非金属总结纸

无机非金属材料种类繁多，名称各异，用途各异，因此无机非金属材料没有统一完善的分类方法。它们通常分为两类:普通(传统)和先进(新)无机非金属材料。传统无机非金属材料是工业和基本建设不可缺少的基础材料。比如水泥是一种重要的建筑材料；耐火材料与高温技术密切相关，尤其与钢铁工业的发展密切相关；各种规格的平板玻璃、仪器玻璃、普通光学玻璃，以及日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工炻器、电瓷等，都与人们的生产生活息息相关。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。)、碳素材料和非金属矿物(石棉、云母、大理石等。)也属于传统的无机非金属材料。20世纪中期以来，新的无机非金属材料得到了发展，它们具有特殊的性能和用途。它们是现代新技术、新产业、传统产业技术改造、现代国防和生物医药不可或缺的物质基础。传统陶瓷，包括高级陶瓷、非晶材料、人造水晶、无机涂料和无机纤维，在中国有着悠久的历史，是中华民族古老文明的象征。Xi安秦始皇陵出土的大量陶制兵马俑气势磅礴，栩栩如生，被认为是世界文化的奇迹和人类文明的宝库。唐代的唐三彩和明清的景德镇瓷器久负盛名。传统陶瓷材料的主要成分是硅酸盐。自然界中有大量的天然硅酸盐，如岩石和土壤，还有许多矿物，如云母、滑石、石棉和高岭石等，都属于天然硅酸盐。此外，为了满足生产和生活的需要，人们还生产了大量的人造硅酸盐，主要包括玻璃、水泥、各种陶瓷、砖瓦、耐火砖、水玻璃和一些分子筛。硅酸盐产品性质稳定，熔点高，不溶于水，用途广泛。硅酸盐制品一般由粘土(高岭土)、应时和长石经高温烧结而成。粘土的化学成分为Al2O3 2SiO2 2H2O，应时为SiO2，长石为Na2O Al2O3 6SiO2(钾长石)或Na2O Al2O3 6SiO2(钠长石)。这些原料都含有二氧化硅，所以硅和氧的结合是硅酸盐晶体结构中最重要和最基本的。硅酸盐材料是一种多相结构材料，含有结晶部分和无定形部分，但结晶部分是主要部分。硅酸盐晶体中的硅氧四面体[SiO _ 4]是硅酸盐结构的基本单元。在硅氧四面体中，硅原子通过sp杂化轨道与氧原子成键，Si-O的键长为162 pm，比Si和O的离子半径之和短，所以Si-O键的成键比较强。(2)精细陶瓷精细陶瓷的化学成分已经远远超出了传统硅酸盐的范围。比如透明氧化铝陶瓷、耐高温氧化锆陶瓷、高熔点氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)陶瓷都是无机非金属材料，是传统陶瓷材料的发展。精细陶瓷是为了适应社会经济和科学技术的发展而发展起来的。信息科学、能源技术、航空航天技术、生物工程、超导技术、海洋技术等现代科学技术需要大量具有特殊性能的新材料，促使人们开发精细陶瓷，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、生物陶瓷等方面取得了良好的进展。下面举几个例子简单介绍一下。高温结构的陶瓷汽车发动机一般采用铸铁铸造，耐热性有限。由于需要使用冷却水进行冷却，热能损失严重，热效率只有30%左右。陶瓷发动机如果采用高温结构陶瓷，发动机的工作温度可以稳定在1 300℃左右，由于燃料燃烧充分，没有水冷系统，热效率大大提高。用陶瓷材料做发动机，还可以减轻汽车重量，对航天工业更有吸引力。用高温陶瓷代替高温合金制造飞机上的涡轮发动机会更好。目前，许多国家的大型汽车公司已经试用了非制冷陶瓷发动机汽车。中国也在1990组装了一台，并完成了试运行。陶瓷发动机的材料是氮化硅，机械强度高，硬度高，热膨胀系数低，导热性好，化学稳定性高，是一种很好的高温陶瓷材料。氮化硅可以用许多方法合成。在工业上，高纯硅与纯氮在1 300℃反应得到:3Si+2N2→Si3N4 (1 300℃)。除了氮化硅，还有碳化硅(SiC)、二氧化锆(ZrO2)和氧化铝。透明陶瓷一般来说，陶瓷是不透明的，但是光学陶瓷像玻璃一样透明，所以叫透明陶瓷。一般陶瓷不透明的原因是内部有杂质和气孔。前者能吸收光线，后者散射光，所以不透明。因此，如果选择高纯度的原料，通过技术手段消除气孔，就可以得到透明陶瓷。早期通过这种方式获得透明氧化铝陶瓷，后来陆续开发出烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆等多种氧化物系透明陶瓷。最近又开发了非氧化物透明陶瓷，如砷化镓(GaAs)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、氟化镁(MgF2)、氟化钙(CaF2)等。这些透明陶瓷不仅具有优异的光学性能，而且耐高温。一般来说，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。其发光效率是高压汞灯的两倍，使用寿命达到20000小时。它是最长的高效电光源。高压钠灯的工作温度高达1 200℃，压力高，腐蚀性强。用透明氧化铝陶瓷成功地制作了高压钠灯。透明陶瓷比普通玻璃具有更高的透明度、强度和硬度。它们耐磨且耐刮擦。透明陶瓷可用于制造防弹车窗、坦克观察窗、轰炸机投弹瞄准器和高级防护眼镜。光纤从高纯二氧化硅或应时玻璃熔体中拉出直径约为100微米的细丝，称为石英玻璃纤维。玻璃可以传输光，但是在传输的过程中，光的损耗很大，使用石英玻璃纤维大大降低了光的损耗，所以这种纤维被称为光纤，是精细陶瓷的一种。光纤可用于光纤通信。激光方向性强、频率高，是光纤通信的理想光源。与无线电通信相比，光纤通信可以提供更多的通信信道，满足大容量通信系统的需求。光纤一般由两层组成，内层叫内芯，直径几十微米但折射率高；外层称为包层，折射率较低。从光纤一端入射的光被内芯反复折射并传输到该端。由于两层之间折射率的差异，进入内芯的光总是保持在内芯中传输。光的传输距离与光纤的光损耗有关。如果光损耗小，传输距离就长，否则就要用直放站放大衰减的信号。由最新的氟玻璃制成的光纤可以将光信号传输到太平洋的另一边，而不需要任何中继站。在实际使用中，往往是成千上万根光纤进行组合加固，使光缆像电缆一样，既提高了光纤的强度，又大大增加了通信容量。用光缆代替通信电缆可以节约大量有色金属，每公里节约铜1.1 t，铅2 ~ 3 t。光缆具有重量轻、体积小、结构紧凑、绝缘性能好、使用寿命长、传输距离远、保密性好、成本低等优点。光纤通信与数字技术和计算机相结合，可以用来传输电话、图像、数据，控制电子设备和智能终端，起到替代通信卫星的作用。光损耗大的光纤可以短距离使用，特别适合制作各种人体内窥镜，如胃镜、膀胱镜、直肠镜、宫腔镜等。对各种疾病的诊断和治疗极为有益。生物陶瓷人体器官、组织因各种原因需要修复或重建时，选用的材料应具有良好的生物相容性，对机体无免疫排斥反应；血液相容性好，无溶血和凝血反应；不会引起新陈代谢异常；对人体无毒，不会致癌。目前已经开发出来的生物合金、生物聚合物、生物陶瓷基本可以满足这些要求。这些材料制成了许多人工器官，并广泛应用于临床。但是，这种人工器官一旦植入体内，就要经受体内复杂生理环境的长期考验。比如不锈钢，在室温下是非常稳定的材料，但是植入人工关节，三五年后就会出现腐蚀斑，微量金属离子会析出，这就是生物合金的缺点。有机高分子材料制成的人造器官容易老化。相比之下，生物陶瓷是惰性材料，耐腐蚀，更适合植入。氧化铝陶瓷制成的假牙非常接近天然牙齿，在很多部位也可以用作人工关节，如膝关节、肘关节、肩关节、指关节、髋关节等。氧化锆陶瓷具有比氧化铝陶瓷更好的强度、断裂韧性和耐磨性，还可用于制造牙根、骨骼和股骨关节。羟基磷灰石[CA 10 (PO4) 6 (OH) 2]是骨组织的主要成分，与骨具有良好的生物相容性，可用于颌骨和耳听骨的修复及人工牙种植。目前发现用熔融法制作的生物玻璃，如CaO-Na2O-SiO2-P2O5，具有与骨结合的能力。陶瓷材料最大的弱点是脆性大，缺乏韧性，严重影响了其作为人工人体器官的推广应用。陶瓷材料要想在生物工程中占据一席之地，就必须考虑解决它的脆性问题。(3)纳米陶瓷在陶瓷材料发展史上经历了三次飞跃。这是从陶器到瓷器的第一次飞跃；从传统陶瓷到精细陶瓷的发展是第二次飞跃。这期间，在原材料、制备工艺、产品性能、应用等诸多方面都有了很大的进步和提高，但陶瓷材料的致命弱点——脆性并没有得到根本解决。陶瓷细粉颗粒较大，属于微米级(10 m)。有人用新的制备方法将陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级(10 m)，用这种超细粉体颗粒制作陶瓷材料，得到新一代纳米陶瓷，这是陶瓷材料的第三次飞跃。纳米陶瓷具有延展性，有些甚至出现超塑性。比如室温合成的TiO2陶瓷，可以弯曲，其塑性变形高达100%，韧性极佳。因此，人们希望发展纳米技术来解决陶瓷材料的脆性问题。纳米陶瓷被称为21世纪陶瓷。普通无机非金属材料的特点是抗压强度高、硬度高、耐高温、耐腐蚀。此外，水泥具有优异的胶凝性能，玻璃具有优异的光学性能，陶瓷具有优异的耐腐蚀性和介电性能，耐火材料具有优异的隔热性能，这些都是金属材料和高分子材料所无法企及的。但与金属材料相比，它是一种脆性材料，断裂强度低，缺乏延展性。与高分子材料相比，密度更高，制造工艺更复杂。无机非金属材料用作电子器件专用无机非金属材料的特点:①各有特点。比如高温氧化物的高温抗氧化性；氧化铝和氧化铍陶瓷的高频绝缘特性:铁氧体的磁性:光纤的光传输特性；金刚石和立方氮化硼的超硬性能:导体材料的导电性能:快硬早强水泥的快凝快硬性能。②各种物理效应和微观现象。比如光敏材料的光电性、热敏材料的热电性、压电材料的力电性、气敏材料的气电性、湿敏材料的湿电性等材料具有物理和化学参数之间的函数转换特性。③将不同性质的材料复合形成复合材料。例如:金属陶瓷、高温无机涂层、无机纤维和晶须增强材料。