传统无机材料的现状及新材料的发展趋势_张义顺

焦作工学院学报(自然科学版),第19卷,第6期,2000年11月
Jour nal of Jiaozuo I nstitute of T echnolog y(Natural Science),Vo l.19,N o.6,Nov.2000
传统无机材料的现状及新材料的发展趋势
张义顺,李小雷
(焦作工学院资源与材料工程系,河南焦作454000)
摘要:介绍了我国传统无机非金属材料(水泥、陶瓷、玻璃)的现状和存在的问题.指出了
今后发展传统无机材料应走的道路.阐述了高技术陶瓷)))一种新型无机非金属材料的特
点、作用及其应用领域.论述了纳米材料的研究现状及其所取得的最新成果并对未来新材料
的发展趋势作了展望.
关键词:水泥;陶瓷;玻璃;高技术陶瓷;纳米技术;新型材料
中图分类号:T B321文献标识码:A文章编号:1007O7332(2000)06O0471O03
1传统无机材料的现状
无机非金属材料的传统产品主要有水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料、耐磨材料等.本文仅对其中主要的几种作一简要介绍.
1.1水泥
水泥是加入适量水后可成塑性浆体,既能在空气中硬化又能在水中硬化,并能将砂石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性胶凝材料,它是建筑工业三大基本材料之一[1].我国水泥的产量居世界第一位,1997年的产量是5.1亿t,占亚洲产量的2/3,世界产量的1/3,其中回转窑生产的占18%,立窑生产的占82%.目前世界上优质水泥熟料,绝大部分都是回转窑烧制而成的,国外已基本淘汰了立窑,主要原因是立窑单机产量低,熟料质量不够均匀.但由于立窑具有基建投资较低、钢材用量少、占地面积小、建厂快及热耗低等优点[2]而适合地方工业发展,所以我国仍以立窑为主.加之我国水泥民用量大,对水泥标号要求不高,所以立窑仍在大量使用.目前,国家在水泥工业方面主要发展回转窑,逐步淘汰普通立窑,改造和提高机立窑[1].对污染严重的小水泥厂采取了关、停、并、转的相关措施.
水泥行业存在的主要问题一是污染严重,二是小厂上得太多.这主要是20世纪80年代末到1995年这一阶段水泥价格增长快、小厂纷纷上马对市场造成冲击,使价格回落而造成的.1998年国家为刺激经济增长,大修铁路、公路、搞房地产,但因启动经济滞后,估计水泥价格2000年下半年能有所回升.
1.2陶瓷
陶瓷是指陶器和瓷器,广义上讲还包括玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦、水泥、石灰、石膏等人造无机非金属材料.在国外,陶瓷这一概念,实际上是各种无机非金属材料的通称[1].传统陶瓷主要指粘土制品,在我国有悠久的历史.我国是发明瓷器最早的国家[3],所以我国的英文名字China另一个意思就是瓷器.陶瓷按性能特点和用途,可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电器绝缘陶瓷(高压电瓷)、化工陶瓷、多孔陶瓷等,近些年来,我国的陶瓷工业有很大发展,可从以下3方面说明:一是新技术与新工艺不断采用,例如高梯度磁场选矿及其它选矿技术的应用,使陶瓷生产使用的天然原料质量得
收稿日期:2000O05O10;修回日期:2000O05O29
作者简介:张义顺(1951O),男,河南民权人,教授,从事材料科学与工程的教学和科研工作.
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到保证.二是对陶瓷材料的性能与本质有了更深入的了解,这主要是因为一些研究材料组分和结构技术与仪器的出现,使人们对陶瓷的认识进入了更高层次.三是新品种的开发[4].由于科学技术的推动和需要,使得能充分利用陶瓷的物理与化学特性开发出许多高科技领域中应用的功能材料与结构材料.例如人造骨骼或器官的生物陶瓷,耐高温、高强度、高韧性的陶瓷部件等.
我国陶瓷工业目前存在的主要问题是产品质量差,花色品种少.我国是陶瓷大国,但不是陶瓷强国.大宾馆、饭店的陶瓷用品大都靠进口,即我国高档陶瓷不行.我国出口的陶瓷,如焦作陶瓷有限公司的产品,外商购买的主要原因是因其价格低、炻瓷结实等优势,若要提高价格还应提高产品的档次和质量.影响陶瓷产品性能、质量的主要因素一是原料的质量,二是生产过程.因为缺少符合质量标准的原料,要制造性能合格、质量高的产品是十分困难的,甚至是不可能的.所以,陶瓷工业的原料标准化是非常重要的,即对天然原料的原矿进行加工精制、分选、除杂质、粉碎和混合等预处理,严格按矿物组成、化学组成的不同并考虑使用的要求实行合理分级,以供陶瓷厂家使用.生产过程也不可忽视.若使用原生粘土为原料,如粘土中游离石英过多,则需要增加淘洗这一工序.若生产方法与过程选择恰当,各工序质量控制严格,则质量稍差的原料也可制造出合格的产品.因此,提高陶瓷产品质量应从两方面着手,一是正确选料,二是注重生产方法和工艺,这样才能获得优质、高产、低成本的陶瓷产品.
1.3玻璃
玻璃是无机非金属材料的又一重要产品,它和我们的生活密切相关,几乎每一个人都要接触和使用玻璃产品.玻璃具有良好的光学和电学性能,有较好的化学稳定性,透明而质硬,易成型,可满足不同条件的需要,另外原料易获得,价格低.因此,玻璃被广泛应用于建筑、轻工、航天等各个领域.衡量一个国家玻璃工业发展的水平主要是平板玻璃,因为它是与国民经济和人民密切相关的极为重要的生产资料和生活资料.平板玻璃的生产工艺有传统工艺和浮法工艺.浮法是指熔窑熔融的玻璃在流入锡槽后在熔融金属锡液的表面上成型平板玻璃的方法[1].此法生产出的玻璃可与磨光玻璃相媲美.目前,工业发达的国家几乎全部用浮法技术生产平板玻璃,在平板玻璃总产量中,浮法玻璃所占比例已达80%.我国的玻璃工业发展迅速,建国初期为91.2万重箱,到1993年发展为1.1亿重箱,目前约为1.6亿重箱,提高了约180倍,其中浮法生产约占40%.
玻璃行业存在的主要问题是品种少、装备水平低、热耗高、质量差等;另外,目前浮法玻璃的板宽、厚度、表面平整度等指标均低于国际水平.再从市场上看,小厂上得太多,供大于求,价格回落快,导致国内许多厂家处于保本甚至亏损的状态.
总之,对我国传统无机非金属材料的评价是发展速度快,产量大;水泥、玻璃、耐磨材料等产品居世界第一位,但花色品种、质量档次不高.影响发展的主要原因是企业多、竞争无序、人员素质差、低水平重复建设、产品质量不稳定且互相压价,以致造成今天的困难局面.另一严重的问题是在资源和环保方面,传统的无机材料工业普遍存在着污染环境、资源有效利用不够等缺陷.进入21世纪,无机材料前景看好,需要量大,但质量等方面要求会越来越高.在激烈的市场竞争下,硅酸盐行业的工厂要面临一半被淘汰的危险,即对某些工厂要实行关、停、并、转的政策.要想生存,必须提高材料的稳定性、可靠性,要有ISO名牌意识,必须注重效益、信誉、质量,增加高附加值.同时价格要合理,企业要不断有新产品推出,还要和大专院校、科研单位合作,这是传统无机材料发展的必由之路.
2新型材料的发展
新型材料是指那些新近开发的、具有优异性能的材料.新材料是高科技的一部分,同时它又为高科技服务,是许多高科技的基础.
2.1新材料的特点
新材料是一种知识、技术、资金密集的一类新兴产业的产品,是大量研究工作的结晶.它们中的多数是固体物理、固体化学、有机化学、冶金学、陶瓷学乃至生物学及微电子学等多学科交叉的结
果,即近20多年形成的材料科学的新成就,因此属于高投入(一般占纯收入的1/3)、高风险、高回报的产品.
新材料的发展与新技术密切相关.从新材料的合成与制造来看,往往利用极端条件作为必要的手段,如超高压、超高温、超高真空、极低温、超高速冷却及超高纯等.因此,对技术水平要求很高,超微量杂质、原子级的缺陷、电子的迁移、微小的裂纹,以及材料对环境的微小变化的反应,都必须根据不同的目的进行精确的测定,所以离开计算机就无能为力.由于新型材料是多种学科互相交叉和互相渗透的结果,因而其品种多,式样杂,更新换代快
[5].
2.2 新材料在工业上的重要作用新型材料对新技术和高技术具有十分关键的作用,没有新材料就没有发展高新技术的物质基础.因而,所有工业发达国家都把新型材料的研究与开发放在特别重要的地位.例如高技术陶瓷,即一种新型无机非金属材料,被称为材料领域的革命.此种陶瓷在生产工艺、性能及应用方面完全突破并超越了传统陶瓷的概念和范畴,它是用人工合成的高纯超细粉体原料,采用各种先进成型方法、现代烧结工艺、精密加工技术精制而成的,具有高性能、高附加值,可广泛应用于新兴技术和尖端领域.高技术陶瓷包括工程结构陶瓷和功能陶瓷.工程结构陶瓷具有耐高温,硬度、刚度、强度高,耐磨、耐腐蚀等优点,可用于制造陶瓷切削刀具、陶瓷机械零件和陶瓷热机等.功能陶瓷则在制造集成电路基极、各种传感器、电容器等方面得到了应用.专家认为,高技术陶瓷是支撑21世纪的新型材料,在某种程度上成为衡量一个国家经济和科技水平的标志.目前,高技术陶瓷全球销售额每年递增15%,1986年为54亿美元,1992年为150亿美元,1995年为245亿美元,2000年达到500亿美元[3]
.
再如纳米(十亿分之一米)技术,即用单个原子和分子制造出新物质的技术,目前已取得可喜的成果并呈现出光明的前景.科学家们称,它的开发将/引起一场世界性的产业革命,堪与18世纪的工业革命相媲美0.近几年来,美、日、德、英等科学发达国家纷纷投巨资对纳米技术进行研究与开发,并取得了很大进展.当前被列为西方国家研究重点的纳米碳管,其直径仅为1.4nm ,5万根这种碳管并排起来才相当于头发丝那样粗细,其强度是钢的100倍.应用纳米技术制造的新型电脑,比当前的微型电脑更小,但其性能更优良,精确度更高.
美国已制造了超碳分子算盘、纳米管、微电子系统、微型机器等.科学家们设想未来的微电机化坦克结构在遭到敌人火力袭击时会/变硬0.日本丰田汽车公司的一个下属公司用微型部件组装了一辆一粒米大的能开动的微型汽车.日本制成了只有一两毫米的静电发动机,只有常规车床万分之一的工作车床,有朝一日可在核电厂有角的弯管里爬行探索裂缝的尺蠖.日本目前已研制出只有蚂蚁大的机器人,可推起比自己大许多倍的重物.我国制造了目前世界上体积最小,重量最轻的直升飞机.这架双螺旋桨直升飞机的机长仅18mm,高5mm,机重100mg.可在两粒花生米大小的飞机场上作垂直起降.这是上海交大科研人员继研制成功世界上最小的1m m 马达(仅有芝麻的1/4大)后,创造的又一项世界纪录,也是纳米技术的又一成功应用.
纳米技术作为高新技术,在国防上有显著地位.如纳米硅基陶瓷粉,此粉涂在飞机上,雷达测不出,世界上只有少数国家有此技术,我国已能批量生产此粉.再如火箭燃烧若采用超细镍粉,燃烧效率可提高1倍.用某些超细粉涂在火箭上,耐热度可由3000e 提高到13000e .采用超细后的这些变化,主要是表面原子数的增加,表面能的增加所致.因此,要使材料达到极端状态,则往往要改变材料的原有属性,而改变属性的方法之一就是使材料粒度细化至微细或超微细状态后再行组合[6].这也是研制新材料的必由之路.
2.3 新材料的重要应用领域及性能特征
用作敏感元件.新型无机材料以及它所具有的全失电、压电、半导、磁性能及对外界环境产生的敏感反应等,使它可用作制造稳定可靠的敏感元件或传感器.例如压电陶瓷可用作测压力、应力及振动的传感器;半导性陶瓷是氧分压测定的最常用传感器;氧化钛、氧化锌系统材料是作为若干碳氧化合物气体敏感元件的基础.这些传感器越来越普遍地以薄膜的形式使用,因此,它们与半导体集成电路相结合是今后的发展方向.473第6期 张义顺等:传统无机材料的现状及新材料的发展趋势
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用作集成电路及电容器,变阻器等.先进无机材料中的电子陶瓷,利用无机材料一般具有较大的禁带宽度,可在很宽的范围内调节它们的介电,光及导电性能.近些年来,薄膜多层结构用于集成电路及电容器方面进展迅速.其集成度、速度成百倍的提高,无机多层封装结构日趋微小,精度越来越高.铁电陶瓷、陶瓷变阻器要求严格的显微结构与晶界组成的控制,研究进展同样很快.目前超细结构的变阻器材料已使它的耐压特征从5kV/cm提高到120kV/cm.
用作结构材料.新型无机材料的许多性能特征使它在结构材料领域具有许多现实的和潜在的应用价值.它们的重要应用领域包括切削工具,在各种恶劣环境下的耐磨材料,防弹等军用材料,人工骨骼、牙齿等生物陶瓷材料,以及近年来颇能引起关注的陶瓷发动机材料等.
3未来无机材料发展展望
目前,迅速发展的电子工业、空间科学、核技术、激光技术、高能电池、太阳能利用等领域,对材料性能提出了各种新的要求[7].因而在传统无机非金属材料基础上发展出了高温材料、高强材料、电子材料、光学材料以及激光、铁电、压电等材料,这些说明了新材料发展和高科技发展是紧密联系的.因此,它在现代工业、现代国防、现代生活的应用方面前景广阔.未来新材料的发展方向是各种材料相复合,即可改善无机材料脆性的弱点,并可具有高弹性模量,低比重,高韧性.未来电子材料的工程发展方向是微小型化、薄膜化,消除缺陷与微电子的集成工艺相结合.结构材料的工程研究方向主要是在应用上的可靠性,生产上的重复性、稳定性以及成本的逐步下降.新材料和传统无机材料相比,一个重要的变化是从劳动密集型向技术密集型并继续向知识密集型的新兴工业过渡.今后,多学科交叉的各种复合材料将越来越占据材料工业的主导地位.
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T he present situation of traditional inorganic non O metallic materials
and the development of new materials
ZHANG Yi O shun,LI Xiao O lei
(Dep t.o f Resource&M ater ials E ng.of JIT,Jiaoz uo454000,China)
Abstract:An introduction of present conditions of inorganic non-metallic material industry(cement, ceramic,and glass)in China and the problems need to solve have been stated.It refers a direction to development and presents the characters of advanced ceranced cermics,a new material,as w ell as its applications,development.Nan-materials are prom ising materials.The present researches and recent prog ress and the prediction of the future of new materials are discussd.
Key words:cement;ceram ics;glass;advanced ceram ics;Nan-materials technology;new materials
(本文责任编校毋爱君宫福满)。