無機非金屬材料品種和名目極其繁多,用途各異,因此,還沒有一個統一而完善的 ??
無機非金屬材料分類

分類方法。通常把它們分為普通的(傳統的)和先進的(新型的)無機非金屬材料兩大類。傳統的無機非金屬材料是工業和基本建設所必需的基礎材料。如水泥是一種重要的建筑材料;耐火材料與高溫技術,尤其與鋼鐵工業的發展關系密切;各種規格的平板玻璃、儀器玻璃和普通的光學玻璃以及日用陶瓷、衛生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和電瓷等與人們的生產、生活休戚相關。它們產量大,用途廣。其他產品,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)也都屬于傳統的無機非金屬材料。新型無機非金屬材料是20世紀中期以后發展起來的,具有特殊性能和用途的材料。它們是現代新技術、新產業、傳統工業技術改造、現代國防和生物醫學所不可缺少的物質基礎。主要有先進陶瓷(advanced ceramics)、非晶態材料(noncrystal material〉、人工晶體〈artificial crys-tal〉、無機涂層(inorganic coating)、無機纖維(inorganic fibre〉等

　(1)傳統陶瓷

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

　　傳統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，人們為了滿足生產和生活的需要，生產了大量人造硅酸鹽，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。硅酸鹽制品性質穩定，熔點較高，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）、石英和長石為原料經高溫燒結而成。黏土的化學組成為Al2O3·2SiO2·2H2O，石英為SiO2，長石為K2O·Al2O3·6SiO2（鉀長石）或Na2O·Al2O3·6SiO2（鈉長石）。這些原料中都含有SiO2，因此在硅酸鹽晶體結構中，硅與氧的結合是最重要也是最基本的。

　　硅酸鹽材料是一種多相結構物質，其中含有晶態部分和非晶態部分，但以晶態為主。硅酸鹽晶體中硅氧四面體［SiO4］是硅酸鹽結構的基本單元。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鍵的結合是比較強的。

　　(2)精細陶瓷

　　精細陶瓷的化學組成已遠遠超出了傳統硅酸鹽的范圍。例如，透明的氧化鋁陶瓷、耐高溫的二氧化鋯（ZrO2）陶瓷、高熔點的氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC）陶瓷等，它們都是無機非金屬材料，是傳統陶瓷材料的發展。精細陶瓷是適應社會經濟和科學技術發展而發展起來的，信息科學、能源技術、宇航技術、生物工程、超導技術、海洋技術等現代科學技術需要大量特殊性能的新材料，促使人們研制精細陶瓷，并在超硬陶瓷、高溫結構陶瓷、電子陶瓷、磁性陶瓷、光學陶瓷、超導陶瓷和生物陶瓷等方面取得了很好的進展，下面選擇一些實例做簡要的介紹。

　　高溫結構陶瓷汽車發動機一般用鑄鐵鑄造，耐熱性能有一定限度。由于需要用冷卻水冷卻，熱能散失嚴重，熱效率只有30%左右。如果用高溫結構陶瓷制造陶瓷發動機，發動機的工作溫度能穩定在1 300 ℃左右，由于燃料充分燃燒而又不需要水冷系統，使熱效率大幅度提高。用陶瓷材料做發動機，還可減輕汽車的質量，這對航天航空事業更具吸引力，用高溫陶瓷取代高溫合金來制造飛機上的渦輪發動機效果會更好。

　　目前已有多個國家的大的汽車公司試制無冷卻式陶瓷發動機汽車。我國也在1990年裝配了一輛并完成了試車。陶瓷發動機的材料選用氮化硅，它的機械強度高、硬度高、熱膨脹系數低、導熱性好、化學穩定性高，是很好的高溫陶瓷材料。氮化硅可用多種方法合成，工業上普遍采用高純硅與純氮在1 300 ℃反應后獲得：

　　3Si+2N2→Si3N4 （1 300 ℃）

　　高溫結構陶瓷除了氮化硅外，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部存在有雜質和氣孔，前者能吸收光，后者使光產生散射，所以就不透明了。因此如果選用高純原料，并通過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，后來陸續研究出如燒結白剛玉、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異的光學性能，而且耐高溫，一般它們的熔點都在2 000 ℃以上。如氧化釷-氧化釔透明陶瓷的熔點高達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，它的發光效率比高壓汞燈提高一倍，使用壽命達2萬小時，是使用壽命最長的高效電光源。高壓鈉燈的工作溫度高達1 200 ℃，壓力大、腐蝕性強，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、轟炸機的轟炸瞄準器和高級防護眼鏡等。

　　光導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的細絲，稱為石英玻璃纖維。玻璃可以透光，但在傳輸過程中光損耗很大，用石英玻璃纖維光損耗大為降低，故這種纖維稱為光導纖維，是精細陶瓷中的一種。

　　利用光導纖維可進行光纖通信。激光的方向性強、頻率高，是進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的需要。

　　光導纖維一般由兩層組成，里面一層稱為內芯，直徑幾十微米，但折射率較高；外面一層稱包層，折射率較低。從光導纖維一端入射的光線，經內芯反復折射而傳到末端，由于兩層折射率的差別，使進入內芯的光始終保持在內芯中傳輸著。光的傳輸距離與光導纖維的光損耗大小有關，光損耗小，傳輸距離就長，否則就需要用中繼器把衰減的信號放大。用最新的氟玻璃制成的光導纖維，可以把光信號傳輸到太平洋彼岸而不需任何中繼站。

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

　　用光纜代替通信電纜，可以節省大量有色金屬，每公里可節省銅1.1 t、鉛2～3 t。光纜有質量輕、體積小、結構緊湊、絕緣性能好、壽命長、輸送距離長、保密性好、成本低等優點。光纖通信與數字技術及計算機結合起來，可以用于傳送電話、圖像、數據、控制電子設備和智能終端等，起到部分取代通信衛星的作用。

　　光損耗大的光導纖維可在短距離使用，特別適合制作各種人體內窺鏡，如胃鏡、膀胱鏡、直腸鏡、子宮鏡等，對診斷、醫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或再造時，選用的材料要求生物相容性好，對肌體無免疫排異反應；血液相容性好，無溶血、凝血反應；不會引起代謝作用異?，F象；對人體無毒，不會致癌。目前已發展起來的生物合金、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用。但是這類人工器官一旦植入體內，要經受體內復雜的生理環境的長期考驗。例如，不銹鋼在常溫下是非常穩定的材料，但把它做成人工關節植入體內，三五年后便會出現腐蝕斑，并且還會有微量金屬離子析出，這是生物合金的缺點。有機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。

　　氧化鋁陶瓷做成的假牙與天然齒十分接近，它還可以做人工關節用于很多部位，如膝關節、肘關節、肩關節、指關節、髖關節等。ZrO2陶瓷的強度、斷裂韌性和耐磨性比氧化鋁陶瓷好，也可用以制造牙根、骨和股關節等。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、耳聽骨修復和人工牙種植等。目前發現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是性脆，韌性不足，這就嚴重影響了它作為人工人體器官的推廣應用。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題。

　?。?）納米陶瓷

　　從陶瓷材料發展的歷史來看，經歷了三次飛躍。由陶器進入瓷器這是第一次飛躍；由傳統陶瓷發展到精細陶瓷是第二次飛躍，在這個期間，不論是原材料，還是制備工藝、產品性能和應用等許多方面都有長足的進展和提高，然而對于陶瓷材料的致命弱點──脆性問題沒有得到根本的解決。精細陶瓷粉體的顆粒較大，屬微米級（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

　　（10 m），用這種超細微粉體粒子來制造陶瓷材料，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100%，韌性極好。因此人們寄希望于發展納米技術去解決陶瓷材料的脆性問題。納米陶瓷被稱為21世紀陶瓷。

普通無機非金屬材料的特點是：耐壓強度高、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，制造工藝較復雜。 　　 ??

無機非金屬材料用作電子器件

特種無機非金屬材料的特點是：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；鐵氧體的磁學性質；光導纖維的光傳輸性質；金剛石、立方氮化硼的超硬性質；導體材料的導電性質；快硬早強水泥的快凝、快硬性質等。②各種物理效應和微觀現象。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-電等材料對物理和化學參數間的功能轉換特性。③不同性質的材料經復合而構成復合材料。例如：金屬陶瓷、高溫無機涂層，以及用無機纖維、晶須等增強的材料

標簽：材料非金屬車上