无机非金属材料

无机非金属材料

百科名片 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。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。

目录

成分结构

应用领域

传统工艺

无机非金属材料的分类

发展历史

材料特性

生产工艺

展望

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。这种化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类

无机非金属材料

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

无机非金属材料分类

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(advanced ceramics)、非晶态材料(noncrystal material〉、人工晶体〈artificial crys-tal〉、无机涂层(inorganic coating)、无机纤维(inorganic fibre〉等。

传统工艺 传统无机非金属材料: 水泥和其他胶凝材料 硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、石膏等

建筑装饰材料——玻璃

陶 瓷 粘土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等 耐火材料 硅质、硅酸铝质、

高铝质、镁质、铬镁质等 玻 璃 硅酸盐 搪 瓷 钢片、铸铁、铝和铜胎等 铸 石 辉绿岩、玄武岩、铸石等 研磨材料 氧化硅、氧化铝、碳化硅等 多孔材料 硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸盐和硅酸铝等 碳素材料 石墨、焦炭和

各种碳素制品等 非金属矿 粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金刚石等 新型无机非金属材料 绝缘材料 氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等 铁电和压电材料 钛酸钡系、锆钛酸铅系材料等 磁性材料 锰—锌、镍—锌、锰—镁、锂—锰等铁氧体、磁记录和磁泡材料等 导体陶瓷 钠、锂、氧离子的快离子导体和碳化硅等

最早的无机非金属材料-天然石材

半导体陶瓷 钛酸钡、氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化锆等过滤金属元素氧化物系材料等 光学材料 钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透明材料和石英系或多组分玻璃的光导纤维等 高温结构陶瓷 高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等难熔化合物 超硬材料 碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等 人工晶体 铝酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等 生物陶瓷 长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材

和酶的载体材料等 无机复合材料 陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料 传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的比较传统无机非金属材料新型无机非金属材料具有性质稳定，抗腐蚀耐高温等优点，但质脆，经不起热冲击。除具有传统无机非金属材料的优点外，还有某些特征如：强度高、具有电学、光学特性和生物功能等。

编辑本段无机非金属材料的分类 (1)传统陶瓷 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Al2O3·2SiO2·2H2O，石英为SiO2，长石为K2O·Al2O3·6SiO2（钾长石）或Na2O·Al2O3·6SiO2（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，Si—O键键长为162 pm，比起Si和O的离子半径之和有所缩短，故Si—O键的结合是比较强的。 (2)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 ℃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。 目前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硅与纯氮在1 300 ℃反应后获得： 3Si+2N2→Si3N4 （1 300 ℃） 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。近期又研制出非氧化物透明陶瓷，如砷化镓（GaAs）、硫化锌（ZnS）、硒化锌（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 ℃以上。如氧化钍-氧化钇透明陶瓷的熔点高达3 100 ℃，比普通硼酸盐玻璃高1 500 ℃。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 ℃，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。 光导纤维从高纯度的二氧化硅或称石英玻璃熔融体中，拉出直径约100 μm的细丝，称为石英玻璃纤维。玻璃可以透光，但在传输过程中光损耗很大，用石英玻璃纤维光损耗大为降低，故这种纤维称为光导纤维，是精细陶瓷中的一种。 利用光导纤维可进行光纤通信。激光的方向性强、频率高，是进行光纤通信的理想光源。光纤通信与电波通信相比，光纤通信能提供更多的通信通路，可满足大容量通信系统的需要。 光导纤维一般由两层组成，里面一层称为内芯，直径几十微米，但折射率较高；外面一层称包层，折射率较低。从光导纤维一端入射的光线，经内芯反复折射而传到末端，由于两层折射率的差别，使进入内芯的光始终保持在内芯中传输着。光的传输距离与光导纤维的光损耗大小有关，光损耗小，传输距离就长，否则就需要用中继器把衰减的信号放大。用最新的氟玻璃制成的光导纤维，可以把光信号传输到太平洋彼岸而不需任何中继站。 在实际使用时，常把千百根光导纤维组合在一起并加以增强处理，制成像电缆一样的光缆，这样既提高了光导纤维的强度，又大大增加了通信容量。 用光缆代替通信电缆，可以节省大量有色金属，每公里可节省铜1.1 t、铅2～3 t。光缆有质量轻、体积小、结构紧凑、绝缘性能好、寿命长、输送距离长、保密性好、成本低等优点。光纤通信与数字技术及计算机结合起来，可以用于传送电话、图像、数据、控制电子设备和智能终端等，起到部分取代通信卫星的作用。 光损耗大的光导纤维可在短距离使用，特别适合制作各种人体内窥镜，如胃镜、膀胱镜、直肠镜、子宫镜等，对诊断、医治各种疾病极为有利。 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。目前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。目前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。 （3）纳米陶瓷 从陶瓷材料发展的历史来看，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──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料的脆性问题。纳米陶瓷被称为21世纪陶瓷。

编辑本段发展历史

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

中国古代的陶瓷艺术

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。

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。

无机非金属材料用作电子器件

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。

编辑本段生产工艺

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。