无机非金属材料的应用现状与发展趋势

无机非金属材料(inorganic nonmetallic materials)是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。

是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。

无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后,随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。

无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。

无机非金属材料工程是材料学中的一个专业。

无机非金属材料工程是为了培养具备无机非金属材料及其复合材料科学与工程方面的知识，能在无机非金属材料结构研究与分析、材料的制备、材料成型与加工等领域从事科学研究、技术开发、工艺和设备设计、生产及经营管理等方面工作的高级工程技术人才。

本专业学生主要学习无机非金属材料及复合材料的生产过程、工艺及设备的基础理论、组成、结构、性能及生产条件间的关系，具有材料测试、生产过程设计、材料改性及研究开发新产品、新技术和设备及技术管理的能力。

我国无机非金属材料工业的发展中存在很多问题，特别是传统的无机非金属材料与国外先进水平有非常大的差距，主要有：(1) 产品等级低在传统无机非金属材料中，无论是水泥、玻璃还是陶瓷的产品等级普遍偏低。

例如：发达国家的水泥熟料强度一般都在70MPa以上，而我国平均强度仅为50 MPa。

我国高等级水泥（ISO≥）仅占18%，大量生产的是中、低等级水泥（ISO≤），而很多发达国家的高等级水泥占90％以上。

(2) 资源消耗高在资源的消耗方面，水泥和陶瓷工业更为突出。

由于大量的无序开采，未能充分利用有限资源，造成了极大浪费。

例如：生产水泥熟料的主要原料是相对优质的石灰石，其化学成份须满足CaO含量不低于45%、MgO不高于3%等要求。

我国符合水泥生产要求，可以使用的量仅约250亿吨。

目前每年生产水泥消耗的优质石灰石约亿吨，因此该储量仅可生产水泥熟料约200亿吨，仅能提供约40年的水泥生产需要。

(3) 能源消耗高在建筑材料的生产过程中，要消耗大量的能源。

例如：水泥工业每年消耗标煤9106万吨，电力 650亿度。

我国水泥生产能耗远高于世界先进水平，以每吨熟料的综合能耗计算，世界先进水平为117Kg 标煤，我国为标煤，高出达50%以上。

在国外，全氧燃烧技术已经在玻璃行业中得到了较为广泛的应用，而仅有为数不多玻璃纤维生产线使用了该项技术。

(4) 环境污染严重水泥工业每年排放温室气体CO2约亿吨、SO2 万吨、NOx约206万吨；目前其他先进国家平均吨熟料的粉尘排放<1Kg，而我国高达13Kg，全国水泥生产年排放的粉尘竟高达1000万吨以上。

(5) 单线生产规模小，落后工艺大量存在以悬浮预热和预分解技术为核心技术的“新型干法”工艺，是目前世界水泥工业普遍采用的最先进的现代化水泥生产技术。

日本有96%、意大利%、韩国100%、泰国90%的水泥产量采用这种新型干法生产线，而我国仅为15％。

我国水泥制造业处于先进工艺与落后工艺并存的复杂状态。

在玻璃行业，我国浮法玻璃生产线的平均生产规模为450吨/天，而西方国家的法玻璃生产线的平均生产规模为550吨/天。

而且在玻璃产品的品质上与国外相比有非常的差距。

虽然我国无机非金属新材料取得了很多成就，但由于我国无机非金属材料研制、开发至产业的形成起步较晚，底子薄，投入强度小等原因，使之与发达国家相比，仍有较大差距：(1) 基础研究和关键技术落后我国的无机非金属新材料是从试制起步的，发展过程也主要是随从于型号的需要进行。

由于时间、人力的限制，加之我国长期以来对基础研究重视不够，投入较少，无机非金属材料的系统的基础非常薄弱。

(2) 材料性能低、品种少、批生产质量不稳定虽然我国已基本上建立了无机非金属材料的研究、开发与部分产品的生产体系，但材料的品种尚不齐全，一些重要工程的关键配套材料还须进口。

性能低、质量差的问题仍然存在，而且在进行批量生产时质量不稳定、成品率低、效益差的问题严重，必须下大力气解决。

例如，电磁屏蔽玻璃目前我国只能达到屏蔽85dB的水平，而美国已达到110dB。

我们在屏蔽波段范围等方面远远不能满足国防工业发展的需要。

而航空玻璃方面高强、多功能(隐身、防激光等)圆弧整体风挡在我国还刚起步研究，极大的制约了我国航空工业的发展。

(3) 制备技术落后无机非金属新材料工业，不但制备技术落后，而且生产能力低，效率低，直接影响高科技产品质量(性能)、成本、能耗等三个方面。

例如，国外工业发达国家玻璃纤维生产大都采用800-6000孔漏板池窑拉丝法生产，已占总量95％以上，无纺材料全部用池窑法生产，坩埚拉丝法早已被淘汰，而我国现有的池窑拉丝大部分采用800-2000孔生产技术，4000孔技术正在开发，坩埚拉丝还没有完全淘汰，与国外相比还有较大的差距。

我国纤维增强复合材料机械化生产只占40％，60％仍采用落后的手工成型，与工业发达国家差距甚大。

又如集成电路(IC)石英扩散管的制备技术，国内采用的单机间歇气炼生产技术只能提供100mm以下IC 管，而国外采用一步法连熔拉管技术，生产∮200~300mm大口径石英管供大规模集成电路用，使我国IC用石英扩散管失去竞争能力，完全依赖进口。

(4) 技术装备落后目前我国无机非金属新材料制备技术与装备明显落后，造成研制周期长、新产品发展困难，预研成果不能及时进入工程化研究，即便生产也会出现成品率低、规模小，经济效率差等问题。

作为四大材料中(钢铁、有色、有机和无机非金属材料)工业之一的无机非金属材料工业在我国经济建设中起着重要的作用。

近年来，无机非金属材料不仅在品种上有了空前的发展，而且在内涵上有了进一步的延伸。

根据无机非金属材料功能与作用的不同，可以将无机非金属材料划分为传统无机非金属材料（建筑材料）和无机非金属新材料。

传统的无机非金属材料材料品种繁多，主要是指大宗无机建筑材料，包括水泥、玻璃、陶瓷与建筑（墙体）材料等。

其产量占无机非金属材料的绝大多数。

建筑材料与人们的生活质量息息相关。

新型无机非金属材料是指具有如高强、轻质、耐磨、抗腐、耐高温、抗氧化以及特殊的电、光、声、磁等一系列优异综合性能的新型材料，是其它材料难以替代的功能材料和结构材料。

无机非金属新材料具有独特的性能，是高技术产业不可缺少的关键材料。

例如稀土掺杂石英玻璃广泛应用于导弹、卫星及坦克火控武器等激光测距系统，耐辐照石英玻璃应用于各种卫星及宇宙飞船的姿控系统；光学纤维面板和微通道板作为像增强器和微光夜视元件在全天候兵器中得到应用；航空玻璃为中国各类军用飞机提供了关键部件。

人工晶体材料中激光、非线性光学和红外等晶体，用于弹道制导、电子对抗、潜艇通讯、激光武器等。

特种陶瓷中，耐高温、高韧性陶瓷可用于航空、航天发动机、卫星遥感，可制作特殊性能的防弹装甲陶瓷及特种纤维及用于电子对抗等。

目前已开发了近四千种高性能、多功能无机非金属新材料新品种。

这些高性能材料在发展现代武器装备中起到十分重要的作用。

近些年，随着科学技术的进步，无论是传统无机非金属材料，还是无机非金属材料都有了一些新的发展趋势：（1）生态与环保意识加强,建立科学的评价体系,实现可持续发展西方发达国家在促进传统无机非金属材料产业健康、可持续发展方面的采取了许多重要措施。

世界发达国家十分重视建材工业的可持续发展与绿色评价。

生态评价也成为世界可持续发展的一个重要手段。

目前,许多国家正在进行“生态城市”的建设与实践,推广建筑节能技术材料,使用可循环材料等,改善城市生态系统状况。

由此，提出了绿色建材、环保建材与节能建材的概念,并开展了大量的研究与实践工作。

与西方发达国家相比,我国还存在很大的差距,特别是缺乏立法支持与技术标准的指导以及相应组织的管理与监督,使我国的传统无机非金属材料工业发展还有很大的提升空间。

面对资源和环境对我国经济发展的严峻考验,国民经济的可持续发展战略显得愈加重要。

（2）向着节能、降耗的方向发展传统的无机非金属材料工业是能源消耗大户,在世界能源日益短缺的今天,如何生产节能、降耗,以及如何生产出高质量的建筑节能、保温产品是建材工业发展的重要趋势。

选择资源节约型、污染最低型、质量效益型、科技先导型的发展方式。

新型墙体材料、高质量门窗、中空玻璃将大量应用。

向着提高材料性能、使用寿命的方向发展。

低寿命设计、大量重复建设已经严重制约城市建设的发展。

现代化建筑需要高性能建筑材料的支持,而提高建筑的耐久性又对建筑材料的使用寿命提出了更高的要求。

（3）单线生产能力向大型化发展无论是水泥工业、玻璃工业，还是陶瓷工业，单条生产线的生产能力有大型化的趋势。

生产线的大型化可以有效提高产品的质量，降低能源消耗。

（4）向着智能化方向发展建筑的智能化需要建筑材料的支持。

随着技术的进步和生活水平的提高,建筑材料的安全性智能诊断等智能技术将更多的应用于建筑中。

（5）向着复合化、多功能化方向发展复合材料具有单一材料所无法满足的使用功能,是建筑材料的发展趋势,对建筑材料的功能要求越来越趋向于多功能化。

在美国、日本、西欧等所有发达国家在其科技发展战略中都把无机非金属新材料的发展放在优先发展的重要位置。

例如，美国为了保持在高技术和军事装备方面的领先地位，在先后制定的《先进材料与技术计划（AMPP）》和《国家关键技术报告》中，新材料为六大关键技术之首，而无机非金属新材料占有相当比例；日本发表的《21世纪初期产业支柱》所列的新材料领域的14项基础研究计划中，其中七项涉及无机非金属新材料的研究领域。

例如发达国家十分重视复合材料产业化生产和应用技术研究。

通过关键技术的突破，实现材料的产业化；产业化应用，促进了技术的成熟和创新；应用新材料刺激新产业的产生，创造出新的应用领域。

未来科学技术的发展，对各种无机非金属材料，尤其是对特种新型材料提出更多更高的要求。

材料学科有广阔的发展前景，复合材料、定向结晶材料、增韧陶瓷以及各种类型的表面处理和涂层的使用，将使材料的效能得到更大发挥。

由于对材料科学基础研究的日益深入，各种精密测试分析技术的发展，将有助于按预定性能设计材料的原子或分子组成及结构形态的早日实现。