無機(jī)非金屬材料

     ont-family: sans-serif; font-size: 14px; line-height: 1.75em; text-indent: 2em;">無機(jī)非金屬材料的提法是20世紀(jì)40年代以后，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展從傳統(tǒng)的硅酸鹽材料演變而來的。無機(jī)非金屬材料是與有機(jī)高分子材料和金屬材料并列的三大材料之一。

ist-paddingleft-2" style="margin: 0px; width: 395px; padding: 0px; font-family: sans-serif; font-size: 16px; float: left;">

• 中文名

• 無機(jī)非金屬材料

• 英文名

• inorganic nonmetallic materials

  目錄

• 別    稱

• 二氧化硅氣凝膠、水泥、 玻璃、 陶瓷

• 化學(xué)式

• 無

• 分子量

• 混合物

• 沸    點(diǎn)

• 混合物沸點(diǎn)

• 水溶性

• 不溶于水

• 密    度

• 無固定值

• 外    觀

• 無固定外觀

1. 1 常見種類

2. 2 成分結(jié)構(gòu)

3. 3 應(yīng)用領(lǐng)域

4. 4 傳統(tǒng)工藝

5. 5 分類

6. ▪ 傳統(tǒng)陶瓷

7. ▪ 精細(xì)陶瓷

8. ▪ 納米陶瓷

9. 6 發(fā)展歷史

10. 7 材料特性

11. 8 生產(chǎn)工藝

12. 9 展望

常見種類

二氧化硅氣凝膠、水泥、 玻璃、 陶瓷

成分結(jié)構(gòu)

在晶體結(jié)構(gòu)上，無機(jī)非金屬的晶體結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬復(fù)雜，并且沒有自由的電子。具有比金屬鍵和純共價(jià)鍵更強(qiáng)的離子鍵和混合鍵。這種化學(xué)鍵所特有的高鍵能、高鍵強(qiáng)賦予這一大類

無機(jī)非金屬材料

材料以高熔點(diǎn)、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強(qiáng)度和良好的抗氧化性等基本屬性，以及寬廣的導(dǎo)電性、隔熱性、透光性及良好的鐵電性、鐵磁性和壓電性。

硅酸鹽材料是無機(jī)非金屬材料的主要分支之一，硅酸鹽材料是陶瓷的主要組成物質(zhì)。

應(yīng)用領(lǐng)域

無機(jī)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(gè)統(tǒng)一而完善的

無機(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）無機(jī)非金屬材料兩大類。傳統(tǒng)的無機(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)、生活息息相關(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)的無機(jī)非金屬材料。新型無機(jī)非金屬材料是20世紀(jì)中期以后發(fā)展起來的，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〉、無機(jī)涂層（inorganic coating）、無機(jī)纖維（inorganic fibre〉等。 

傳統(tǒng)工藝

傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料：

1．水泥和其他膠凝材料硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、石灰、石膏等；

2．陶瓷粘土質(zhì)、長石質(zhì)、滑石質(zhì)和骨灰質(zhì)陶瓷等；

3．耐火材料硅質(zhì)、硅酸鋁質(zhì)、高鋁質(zhì)、鎂質(zhì)、鉻鎂質(zhì)等，玻璃硅酸鹽 ；

4．搪　瓷 鋼片、鑄鐵、鋁和銅胎等；

5．鑄　石 輝綠巖、玄武巖、鑄石等；

研磨材料：氧化硅、氧化鋁、碳化硅等；

多孔材料：硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸鹽和硅酸鋁等 ；

碳素材料：石墨、焦炭和各種碳素制品等；

非金屬礦：粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金剛石等； ［2］

新型無機(jī)非金屬材料

保溫材料：

1．氣凝膠氈

絕緣材料： 

1．氧化鋁、氧化鈹、滑石、鎂橄欖石質(zhì)陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等

2．鐵電和壓電材料 鈦酸鋇系、鋯鈦酸鉛系材料等

磁性材料：

1．錳—鋅、鎳—鋅、錳—鎂、鋰—錳等鐵氧體、磁記錄和磁泡材料等；

2．導(dǎo)體陶瓷 鈉、鋰、氧離子的快離子導(dǎo)體和碳化硅等；

最早的無機(jī)非金屬材料－天然石材

3．半導(dǎo)體陶瓷 鈦酸鋇、氧化鋅、氧化錫、氧化釩、氧化鋯等過濾金屬元素氧化物系材料等。

光學(xué)材料：釔鋁石榴石激光材料，氧化鋁、氧化釔透明材料和石英系或多組分玻璃的光導(dǎo)纖維等 

高溫結(jié)構(gòu)陶瓷：

1．高溫氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等難熔化合物超硬材料 碳化鈦、人造金剛石和立方氮化硼等

2．人工晶體 鋁酸鋰、鉭酸鋰、砷化鎵、氟金云母等

生物陶瓷：長石質(zhì)齒材、氧化鋁、磷酸鹽骨材和酶的載體材料等

無機(jī)復(fù)合材料：陶瓷基、金屬基、碳素基的復(fù)合材料

傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料和新型無機(jī)非金屬材料的比較：傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料具有性質(zhì)穩(wěn)定，抗腐蝕耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，但質(zhì)脆，經(jīng)不起熱沖擊。新型無機(jī)非金屬材料除具有傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料的優(yōu)點(diǎn)外，還有某些特征如：強(qiáng)度高、具有電學(xué)、光學(xué)特性和生物功能等。

分類

傳統(tǒng)陶瓷

其中，瓷是粉體的致密燒結(jié)體，較之較早的陶，其氣孔率明顯降低，致密度升高。

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(qū)出土的秦始皇陵中大批陶兵馬俑，氣勢宏偉，形象逼真，被認(rèn)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(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）、石英和長石為原料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。黏土的化學(xué)組成為Al傳3·2SiO·2H傳，石英為SiO，長石為K傳·Al傳3·6SiO（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(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。

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制造飛機(jī)上的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)效果會(huì)更好。

已有多個(gè)國家的大的汽車公司試制無冷卻式陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)汽車。我國也在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^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(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。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)2萬小時(shí)，是使用壽命最長的高效電光源。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。

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)肌體無免疫排異反應(yīng)；血液相容性好，無溶血、凝血反應(yīng)；不會(huì)引起代謝作用異?，F(xiàn)象；對(duì)人體無毒，不會(huì)致癌。已發(fā)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(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、耳聽骨修復(fù)和人工牙種植等。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題。

納米陶瓷

從陶瓷材料發(fā)展的歷史來看，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)──脆性問題沒有得到根本的解決。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題。納米陶瓷被稱為21世紀(jì)陶瓷。

發(fā)展歷史

舊石器時(shí)代人們用來制作工具的天然石材是最早的無機(jī)非金屬材料。在公元前6000～前5000年中國發(fā)明了原始陶器。中國商代（約公元前17世紀(jì)初～約前11世紀(jì)）有了原始瓷器，并出

中國古代的陶瓷藝術(shù)

現(xiàn)了上釉陶器。以后為了滿足宮廷觀賞及民間日用、建筑的需要，陶瓷的生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展。公元200年（東漢時(shí)期）的青瓷是迄今發(fā)現(xiàn)的最早瓷器。陶器的出現(xiàn)促進(jìn)了人類進(jìn)入金屬時(shí)代，中國夏代（約公元前22世紀(jì)末至約前21世紀(jì)初～約前17世紀(jì)初）煉銅用的陶質(zhì)煉鍋，是最早的耐火材料。鐵的熔煉溫度遠(yuǎn)高于銅，故鐵器時(shí)代的耐火材料相應(yīng)地也有很大發(fā)展。18世紀(jì)以后鋼鐵工業(yè)的興起，促進(jìn)耐火材料向多品種、耐高溫、耐腐 蝕方向發(fā)展。公元前3700年，埃及就開始有簡單的玻璃珠作裝 飾品。

公元前 1000年前，中國也有了白色穿孔的玻璃珠。公元初期羅馬已能生產(chǎn)多種形式的玻璃制 品。1000～1200年間玻璃制造技術(shù)趨于成熟，意大利的威尼斯成為玻璃工業(yè)中心。1600年后玻璃工業(yè)已遍及世界各地區(qū)。公元前3000～前2000年已使用石灰和石膏等氣硬性膠凝材料。隨著建筑業(yè)的發(fā)展，膠凝材料也獲得相應(yīng)的發(fā)展。公元初期有了水硬性石灰，火山灰膠凝材料，1700年以后制成水硬性石灰和羅馬水泥。1824年英國J．阿斯普丁發(fā)明波特蘭水泥。上述陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均為硅酸鹽，屬于典型的硅酸

建筑材料——水泥

鹽材料。 18世紀(jì)工業(yè)革命以后，隨著建筑、機(jī)械、鋼鐵、運(yùn)輸?shù)裙I(yè)的興起，無機(jī)非金屬 材料有了較快的發(fā)展，出現(xiàn)了電瓷、化工陶瓷、金屬陶瓷、平板玻璃、化學(xué)儀器玻璃、光學(xué)玻璃、平爐和轉(zhuǎn)爐用的耐火材料以及快硬早強(qiáng)等性能優(yōu)異的水泥。同時(shí)，發(fā)展了研磨材料、碳素及石墨制品、鑄石等。

20世紀(jì)以來，隨著電子技術(shù)、航天、能源、計(jì)算機(jī)、通信、激光、紅外、光電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué) 和環(huán)境保護(hù)等新技術(shù)的興起，對(duì)材料提出了更 高的要求，促進(jìn)了特種無機(jī)非金屬材料的迅速發(fā)展。30～40年代出現(xiàn)了高頻 絕緣陶瓷、鐵電陶瓷和壓電陶瓷、鐵氧體（又稱磁性瓷）和熱敏電阻陶瓷等。50～60年代開發(fā)了碳化硅和氮化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、氧化鋁透明陶瓷、β－氧化鋁快離子導(dǎo)體陶瓷、氣敏和濕敏陶瓷等。至今，又出現(xiàn)了變色玻璃、光導(dǎo)纖維、電光效應(yīng)、電子發(fā)射及高溫超導(dǎo)等各種新型無機(jī)材料。

材料特性

普通無機(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。

無機(jī)非金屬材料用作電子器件

特種無機(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，以及用無機(jī)纖維、晶須等增強(qiáng)的材料。

生產(chǎn)工藝

普通無機(jī)非金屬材料的生產(chǎn)是采用天然礦石作原料。經(jīng)過粉碎、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），在高溫下煅燒成多晶態(tài)（水泥、陶瓷等）或非晶態(tài)（玻璃、鑄石等），再經(jīng)過進(jìn)一步的加工如粉磨（水泥）、上釉彩飾（陶瓷）、成型后退火（玻璃、鑄石等），得到粉狀或塊狀的制品。

特種無機(jī)非金屬材料的原料多采用高純、微細(xì)的人工粉料。單晶體材料用焰融、提拉、水溶液、氣相及高壓合成等方法制造。多晶體材料用熱壓鑄、等靜壓、軋膜、流延、噴射或蒸鍍等方法成型后再煅燒，或用熱壓、高溫等靜壓等燒結(jié)工藝，或用水熱合成、超高壓合成或熔體晶化等方法制造粉狀、塊狀或薄膜狀的制品。非晶態(tài)材料用高溫熔融、熔體凝固、噴涂、拉絲或噴吹等方法制成塊狀、薄膜或纖維狀的制品。

展望

未來科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)各種無機(jī)非金屬材料，尤其是對(duì)特種新型材料提出更多更高的要求。材料學(xué)科有廣闊的發(fā)展前景，復(fù)合材料、定向結(jié)晶材料、增韌陶瓷以及各種類型的表面處理和涂層的使用，將使材料的效能得到更大發(fā)揮。由于對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)研究的日益深入，各種精密測試分析技術(shù)的發(fā)展，將有助于按預(yù)定性能設(shè)計(jì)材料的原子或分子組成及結(jié)構(gòu)形態(tài)的早日實(shí)現(xiàn)。