基本介紹
常見種類,成分結構,套用領域,傳統工藝,分類,傳統陶瓷,精細陶瓷,納米陶瓷,發展歷史,材料特性,生產工藝,展望,
常見種類
二氧化矽氣凝膠、水泥、 玻璃、 陶瓷
成分結構
在晶體結構上,無機非金屬的晶體結構遠比金屬複雜，並且沒有自由的電子。具有比金屬鍵和純共價鍵更強的離子鍵和混合鍵。這種化學鍵所特有的高鍵能、高鍵強賦予這一大類材料以高熔點、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強度和良好的抗氧化性等基本屬性,以及寬廣的導電性、隔熱性、透光性及良好的鐵電性、鐵磁性和壓電性。
無機非金屬材料
無機非金屬材料矽酸鹽材料是無機非金屬材料的主要分支之一，矽酸鹽材料是陶瓷的主要組成物質。
套用領域
無機非金屬材料品種和名目極其繁多,用途各異,因此,還沒有一個統一而完善的分類方法。通常把它們分為普通的(傳統的)和先進的(新型的)無機非金屬材料兩大類。傳統的無機非金屬材料是工業和基本建設所必需的基礎材料。如水泥是一種重要的建築材料;耐火材料與高溫技術,尤其與鋼鐵工業的發展關係密切;各種規格的平板玻璃、儀器玻璃和普通的光學玻璃以及日用陶瓷、衛生陶瓷、建築陶瓷、化工陶瓷和電瓷等與人們的生產、生活息息相關。它們產量大,用途廣。其他產品,如搪瓷、磨料(碳化矽、氧化鋁)、鑄石(輝綠岩、玄武岩等)、碳素材料、非金屬礦(石棉、雲母、大理石等)也都屬於傳統的無機非金屬材料。新型無機非金屬材料是20世紀中期以後發展起來的,具有特殊性能和用途的材料。它們是現代新技術、新產業、傳統工業技術改造、現代國防和生物醫學所不可缺少的物質基礎。主要有先進陶瓷(advanced ceramics)、非晶態材料(noncrystal material〉、人工晶體〈artificial crys-tal〉、無機塗層(inorganic coating)、無機纖維(inorganic fibre〉等。
無機非金屬材料分類
無機非金屬材料分類傳統工藝
傳統無機非金屬材料：
1.水泥和其他膠凝材料矽酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、石灰、石膏等；
2.陶瓷粘土質、長石質、滑石質和骨灰質陶瓷等；
3.耐火材料矽質、矽酸鋁質、高鋁質、鎂質、鉻鎂質等，玻璃矽酸鹽 ；
4.搪 瓷 鋼片、鑄鐵、鋁和銅胎等；
5.鑄 石 輝綠岩、玄武岩、鑄石等；
研磨材料：氧化矽、氧化鋁、碳化矽等；
多孔材料：硅藻土、蛭石、沸石、多孔矽酸鹽和矽酸鋁等 ；
碳素材料：石墨、焦炭和各種碳素製品等；
非金屬礦：粘土、石棉、石膏、雲母、大理石、水晶和金剛石等；
新型無機非金屬材料
保溫材料：
1.氣凝膠氈
絕緣材料：
1.氧化鋁、氧化鈹、滑石、鎂橄欖石質陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等
2.鐵電和壓電材料 鈦酸鋇系、鋯鈦酸鉛系材料等
磁性材料：
1.錳—鋅、鎳—鋅、錳—鎂、鋰—錳等鐵氧體、磁記錄和磁泡材料等；
2.導體陶瓷 鈉、鋰、氧離子的快離子導體和碳化矽等；
3.半導體陶瓷 鈦酸鋇、氧化鋅、氧化錫、氧化釩、氧化鋯等過濾金屬元素氧化物系材料等。
最早的無機非金屬材料-天然石材
最早的無機非金屬材料-天然石材1.高溫氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等難熔化合物超硬材料 碳化鈦、人造金剛石和立方氮化硼等
2.人工晶體 鋁酸鋰、鉭酸鋰、砷化鎵、氟金雲母等
生物陶瓷：長石質齒材、氧化鋁、磷酸鹽骨材和酶的載體材料等
無機複合材料：陶瓷基、金屬基、碳素基的複合材料
傳統無機非金屬材料和新型無機非金屬材料的比較：傳統無機非金屬材料具有性質穩定，抗腐蝕耐高溫等優點，但質脆，經不起熱衝擊。新型無機非金屬材料除具有傳統無機非金屬材料的優點外，還有某些特徵如：強度高、具有電學、光學特性和生物功能等。
分類
傳統陶瓷
其中，瓷是粉體的緻密燒結體，較之較早的陶，其氣孔率明顯降低，緻密度升高。
陶瓷在我國有悠久的歷史，是中華民族古老文明的象徵。從西安地區出土的秦始皇陵中大批陶兵馬俑，氣勢宏偉，形象逼真，被認為是世界文化奇蹟，人類的文明寶庫。唐代的唐三彩、明清景德鎮的瓷器均久負盛名。
傳統陶瓷材料的主要成分是矽酸鹽，自然界存在大量天然的矽酸鹽，如岩石、土壤等，還有許多礦物如雲母、滑石、石棉、高嶺石等，它們都屬於天然的矽酸鹽。此外，人們為了滿足生產和生活的需要，生產了大量人造矽酸鹽，主要有玻璃、水泥、各種陶瓷、磚瓦、耐火磚、水玻璃以及某些分子篩等。矽酸鹽製品性質穩定，熔點較高，難溶於水，有很廣泛的用途。
矽酸鹽製品一般都是以黏土（高嶺土）、石英和長石為原料經高溫燒結而成。黏土的化學組成為Al傳3·2SiO·2H傳，石英為SiO，長石為K傳·Al傳3·6SiO（鉀長石）或Na2O·Al2O3·6SiO2（鈉長石）。這些原料中都含有SiO2，因此在矽酸鹽晶體結構中，矽與氧的結合是最重要也是最基本的。
矽酸鹽材料是一種多相結構物質，其中含有晶態部分和非晶態部分，但以晶態為主。矽酸鹽晶體中矽氧四面體[SiO4]是矽酸鹽結構的基本單元。在矽氧四面體中，矽原子以sp雜化軌道與氧原子成鍵，Si—O鍵鍵長為162 pm，比起Si和O的離子半徑之和有所縮短，故Si—O鍵的結合是比較強的。
精細陶瓷
高溫結構陶瓷汽車發動機一般用鑄鐵鑄造，耐熱性能有一定限度。由於需要用冷卻水冷卻，熱能散失嚴重，熱效率只有30%左右。如果用高溫結構陶瓷製造陶瓷發動機，發動機的工作溫度能穩定在1 300 ℃左右，由於燃料充分燃燒而又不需要水冷系統，使熱效率大幅度提高。用陶瓷材料做發動機，還可減輕汽車的質量，這對航天航空事業更具吸引力，用高溫陶瓷取代高溫合金來製造飛機上的渦輪發動機效果會更好。
已有多個國家的大的汽車公司試製無冷卻式陶瓷發動機汽車。我國也在1990年裝配了一輛並完成了試車。陶瓷發動機的材料選用氮化矽，它的機械強度高、硬度高、熱膨脹係數低、導熱性好、化學穩定性高，是很好的高溫陶瓷材料。氮化矽可用多種方法合成，工業上普遍採用高純矽與純氮在1 300 ℃反應後獲得：
3Si+2N2→Si3N4 （1 300 ℃）
高溫結構陶瓷除了氮化矽外，還有碳化矽（SiC）、二氧化鋯（ZrO2）、氧化鋁等。
透明陶瓷一般陶瓷是不透明的，但光學陶瓷像玻璃一樣透明，故稱透明陶瓷。一般陶瓷不透明的原因是其內部存在有雜質和氣孔，前者能吸收光，後者使光產生散射，所以就不透明了。因此如果選用高純原料，並通過工藝手段排除氣孔就可能獲得透明陶瓷。早期就是採用這樣的辦法得到透明的氧化鋁陶瓷，後來陸續研究出如燒結白剛玉、氧化鎂、氧化鈹、氧化釔、氧化釔-二氧化鋯等多種氧化物系列透明陶瓷。又研製出非氧化物透明陶瓷，如砷化鎵（GaAs）、硫化鋅（ZnS）、硒化鋅（ZnSe）、氟化鎂（MgF2）、氟化鈣（CaF2）等。這些透明陶瓷不僅有優異的光學性能，而且耐高溫，一般它們的熔點都在2 000 ℃以上。如氧化釷-氧化釔透明陶瓷的熔點高達3 100 ℃，比普通硼酸鹽玻璃高1 500 ℃。透明陶瓷的重要用途是製造高壓鈉燈，它的發光效率比高壓汞燈提高一倍，使用壽命達2萬小時，是使用壽命最長的高效電光源。高壓鈉燈的工作溫度高達1 200 ℃，壓力大、腐蝕性強，選用氧化鋁透明陶瓷為材料成功地製造出高壓鈉燈。透明陶瓷的透明度、強度、硬度都高於普通玻璃，它們耐磨損、耐劃傷，用透明陶瓷可以製造防彈汽車的窗、坦克的觀察窗、轟炸機的轟炸瞄準器和高級防護眼鏡等。
生物陶瓷人體器官和組織由於種種原因需要修復或再造時，選用的材料要求生物相容性好，對肌體無免疫排異反應；血液相容性好，無溶血、凝血反應；不會引起代謝作用異常現象；對人體無毒，不會致癌。已發展起來的生物合金、生物高分子和生物陶瓷基本上能滿足這些要求。利用這些材料製造了許多人工器官，在臨床上得到廣泛的套用。但是這類人工器官一旦植入體內，要經受體內複雜的生理環境的長期考驗。例如，不鏽鋼在常溫下是非常穩定的材料，但把它做成人工關節植入體內，三五年後便會出現腐蝕斑，並且還會有微量金屬離子析出，這是生物合金的缺點。有機高分子材料做成的人工器官容易老化，相比之下，生物陶瓷是惰性材料，耐腐蝕，更適合植入體內。
氧化鋁陶瓷做成的假牙與天然齒十分接近，它還可以做人工關節用於很多部位，如膝關節、肘關節、肩關節、指關節、髖關節等。ZrO2陶瓷的強度、斷裂韌性和耐磨性比氧化鋁陶瓷好，也可用以製造牙根、骨和股關節等。羥基磷灰石〔Ca10(PO4)6(OH)2〕是骨組織的主要成分，人工合成的與骨的生物相容性非常好，可用於頜骨、耳聽骨修復和人工牙種植等。發現用熔融法製得的生物玻璃，如CaO-Na2O-SiO2-P2O5，具有與骨骼鍵合的能力。
陶瓷材料最大的弱點是性脆，韌性不足，這就嚴重影響了它作為人工人體器官的推廣套用。陶瓷材料要在生物工程中占有地位，必須考慮解決其脆性問題。
納米陶瓷
從陶瓷材料發展的歷史來看，經歷了三次飛躍。由陶器進入瓷器這是第一次飛躍；由傳統陶瓷發展到精細陶瓷是第二次飛躍，在這個期間，不論是原材料，還是製備工藝、產品性能和套用等許多方面都有長足的進展和提高，然而對於陶瓷材料的致命弱點──脆性問題沒有得到根本的解決。精細陶瓷粉體的顆粒較大，屬微米級（10 m），有人用新的製備方法把陶瓷粉體的顆粒加工到納米級
（10 m），用這種超細微粉體粒子來製造陶瓷材料，得到新一代納米陶瓷，這是陶瓷材料的第三次飛躍。納米陶瓷具有延性，有的甚至出現超塑性。如室溫下合成的TiO2陶瓷，它可以彎曲，其塑性變形高達100%，韌性極好。因此人們寄希望於發展納米技術去解決陶瓷材料的脆性問題。納米陶瓷被稱為21世紀陶瓷。
發展歷史
現了上釉陶器。以後為了滿足宮廷觀賞及民間日用、建築的需要，陶瓷的生產技術不斷發展。公元200年（東漢時期）的青瓷是迄今發現的最早瓷器。陶器的出現促進了人類進入金屬時代，中國夏代（約公元前22世紀末至約前21世紀初～約前17世紀初）煉銅用的陶質煉鍋，是最早的耐火材料。鐵的熔煉溫度遠高於銅，故鐵器時代的耐火材料相應地也有很大發展。18世紀以後鋼鐵工業的興起，促進耐火材料向多品種、耐高溫、耐腐 蝕方向發展。公元前3700年，埃及就開始有簡單的玻璃珠作裝 飾品。
中國古代的陶瓷藝術
中國古代的陶瓷藝術公元前 1000年前，中國也有了白色穿孔的玻璃珠。公元初期羅馬已能生產多種形式的玻璃制 品。1000～1200年間玻璃製造技術趨於成熟，義大利的威尼斯成為玻璃工業中心。1600年後玻璃工業已遍及世界各地區。公元前3000～前2000年已使用石灰和石膏等氣硬性膠凝材料。隨著建築業的發展，膠凝材料也獲得相應的發展。公元初期有了水硬性石灰，火山灰膠凝材料，1700年以後製成水硬性石灰和羅馬水泥。1824年英國J.阿斯普丁發明波特蘭水泥。上述陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均為矽酸鹽，屬於典型的矽酸
鹽材料。 18世紀工業革命以後，隨著建築、機械、鋼鐵、運輸等工業的興起，無機非金屬 材料有了較快的發展，出現了電瓷、化工陶瓷、金屬陶瓷、平板玻璃、化學儀器玻璃、光學玻璃、平爐和轉爐用的耐火材料以及快硬早強等性能優異的水泥。同時，發展了研磨材料、碳素及石墨製品、鑄石等。
建築材料——水泥
建築材料——水泥20世紀以來，隨著電子技術、航天、能源、計算機、通信、雷射、紅外、光電子學、生物醫學 和環境保護等新技術的興起，對材料提出了更 高的要求，促進了特種無機非金屬材料的迅速發展。30～40年代出現了高頻 絕緣陶瓷、鐵電陶瓷和壓電陶瓷、鐵氧體（又稱磁性瓷）和熱敏電阻陶瓷等。50～60年代開發了碳化矽和氮化矽等高溫結構陶瓷、氧化鋁透明陶瓷、β－氧化鋁快離子導體陶瓷、氣敏和濕敏陶瓷等。至今，又出現了變色玻璃、光導纖維、電光效應、電子發射及高溫超導等各種新型無機材料。
材料特性
特種無機非金屬材料的特點是：①各具特色。例如：高溫氧化物等的高溫抗氧化特性；氧化鋁、氧化鈹陶瓷的高頻絕緣特性；鐵氧體的磁學性質；光導纖維的光傳輸性質；金剛石、立方氮化硼的超硬性質；導體材料的導電性質；快硬早強水泥的快凝、快硬性質等。②各種物理效應和微觀現象。例如：光敏材料的光-電、熱敏材料的熱－電、壓電材料的力－電、氣敏材料的氣體-電、濕敏材料的濕度-電等材料對物理和化學參數間的功能轉換特性。③不同性質的材料經複合而構成複合材料。例如：金屬陶瓷、高溫無機塗層，以及用無機纖維、晶須等增強的材料。
無機非金屬材料用作電子器件
無機非金屬材料用作電子器件生產工藝
普通無機非金屬材料的生產是採用天然礦石作原料。經過粉碎、配料、混合等工序，成型（陶瓷、耐火材料等）或不成型（水泥、玻璃等），在高溫下煅燒成多晶態（水泥、陶瓷等）或非晶態（玻璃、鑄石等），再經過進一步的加工如粉磨(水泥)、上釉彩飾（陶瓷）、成型後退火(玻璃、鑄石等)，得到粉狀或塊狀的製品。
特種無機非金屬材料的原料多採用高純、微細的人工粉料。單晶體材料用焰融、提拉、水溶液、氣相及高壓合成等方法製造。多晶體材料用熱壓鑄、等靜壓、軋膜、流延、噴射或蒸鍍等方法成型後再煅燒，或用熱壓、高溫等靜壓等燒結工藝，或用水熱合成、超高壓合成或熔體晶化等方法製造粉狀、塊狀或薄膜狀的製品。非晶態材料用高溫熔融、熔體凝固、噴塗、拉絲或噴吹等方法製成塊狀、薄膜或纖維狀的製品。
