無(wú)機(jī)非金屬材料品種和名目極其繁多,用途各異,因此,還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一而完善的 ??
無(wú)機(jī)非金屬材料分類

分類方法。通常把它們分為普通的(傳統(tǒng)的)和先進(jìn)的(新型的)無(wú)機(jī)非金屬材料兩大類。傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料是工業(yè)和基本建設(shè)所必需的基礎(chǔ)材料。如水泥是一種重要的建筑材料;耐火材料與高溫技術(shù),尤其與鋼鐵工業(yè)的發(fā)展關(guān)系密切;各種規(guī)格的平板玻璃、儀器玻璃和普通的光學(xué)玻璃以及日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和電瓷等與人們的生產(chǎn)、生活休戚相關(guān)。它們產(chǎn)量大,用途廣。其他產(chǎn)品,如搪瓷、磨料(碳化硅、氧化鋁)、鑄石(輝綠巖、玄武巖等)、碳素材料、非金屬礦(石棉、云母、大理石等)也都屬于傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料。新型無(wú)機(jī)非金屬材料是20世紀(jì)中期以后發(fā)展起來(lái)的,具有特殊性能和用途的材料。它們是現(xiàn)代新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造、現(xiàn)代國(guó)防和生物醫(yī)學(xué)所不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)。主要有先進(jìn)陶瓷(advanced ceramics)、非晶態(tài)材料(noncrystal material〉、人工晶體〈artificial crys-tal〉、無(wú)機(jī)涂層(inorganic coating)、無(wú)機(jī)纖維(inorganic fibre〉等

　(1)傳統(tǒng)陶瓷

　　陶瓷在我國(guó)有悠久的歷史，是中華民族古老文明的象征。從西安地區(qū)出土的秦始皇陵中大批陶兵馬俑，氣勢(shì)宏偉，形象逼真，被認(rèn)為是世界文化奇跡，人類的文明寶庫(kù)。唐代的唐三彩、明清景德鎮(zhèn)的瓷器均久負(fù)盛名。

　　傳統(tǒng)陶瓷材料的主要成分是硅酸鹽，自然界存在大量天然的硅酸鹽，如巖石、土壤等，還有許多礦物如云母、滑石、石棉、高嶺石等，它們都屬于天然的硅酸鹽。此外，人們?yōu)榱藵M足生產(chǎn)和生活的需要，生產(chǎn)了大量人造硅酸鹽，主要有玻璃、水泥、各種陶瓷、磚瓦、耐火磚、水玻璃以及某些分子篩等。硅酸鹽制品性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)較高，難溶于水，有很廣泛的用途。

　　硅酸鹽制品一般都是以黏土（高嶺土）、石英和長(zhǎng)石為原料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。黏土的化學(xué)組成為Al2O3·2SiO2·2H2O，石英為SiO2，長(zhǎng)石為K2O·Al2O3·6SiO2（鉀長(zhǎng)石）或Na2O·Al2O3·6SiO2（鈉長(zhǎng)石）。這些原料中都含有SiO2，因此在硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中，硅與氧的結(jié)合是最重要也是最基本的。

　　硅酸鹽材料是一種多相結(jié)構(gòu)物質(zhì)，其中含有晶態(tài)部分和非晶態(tài)部分，但以晶態(tài)為主。硅酸鹽晶體中硅氧四面體［SiO4］是硅酸鹽結(jié)構(gòu)的基本單元。在硅氧四面體中，硅原子以sp雜化軌道與氧原子成鍵，Si—O鍵鍵長(zhǎng)為162 pm，比起Si和O的離子半徑之和有所縮短，故Si—O鍵的結(jié)合是比較強(qiáng)的。

　　(2)精細(xì)陶瓷

　　精細(xì)陶瓷的化學(xué)組成已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)硅酸鹽的范圍。例如，透明的氧化鋁陶瓷、耐高溫的二氧化鋯（ZrO2）陶瓷、高熔點(diǎn)的氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC）陶瓷等，它們都是無(wú)機(jī)非金屬材料，是傳統(tǒng)陶瓷材料的發(fā)展。精細(xì)陶瓷是適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，信息科學(xué)、能源技術(shù)、宇航技術(shù)、生物工程、超導(dǎo)技術(shù)、海洋技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)需要大量特殊性能的新材料，促使人們研制精細(xì)陶瓷，并在超硬陶瓷、高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、電子陶瓷、磁性陶瓷、光學(xué)陶瓷、超導(dǎo)陶瓷和生物陶瓷等方面取得了很好的進(jìn)展，下面選擇一些實(shí)例做簡(jiǎn)要的介紹。

　　高溫結(jié)構(gòu)陶瓷汽車發(fā)動(dòng)機(jī)一般用鑄鐵鑄造，耐熱性能有一定限度。由于需要用冷卻水冷卻，熱能散失嚴(yán)重，熱效率只有30%左右。如果用高溫結(jié)構(gòu)陶瓷制造陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度能穩(wěn)定在1 300 ℃左右，由于燃料充分燃燒而又不需要水冷系統(tǒng)，使熱效率大幅度提高。用陶瓷材料做發(fā)動(dòng)機(jī)，還可減輕汽車的質(zhì)量，這對(duì)航天航空事業(yè)更具吸引力，用高溫陶瓷取代高溫合金來(lái)制造飛機(jī)上的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)效果會(huì)更好。

　　目前已有多個(gè)國(guó)家的大的汽車公司試制無(wú)冷卻式陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)汽車。我國(guó)也在1990年裝配了一輛并完成了試車。陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的材料選用氮化硅，它的機(jī)械強(qiáng)度高、硬度高、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性高，是很好的高溫陶瓷材料。氮化硅可用多種方法合成，工業(yè)上普遍采用高純硅與純氮在1 300 ℃反應(yīng)后獲得：

　　3Si+2N2→Si3N4 （1 300 ℃）

　　高溫結(jié)構(gòu)陶瓷除了氮化硅外，還有碳化硅（SiC）、二氧化鋯（ZrO2）、氧化鋁等。

　　透明陶瓷一般陶瓷是不透明的，但光學(xué)陶瓷像玻璃一樣透明，故稱透明陶瓷。一般陶瓷不透明的原因是其內(nèi)部存在有雜質(zhì)和氣孔，前者能吸收光，后者使光產(chǎn)生散射，所以就不透明了。因此如果選用高純?cè)希⑼ㄟ^(guò)工藝手段排除氣孔就可能獲得透明陶瓷。早期就是采用這樣的辦法得到透明的氧化鋁陶瓷，后來(lái)陸續(xù)研究出如燒結(jié)白剛玉、氧化鎂、氧化鈹、氧化釔、氧化釔-二氧化鋯等多種氧化物系列透明陶瓷。近期又研制出非氧化物透明陶瓷，如砷化鎵（GaAs）、硫化鋅（ZnS）、硒化鋅（ZnSe）、氟化鎂（MgF2）、氟化鈣（CaF2）等。這些透明陶瓷不僅有優(yōu)異的光學(xué)性能，而且耐高溫，一般它們的熔點(diǎn)都在2 000 ℃以上。如氧化釷-氧化釔透明陶瓷的熔點(diǎn)高達(dá)3 100 ℃，比普通硼酸鹽玻璃高1 500 ℃。透明陶瓷的重要用途是制造高壓鈉燈，它的發(fā)光效率比高壓汞燈提高一倍，使用壽命達(dá)2萬(wàn)小時(shí)，是使用壽命最長(zhǎng)的高效電光源。高壓鈉燈的工作溫度高達(dá)1 200 ℃，壓力大、腐蝕性強(qiáng)，選用氧化鋁透明陶瓷為材料成功地制造出高壓鈉燈。透明陶瓷的透明度、強(qiáng)度、硬度都高于普通玻璃，它們耐磨損、耐劃傷，用透明陶瓷可以制造防彈汽車的窗、坦克的觀察窗、轟炸機(jī)的轟炸瞄準(zhǔn)器和高級(jí)防護(hù)眼鏡等。

　　光導(dǎo)纖維從高純度的二氧化硅或稱石英玻璃熔融體中，拉出直徑約100 μm的細(xì)絲，稱為石英玻璃纖維。玻璃可以透光，但在傳輸過(guò)程中光損耗很大，用石英玻璃纖維光損耗大為降低，故這種纖維稱為光導(dǎo)纖維，是精細(xì)陶瓷中的一種。

　　利用光導(dǎo)纖維可進(jìn)行光纖通信。激光的方向性強(qiáng)、頻率高，是進(jìn)行光纖通信的理想光源。光纖通信與電波通信相比，光纖通信能提供更多的通信通路，可滿足大容量通信系統(tǒng)的需要。

　　光導(dǎo)纖維一般由兩層組成，里面一層稱為內(nèi)芯，直徑幾十微米，但折射率較高；外面一層稱包層，折射率較低。從光導(dǎo)纖維一端入射的光線，經(jīng)內(nèi)芯反復(fù)折射而傳到末端，由于兩層折射率的差別，使進(jìn)入內(nèi)芯的光始終保持在內(nèi)芯中傳輸著。光的傳輸距離與光導(dǎo)纖維的光損耗大小有關(guān)，光損耗小，傳輸距離就長(zhǎng)，否則就需要用中繼器把衰減的信號(hào)放大。用最新的氟玻璃制成的光導(dǎo)纖維，可以把光信號(hào)傳輸?shù)教窖蟊税抖恍枞魏沃欣^站。

　　在實(shí)際使用時(shí)，常把千百根光導(dǎo)纖維組合在一起并加以增強(qiáng)處理，制成像電纜一樣的光纜，這樣既提高了光導(dǎo)纖維的強(qiáng)度，又大大增加了通信容量。

　　用光纜代替通信電纜，可以節(jié)省大量有色金屬，每公里可節(jié)省銅1.1 t、鉛2～3 t。光纜有質(zhì)量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、絕緣性能好、壽命長(zhǎng)、輸送距離長(zhǎng)、保密性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。光纖通信與數(shù)字技術(shù)及計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)，可以用于傳送電話、圖像、數(shù)據(jù)、控制電子設(shè)備和智能終端等，起到部分取代通信衛(wèi)星的作用。

　　光損耗大的光導(dǎo)纖維可在短距離使用，特別適合制作各種人體內(nèi)窺鏡，如胃鏡、膀胱鏡、直腸鏡、子宮鏡等，對(duì)診斷、醫(yī)治各種疾病極為有利。

　　生物陶瓷人體器官和組織由于種種原因需要修復(fù)或再造時(shí)，選用的材料要求生物相容性好，對(duì)肌體無(wú)免疫排異反應(yīng)；血液相容性好，無(wú)溶血、凝血反應(yīng)；不會(huì)引起代謝作用異常現(xiàn)象；對(duì)人體無(wú)毒，不會(huì)致癌。目前已發(fā)展起來(lái)的生物合金、生物高分子和生物陶瓷基本上能滿足這些要求。利用這些材料制造了許多人工器官，在臨床上得到廣泛的應(yīng)用。但是這類人工器官一旦植入體內(nèi)，要經(jīng)受體內(nèi)復(fù)雜的生理環(huán)境的長(zhǎng)期考驗(yàn)。例如，不銹鋼在常溫下是非常穩(wěn)定的材料，但把它做成人工關(guān)節(jié)植入體內(nèi)，三五年后便會(huì)出現(xiàn)腐蝕斑，并且還會(huì)有微量金屬離子析出，這是生物合金的缺點(diǎn)。有機(jī)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，耐腐蝕，更適合植入體內(nèi)。

　　氧化鋁陶瓷做成的假牙與天然齒十分接近，它還可以做人工關(guān)節(jié)用于很多部位，如膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)等。ZrO2陶瓷的強(qiáng)度、斷裂韌性和耐磨性比氧化鋁陶瓷好，也可用以制造牙根、骨和股關(guān)節(jié)等。羥基磷灰石〔Ca10(PO4)6(OH)2〕是骨組織的主要成分，人工合成的與骨的生物相容性非常好，可用于頜骨、耳聽(tīng)骨修復(fù)和人工牙種植等。目前發(fā)現(xiàn)用熔融法制得的生物玻璃，如CaO-Na2O-SiO2-P2O5，具有與骨骼鍵合的能力。

　　陶瓷材料最大的弱點(diǎn)是性脆，韌性不足，這就嚴(yán)重影響了它作為人工人體器官的推廣應(yīng)用。陶瓷材料要在生物工程中占有地位，必須考慮解決其脆性問(wèn)題。

　　（3）納米陶瓷

　　從陶瓷材料發(fā)展的歷史來(lái)看，經(jīng)歷了三次飛躍。由陶器進(jìn)入瓷器這是第一次飛躍；由傳統(tǒng)陶瓷發(fā)展到精細(xì)陶瓷是第二次飛躍，在這個(gè)期間，不論是原材料，還是制備工藝、產(chǎn)品性能和應(yīng)用等許多方面都有長(zhǎng)足的進(jìn)展和提高，然而對(duì)于陶瓷材料的致命弱點(diǎn)──脆性問(wèn)題沒(méi)有得到根本的解決。精細(xì)陶瓷粉體的顆粒較大，屬微米級(jí)（10 m），有人用新的制備方法把陶瓷粉體的顆粒加工到納米級(jí)

　　（10 m），用這種超細(xì)微粉體粒子來(lái)制造陶瓷材料，得到新一代納米陶瓷，這是陶瓷材料的第三次飛躍。納米陶瓷具有延性，有的甚至出現(xiàn)超塑性。如室溫下合成的TiO2陶瓷，它可以彎曲，其塑性變形高達(dá)100%，韌性極好。因此人們寄希望于發(fā)展納米技術(shù)去解決陶瓷材料的脆性問(wèn)題。納米陶瓷被稱為21世紀(jì)陶瓷。

普通無(wú)機(jī)非金屬材料的特點(diǎn)是：耐壓強(qiáng)度高、硬度大、耐高溫、抗腐蝕。此外，水泥在膠凝性能上，玻璃在光學(xué)性能上，陶瓷在耐蝕、介電性能上，耐火材料在防熱隔熱性能上都有其優(yōu)異的特性，為金屬材料和高分子材料所不及。但與金屬材料相比，它抗斷強(qiáng)度低、缺少延展性，屬于脆性材料。與高分子材料相比，密度較大，制造工藝較復(fù)雜。 　　 ??

無(wú)機(jī)非金屬材料用作電子器件

特種無(wú)機(jī)非金屬材料的特點(diǎn)是：①各具特色。例如：高溫氧化物等的高溫抗氧化特性；氧化鋁、氧化鈹陶瓷的高頻絕緣特性；鐵氧體的磁學(xué)性質(zhì)；光導(dǎo)纖維的光傳輸性質(zhì)；金剛石、立方氮化硼的超硬性質(zhì)；導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性質(zhì)；快硬早強(qiáng)水泥的快凝、快硬性質(zhì)等。②各種物理效應(yīng)和微觀現(xiàn)象。例如：光敏材料的光-電、熱敏材料的熱－電、壓電材料的力－電、氣敏材料的氣體-電、濕敏材料的濕度-電等材料對(duì)物理和化學(xué)參數(shù)間的功能轉(zhuǎn)換特性。③不同性質(zhì)的材料經(jīng)復(fù)合而構(gòu)成復(fù)合材料。例如：金屬陶瓷、高溫?zé)o機(jī)涂層，以及用無(wú)機(jī)纖維、晶須等增強(qiáng)的材料

標(biāo)簽：材料非金屬車上