无机非金属材料的应用与发展趋势

重庆大学能源工程材料论文

无机非金属材料的应用与发展

学生：刘卓

学号：20133776

指导教师：高虹

专业：能源动力类

重庆大学动力工程学院

二O一五年六月

摘要

材料、能源、信息是现代科学的三大支柱,材料是能源和信息的基础。无机非金属材料与金属材料和有机高分子材料是当前三大材料领域。非金属材料种类及品种繁多、涉及范围及其广泛。非金属材料分为有机非金属材料、无机非金属材料两个大类。本篇论文主要介绍无机非金属材料的起源发展以及在应用中所具有的特点，同时分析当今无机非金属材料行业存在的问题，从而得出无机非金属材料在未来材料领域的发展展望。

关键词：无机非金属，起源发展，特点，展望

重庆大学本科生论文

1 无机非金属材料简介

1.1无机非金属材料的起源与发展

无机非金属材料(inorganicnonmetallic 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。

18 世纪工业革命以后，随着建筑、机械、钢铁、运输等工业的兴起，无机非金属材料得到了较快的发展，出现了电瓷、化工陶瓷、金属陶瓷、平板玻璃、化学仪器玻璃、光学玻璃、平炉和转炉用的耐火材料以及水泥等。同时，发展了研磨材料、碳素及石墨制品、铸石等。“无机非金属材料”的提法是随着现代科学技术的发展，到20世纪40年代以后，从传统的硅酸盐材料演变而来的。

20 世纪以来，随着电子技术、航天、能源、计算机、通信、激光、红外、光电子学、生物医学和环境保护等新技术的兴起，对材料提出了更高的要求，促进了特种无机非金属材料的迅速发展。20世纪30～40年代出现了高频绝缘陶瓷、铁电陶瓷和压电陶瓷、铁氧体（又称磁性瓷）和热敏电阻陶瓷（见半导体陶瓷）等。20世纪50～60年代开发了碳化硅和氮化硅等高温结构陶瓷、氧化铝透明陶瓷、β－氧化铝快离子导体陶瓷、气敏和湿敏陶瓷等。如今，又出现了变色玻璃、光导纤维、电光效应、电子发射及高温超导等各种新型无机材料。

1.2无机非金属材料的特点及应用

无机非金属材料和金属材料以及有机高分子材料等一样，是当代完整的材料

体系中的一个重要组成部分。

在晶体结构上,无机非金属的晶体结构远比金属复杂，并且没有自由的电子。无机非金属材料具有比金属键和纯共价键更强的离子键和混合键。这种化学键所

特有的高键能，而高键能赋予这类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高

强度和良好的抗氧化性等基本属性，以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好

的铁电性、铁磁性和压电性。无机非金属材料品种和名目极其繁多,用途各异,

因此，还没有一个统一而完善的分类方法。通常把它们分为普通的(传统的)和先

进的(新型的)无机非金属材料两大类。

1.2.1无机非金属材料的特点

普通无机非金属材料的特点是：耐压强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀。此外，水泥在胶凝性能上，玻璃在光学性能上，陶瓷在耐蚀、介电性能上，耐火材料在防热隔热性能上都有其优异的特性，是金属材料和高分子材料所不及的。但与金属材料相比，它抗断强度低、缺少延展性，属于脆性材料。与高分子材料相比，密度较大，制造工艺较复杂。

特种无机非金属材料的特点是：①各具特色。例如：高温氧化物的高温抗氧化特性；氧化铝、氧化铍陶瓷的高频绝缘特性；铁氧体的磁学性质；光导纤维的光传输性质；金刚石、立方氮化硼的超硬性质；导体材料的导电性质；快硬早强水泥的快凝、快硬性质等。②各种物理效应和微观现象。例如：光敏材料的光 - 电、热敏材料的热－电、压电材料的力－电、气敏材料的气体-电、湿敏材料的湿度 - 电等材料对物理和化学参数间的功能转换特性。③不同性质的材料经复合而构成复合材料。例如：金属陶瓷、高温无机涂层，以及用无机纤维、晶须等增强的材料。

1.2.2无机非金属材料的应用

传统的无机非金属材料品种繁多，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20世纪中期以后发展起来的，具有特殊性能和用途的材料。它们是现代新技术、新产业、传统工业技术改造、现代国防和生物医学所不可缺少的物质基础。主要有先进陶瓷(advanced ceramics)、非晶态材料(noncrystal material）、人工晶体（artificial crys-tal）、无机涂层(inorganic coating)、无机纤维(inorganic fibre）等。

新型无机非金属材料具有如高强、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。

2 无机非金属材料行业存在的问题

虽然中国无机非金属新材料取得了很多成就，但由于中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，我国无机非金属材料行业与发达国家相比，仍有较大差距。

（1）基础研究和关键技术落后我国无机非金属材料产品等级低。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。中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，加之中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中国已基本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需进口。产品性能低、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。例如，电磁屏蔽玻璃中国只能达到屏蔽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）圆弧整体风挡在中国还刚起步研究，极大的制约了中国航空工业的发展。

（3）制备技术落后资源利用率低我国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，生产效率低，直接影响高科技产品质量（性能）、成本、能耗等三个方面。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，往往未能充分利用资源，从而造成了极大的浪费。例如，国外工业发达国家玻璃纤维生产大都采用800～600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，而中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。中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，使中国IC用石英扩散管失去竞争能力，完全依赖进口。

（4）技术装备落后我国企业现有生产线单线生产规模小，落后工艺大量存