无机非金属作业

1、无机非金属材料作业材料_班 _ _这个学期，我开始了32个学时的无机非金属材料的学习。从开始学习到现在，在这短短的三周里，我查看了相关资料，我对无机非金属材料的认识也进一步加深。首先谈谈我对无机非金属的认识。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

2、一。从近代高技术的发展来看，无机非金属材料所起的基础和先导作用非常显著。上二十世纪下半叶兴起的高技术以其产业为例，化合物半导体材料促使光电子技术的很大发展，形成了半导体发光二极管和半导体激光器的新兴产业，特别是近十年宽禁带半导体材料，如GaN材料的突破将推动全固态光源技术和产业的发展。由于七十年代石英玻璃光导纤维的损耗小于20dB/km，才使光纤通信技术能够实用化。近十年由于掺稀土离子的光纤放大器材料的突破，使多波复用长距离的光纤通信迅速发展。由于在LaBaCuO化合物中观察到30k以上的超导转变，开创了高温超导的新兴技术领域。碳富勒烯球和碳纳米管的诞生使纳米技术走向世纪的前沿。弛豫铁电和压电

3、单晶和陶瓷的突破使高性能超声和水声换能器、压电驱动器等得到发展，在医用等高技术领域广泛应用。氧化物和超薄膜材料中巨磁电阻效应（GMR）和近十年隧道磁电阻效应的发现，使磁存储密度获得很大提高，磁记录产业得到迅速发展。人们研究并发展了晶须增韧、颗粒弥散强化、相变增韧等多种途径，使一些新型的氮化物（如Si3N4、BN）、硼化物（如 LaB6、ZrB2等）、碳化物（TiC、WC、SiC）等材料，其断裂韧性高达20MPa·m1/2以上，使陶瓷基复合材料进入实用化，推动了航空、航天和交通制造业。21世纪无机非金属材料的发展具有低维化（在宏观和微观上）、复合化（材料的功能复合和组成复合）、智能化和

4、环境友好等特征。宏观上的低维化是从体材料向薄膜材料和纤维材料的发展。现代信息功能器件（微电子、光电子和光子学器件）都是集成化的，因此主要应用薄膜材料。结构材料也用涂层和薄膜来改性：增强、增韧、耐磨。无机涂层包括各类热控涂层、耐高温防腐蚀涂层、抗氧化涂层、耐损涂层等，应用于航天器、核反应堆和远载工具上。特别在结构材料的功能化上，薄膜具有特殊的作用。因此无机非金属材料的薄膜制备、结构和性能、表面态以及发展新的薄膜材料的研究就十分重要。在功能器件中纤维也作为集成元件，如光通信中光信号的放大、调制、选模等功能都通过功能纤维来完成，形成集成纤维光路和光网。纤维作为结构复合材料的主体，纤维的表面结构和性能

5、就尤为重要。如果要从事无机非金属的研究工作，我将会选择高性能纳米陶瓷作为我的研究方向。先进结构陶瓷主要是指发挥材料机械、热、化学等功能的一大类高性能陶瓷，在日本称之为精细结构陶瓷，而欧美则称之为高性能结构陶瓷。按照组成可以将现金结构陶瓷大体分为氧化物类（如氧化锆、氧化铝等）和非氧化物类（如氮化硅、碳化硅、碳化硼、硼化钛等）。一般具有很高的熔点、硬度及较强的抗化学腐蚀性能，因而可以用于其他材料难以承受的高温、强腐蚀、强氧化、强冲击扽环境或条件。基于上述优点及原因，发展先进结构陶瓷材料是什么具有理论意义和实际意义的。其主要用途包括各种高温结构件（如喷嘴、热交换器、承烧板、高温过滤器、高温球阀、耐热

6、涂层、抗烧蚀材料、加热元件等）、耐磨材料（如轴承、球磨介质、脱水板等）、耐腐蚀部件（如管道、球阀、泵材等）、密封件、抗冲击结构件（如陶瓷装甲等）、发动机用陶瓷部件等。所以，陶瓷的发展潜力是十分巨大的。而陶瓷本身有其局限性。虽然陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1500HV以上，陶瓷的抗压强度较高，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差。因为这些原因，也就制约了陶瓷的发展。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属似柔韧性和可加工性。英国材料学家Cahn指出，纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。 纳米耐高温陶瓷粉涂层材料是一种通过化学反

7、应而形成耐高温陶瓷涂层的材料。利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是指在陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米水平（1100nm），使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响，为替代工程陶瓷的应用开拓了新领域。纳米陶瓷的特性主要在于力学性能方面，包括纳米陶瓷材料的硬度，断裂韧度和低温延展性等。纳米级陶瓷复合材料的 力学性能，特别是在高温下使硬度、强度得以较大的提高。有关研究表明，纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性，而且纳米陶瓷出现将有助于解 决陶瓷的强化和增韧问题。在室温压缩时，纳米

8、颗粒已有很好的结合，高于500很快致密化，而晶粒大小只有稍许的增加，所得的硬度和断裂韧度值更好，而烧 结温度却要比工程陶瓷低400600，且烧结不需要任何的添加剂。其硬度和断裂韧度随烧结温度的增加（即孔隙度的降低）而增加，故低温烧结能获得好的 力学性能。通常，硬化处理使材料变脆，造成断裂韧度的降低，而就纳米晶而言，硬化和韧化由孔隙的消除来形成，这样就增加了材料的整体强度。因此，如果陶瓷 材料以纳米晶的形式出现，可观察到通常为脆性的陶瓷可变成延展性的，在室温下就允许有大的弹性形变。由于纳米粉末的活性很高，高温烧结时晶粒生长很快，绝大多数情况下获得的不是纳米陶瓷，而是亚微米甚至微米陶瓷。只有采用热

9、压、热等静压烧结或者小试样的快速等温烧结，才可能获得致密烧结的块体纳米陶瓷。在这种工艺条件下，一是对烧成设备的技术要求很高，二是很难制备复杂形状和尺寸的纳米陶瓷制品。因此，开发一种高性能低成本的纳米陶瓷制备新技术，是使纳米陶瓷制品实现产业化并获得广泛应用的关键。纳米陶瓷制品可在高温、腐蚀、无润滑等恶劣环境下用作耐磨结构材料，如研磨体、陶瓷轴承、机械密封件、纺织瓷件、管道、阀门、耐磨衬板等，对提升传统耐磨结构材料的可靠性和技术含量，推动机械制造、化工、纺织等相关产业的技术进步有积极意义。该技术利用工业废渣来制备纳米陶瓷，是一项集新材料研制、固体废弃物再生利用和环境保护于一体的具有显著社会经济效益

10、和推广应用价值的课题，对提高冶金工业废渣的利用率和附加值，降低其对环境污染的压力具有重要意义。前景展望，举例：新型无机非金属纳米陶瓷抗磨剂的用途。新型无机非金属纳米陶瓷抗磨剂是一种以纳米氮化铝、纳米氮化硅的惰性固体材料为基础制成的抗磨剂，以润滑油为 载体作用于机件表面，加入后，在高温和极压的作用下被激活，修复受损部位，同时形成纳米渗镀保护膜，在保证正常配合间隙的情况下，将运动机件间的磨擦降至 近乎零。因为有这层膜的隔离作用，使机件间相对运动产生的磨擦只是作用于这层保护膜，从而保护了机件，降低了磨擦，起到抗磨、减磨、迅速修复的作用。1、 无机非金属纳米陶瓷抗磨剂的抗磨工作原理：将纳米陶瓷抗磨剂加

11、入各类合成机油、齿轮油、润滑油或润滑脂后，能迅速融为一体，并随机械的运转将其带到所有有 磨擦的金属表面，在高温和极压下激活，牢固的渗嵌到金属机件表面凹痕和微孔中，并在金属表面形成纳米保护膜，使原有的金属间的油脂膜或化学膜变成纳米膜， 极大的降低磨擦力，使磨擦系数几乎接近零，从而发挥其独特神奇的功能。2、无机非金属纳米陶瓷抗磨剂的修复磨损功能：无机非金属纳米陶瓷抗磨剂对磨损金属 机件凹痕，由内及外进行牢固的耐高温、耐极压、耐极磨的物理性纳米渗镀，修复磨损。任何金属机件使用传统润滑油、润滑脂都无法避免和修复磨损，只能起到延 缓作用。而化学成膜的抗磨剂、“保护神”在短期内有一定作用，长期使用副作用大

12、，而且依赖性强，反而加剧发动机磨损。3、无机非金属纳米陶瓷抗磨剂的功 能：（1）纳米渗镀，修复磨损；（2）节省燃油率15-35%；（3）延长换油周期50%-100%；（4）恢复动力；（5）增加扭矩力5-15%； （6）实现机械零磨擦；（7）延长使用寿命2-3倍；（8）降低机械噪音、振动、温度10-20%；（9）减少废气及有害物质排放20%-70%； （10）清除积炭、油垢、化学膜。4、无机非金属纳米陶瓷抗磨剂的特性：（1）色乳黄；（2）呈乳状；（3）液体比重d>1；（4）清洁分散性极 强；（5）无毒、无味、无腐蚀、不含金属；（6）减磨、抗磨、抗腐蚀、抗氧化、抗极压；（7）能与各种合成机油、石油、润滑油、润滑脂混合使用；（8）不 分解于水。总结：陶瓷作为材料业三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。而纳米陶瓷作为一种新型高性能陶瓷，是近几年发展起来的一门全新技术，由于有着工程陶瓷无法比拟的有点（强度、韧性和超塑性大幅度提高）