無機非金屬材料
無機非金屬材料
百科名片 無機非金屬材料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(zhì)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(jì)40年代以后,隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)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。
目錄
成分結(jié)構(gòu)
應(yīng)用領(lǐng)域
傳統(tǒng)工藝
無機非金屬材料的分類
發(fā)展歷史
材料特性
生產(chǎn)工藝
展望
成分結(jié)構(gòu) 在晶體結(jié)構(gòu)上,無機非金屬的晶體結(jié)構(gòu)遠比金屬復(fù)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。這種化學(xué)鍵所特有的高鍵能、高鍵強賦予這一大類
無機非金屬材料
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基本屬性,以及寬廣的導(dǎo)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(zhì)。 應(yīng)用領(lǐng)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
無機非金屬材料分類
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)和基本建設(shè)所必需的基礎(chǔ)材料。如水泥是一種重要的建筑材料;耐火材料與高溫
www.ishadingyu.com 技術(shù),尤其與鋼鐵工業(yè)的發(fā)展關(guān)系密切;各種規(guī)格的平板玻璃、儀器玻璃和普通的光學(xué)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(chǎn)、生活休戚相關(guān)。它們產(chǎn)量大,用途廣。其他產(chǎn)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(jì)中期以后發(fā)展起來的,具有特殊性能和用途的材料。它們是現(xiàn)代新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造、現(xiàn)代國防和生物醫(yī)學(xué)所不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)。主要有先進陶瓷(advanced ceramics)、非晶態(tài)材料(noncrystal material〉、人工晶體〈artificial crys-tal〉、無機涂層(inorganic coating)、無機纖維(inorganic fibre〉等。
傳統(tǒng)工藝 傳統(tǒng)無機非金屬材料: 水泥和其他膠凝材料 硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、石灰、石膏等
建筑裝飾材料——玻璃
陶 瓷 粘土質(zhì)、長石質(zhì)、滑石質(zhì)和骨灰質(zhì)陶瓷等 耐火材料 硅質(zhì)、硅酸鋁質(zhì)、
高鋁質(zhì)、鎂質(zhì)、鉻鎂質(zhì)等 玻 璃 硅酸鹽 搪 瓷 鋼片、鑄鐵、鋁和銅胎等 鑄 石 輝綠巖、玄武巖、鑄石等 研磨材料 氧化硅、氧化鋁、碳化硅等 多孔材料 硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸鹽和硅酸鋁等 碳素材料 石墨、焦炭和
各種碳素制品等 非金屬礦 粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金剛石等 新型無機非金屬材料 絕緣材料 氧化鋁、氧化鈹、滑石、鎂橄欖石質(zhì)陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等 鐵電和壓電材料 鈦酸鋇系、鋯鈦酸鉛系材料等 磁性材料 錳—鋅、鎳—鋅、錳—鎂、鋰—錳等鐵氧體、磁記錄和磁泡材料等 導(dǎo)體陶瓷 鈉、鋰、氧離子的快離子導(dǎo)體和碳化硅等
最早的無機非金屬材料-天然石材
半導(dǎo)體陶瓷 鈦酸鋇、氧化鋅、氧化錫、氧化釩、氧化鋯等過濾金屬元素氧化物系材料等 光學(xué)材料 釔鋁石榴石激光材料，氧化鋁、氧化釔透明材料和石英系或多組分玻璃的光導(dǎo)纖維等 高溫結(jié)構(gòu)陶瓷 高溫氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等難熔化合物 超硬材料 碳化鈦、人造金剛石和立方氮化硼等 人工晶體 鋁酸鋰、鉭酸鋰、砷化鎵、氟金云母等 生物陶瓷 長石質(zhì)齒材、氧化鋁、磷酸鹽骨材
和酶的載體材料等 無機復(fù)合材料 陶瓷基、金屬基、碳素基的復(fù)合材料 傳統(tǒng)無機非金屬材料和新型無機非金屬材料的比較傳統(tǒng)無機非金屬材料新型無機非金屬材料具有性質(zhì)穩(wěn)定，抗腐蝕耐高溫等優(yōu)點，但質(zhì)脆，經(jīng)不起熱沖擊。除具有傳統(tǒng)無機非金屬材料的優(yōu)點外，還有某些特征如：強度高、具有電學(xué)、光學(xué)特性和生物功能等。
編輯本段無機非金屬材料的分類 (1)傳統(tǒng)陶瓷 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(chǎn)和生活的需要，生產(chǎn)了大量人造硅酸鹽，主要有玻璃、水泥、各種陶瓷、磚瓦、耐火磚、水玻璃以及某些分子篩等。硅酸鹽制品性質(zhì)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(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。黏土的化學(xué)組成為Al2O3·2SiO2·2H2O，石英為SiO2，長石為K2O·Al2O3·6SiO2（鉀長石）或Na2O·Al2O3·6SiO2（鈉長石）。這些原料中都含有SiO2，因此在硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中，硅與氧的結(jié)合是最重要也是最基本的。 硅酸鹽材料是一種多相結(jié)構(gòu)物質(zhì)，其中含有晶態(tài)部分和非晶態(tài)部分，但以晶態(tài)為主。硅酸鹽晶體中硅氧四面體［SiO4］是硅酸鹽結(jié)構(gòu)的基本單元。在硅氧四面體中，硅原子以sp雜化軌道與氧原子成鍵，Si—O鍵鍵長為162 pm，比起Si和O的離子半徑之和有所縮短，故Si—O鍵的結(jié)合是比較強的。 (2)精細陶瓷 精細陶瓷的化學(xué)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)陶瓷材料的發(fā)展。精細陶瓷是適應(yīng)社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)發(fā)展而發(fā)展起來的，信息科學(xué)、能源技術(shù)、宇航技術(shù)、生物工程、超導(dǎo)技術(shù)、海洋技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)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(jié)構(gòu)陶瓷、電子陶瓷、磁性陶瓷、光學(xué)陶瓷、超導(dǎo)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(jié)構(gòu)陶瓷汽車發(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(jié)構(gòu)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 ℃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(zhì)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。 目前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(shù)低、導(dǎo)熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性高，是很好的高溫陶瓷材料。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 ℃反應(yīng)后獲得： 3Si+2N2→Si3N4 （1 300 ℃） 高溫結(jié)構(gòu)
陶瓷除了氮化硅外，還有碳化硅（SiC）、二氧化鋯（ZrO2）、氧化鋁等。 透明陶瓷一般陶瓷是不透明的，但光學(xué)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(nèi)部存在有雜質(zhì)和氣孔，前者能吸收光，后者使光產(chǎn)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辦法得到透明的氧化鋁陶瓷，后來陸續(xù)研究出如燒結(jié)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。近期又研制出非氧化物透明陶瓷，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(xué)性能，而且耐高溫，一般它們的熔點都在2 000 ℃以上。如氧化釷-氧化釔透明陶瓷的熔點高達3 100 ℃，比普通硼酸鹽玻璃高1 500 ℃。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 ℃，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、坦克的觀察窗、轟炸機的轟炸瞄準(zhǔn)器和高級防護眼鏡等。 光導(dǎo)纖維從高純度的二氧化硅或稱石英玻璃熔融體中，拉出直徑約100 μm的細絲，稱為石英玻璃纖維。玻璃可以透光，但在傳輸過程中光損耗很大，用石英玻璃纖維光損耗大為降低，故這種纖維稱為光導(dǎo)纖維，是精細陶瓷中的一種。 利用光導(dǎo)纖維可進行光纖通信。激光的方向性強、頻率高，是進行光纖通信的理想光源。光纖通信與電波通信相比，光纖通信能提供更多的通信通路，可滿足大容量通信系統(tǒng)的需要。 光導(dǎo)纖維一般由兩層組成，里面一層稱為內(nèi)芯，直徑幾十微米，但折射率較高；外面一層稱包層，折射率較低。從光導(dǎo)纖維一端入射的光線，經(jīng)內(nèi)芯反復(fù)折射而傳到末端，由于兩層折射率的差別，使進入內(nèi)芯的光始終保持在內(nèi)芯中傳輸著。光的傳輸距離與光導(dǎo)纖維的光損耗大小有關(guān)，光損耗小，傳輸距離就長，否則就需要用中繼器把衰減的信號放大。用最新的氟玻璃制成的光導(dǎo)纖維，可以把光信號傳輸?shù)教窖蟊税抖恍枞魏沃欣^站。 在實際使用時，常把千百根光導(dǎo)纖維組合在一起并加以增強處理，制成像電纜一樣的光纜，這樣既提高了光導(dǎo)纖維的強度，又大大增加了通信容量。 用光纜代替通信電纜，可以節(jié)省大量有色金屬，每公里可節(jié)省銅1.1 t、鉛2～3 t。光纜有質(zhì)量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、絕緣性能好、壽命長、輸送距離長、保密性好、成本低等優(yōu)點。光纖通信與數(shù)字技術(shù)及計算機結(jié)合起來，可以用于傳送電話、圖像、數(shù)據(jù)、控制電子設(shè)備和智能終端等，起到部分取代通信衛(wèi)星的作用。 光損耗大的光導(dǎo)纖維可在短距離使用，特別適合制作各種人體內(nèi)窺鏡，如胃鏡、膀胱鏡、直腸鏡、子宮鏡等，對診斷、醫(yī)治各種疾病極為有利。 生物陶瓷人體器官和組織由于種種原因需要修復(fù)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應(yīng)；血液相容性好，無溶血、凝血反應(yīng)；不會引起代謝作用異常現(xiàn)象；對人體無毒，不會致癌。目前已發(fā)展起來的生物合金、生物高分子和生物陶瓷基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(yīng)用。但是這類人工器官一旦植入體內(nèi)，要經(jīng)受體內(nèi)復(fù)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(guān)節(jié)植入
體內(nèi)，三五年后便會出現(xiàn)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(nèi)。 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(guān)節(jié)用于很多部位，如膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)、髖關(guān)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(guān)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(fù)和人工牙種植等。目前發(fā)現(xiàn)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，韌性不足，這就嚴重影響了它作為人工人體器官的推廣應(yīng)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。 （3）納米陶瓷 從陶瓷材料發(fā)展的歷史來看，經(jīng)歷了三次飛躍。由陶器進入瓷器這是第一次飛躍；由傳統(tǒng)陶瓷發(fā)展到精細陶瓷是第二次飛躍，在這個期間，不論是原材料，還是制備工藝、產(chǎn)品性能和應(yīng)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──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(xiàn)超塑性。如室溫下合成的TiO2陶瓷，它可以彎曲，其塑性變形高達100%，韌性極好。因此人們寄希望于發(fā)展納米技術(shù)去解決陶瓷材料的脆性問題。納米陶瓷被稱為21世紀(jì)陶瓷。
編輯本段發(fā)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年中國發(fā)明了原始陶器。中國商代（約公元前17世紀(jì)初～約前11世紀(jì)）有了原始瓷器，并出
中國古代的陶瓷藝術(shù)
現(xiàn)了上釉陶器。以后為了滿足宮廷觀賞及民間日用、建筑的需要，陶瓷的生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展。公元200年（東漢時期）的青瓷是迄今發(fā)現(xiàn)的最早瓷器。陶器的出現(xiàn)促進了人類進入金屬時代，中國夏代（約公元前22世紀(jì)末至約前21世紀(jì)初～約前17世紀(jì)初）煉銅用的陶質(zhì)煉鍋，是最早的耐火材料。鐵的熔煉溫度遠高于銅，故鐵器時代的耐火材料相應(yīng)地也有很大發(fā)展。18世紀(jì)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 蝕方向發(fā)展。公元前3700年，埃及就開始有簡單的玻璃珠作裝 飾品。
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(xué)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(fù)雜。
無機非金屬材料用作電子器件
特種無機非金屬材料的特點是：①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(xué)性質(zhì)；光導(dǎo)纖維的光傳輸性質(zhì)；金剛石、立方氮化硼的超硬性質(zhì)；導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性質(zhì)；快硬早強水泥的快凝、快硬性質(zhì)等。②各種物理效應(yīng)和微觀現(xiàn)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(xué)參數(shù)間的功能轉(zhuǎn)換特性。③不同性質(zhì)的材料經(jīng)復(fù)合而構(gòu)成復(fù)合材料。例如：金屬陶瓷、高溫?zé)o機涂層，以及用無機纖維、晶須等增強的材料。
編輯本段生產(chǎn)工藝
未來科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對各種無機非金屬材料，尤其是對特種新型材料提出更多更高的要求。材料學(xué)科有廣闊的發(fā)展前景，復(fù)合材料、定向結(jié)晶材料、增韌陶瓷以及各種類型的表面處理和涂層的使用，將使材料的效能得到更大發(fā)揮。由于對材料科學(xué)基礎(chǔ)研究的日益深入，各種精密測試分析技術(shù)的發(fā)展，將有助于按預(yù)定性能設(shè)計材料的原子或分子組成及結(jié)構(gòu)形態(tài)的早日實現(xiàn)。
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