无机非金属材料的现状与前景

无机非金属材料的现状与前景【摘要】无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。在材料学飞速发展的今天，无机非金属材料有这广阔的应用前景和良好的就业形势。【关键字】无机非金属材料方向前景智能1.无机非金属材料的特点及应用无机非金属材料(inorganicnonmetallicmaterials)是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后,随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。在晶体结构上,无机非金属的晶体结构远比金属复杂，并且没有自由的电子。具有比金属键和纯共价键更强的离子键和混合键。这种化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。无机非金属材料品种和名目极其繁多,用途各异,因此,还没有一个统一而完善的分类方法。通常把它们分为普通的(传统的)和先进的(新型的)无机非金属材料两大类。普通无机非金属材料的特点是：耐压强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀。此外，水泥在胶凝性能上，玻璃在光学性能上，陶瓷在耐蚀、介电性能上，耐火材料在防热隔热性能上都有其优异的特性，为金属材料和高分子材料所不及。但与金属材料相比，它抗断强度低、缺少延展性，属于脆性材料。与高分子材料相比，密度较大，制造工艺较复杂。特种无机非金属材料的特点是：①各具特色。例如：高温氧化物等的高温抗氧化特性；氧化铝、氧化铍陶瓷的高频绝缘特性；铁氧体的磁学性质；光导纤维的光传输性质；金刚石、立方氮化硼的超硬性质；导体材料的导电性质；快硬早强水泥的快凝、快硬性质等。②各种物理效应和微观现象。例如：光敏材料的光-电、热敏材料的热－电、压电材料的力－电、气敏材料的气体-电、湿敏材料的湿度-电等材料对物理和化学参数间的功能转换特性。③不同性质的材料经复合而构成复合材料。例如：金属陶瓷、高温无机涂层，以及用无机纤维、晶须等增强的材料。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。如水泥是一种重要的建筑材料;耐火材料与高温技术,尤其与钢铁工业的发展关系密切;各种规格的平板玻璃、仪器玻璃和普通的光学玻璃以及日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和电瓷等与人们的生产、生活休戚相关。它们产量大,用途广。其他产品,如搪瓷、磨料(碳化硅、氧化铝)、铸石(辉绿岩、玄武岩等)、碳素材料、非金属矿(石棉、云母、大理石等)也都属于传统的无机非金属材料。新型无机非金属材料是20世纪中期以后发展起来的,具有特殊性能和用途的材料。它们是现代新技术、新产业、传统工业技术改造、现代国防和生物医学所不可缺少的物质基础。主要有先进陶瓷(advancedceramics)、非晶态材料(noncrystalmaterial〉、人工晶体〈artificialcrys-tal〉、无机涂层(inorganiccoating)、无机纤维(inorganicfibre〉等。2.无机非金属材料材料的发展现状及前景20世纪以来，随着电子技术、航天、能源、计算机、通信、激光、红外、光电子学、生物医学和环境保护等新技术的兴起，对材料提出了更高的要求，促进了特种无机非金属材料的迅速发展。30～40年代出现了高频绝缘陶瓷、铁电陶瓷和压电陶瓷、铁氧体（又称磁性瓷）和热敏电阻陶瓷等。50～60年代开发了碳化硅和氮化硅等高温结构陶瓷、氧化铝透明陶瓷、β－氧化铝快离子导气敏和湿敏陶瓷等。至今，又出现了变色玻璃、光导纤维、电光效应、电子发射及高温超导等各种新型无机材料。近些年，随着科学技术的进步，无论是传统无机非金属材料，还是无机非金属材料都有了一些新的发展趋势。2.1、生态与环保意识加强,建立科学的评价体系,实现可持续发展西方发达国家在促进传统无机非金属材料产业健康、可持续发展方面的采取了许多重要措施。世界发达国家十分重视建材工业的可持续发展与绿色评价。生态评价也成为世界可持续发展的一个重要手段。目前,许多国家正在进行“生态城市”的建设与实践,推广建筑节能技术材料,使用可循环材料等,改善城市生态系统状况。由此，提出了绿色建材、环保建材与节能建材的概念,并开展了大量的研究与实践工作。与西方发达国家相比,我国还存在很大的差距,特别是缺乏立法支持与技术标准的指导以及相应组织的管理与监督,使我国的传统无机非金属材料工业发展还有很大的提升空间。面对资源和环境对我国经济发展的严峻考验,国民经济的可持续发展战略显得愈加重要。2.2、向着节能、降耗的方向发展传统的无机非金属材料工业是能源消耗大户,在世界能源日益短缺的今天,如何生产节能、降耗,以及如何生产出高质量的建筑节能、保温产品是建材工业发展的重要趋势。选择资源节约型、污染最低型、质量效益型、科技先导型的发展方式。新型墙体材料、高质量门窗、中空玻璃将大量应用。向着提高材料性能、使用寿命的方向发展。低寿命设计、大量重复建设已经严重制约城市建设的发展。现代化建筑需要高性能建筑材料的支持,而提高建筑的耐久性又对建筑材料的使用寿命提出了更高的要求。2.3、单线生产能力向大型化发展无论是水泥工业、玻璃工业，还是陶瓷工业，单条生产线的生产能力有大型化的趋势。生产线的大型化可以有效提高产品的质量，降低能源消耗。2.4、向着智能化方向发展建筑的智能化需要建筑材料的支持。随着技术的进步和生活水平的提高,建筑材料的安全性智能诊断等智能技术将更多的应用于建筑中。向着复合化、多功能化方向发展。复合材料具有单一材料所无法满足的使用功能,是建筑材料的发展趋势,对建筑材料的功能要求越来越趋向于多功能化。未来科学技术的发展，对各种无机非金属材料，尤其是对特种新型材料提出更多更高的要求。材料学科有广阔的发展前景，复合材料、定向结晶材料、增韧陶瓷以及各种类型的表面处理和涂层的使用，将使材料的效能得到更大发挥。由于对材料科学基础研究的日益深入，各种精密测试分析技术的发展，将有助于按预定性能设计材料的原子或分子组成及结构形态的早日实现。3.世界研究方向的选择及分析现代技术中的信息、航空航天、能源、生物工程、环境工程等的迅速发展对于材料的性能提出了各种需求，促进了无机非金属材料的发展。由此出现了许多新型材料，其中工程陶瓷材料，陶瓷高临界温度Tc超导材料和智能材料等的出现提出了无机非金属材料学的新的研究方向，而复合材料和纳米材料则为无机非金属材料开辟了新的研究领域。近10年来，整个世界从信息时代进入了高智能化的人机交互时代，人机交互技术已经进入了每个人生活的方方面面。前一段时间，苹果公司出的一个视频很受欢迎，里面描述了对未来高智能化生活的展望，而标题是“玻璃中的一天”，新型无机非金属智能材料，在这个对未来生活的展望中，占据着不可或缺的地位。虽然这只是个简单的视频，但我们可以从中看到未来的影子，以及智能材料的广阔的发展前景。智能材料是指对环境具有可感知、可响应并具有功能发现能力的新材料。至此智能材料与结构的研究也开始由航空航天及军事部门逐渐扩展到土木工程、医药、体育和日常用品等其他领域。同时，智能材料的实践意义在目前已有的应用中可见一斑：3.1智能陶瓷材料中的t-ZrO2晶粒在烧成后冷却至室温的过程中仍保持四方相形态，当材料受到外应力的作用时，受应力诱导发生相变，由t相转变为m相。由于ZrO2晶粒相变吸收能量而阻碍裂纹的继续扩展，从而提高了材料的强度和韧性。相转变发生之处的材料组成一般不均匀，因结晶结构的变化，导热和导电率等性能随之而变，这种变化就是材料受到外应力的信号，从而实现了材料的自诊断。3.2智能水泥基材料在现代社会中，水泥作为基础建筑材料应用极为广泛，使水泥基材料智能化具有良好的应用前景。智能水泥基材料包括：应力、应变及损伤自检水泥基材料；自测温水泥基材料；自动调节环境湿度的水泥基材料；仿生自愈合水泥基材料及仿生自生水泥材料等。水泥基材料中掺加一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维后，材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的。因此，该材料可以监测拉、弯、压等工况及静态和动态载荷作用下材料内部情况。在水泥净浆中0.5%（体积）的碳纤维用做传感器，其灵敏度远远高于一般的电阻应变片。在水泥净浆中掺加多孔材料，利用多孔材料吸湿量与温度的关系，能够使材料具有调湿功能。目前，智能材料尚处在研究发展阶段，它的发展和社会效应息息相关。飞机失事和重要建筑等结构的损坏，激励着人们对具有自预警、自修复功能的灵巧飞机和材料结构的研究。以材料本身的智能性开发来满足人们对材料、系统和结构的期望，使材料结构能“刚”“柔”结合，以自适应环境的变化。在未来的研究中，应以以下几个方面为重点：（1）如何利用飞速发展的信息技术成果，将软件功能引入材料、系统和结构中；（2）进一步加强探索型理论研究及材料复合智能化的机理研究，加速发展智能材料科学；加强应用基础研究。【参考文献】【1】张令弥，智能结构研究的进展与应用.振动、测试与诊断，1998，18（2）：79～84【2】黄智伟.光纤智能结构/蒙皮.传感器世界，2000，20（4）：20～24【3】郭照华.建筑材料中光纤的应用.材料导报，1997，11（4）：9～10【4】安国.神奇的智能材料.国外科技动态，1999，（8）：30～31【5】崔金泰.暂露头角的智能材料.国外科技动态，1999，（12）：11～12【6】高彦峰等.智能材料简论.陶瓷工程，1999，33（4）：44～45