《现代无机非金属材料的分类与发展_徐海龙.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代无机非金属材料的分类与发展_徐海龙.pdf（6页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第1 8卷第4期1997年1 2月国外建材科技SCIEN CEANDTECHNOLOGYOF O V ERSEASBU】L D INGMATE RIA L SVol.18 No.4I尧e.1 997现代无机非金属材料的分类与发展徐海龙(材料科学与工程学院)摘要:现代无机非金属材抖按其功能进行分类,可分为两大类;工程材料和功能材料。随寿材并科学的发展,无机非金属材料的内洒更 加丰富,用途更加广泛。关键词:无机非金属材料;功能;分类月 l J胃在材料科学发展过程中,无机非金属材料愈来愈受到人们的重视,它与金属材料、高分子材料,构成材料科学的三大支柱。无机非金属材料占材料科学 中的一大部分,近年来世
2、界各国都极为重视对它的研究、发展和应用。我国非金属矿产品及非金属制品资源丰富,种类繁多,在国 民经济和生产生活中发挥出来越重要的作用。无机非金属材料,它的实际意义是既是无机的又是非金属 的所有材料。如果按定义莱划分材料类别,那么它的内涵就非常丰富了。但在2 0世纪4 0年代以前,其包含的内容是非常少的,仅包括自然产出的石头,粘土制品、水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料、入工晶体等叫。直到2 0世纪4 0年代后期,随着航空航天工业、电子信息工业、机械工业、生物材料工业等的发展,人们开发出了一系列的新型材料,极大地丰富了无机非金属材料的内涵。现代的无机非金属材料种类繁多,诸如结构材料、耐磨材料、电子材料、
3、声光材料、敏感材料、生物材料等。因此可以说新型无机非金属材料已是一类内涵丰富、用途广泛,是现代社会不可缺少的支柱材料。2无机非金属材料的分类从定义上看,无机非金属材料的家族庞大复杂,但如果按一定的规律分类的话,却非常简单;按分子结构来分类,可分为:晶体和非晶体,见图l。按化学成分来分,可分为:单质和化合物,见图2。按其功能来分,可分为:工程材料和功能材料,见图3。从以上的分类可以看出,无机非金 属材料包含的内容是非常丰富的,而且用途十分广泛,几乎可以说无所不在,包罗万象。收稿日期:299 7一05一09.徐海 龙:男1 94 9年生,馆员;武汉;武汉工业大学材料科学与工程学院(430 070)
4、.国外建材科技1 99 7年12月单晶单质单晶硅化合物砷化锌单质多晶硅金刚石集成电路材料工具材料磅化秘电子器件半导体敏感材料烧结金刚石光电材料日用器皿墙面材料日用装饰玻陶工业工具材料瓷瓷瓷料陶材陶陶用筑术火旧陡.陕喻瓷陶传统阿.阿阿闹.墙吨阮比一多晶结构陶瓷化合物新型陶瓷高温材料腐蚀材料磨损材料冲击材料硬度材料墙体材料墙面装饰冶金工业航天飞机发动机用材化工阀门过滤膜杀 吐车片磨具磨料刀具冶金分离环钻头压头功能陶瓷子功能材料学功能材料物功能材料集成电路磁记录材料光导纤 维激光 材料骨材料生物膜 材料外墙装饰地面材料装饰品无定形碳地面装饰墙体材料地基材料非二二单质玻璃生物玻璃光电功能材料化合物玻璃
5、日用玻璃器皿门窗导光透光玻璃光纤透镜_电学功能玻璃激光调制器光电管“能稀热湿等敏感玻璃电极材料传感器LL生物玻璃骨材料瓣膜材料图1按晶体结构分类晶硅金刚石集成电路工具晶硅多晶石墨光电材料电极质硒玻璃敏感 材料(光电转换材料)定形碳生物膜材料导电材料啤陆障既单质氧化物二氧化铝二氧化错化合物 非氧 化物氮化硅氮化铝高强材料光学材料耐磨材料耐热材料高强高韧材料基片材料多元化合物生物玻璃骨材料钦酸钡敏感材料图2按化学成分分类第1 8卷第4期徐海龙:现代无机非金属材料的分类与发展高强 高韧材料气缸套密封 环阀门片耐高温抗热震材料工程材料耐磨耐腐蚀材料冶金工业用连铸分离环耐酸泵用阀门片喷砂咀刀具等气轮机转
6、子磨料各种界面材料耐热涂层他材料耐火纤维压电材料磁性材料电导材料热电材料电子材料敏感材料、晶须开关功 能梯度材料薄膜传感器电学材料得医眺阵匡性功能材料光学材料光材料光材料信息材料记录材料导电 材料超导材料电阻红外发热体电致冷材料单晶硅金刚石薄膜温度、湿度、气体等敏感半导体材料光学纤维天文望远镜窗口材料激光材料物惰性材料光存储器声光材料与生物体不反应骨材料无定形碳膜材料生物材料物体 内可控表面活性材料生物活性玻璃复合材料与涂层物体内可吸收材料经基磷灰石磷酸钙图3按功能分类3无机非金属工程材料3.1高强高韧材料这一类材料通常具有强度高,韧性好的优点,常用作结构部件如:发动机气缸套,化工机械密封环,
7、机械工业用切削刀具等。现在,S IN;质发动机气缸套已进行装机机试验,成功运转数百小时。在这类材料中,已进行工业化生产的产品有A l:03质刀具、密封环等;应用军事上如ZrO:质的坦克装甲,Si3N4质的头盔等二。3.2耐高温抗热震材料耐高温抗热震材料:必须在高达140 0的温度下,保持其强度和韧性圈。具有优秀抗热震的材料有:BN、z rOZ等困。常用在冶金工业中、航天工业及一些轻工业中。例如,在冶金工业中,要想实现水平连铸,必须解决分离环的问题。在水平连铸过程 中,分离环要经受12 00左右的高温和七八百度的温差,还要经受热钢水的冲刷,一般的材料都不能满足要求,最近的研究表明:六方B N材料
8、,能基本满足即。另外在军事工业,耐高温抗热震材料主要应用于发动机、喷气发动机的喷管、燃气轮机的叶片、复合装甲的夹层、枪管衬套等闭。3.3耐磨耐腐蚀材料这类材料具有 良好化学稳定性和耐磨性,通常包括:S IC质、Z rO:质及 Z rO:增韧、A 12O3质的材料。这类材料在化学工业、轻工业和机械工业都得到了广泛的应用。例如,在化工工业中使用的耐酸泵叶轮,以前使用铸铁质构件,只能使用几天,改用A l刃3质叶轮后,可长期使用达一年左右。在汽车工业中使用的汽车刹车片,一般用冷激铸铁或粉未冶金制造,在应用过程 中其磨损量很大,更换较频繁,改用S I C质烧结件后,这一现象将得到改善。通过测试表明,在同
9、样工作条件下S I C材料的磨痕 为0.Zm m,而冷激铸铁的磨痕深度达1 9.国外建材科技1 9 97年12月omm,相差近百倍。3.4各种涂层材料使用涂层的最大好处是节约,它可以不改变原构件或改动较少的情况下使用,并能较显著地提高原构件的耐热、耐磨、耐腐蚀性能。目前已达到实用阶段的涂层材料有:(a)Zro:质和A 12O3质。例如,用于 锅炉烟气净化的废气收集塔,原内衬为吠喃树脂类物质,使用温度为2 00以下,且使用4个月后发生不同程度的剥落,造成铁皮外套的锈蚀。改用Al zO3质火焰涂涂层后,使用温度可提高到40 0左右。提高了烟气净化率,使用寿命也长达3年以上川。(b)红外选波涂层军事
10、上在侦察和制导方面,瑰来越多地采用红外 技术。如 中远红外侦察已能感受0.1的温差,利用涂层材料的不同红外辐射系数来扰乱物体的温度场分布,以达到“萌蔽身体,发挥火力”的目的。,。(。)人造卫星温控涂层各类人造卫星表面利用涂层材料对太阳光谱的不同吸收和辐射特性,以控制或调节星体内部温度,已被广泛采用。氧化铝涂层具有良好的热稳定性,高温硬度高,化学活性低,导热性能差,在高温下起到隔热作用川。3.5其它材料用做工程材料的还有一些如膜材料,常用做化学工业的A 12O3过滤膜材料;多孔陶瓷、青石质蜂窝陶瓷已用于汽车尾气净化中;纤维,常见的有莫来石质耐火纤维、石棉、高强碳纤维等;晶须材料,这是一种兴新热门
11、材料,有碳化硅晶须,蓝空石晶须等,它常用来作为增强、增韧材料,是现代复合材料必不可少的增强体闭。4无机非金属功能材料4.1电学材料(a)压 电材料压电材料通指力电转换材料,此类材料是有将外界机械能转换为电能的能力,常用 的材 料有水晶体、BaT io3等,一般用做开关 传感器等,是一 类具有重要意义的材料二。(b)磁性材料广泛用在计算机、录相机中的记录材料,为铁氧体类物质,如F e3O;,具有记录信息、储存信息、读出信息的功能,是现代语音记录、图像记录等必不可少的材料,可以说是现代信息工业的心脏材料。(c)电导材料具备导电、超导及半导体、电阻等电学性能的材料,统统都可归于电 导材料这一类中,这
12、是一类正在发展的前沿材料,非常广泛的用途。例如,正在研究开发中的磁流体发电,其工作温度可达20 0。C左右,还要经受磁流体的冲刷,一般的材料难以胜 任,只有Z ro:质材料具备了应用前景。超导材料在输送大电流时几乎不损耗能量。用于制造电机可增大输出量的2 0倍并可大大减轻 自重 a:,用超导陶瓷的强抗磁性悬浮列车成为现实。(d)热电材料热电材料具有将电能转化为热 能的功能,可方便快速地升高或降低工作的温度,如已工业化生产的B ITe半导体材料,即半导体制冷,又称热电制冷或温差 电制冷。它是以温差电现象为基础的一门新型制冷技术,它 的工作原理是:由两种不同的导体组成的第1 8卷第4期徐海龙:现代
13、无机非金属材料的分类与发展一个闭合回路,当其中一个连接点温度升高,或另一个连接点温度降低时,使得两个连接点产生温度差,可使闭合回路中产生温差电动势,这就是温差 电效应困。用此半导体材料制成的无氟冰箱、空调器,正在取代下现有的使用机械及化学致冷剂的冰箱、空调器,是一种绿色产品,将对环境保护作出巨大 的贡献。(e)电子材料常用电子材料有单晶硅,金刚石薄膜,多晶砷化稼等,用做集成电路、太阳能电池、特种窗口材料、微波通讯、太阳能发电和高速电子计算机,是现代自动化工业和能源工业的基础材料。(f)敏感材料包括一些温度、湿度、气体等敏感半导体材料,通常为BaT IO3、SnO等材料,用在化学工业、日常生活等
14、各个领域,起到报警、指示等作用。4.2光学材料(a)导光材料。导光材料常用来作传导信号的载体,如光导纤维。常见的光导纤维材料为渗杂了一定量其他元素的石英玻璃义,用它制成的光导纤维,具有传送信息量大、信号损耗量小、抗干扰等优点,在现代通讯系统中发挥着越来越重要的作用。(b)透光材料。一般指用做窗口、光源、滤光等材料。分普通材料和特种材料。普通透光材料如日用玻璃、日用化学玻璃等。特种透光材料如用在导弹头部作红外窗口材料的多晶氟化镁陶瓷叹,用作高压钠灯灯芯的半透明氧化铝材料,用作红外滤光材料的氧化忆透明陶瓷汉,用 于 调制COZ激光的红宝 石(A l必3十Cr)等,这是一类用 途广泛,作用非常重要的
15、材料。(c)光信息材料。用作光信息材料的这一类材料通常为L INb03、BaN言Nb sO;5单晶等匡。它具有可存储信息,可读出信息的功能,并且具有存储量大、读出速率高、使用寿命长,保密性强等优点。一般常用在光全息存储、缩微相机等方面。4.3生物材料生物材料已由原始的骨代替材料发展到了能代替肌肉,筋膜等的材料,其品种也由单一的生物惰性材料,发展到了具有生物相溶性的可降升吸收的材料。生物材料的出现,标志着人类认识的一个新飞跃,人们把生物活性材料称为“尖端生物材料”。(a)生物惰性材料。与生物体不反应的A 120:质、生物玻璃质骨材,无定形碳制作的心脏瓣膜材料,生物水泥等。这些材料具有高度的生物相
16、容性,即材料与人体组织化学、力学、电学系统反应相吻合,对人体组织无不利的影响;材料对人体无毒、无刺激、无致敏、无免疫排斥、无致癌性等;材料在人体内不产生变质、变性、能长期保持稳定;能参与人体的物质和能量交换及光叉组合,并能与软硬组织产生良好的生理性结合;具有 良好的物理机械性,加工成形性和临床操作性,并具有生产实用性。(b)生物体内可控表面活性材料。生物活性玻璃、生物陶瓷、复合材料与涂层,一般用人做骨材料和牙齿,可与生物体很好地相容,改善结合状态强度,提高生物代用 品 的生理功能。(c)生物体内可吸收材料。常用做临时替代物,起一个临时骨架的作用,当生物修复组织出现后,就会被逐渐吸收。现在可实用
17、的材料一般有碳一石英复合材料、经基磷灰石材料及磷酸钙系列产品匡。纳米材料纳米量值概念为1。一 m。在研究材料的性质和结构时长期停留在拼m阶段(即1。一 6),这国外建材科技199 7年1 2月一量级范围内,材料自身的内在潜力远没有得到充分发挥和利用,材料的性能和结构存在很大缺陷。如陶瓷材料的脆性和材料结构上 的其他各种宏观缺陷等。然 而当材料的颗粒、晶粒、晶介进人纳米量级以后,这一量级大大接近于材料的基本结构一分子甚至于原子。材料的电学性质、光学性质、磁学性质等发生某种突变并由此出现一些具有特殊功能的新材料,甚至于是无宏观结构缺陷材料困。例如用纳米级超细原料制造的 陶瓷材料,由于纳米级颗粒具有
18、巨大的表面,其烧结动力学将发生很大变化,可在很低温度和很短的时间内完成烧结过程,甚至于 可 以用化学结合法制造陶瓷而不用烧结困。因此纳米技术被认为是2 1世纪具有决定性作用的技术之一,而成为各国研究的热点。6结束语从以上内容可以看出,新型无机非金属材料已是包罗万象,无所不在了,并进人 了高技术领域,在国民经济建设的 各个领域发挥着极其重要的作用。新材料的发展和应用是人类文明和进化的重要标志之一,无机非金属材料的发展已远远超出其自身的范畴,它关系到各个科学领域的发展和新产品、新技术的革新,它将为材料科学的发展,发挥它更大的作用。参考文献张家聪.当代新材料研究开发势态与发展战略.国外建材科技,1 995(4):1 9一2 3张庆维.材料科学与建筑材料的发展二北京建材,1”7(1):16张霞.现代无机非金属材料的分类与构成.中国 陶瓷,1 996(6):3 63 9陶群.新型 无机材料的某些 重要发展趋向.新型无机材料,1 97 4(1):1 1 4严东升.纳米材料的合成与 制备.无机材料学报,1”51):1一6钟吉品.生物玻璃的研究与发展.无机材料学报,19 95(2):12 913 6秦炳.光存储材料.新型 无机材料,19 74(2):1一1 8刘维华.半导体陶瓷制冷材料的研究.武汉工 业大学9 4级硕 士论文