无机非金属材料的现状与前景.doc

无机非金属材料的现状与前景学生姓名：。 学号：。化学化工学院 化学专业指导教师：。 职称：副教授摘 要：简述了无机非金属材料,包括水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料、人工晶体、半导体材料等的现状与前景。 关键词: 无机非金属材料； 现状； 前景Abstract: The present situation and prospect of inorganic nonmetallic materials, such as cement, glass, ceramic, refractory, artificial crystal, semiconductor materials were described in this paper.Key Words: inorganic nonmetallic; present situation; prospect引言无机非金属材料包括水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料、人工晶体和半导体材料等，下面就其现状与前景做简单介绍。1 水泥水泥作为三大建筑材料之一，是最大宗的无机非金属材料。目前传统水泥的生产工艺日趋完善，水泥材料的发展主要表现在高性能水泥基材料、节能型水泥等方面。1.1 高性能水泥基材料对水泥材料高性能的要求首先是强度高。通过降低孔隙率、改善孔结构及孔径分布可开发出高致密、高强度的水泥基材料，为此，一般可采用以下几种方法：改变成型方法；掺加超细活性硅质材料，如硅灰、稻壳灰、粉煤灰、矿渣等；掺加高分子材料；掺加纤维材料，如抗碱玻纤、钢、碳、莫来石、尼龙和丙烯等纤维。制造水泥基纤维复合材料，取得了很好的增强和增韧效果，从理论上讲，理想的纤维材料是硅酸钙纤维，它与水泥材料的化学兼容性好，还可起晶种作用促进水化；发展新型水泥材料，传统的硅酸盐水泥及其衍生品种的强度和耐久性均不够理想，五十年代出现的碱矿渣水泥(AASC)具有强度高、水泥石致密、抗渗、抗冻、抗化等特性。1.1.1浸渍水泥基材料采用高分子聚合物对水泥浆体浸渍，使整个材料非常密实，所得材料的抗压强度可达240 Mpa。1.1.2 MDF水泥MDF水泥 (Macro-Defect Free Cement)是在仿生学基础上对传统水泥进行深加工而获得的。通过在水泥中掺加有机聚合物及改变颗粒组成，采用强烈搅拌、轧压成型 (W/C: 0.1-0.15)，使材料的抗弯强度可达150 MPa-200 Mpa，显著改善了材料的韧性，甚至可用此材料制造弹簧，还可用作高性能声学材料、装甲材料、低温材料、电磁辐射屏蔽材料等。但这种材料还存在耐水性差、水化程度低、热力学不稳定等缺点，需进一步研究改进，如减少有机物用量并改用耐水性好的高分子材料，采用催化剂提高高分子聚合度以及采用偶联剂等改进高分子与水泥的结合。1.2 节能型水泥节能型水泥的生产可通过改变熟料矿物组成、生产少熟料水泥等途径达到。1.2.1改变熟料矿物组成在保证质量的条件下以含钙量低，形成温底低的低能耗熟料矿物代替传统硅酸盐水泥中的C3S、C3A等高能耗矿物。如以C4A3S、-C2S等为主要矿物组成的硫铝酸盐水泥，以C4AF、C4A3S、-C2S为主的铁铝酸盐水泥，以C11A7CaF2、C3S或C2S为主的氟铝酸盐水泥，以C21S6ACaCl2、C4S2CaCl2、C11A7CaCl2和C4AFCaCl2为主的阿利尼特水泥等，这些水泥的共同特点是烧成温度低(1200-1250左右)，热耗大幅度降低，早期强度高，后期强度也比较稳定，易磨性好，可减少粉磨电耗。1.2.2生产少熟料水泥利用碱-矿渣水泥的生产原理，提高混合材掺量，减少水泥用量可大幅度降低水泥生产能耗及成本，同时还可充分利用工业废渣，如钢渣、磷渣、铁合金渣、铅渣、镍渣、铝渣等，还可利用沸石、火山灰等天然或人工火山灰质材料。2玻璃 玻璃是另一类传统的、历史悠久的无机非金属材料。传统的玻璃材料及器皿等工艺技术已基本成熟，玻璃新材料包括医用玻璃和生物工程玻璃、非线性光学玻璃、光通讯用玻璃、平面集成微光学玻璃、电致变色等。2.1 医用玻璃和生物工程玻璃自70年代发明生物玻璃以来，人们发现许多玻璃和微晶玻璃能与生物骨形成键合，其中一些已应用于临床，用作牙周种植、人造中耳骨等。目前正利用玻璃、微晶玻璃制备高韧性生物活性金属，生物活性聚合物等。微晶玻璃尤其是多孔微晶玻璃可用作生物工程中的载体，用在固定床反应器、固定床循环反应器和流化床反应器上。2.2 非线性光学玻璃近年来，非线性光学玻璃，特别是未来全光学装置所要求的具有高三阶极化率，快的响应时间和低的光吸收特性的材料研究引人注目。制备方法包括传统微晶玻璃制备法、离子交换法和离子注入法。2.3 光通讯用玻璃稀土铒填充石英光纤正作为1.5 m带操作的传导波纤维放大介质应用于光学通讯系统，目前正利用掺稀土的氟化物光纤制作具有从可见光到中红外光操作波长带的纤维激发器和放大器，以满足超高容量和适应性强的光学网络系统的需要。2.4 平面集成微光学玻璃1968年开发的梯度折射率微透镜产生了微光学的新技术和应用。目前的研究主要集中在平面光波回路装置和平面集成微透镜的开发方面，应用目标是数字、信息存取系统的光学分离器、平行内连系统的光学偶合器及投影显示系统的液晶显示盘。3 陶瓷 陶瓷是具有悠久历史的材料，通常作为陶瓷器、砖瓦、卫生陶器等民用产品用于人们的日常生活，作为工业产品，广泛用着耐火材料、电绝缘子、磨削砂轮等。精细陶瓷是相对于传统陶瓷而言的，它是采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术制造、加工的，便于进行结构设计的，具有优异特性的陶瓷。精细陶瓷可分为：电子陶瓷、磁性陶瓷、高温陶瓷、生物陶瓷、结构陶瓷、超导材料、纳米晶材料等。3.1 电子陶瓷电子陶瓷可分为导电陶瓷、光电陶瓷和热电陶瓷等。3.1.1导电陶瓷导电陶瓷有碳和碳化硅系陶瓷、BaTiO3系半导体陶瓷等。可用作电阻器、高温用电热电阻、热敏电阻器、湿敏电阻器、具有开关和存储功能的非线性电阻器等。3.1.2光电陶瓷光电陶瓷可制成光敏元件、光电导(PC)模元件、光生伏打(PV)模元件。烧结CdS多晶可作成X射线到紫外线范围的光检测器。CdS中掺加Cu等杂质制成的薄膜和多晶光敏元件，目前作为可见光的检测器具有广泛的用途。3. 1. 3热电陶瓷热电陶瓷由于其表面电荷随温度发生变化，固此可利用它制成探测辐射能量大小的热电探测器，在工业、医疗等方面用作非接触测温、热成相器件等。3.2 磁性陶瓷磁性陶瓷可分为永磁材料、软磁材料和磁信息材料。3.2.1永磁材料早期生产和使用的永磁材料是以碳钢为代表的淬火马氏体钢。1967年，作为第一代稀土永磁材料的SmCo5的稀土永磁材料诞生了，1975年，成分为Sm2Co17的第二代稀土永磁材料问世，1982年前后投入大规模生产，1983年底，高性能的第三代稀土永磁材料钕铁硼永磁材料诞生。第四代新型稀土永磁材料的探索对象主要是在稀土铁化合物中添加第三种或第四种元素，最可能取得突破的是成分为Sm2Fe17N3和SmFe11Ti的两种材料。3. 2. 2软磁材料非晶态软磁合金是一个崭新的材料研究领域，目前重点研究的非晶态磁性合金主要有:过渡金属类金属非晶态磁性合金、稀土过渡族非晶态合金、过渡金属过渡金属非晶态合金。掺入铌和钽的CoZr合金薄膜是重要的磁带录像机磁头材料，这种材料目前已商品化。3 .2. 3 磁信息材料随着计算机技术的发展，磁存储和磁记录一直是信息存储和记录的重要手段。近年来，为了提高记录密度，常使用金属磁粉。钡铁氧体磁粉是一种正在研究的新记录材料。此外新型的薄膜介质也已投入使用新型的CoZr/NiFe双层膜介质的研究正取得进展，有望得到更高的位密度。在新型磁存储器中，值得一提的是磁光盘，它具有超高存储密度，高可靠性，可擦除重写百万次以上的优点。3.3 高温陶瓷高温陶瓷与金属相比，能耐更高的温度。高温陶瓷有氧化物系陶瓷和非氧化物系陶瓷。ThO2、MgO、M2O3陶瓷可用作磁流体发电机的发电通道绝缘材料，ZrO2、LaCrO3陶瓷可用作发电通道的电极材料。碳化物、硼化物、氮化物等显示出不同于以往氧化物系陶瓷的性能,成为超高温度技术领域中的重要材料。3.4 生物陶瓷生物陶瓷是用于人体器官替换、修补和外科矫形的陶瓷材料，它已用于人体近四十年，近年来发展相当迅速。这类材料主要包括氧化铝、羟基磷灰石、生物活性玻璃及生物活性玻璃陶瓷、涂层及可被吸收降解的磷酸钙陶瓷。3.5 结构陶瓷结构陶瓷以耐高温、高强度、耐磨损、抗腐蚀等机械力学性能为主要特征,在冶金、宇航、能源、机械和光学的领域等有重要应用。在这些领域中用非金属代替部分金属是总的发展趋势。3 .5.耐高温、高强度、耐磨损陶瓷氧化铝、氧化铝碳化钛、氧化铝氮化钛碳化钛碳化钨、氧化铝碳化钨铬、氮化硼和氮化硅等陶瓷可用作切削工具。氮化硅可做燃气轮机的燃烧室，最引人注目的是在发动机制造上获得了突破性进展。3. 5. 2耐高温、耐腐蚀的透明陶瓷用氧化铝和氧化镁混合在1800高温下制成的全透明镁铝尖晶石陶瓷，外观极似玻璃，但其硬度、强度和化学稳定性都大大超过玻璃，可用它作为飞机档风材料，也可作为高级轿车的防弹窗、坦克的观察窗、炸弹瞄准具以及飞机和导弹的雷达无线罩等。3.6 超导材料超导材料有低温超导材料和高温超导材料。超导技术的大规模应用，过去主要因为低温超导材料必须用液氮冷却而受到限制，高温超导材料问世以来，它的稳定性，尤其是成材工艺问题尚未完全解决，目前还没有实用，一旦高温超导材料的成材工艺有所突破，那么超导技术将在能源、输变电、动力、交通、电子技术等最基础和影响最深远的方面发挥其作用，使整个社会生产力产生全面的和革命性的变化。4 耐火材料 耐火材料也是一种陶瓷,是从陶瓷中分支出来的一种材料。耐火材料是一种传统的无机非金属材料，但近年来不少重要用途的优质制品向高技术，高性能以至高精度方向发展。制品从以氧化物和硅酸盐为主演变到氧化物和非氧化物并重，并有向氧化物和非氧化物复合倾斜的趋向。其主攻方向为：(1)碳结合和非氧化物制品，(2)功能耐火材料，(3)高效碱性和高铝制品，(4)优质节能材料。5 人工晶体晶体的生长可追溯到一千多年前，随着现代科学技术的发展，晶体生长技术和方法也迅速进步，从高真空到超高压，从低温到等离子体高温，从精密检测生长参数到微机自动监控过程，从高纯原料到超净环境等等,晶体生长技术几乎动用了现代实验技术中一切重要手段。在数以千计的人工晶体中，真正称得上应用广、产量大、经济效益高且长盛不衰的，除半导体硅单晶外，只有金刚石、水晶和宝石等少数几种。5.1 人造金刚石人造金刚石从40年代问世，经历了超硬材料(50-60年代)，工具应用(60-80年代)和功能材料(如近期的金刚石薄膜等)三个阶段。我国从60年代初开始研制金刚石，目前除个别研究单位仍保持较高水平的研究和发展外，大部分已转入企业生产。5.2 人造水晶水晶作为理想的压电材料，是电子工业的支柱之一，此外它还是重要的光学材料和装饰宝石，人工水晶始于1905年，二战前后，由于电子通讯技术的迅速发展，人工合成水晶有突飞猛进的发展，70年代，随着电子表的问世，人工水晶又掀起了第二次高潮，80年代当按纽电话、无绳电话和移动电话兴起时，人工水晶又出现了第三次高潮。每隔3-5年，随着新电子产品的问世，人工水晶还会掀起一个个新高潮，它是典型的经久不衰的人工晶体。6 半导体材料半导体材料是本世纪最重要、最有影响的功能材料之一，它在微电子领域内具有独占的地位，同时又是光电子领域的主要材料。半导体材料的种类很多，从单质到化合物，从无机物到有机物，从晶态到非晶态等，但归纳起来大致可分为：元素半导体化合物半导体、固溶体、非晶半导体和有机半导体等。当今微电子和光电子工业中最重要的半导体材料是半导体单晶材料和人工设计半导体超晶格材料等。6.1 半导体单晶材料硅、锗、砷化镓等半导体材料是当今发展微电子、光电子工业的核心材料。它包括电子级硅、锗单晶微电子材料,砷化镓化合物单晶光电子材料。此外,还有用于不同光波长响应的锑化铟、硫化铝、硒化镉、磷化镓和硫化镉等光电材料，用作半导体温差电材料的碲化铋、碲化铝、锑化锌及固溶体。6.2 半导体超晶格材料随着半导体超薄层制备技术的提高，半导体超晶格材料已由原来的砷化镓/镓铝砷扩展到铟砷/镓锑和铟铝砷/铟镓砷等多种。参考文献:1 张杏硅. 新材料技术M. 南京：江苏科学技术出版社, 1992:36.2 樱井良文, 小泉光惠. 新型陶瓷材料及其应用M. 北京：中国