无机非金属材料现状及其发展趋势

无机非金属材料现状及其发展趋势摘要：无机非金属材料是当今材料科学与工程领域中发展最为迅速的一大类材料。对于典型的无机非金属材料主要表现在陶瓷、玻璃、水泥。传统的无机非金属材料是工业和基本建设所必需的基础材料，无机新材料则是现代新科技、高科技、新兴产业和创痛工业改造的物质基础，也是发展现代国防和生物医学所不可缺少的。在科学技术发展中，无机材料占有十分重要的地位。关键词：陶瓷、玻璃、水泥、发展趋势一、陶瓷陶瓷是陶器和瓷器的总称。中国人早在约公元前8000－2000年（新石器时代）就发明了陶器。陶瓷材料大多是氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等。常见的陶瓷材料有粘土、氧化铝、高岭土等。陶瓷材料一般硬度较高，但可塑性较差[1]。除了在食器、装饰的使用上，在科学、技术的发展中亦扮演重要角色。陶瓷原料是地球原有的大量资源黏土经过淬取而成。而粘土的性质具韧性，常温遇水可塑，微干可雕，全干可磨；烧至700度可成陶器能装水；烧至1230度则瓷化，可完全不吸水且耐高温耐腐蚀。其用法之弹性，在今日文化科技中尚有各种创意的应用。目前利用其电、声、光、热等性质或耦合效应以实现某种使用功能的先进陶瓷—功能陶瓷发展迅速。功能陶瓷的发展与其基础研究的成就息息相关[2]。近一二十年来，通过对复杂多元氧化物体系的组成、结构与性能的广泛研究，发现了一大批性能优异的功能陶瓷，并借助离子互换、参杂改性等方法调节、优化其性能，从而使功能陶瓷研究开始从经验式探索逐步走向按所需性能进行材料设计，同时发展了溶胶凝胶法制备超细、高纯粉体及以及其烧制陶瓷的新技术，并研究了原料与陶瓷制备的反应过程，表面与界面科学以及这些因素对微观结构和陶瓷性能的影响。近来，为发展功能陶瓷薄膜、多层结构、超晶格材料、复合材料、机敏材料等新材料，陶瓷薄膜制备技术、表面与界面的结构与性质、陶瓷的集合与复合、微加工技术及有关的基础研究，正日益受到重视。对于结构陶瓷，今后将着中发展氮化物、硼化物、碳化物和硅化物，围绕各种热机及切削耐磨等应用继续提高其性能；开发高纯超细粉料；研究开发品质均匀、尺寸精确、少缺陷甚至无缺陷、少加工甚至不加工的成型和烧结新技术；研究使用损毁机理和无损机理和无损评价新方法；开发陶瓷基复合材料。如氮化硅陶瓷，Si3N4陶瓷是一种共价键化合物，基本结构单元为[SiN4]四面体，硅原子位于四面体的中心，在其周围有四个氮原子，分别位于四面体的四个顶点，然后以每三个四面体共用一个原子的形式，在三维空间形成连续而又坚固的网络结构。氮化硅的很多性能都归结于此结构。纯Si3N4为3119，有α和β两种晶体结构，均为六角晶形，其分解温度在空气中为1800℃，在011MPa氮中为1850℃。Si3N4热膨胀系数低、导热率高，故其耐热冲击性极佳。热压烧结的氮化硅加热到l000℃后投入冷水中也不会破裂。在不太高的温度下，Si3N4具有较高的强度和抗冲击性，但在1200℃以上会随使用时间的增长而出现破损，使其强度降低，在1450℃以上更易出现疲劳损坏，所以Si3N4的使用温度一般不超过1300℃。由于Si3N4的理论密度低，比钢和工程超耐热合金钢轻得多，所以，在那些要求材料具有高强度、低密度、耐高温等性质的地方用Si3N4陶瓷去代替合金钢是再合适不过了。二、玻璃玻璃是无机非金属材料的又一重要产品,它和我们的生活密切相关,几乎每一个人都要接触和使用玻璃产品[3]。玻璃具有良好的光学和电学性能,有较好的化学稳定性,透明而质硬,易成型,可满足不同条件的需要,另外原料易获得,价格低。因此,玻璃被广泛应用于建筑、轻工、航天等各个领域。衡量一个国家玻璃工业发展的水平主要是平板玻璃,因为它是与国民经济和人民密切相关的极为重要的生产资料和生活资料。平板玻璃的生产工艺有传统工艺和浮法工艺。浮法是指熔窑熔融的玻璃在流入锡槽后在熔融金属锡液的表面上成型平板玻璃的方法[4]。近一二十年来玻璃材料科学由于广泛地采用了NMR、TER等，种先进分析技术已从宏观进入微观，从定性进入半定量或定量阶段。现在已经可以用已知晶体结构与玻璃基团的关系，或通过玻璃原始结晶和分相过程的直接观察，或运用计算机模拟与分子动力学方法，对玻璃系统的结构进行分析与推衍，并进而了解玻璃的组成、结构与制备因素对玻璃的形成、分相、析晶以及性能的影响，使玻璃材料从传统硅酸盐向非传统硅酸盐和非氧化物玻璃领域扩展，发展成功一系列在现代科学技术中占有重要地位的新型玻璃——特种玻璃。其中以光电子功能玻璃、微晶玻璃和溶胶凝胶、有机无机玻璃发展最迅速。今后特种玻璃的基础研究，将主要围绕上述新材料研究组成-结构-性质及玻璃形成-分相-析晶的关系，玻璃中功能转换和失效机理，有几和无机键合材料及低维材料，并建立计算机预测、模拟系统及数据库等。如耐热低膨胀微晶玻璃，耐热低膨胀微晶玻璃是一种新型多功能材料，集中了微晶玻璃的多种优良性能，极大地扩展了其使用范围。热膨胀系数是微晶玻璃材料使用时的重要参数，低的膨胀系数对于构件的尺寸稳定性及抗热冲击性能极为有利。产品具有机械强度高，坚硬耐磨以及良好的化学稳定性和热稳定性，能适应恶劣的使用环境；软化温度高，即使在高温的条件下也能保持较高的机械强度；电绝缘性能优良，介电损耗小、介电常数稳定；密度小，但质地致密，不透水、不透气等优异性能。高质量耐热低膨胀微晶玻璃的生产不仅增加了我国微晶玻璃的种类，而且还可提高我国微晶玻璃在国际市场的竞争力。耐热低膨胀微晶玻璃组成SiO2Al2O3Li2OMgOZnOP2O5Na2OK2OBaOTiO2ZrO2AS2O3主晶相68.819.22.71.81.00.20.10.81.82.70.8β-石英固溶体55.525.33.71.01.47.90.51.92.30.5β-石英固溶体65.122.64.20.51.20.60.32.32.01.1β-石英固溶体67.022.04.00.51.50.52.52.0β-石英固溶体69.0518.93.30.91.550.20.10.751.752.6β-石英固溶体65.722.04.50.51.10.50.32.02.51.0β-石英固溶体66.720.53.51.61.2F0.224.80.050.4β-锂辉石固溶体69.717.82.82.61.00.40.24.70.10.6β-锂辉石固溶体三、水泥水泥是加入适量水后可成塑性浆体,既能在空气中硬化又能在水中硬化,并能将砂石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性胶凝材料,它是建筑工业三大基本材料之一。我国水泥的产量居世界第一位,1997年的产量是5.1亿t,占亚洲产量的2/3,世界产量的1/3,其中回转窑生产的占18%,立窑生产的占82%。目前世界上优质水泥熟料,绝大部分都是回转窑烧制而成的,国外已基本淘汰了立窑,主要原因是立窑单机产量低,熟料质量不够均匀。但由于立窑具有基建投资较低、钢材用量少、占地面积小、建厂快及热耗低等优点而适合工业发展,所以我国仍以立窑为主。在水泥浆体微结构和性能方面，已经确定混泥土的许多重要性能取决于水泥浆-集料界面区的微结构，并提出了改进界面微结构的建议[5]。今后将借鉴系统论整体处理方法，研究水泥结构与客观性质的关系并建立两者关系的数学模型[6]。在水泥设备方面，总体向大型化发展，目前，日产10000吨熟料生产线已成熟，并已建设准备投产。目前还有在生物复合水泥材料做的也很热。如硫酸钙与碳纤维复合生物材料制作人工骨。采用碳纤维为增强相以提高磷酸钙骨水泥的力学性能。骨水泥强度低,力学性能差的问题却是由来已久,而且一直未能得到有效解决。虽然晶须、有机高分子材料、陶瓷颗粒、有机短纤维等增强方式都曾被采用,但效果却并不理想,其力学性能与承重骨要求的相差甚远[7]。由于影响复合材料力学性能的主要因素有:结合材料的力学性能、纤维的表面性能、纤维与基体的键合性能以及界面应力的传递方式等,而后两点与纤维表面性能密切相关。因此,为使碳纤维与基体结合材料形成有效的界面结合,需要对碳纤维表面进行处理后使用。在碳纤维表面处理方法中,选用操作方便且易控制氧化程度的硝酸液相氧化法。以2h且90℃水浴处理后的效果最佳。处理后的碳纤维表面有许多物理缺陷,纵向刻蚀沟槽的密度增大,粗糙程度增加,对纤维主体的破坏却甚微,这样既可以通过表面的锚锭作用提高与基体的结合强度,又可以保持碳纤维的优良性能。碳纤维表面易吸附微小尘埃颗粒。经处理后碳纤维从类石墨层面改性成碳状结构,增加了表面能,并且硝酸的氧化作用使表面带上了极性或反应性官能团,其表面活性增加[8]。因此采用碳纤维为增强相，做成所认为的混泥土结构。使得复合材料的骨水泥强度大大增高。为人类的医学做出了巨大贡献。四、展望与总结目前,迅速发展的电子工业、空间科学、核技术、激光技术、高能电池、太阳能利用等领域,对材料性能提出了各种新的要求。因而在传统无机非金属材料基础上发展出了高温材料、高强材料、电子材料、光学材料以及激光、铁电、压电等材料,这些说明了新材料发展和高科技发展是紧密联系的。因此,它在现代工业、现代国防、现代生活的应用方面前景广阔。未来无机新材料的发展方向是各种材料相复合,即可改善无机材料脆性的弱点,并可具有高弹性模量,低比重,高韧性。未来电子材料的工程发展方向是微小型化、薄膜化,消除缺陷与微电子的集成工艺相结合。结构材料的工程研究方向主要是在应用上的可靠性,生产上的重复性、稳定性以及成本的逐步下降。新材料和传统无机材料相比,一个重要的变化是从劳动密集型向技术密集型并继续向知识密集型的新兴工业过渡。今后,多学科交叉的各种复合材料将越来越占据材料工业的主导地位。尽管无机非金属材料如玻璃，陶瓷，水泥，是中国的传统行业。但是我坚信一个国家的发展必然离不开这些工业。而且随着现代工业技术的发展，一切以机械化代替手工。我相信未来的无机非金属材料会走的越来越好。例如，本国的建筑业正在兴起之中，水泥，陶瓷，玻璃，在你的生活，居住环境，交通中各地都发挥着他们重要的身影。但是我们作为无机非金属材料的科学工作者更应该好好努力，去发现更节能更环保的无机非金属材料，去探索她的工艺流程，去发明新的复合无机非金属材料，使其牢牢的与现在火热的能源材料，生物材料，信息材料相结合起来。让无机非金属的世界越来越精彩。参考文献：