無機(jī)非金屬材料
無機(jī)非金屬材料
百科名片 無機(jī)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(jī)高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統(tǒng)稱。無機(jī)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(jī)非金屬材料是與有機(jī)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(jī)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(jī)非金屬的晶體結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)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(qiáng)的離子鍵和混合鍵。這種化學(xué)鍵所特有的高鍵能、高鍵強(qiáng)賦予這一大類
無機(jī)非金屬材料
材料以高熔點(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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)的(新型的)無機(jī)非金屬材料兩大類。傳統(tǒng)的無機(jī)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.oriental01.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(jī)非金屬材料。新型無機(jī)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(jìn)陶瓷(advanced ceramics)、非晶態(tài)材料(noncrystal material〉、人工晶體〈artificial crys-tal〉、無機(jī)涂層(inorganic coating)、無機(jī)纖維(inorganic fibre〉等。
傳統(tǒng)工藝 傳統(tǒng)無機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)非金屬材料和新型無機(jī)非金屬材料的比較傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料新型無機(jī)非金屬材料具有性質(zhì)穩(wěn)定，抗腐蝕耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，但質(zhì)脆，經(jīng)不起熱沖擊。除具有傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料的優(yōu)點(diǎn)外，還有某些特征如：強(qiáng)度高、具有電學(xué)、光學(xué)特性和生物功能等。
編輯本段無機(jī)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(rèn)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(fù)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(diǎn)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(qiáng)的。 (2)精細(xì)陶瓷 精細(xì)陶瓷的化學(xué)組成已遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(diǎn)的氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC）陶瓷等，它們都是無機(jī)非金屬材料，是傳統(tǒng)陶瓷材料的發(fā)展。精細(xì)陶瓷是適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)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(xì)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(jìn)展，下面選擇一些實(shí)例做簡要的介紹。 高溫結(jié)構(gòu)陶瓷汽車發(fā)動機(jī)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(yán)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(jī)，發(fā)動機(jī)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(jī)，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(jī)上的渦輪發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)的材料選用氮化硅，它的機(jī)械強(qiáng)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(diǎn)都在2 000 ℃以上。如氧化釷-氧化釔透明陶瓷的熔點(diǎn)高達(dá)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(dá)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(dá)1 200 ℃，壓力大、腐蝕性強(qiáng)，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(qiáng)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(jī)的轟炸瞄準(zhǔn)器和高級防護(hù)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(xì)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(xì)陶瓷中的一種。 利用光導(dǎo)纖維可進(jìn)行光纖通信。激光的方向性強(qiáng)、頻率高，是進(jìn)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(jìn)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(shí)際使用時，常把千百根光導(dǎo)纖維組合在一起并加以增強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)。光纖通信與數(shù)字技術(shù)及計算機(jī)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�，F(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(yàn)。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(diǎn)。有機(jī)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(qiáng)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(diǎn)是性脆，韌性不足，這就嚴(yán)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(jìn)入瓷器這是第一次飛躍；由傳統(tǒng)陶瓷發(fā)展到精細(xì)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(jìn)展和提高，然而對于陶瓷材料的致命弱點(diǎn)──脆性問題沒有得到根本的解決。精細(xì)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(xì)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(dá)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(jī)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(jìn)了人類進(jìn)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(yuǎn)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(jìn)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(jī)非金屬材料的特點(diǎn)是：耐壓強(qiáng)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(qiáng)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(jī)非金屬材料用作電子器件
特種無機(jī)非金屬材料的特點(diǎn)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(qiáng)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(jī)涂層，以及用無機(jī)纖維、晶須等增強(qiáng)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(jī)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(shí)現(xiàn)。
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