无机非金属材料概论

1、无机非金属材料概论无机非金属材料（inorganic nonmetallic materials）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。常见种类 二氧化硅气凝胶、水泥、 玻璃、陶瓷。成分结构在晶体结构上,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

2、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。硅酸盐材料是无机非金属材料的主要分支之一，硅酸盐材料是陶瓷的主要组 成物质。应用领域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。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

3、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（advaneed ceramics） 非晶态材料（noncrystal materia、人 工晶体artificial crys-tal、无机涂层（inorganic coat in g

4、）、无机纤维（inorganic fibre分类传统陶瓷：其中，瓷是粉体的致密烧结体，较之较早的陶，其气孔率明显降低，致密度 升高。陶瓷在我国有悠久的历史，是中华民族古老文明的象征。从西安地区出土的 秦始皇陵中大批陶兵马俑，气势宏伟，形象逼真，被认为是世界文化奇迹，人类 的文明宝库。唐代的唐三彩、明清景德镇的瓷器均久负盛名。传统陶瓷材料的主要成分是硅酸盐，自然界存在大量天然的硅酸盐，如岩石、 土壤等，还有许多矿物如云母、滑石、石棉、高岭石等，它们都属于天然的硅酸 盐。此外，人们为了满足生产和生活的需要，生产了大量人造硅酸盐，主要有玻 璃、水泥、各种陶瓷、砖瓦、耐火砖、水玻璃以及某些分子筛等。硅

5、酸盐制品性 质稳定，熔点较高，难溶于水，有很广泛的用途。硅酸盐制品一般都是以黏土（高岭土）、石英和长石为原料经高温烧结而成。 黏土的化学组成为Al传32SiO2H传，石英为SiO,长石为K传AI传36SiO （钾长石）或Na2O AI2O3 6SiO2 （钠长石）。这些原料中都含有 SiO2，因此 在硅酸盐晶体结构中，硅与氧的结合是最重要也是最基本的。硅酸盐材料是一种多相结构物质，其中含有晶态部分和非晶态部分，但以晶 态为主。硅酸盐晶体中硅氧四面体SiO4是硅酸盐结构的基本单元。在硅氧四面 体中，硅原子以sp杂化轨道与氧原子成键，SiO键键长为162 pm,比起Si和 O的离子半径之和有所缩短

6、，故SiO键的结合是比较强的。精细陶瓷：精细陶瓷的化学组成已远远超出了传统硅酸盐的范围。例如，透明的氧化铝 陶瓷、耐高温的二氧化锆（ZrO2）陶瓷、高熔点的氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC） 陶瓷等，它们都是无机非金属材料，是传统陶瓷材料的发展。精细陶瓷是适应社 会经济和科学技术发展而发展起来的，信息科学、能源技术、宇航技术、生物工 程、超导技术、海洋技术等现代科学技术需要大量特殊性能的新材料，促使人们研制精细陶瓷，并在超硬陶瓷、高温结构陶瓷、电子陶瓷、磁性陶瓷、光学陶瓷、 超导陶瓷和生物陶瓷等方面取得了很好的进展，下面选择一些实例做简要的介 绍。高温结构陶瓷汽车发动机一般用铸铁铸造，耐热

7、性能有一定限度。由于需要 用冷却水冷却，热能散失严重，热效率只有30%左右。如果用高温结构陶瓷制造 陶瓷发动机，发动机的工作温度能稳定在1 300 C左右，由于燃料充分燃烧而又 不需要水冷系统，使热效率大幅度提高。用陶瓷材料做发动机，还可减轻汽车的 质量，这对航天航空事业更具吸引力，用高温陶瓷取代高温合金来制造飞机上的 涡轮发动机效果会更好。已有多个国家的大的汽车公司试制无冷却式陶瓷发动机汽车。我国也在1990 年装配了一辆并完成了试车。陶瓷发动机的材料选用氮化硅，它的机械强度高、 硬度高、热膨胀系数低、导热性好、化学稳定性高，是很好的高温陶瓷材料。氮 化硅可用多种方法合成，工业上普遍采用高纯

8、硅与纯氮在1 300 C反应后获得：3Si+2N2Si3N4 （1 300 C）高温结构陶瓷除了氮化硅外，还有碳化硅（SiC）、二氧化锆（ZrO2）、氧化 铝等。透明陶瓷一般陶瓷是不透明的，但光学陶瓷像玻璃一样透明，故称透明陶瓷。 一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者使光产生散射，所以就不透明了。因此如果选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔就 可能获得透明陶瓷。早期就是采用这样的办法得到透明的氧化铝陶瓷，后来陆续研究出如烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆等多种氧化物系列透明陶瓷。又研制出非氧化物透明陶瓷，如砷化镓（GaAs）、硫化锌（ZnS）、 硒

9、化锌（ZnSe）、氟化镁（MgF2 ）、氟化钙（CaF2）等。这些透明陶瓷不仅有优 异的光学性能，而且耐高温，一般它们的熔点都在2 000 C以上。如氧化钍-氧化钇透明陶瓷的熔点高达3 100 C,比普通硼酸盐玻璃高1 500 Co透明陶瓷的重要用途是制造高压钠灯，它的发光效率比高压汞灯提高一倍，使用寿命达2万小时，是使用寿命最长的高效电光源。 高压钠灯的工作温度高达1 200 C,压 力大、腐蚀性强，选用氧化铝透明陶瓷为材料成功地制造出高压钠灯。透明陶瓷的透明度、强度、硬度都高于普通玻璃，它们耐磨损、耐划伤，用透明陶瓷可以 制造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器和高级防护眼镜等。

10、生物陶瓷人体器官和组织由于种种原因需要修复或再造时，选用的材料要求生物相容性好，对肌体无免疫排异反应；血液相容性好，无溶血、凝血反应；不 会引起代谢作用异常现象；对人体无毒，不会致癌。已发展起来的生物合金、生 物高分子和生物陶瓷基本上能满足这些要求。利用这些材料制造了许多人工器 官，在临床上得到广泛的应用。但是这类人工器官一旦植入体内， 要经受体内复 杂的生理环境的长期考验。例如，不锈钢在常温下是非常稳定的材料，但把它做 成人工关节植入体内，三五年后便会出现腐蚀斑，并且还会有微量金属离子析出， 这是生物合金的缺点。有机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，耐腐蚀，更适

11、合植入体内。氧化铝陶瓷做成的假牙与天然齿十分接近， 它还可以做人工关节用于很多部 位，如膝关节、肘关节、肩关节、指关节、髋关节等。ZrO2陶瓷的强度、断裂韧性和耐磨性比氧化铝陶瓷好，也可用以制造牙根、骨和股关节等。羟基磷灰石 Ca10（PO4）6（OH）2是骨组织的主要成分，人工合成的与骨的生物相容性非常 好，可用于颌骨、耳听骨修复和人工牙种植等。发现用熔融法制得的生物玻璃， 如CaO-Na2O-SiO2-P2O5,具有与骨骼键合的能力。陶瓷材料最大的弱点是性脆，韧性不足，这就严重影响了它作为人工人体器 官的推广应用。陶瓷材料要在生物工程中占有地位，必须考虑解决其脆性问题。纳米陶瓷：从陶瓷材料

12、发展的历史来看，经历了三次飞跃。由陶器进入瓷器这是第一次 飞跃；由传统陶瓷发展到精细陶瓷是第二次飞跃，在这个期间，不论是原材料， 还是制备工艺、产品性能和应用等许多方面都有长足的进展和提高，然而对于陶 瓷材料的致命弱点一一脆性问题没有得到根本的解决。精细陶瓷粉体的颗粒较 大，属微米级（10 m）,有人用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级（10 m），用这种超细微粉体粒子来制造陶瓷材料，得到新一代纳米陶瓷，这是 陶瓷材料的第三次飞跃。纳米陶瓷具有延性，有的甚至出现超塑性。如室温下合 成的TiO2陶瓷，它可以弯曲，其塑性变形高达 100%，韧性极好。因此人们寄 希望于发展纳米技术去解决陶瓷材

13、料的脆性问题。纳米陶瓷被称为21世纪陶瓷。发展历史旧石器时代人们用来制作工具的天然石材是最早的无机非金属材料。在公元前6000前5000年中国发明了原始陶器。中国商代（约公元前17世纪初约前11世纪）有了原始瓷器，并出现了上釉陶器。以后为了满足宫廷观赏及民间 日用、建筑的需要，陶瓷的生产技术不断发展。公元 200年（东汉时期）的青瓷 是迄今发现的最早瓷器。陶器的出现促进了人类进入金属时代， 中国夏代（约公 元前22世纪末至约前21世纪初约前17世纪初）炼铜用的陶质炼锅，是最早 的耐火材料。铁的熔炼温度远高于铜，故铁器时代的耐火材料相应地也有很大发 展。18世纪以后钢铁工业的兴起，促进耐火材料向

14、多品种、耐高温、耐腐蚀方向发展。公元前3700年，埃及就开始有简单的玻璃珠作装饰品。公元前1000年前，中国也有了白色穿孔的玻璃珠。公元初期罗马已能生产 多种形式的玻璃制 品。10001200年间玻璃制造技术趋于成熟，意大利的威尼 斯成为玻璃工业中心。1600年后玻璃工业已遍及世界各地区。公元前 3000前 2000年已使用石灰和石膏等气硬性胶凝材料。随着建筑业的发展，胶凝材料也 获得相应的发展。公元初期有了水硬性石灰，火山灰胶凝材料，1700年以后制成水硬性石灰和罗马水泥。1824年英国J.阿斯普丁发明波特兰水泥。上述陶瓷、 耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均为硅酸盐，属于典型的硅酸盐材料。

15、18世纪工业革命以后，随着建筑、机械、钢铁、运输等工业的兴起，无机非金属材 料有了较快的发展，出现了电瓷、化工陶瓷、金属陶瓷、平板玻璃、化学仪器玻 璃、光学玻璃、平炉和转炉用的耐火材料以及快硬早强等性能优异的水泥。同时，发展了研磨材料、碳素及石墨制品、铸石等。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。3040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。5060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、B

16、-氧化铝快离子导体陶 瓷、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。材料特性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：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

17、；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。各种物理效应和微观现象。 例如：光敏材料的光-电、热敏材料的热一电、压电材料的力一电、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。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。生产工艺普通无机非金属材料的生产是采用天然矿石作原料。经过粉碎、配料、混合 等工序，成型（陶瓷、耐火材料等）或不成型（水泥、玻璃等），在高温下煅烧成多晶态（水泥、陶瓷等）或非晶态（玻璃、铸石等），再经过进一步的加工如 粉磨（水泥）、上釉彩饰（陶

18、瓷）、成型后退火（玻璃、铸石等），得到粉状或块状的 制品。特种无机非金属材料的原料多采用高纯、微细的人工粉料。单晶体材料用焰融、 提拉、水溶液、气相及高压合成等方法制造。多晶体材料用热压铸、等静压、车L 膜、流延、喷射或蒸镀等方法成型后再煅烧，或用热压、高温等静压等烧结工艺， 或用水热合成、超高压合成或熔体晶化等方法制造粉状、块状或薄膜状的制品。 非晶态材料用高温熔融、熔体凝固、喷涂、拉丝或喷吹等方法制成块状、薄膜或纤维状的制品。国内无机非金属材料的现状1) 无机非金属新材料的新应用高技术陶瓷材料高技术陶瓷是以人工合成的超细高纯粉体为原料制备的一种新型无机非金 属材料，其主要使用各种先进材料成

19、型方法、优秀的当代烧结工艺以及精密加工 技术制作而成。高技术陶瓷材料具有高性能、高附加值的特点，目前已经广泛应用于高端技术领域和顶尖国防材料领域。 高技术陶瓷具有耐高温、高硬度、高刚 度、耐磨耐腐蚀性优越等优点，可用于陶瓷机械零件、生物陶瓷材料、集成电路、 各种传感器等领域。大量材料应用结果表明：高技术陶瓷材料是21世纪国家经济 和科技发展水平的重要特征。纳米材料随着纳米科学技术的快速发展，纳米材料也迅速得到发展，纳米材料由极细晶 粒组成，其晶粒尺寸在纳米尺度范围，与微米晶体材料相比，在材料力学、材料光 学、材料电磁学等方面具有更加优异的表现，因此纳米材料科学是当今凝聚态物 理材料领域的热点研

20、究方向。比如：纳米碳管的直径为1.4 nm,5万根纳米碳管并 排后才跟一根头发一般粗，但是其强度已达到钢的100倍。多数研究表明,纳米材 料的特殊性将在未来日常生活和高科技领域广泛应用。例如，利用纳米技术研发的新型电脑其性能更优良；飞机表面涂覆纳米硅基陶瓷粉可以成功避开雷达的监 测等。复合氧化物与化学传感器材料复合氧化物敏感材料与化学传感器对信息感知度强，其形态千变万化、性能各 异、功能多样。目前，对这类材料的研究重点材料主要有：新型半导体材料；有害气 体敏感材料；复合氧化物气敏材料等。多功能敏感材料的传感元件结构简单、使 用方便、价格便宜、灵敏度高。广泛用于火灾报警、可燃气报警、汽车尾气检测

21、 等方面。特精细化学品材料和功能化合物材料目前,特精细化学品材料和功能化合物材料品种越来越多，其主要包括畜牧业 饲料添加剂、饮食添加剂、灭火剂、生氧剂等等。特种精细化学品和功能化合物 的生产产量小、规模小，但是生产的技术含量高，具有很好的经济效益和市场前景。固体电解质近十几年来，固体电解质材料发展较快。由于非核能能源技术发展的需要，固 体电解质材料中的新能源技术的研发引起人们极大的关注。当前，这类材料的研究体系已经成为单独的固态离子学学科。固体电解质研究重点主要是碱金属离子 材料，未来具有很好的经济效益和市场前景。2) 无机非金属材料的发展趋势未来,无机非金属材料的发展趋势将有以下几点:(1)材料与高科学技术领域的研发紧密联系。随着全球电子工业、高能电池、太阳能技术的迅速发展，未来无机非金属新材料发展和高科技发展之间的联系将会更加紧密。（2）各种材料复合程度提高。相互交叉的各学科领域相互合作研发的复合材料将占据材料工业越来 越大的市场规模。（3）高分子复合材料的广泛应用。高分子复合材料具有良好的 机械性能、光电材料特性和磁学等功能。这些新材料将在生物、机械、光学、电 子学等领域取得更广大的应用。3）无机非金属材料在我国发展中出现的问题虽然,无机非金属材料在我国发展迅速，其新技术