特精細化學品材料和功能化合物材料品種越來越多 ,其主要包括畜牧業(yè) 飼料添加劑、飲食添加劑、滅火劑、生氧劑等等。特種精細化學品和功能化合物 的生產產量小、規(guī)模小,但是生產的技術含量高 ,具有很好的經濟效益和市場前景。固體電解質 近十幾年來 ,固體電解質材料開展較快。由于非核能能源技術開展的需要 ,固 體電解質材料中的新能源技術的研發(fā)引起人們極大的關注。當前,這類

22、材料的研究體系已經成為單獨的固態(tài)離子學學科。 固體電解質研究重點主要是堿金屬離子 材料,未來具有很好的經濟效益和市場前景。2無機非金屬材料的開展趨勢未來,無機非金屬材料的開展趨勢將有以下幾點：(1)材料與高科學技術領域的研發(fā)緊密聯系。隨著全球電子工業(yè)、高能電池、太陽能技術的迅速開展,未來無機非金屬新材料開展和高科技開展之間的聯系將會更加緊密。 (2)各種材料復合 程度提高。相互交叉的各學科領域相互合作研發(fā)的復合材料將占據材料工業(yè)越來 越大的市場規(guī)模。 (3)高分子復合材料的廣泛應用。高分子復合材料具有良好的 機械性能、光電材料特性和磁學等功能。這些新材料將在生物、機械、光學、電 子學等領域取得更廣闊的應用。3無機非金屬材料在我國開展中出現的問題雖然 ,無機非金屬材料在我國開展迅速 ,其新技術與新工藝不斷得以應用與推