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无机非金属材料的研究进展和应用发展趋势姓名： 班级：无机102 学号：摘 要：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。新材料是发展高新技术的基石,从结构陶瓷、功能陶瓷、复合材料及无机非金属材料科学的新兴领域等方面,阐述了若干新型无机非金属材料的研究开发现状,并对其未来发展动向进行了展望。新型无机非金属材料将在未来科技发展中发挥更大的作用,应予以高度重视,而用新材料技术改造传统无机非金属材料行业,能促进材料行业的整体飞跃。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。关键词：新型无机非金属材料，方向，前景趋势。引 言：新材料是发展高新技术的物质基础,新材料及与其直接相关的研究领域,如信息存储材料、微电子材料、生物材料、纳米材料、超导材料及高温电子学等,在当今高新技术领域及未来技术中均占有重要地位。因此世界各国都给予高度重视,很多国家把新材料的研究与开发列为关键技术。而在新材料中,新型无机非金属材料又是特别活跃的领域,在整个新材料中占据主要地位。近年来,新型无机非金属材料在以下4个方面取得了重要进展,并将继续获得突破。一 无机材料的研究进展在最近的几年来，由于科技的飞速发展，尤其是在材料的这方面去的了巨大的突破。由传统的无机非金属材料逐渐向新型的无机非金属材料演变。新材料是发展高新技术的物质基础，新材料及与其直接相关的研究领域，如信息存储材料、微电子材料、生物材料、纳米材料、超导材料及高温电子学等，在当今高新技术领域及未来技术中均占有重要地位。近年来，无机非金属材料不仅在品种上有了空前的发展，而且在内涵上有了进一步的延伸。在以往的传统材料中，中国无机非金属材料工业的发展中存在很多问题，特别是传统的无机非金属材料与国外先进水平有非常大的差距，主要有： （1） 产品等级低 在传统无机非金属材料中，无论是水泥、玻璃还是陶瓷的产品等级普遍偏低。例如：发达国家的水泥熟料强度一般都在70MPa以上，而中国平均强度仅为50 MPa。中国高等级水泥（ISO42.5）仅占18%，大量生产的是中、低等级水泥（ISO32.5），而很多发达国家的高等级水泥占90%以上。 （2） 资源消耗高 在资源的消耗方面，水泥和陶瓷工业更为突出。由于大量的无序开采，未能充分利用有限资源，造成了极大浪费。例如：生产水泥熟料的主要原料是相对优质的石灰石，其化学成份须满足CaO含量不低于45%、MgO不高于3%等要求。中国符合水泥生产要求，可以使用的量仅约250亿吨。目前每年生产水泥消耗的优质石灰石约5.5亿吨，因此该储量仅可生产水泥熟料约200亿吨，仅能提供约40年的水泥生产需要。 （3） 能源消耗高 在建筑材料的生产过程中，要消耗大量的能源。例如：水泥工业每年消耗标煤9106万吨，电力 650亿度。中国水泥生产能耗远高于世界先进水平，以每吨熟料的综合能耗计算，世界先进水平为117Kg标煤，中国为173.5Kg标煤，高出达50%以上。在国外，全氧燃烧技术已经在玻璃行业中得到了较为广泛的应用，而仅有为数不多玻璃纤维生产线使用了该项技术。 （4） 环境污染严重 水泥工业每年排放温室气体CO2约5.55亿吨、SO2 68.6万吨、NOx约206万吨；目前其他先进国家平均吨熟料的粉尘排放1Kg，而中国高达13Kg，全国水泥生产年排放的粉尘竟高达1000万吨以上。 （5） 单线生产规模小，落后工艺大量存在 以悬浮预热和预分解技术为核心技术的“新型干法”工艺，是目前世界水泥工业普遍采用的最先进的现代化水泥生产技术。日本有96%、意大利96.5%、韩国100%、泰国90%的水泥产量采用这种新型干法生产线，而中国仅为15%。中国水泥制造业处于先进工艺与落后工艺并存的复杂状态。在玻璃行业，中国浮法玻璃生产线的平均生产规模为450吨/天，而西方国家的法玻璃生产线的平均生产规模为550吨/天。而且在玻璃产品的品质上与国外相比有非常的差距。但是，新型无机非金属材料是指具有如高强、轻质、耐磨、抗腐、耐高温、抗氧化以及特殊的电、光、声、磁等一系列优异综合性能的新型材料，是其它材料难以替代的功能材料和结构材料。新型无机非金属材料除前述发展趋势外,还有以下几方面1.生物材料和器件随着人类文明的进步,人造生物材料越来越重要,它主要包括三种类型:1.生物医用材料除了神经系统外,几乎所有的人体器官都可用人造材料来代替。对用于人体的材料的性能要求很高,除了力学性能相匹配之外,更重要的是生物相容性,无毒、无害、无血凝,还要有足够长的寿命。2.仿生材料生物体是历经千百万年进化而来的,经自然选择后,其结构是最为合理的。解剖生物体给人类以极大启发,材料设计人员在设计材料时有所借鉴。例如蚌壳,不但强度高,而且有很好的韧性,这是因为其碳酸钙硬层中夹有有机物软层的特殊结构造成的,科学家们模仿这种结构设计的仿珍珠层状复合材料,获得了极高的强度和韧性1;而蜘蛛网的极高韧性,更是令人叹为观止。 3.生物体系模拟生物体系有超乎寻常的功能,如脊椎动物的能量效率接近100 % ,而最好的发动机也不超过50 %;人的肾上腺只有6g 重,而生物碱达100 种以上,可随生物体情况而释放不同物质,以保持人体代谢平衡;耳目口鼻的感度,是人工传感器的千百万倍;而不起眼的蟑螂,却具有最敏感的触觉,对于1/ 25400000000英寸微小距离的运动,其神经也能发出信号! 也就是说,它能觉察到最轻的脚步声几乎能感受到你的意向7。生物体系为材料设计者提供了完美的参照物。总起来说,生物医用材料已得到广泛应用,仿生材料正在开始研究,而生物体系模拟仍处于酝酿阶段。2 智能材料智能材料是能感智环境的变化并作出相应反应的材料,如压电陶瓷、湿敏陶瓷、光敏陶瓷和形状记忆合金等。智能装置已进入人们的日常生活,例如具有自我调节功能的汽车悬架,可以识别路面的高低平凹变化,并相应改进自身的刚度,从而减弱车身的颠簸振动,使乘客感到舒适; 再如卫星太阳能板和天线、机翼的调整8、9;大坝、桥梁和高层建筑都可通过智能系统进行控制,以提高可靠性,预报和防止灾害。智能材料的进一步发展,将能够创造更惊人的奇迹,帮助人类建设一个更美好的新世界。 3 环境材料环境材料又称为低环境负荷材料,是指那些能直接或间接地减少污染和危害的材料。轻质材料、少加工材料、长寿命材料、可循环利用材料、无污染少污染材料、天然原材料和节能材料,都符合环境材料的要求10、11。目前,有些大企业对环境材料给予了足够的重视,如日立公司从1990 年至2000 年的产品再减少能耗23 35 % ,减少废物排放60 %;海尔公司和新飞公司都在各自生产的冰箱和空调中使用了新型制冷剂,以减少氯氟烃的排放,既可以提高制冷效率,节约能源,而且有利于保护环境。建材是环境材料的一个重要领域,尤其在我国具有特别重要的意义。我国目前的建筑材料工业每年毁田610 万亩,耗土石50 亿t 、标准煤2 亿t 。排放二氧化碳61591 亿t ,占全国总排放量的35 %40 %。因此,我国急需发展节省资源和能源及环保型生态建材;有益于健康及净化功能的生态建材;拓展生存空间和增加可利用资源的生态建材。 4 纳米材料纳米相材料和纳米颗粒材料是21 世纪纳米技术和工程的一个重要组成部分。纳米材料所具有的特殊性能,在很大程度上决定于晶粒的晶体和化学结构,当物质颗粒小到纳米(1100nm) 量级时,在催化、吸光、医药、磁性等方面都出现很多特点,这些特点可在许多方面得到应用。纳米颗粒表面原子扩散快,烧结温度低,易于成型,制成的陶瓷可具有超塑性。当Fe - Co 合金或Fe2O3 的尺寸为单磁畴时,矫顽力很高,成为最好的磁性材料(作磁卡等) 。纳米材料领域的研究目标应当是实用化12。近几年,用纳米晶粒自行组装成具有长周平移甚至取向对称的超晶格结构,正形成一股国际研究浪潮13。纳米晶粒还可以看作“人造原子”,用这种“人造原子”制成了自行组成的纳米晶粒长程有序结构,Au 和Ag 金属自组结构可以实现薄膜非线性光学性能14,半导体自组结构微粒间的电子隧道效应和微粒内的电子输运会发生质的变化15,利用磁性材料自组装可能得到更高密度磁记录介质。 5 金刚石薄膜与C60金刚石有明显的优点,近年来兴起的金刚石薄膜研究,更引起人们的重视,因为除了高硬度以外,还具有导热不导电(半导体封装) 、透光(紫外线) 、低摩擦系数(轴承、磁盘、磁头、刀具) 、高模量(音响) 及不变形等特点,用途十分广泛,开发潜力特别巨大。C60 (乙烯球) 于1985 年发现以来,为原子簇化学开辟了新天地,它有很多潜在的用途:半导体、催化剂、润滑油及超导体16(当其结构为C540时,有可能实现室温超导) 。C60的缺点一是易氧化,二是价格昂贵(纯C601993 年为1000 美元/ g ,混合体C60 、C76 、C80为200 美元/ g) ,将来有望降至100 美元/ kg ,目前还处于科学研究阶段。 6 计算机模拟与材料设计随着材料研究的深入和计算机科技的发展,可以通过计算机模拟来预测材料的结构、性能及其相互关系,从而达到优化材料设计的目的,使材料制造由“炒菜式”向按性能要求设计结构的方向迈进。随着显微材料学和计算机科学的不断发展与结合,从离子和原子尺度出发来预测各种特性,从宏观热力学角度出发绘制相图,甚至与制造工艺相结合,实现最后产品的使用性能,逐渐形成一门新兴的“计算材料科学”17、18。当然,计算材料科学必须与实验和生产相结合,否则,无法达到实用的目的。 7 用新材料科学技术武装改造传统材料产业国民经济的发展离不开传统材料,因为传统材料量大(占材料总用量的95 %以上) 、面广,影响大。当前,我国传统材料与国际差距比新材料还要大,主要表现在能耗高、污染重、质量差、品种规格少、各类材料比例不尽合理。在目前情况下,新材料与传统材料宜共同发展,而不可偏废。如在新型材料研究和生产中,广泛采用的计算机技术、自动控制技术、精制原料、新型材料制成的关键零部件、精密加工技术及检测技术等,若应用到水泥、玻璃、陶瓷及耐火材料等传统材料领域,必将引发传统材料广泛而深刻的革新。因此,传统材料的发展,也为新材料及其相关技术提供了用武之地,使新材料有更光明的发展前景。二.应用发展前景趋势1.国际发展趋势近些年，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。 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，中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，使中国的传统无机非金属材料工业发展还有很大的提升空间。面对资源和环境对中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.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。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。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。5.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。参考文献1 师昌绪. 自然杂志,1996 ;18 (5) :2492602王零森. 特种陶瓷. 长沙:中南工业大学出版社,19943 郭景坤. 科学,1997 ;49 (6) :21244 郭景坤. 硅酸盐通报,1995 ; (4) :18285 范福康、张标. 硅酸盐通报,1995 ; (4) :29366 日堂山昌男、山本良一. 尖端陶瓷. 邝心湖等译.北京:电子工业出版社,19877 D. 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