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1、无机非金属材料与人类文明卢安贤中南大学材料科学与工程学院,世界是由物质组成的，对人类有用的物质即材料，按其组成和化学键性质可将材料分成四大类：金属材料（包括纯金属及其合金）：由金属原子组成，原子与原子之间靠共价键而键合，描述键合的理论为自由电子理论；有机高分子材料：以C原子为主要成分，原子与原子之间靠共价键而键合，描述键合的理论有价键理论和分子轨道理论；无机非金属材料：以金属元素或非金属元素的化合物或非金属元素单质为组元，原子与原子之间通过离子键和共价键而键合，描述键合的理论有静电吸引理论、价键理论与分子轨道理论；复合材料：金属基，非金属基，树脂基，以混合键结合，物理与化合键可能均存在。 无机
2、非金属材料是材料科学与工程领域中的重要组成部分，它在工业、农业、人们日常生活、国防及现代科技中都有着非常重要的作用，用途极为广泛，为人类文明作出了重要的贡献。本次课从几个方面谈谈无机非金属材料在推进人类文明中所起的重要作用。,一 无机非金属材料的发展历程发展 天然材料：原始人用天然岩石制作工具和武器，这些材料是最先使用的材料，属无机非金属材料的范围 传统无机非金属材料：也称为硅酸盐材料，因构成材料的主要物质为硅酸盐，包括用陶土制作粗陶制品，花盆，彩陶等；采用更高级的材料制作的精陶。粗陶与精陶都是不很致密的物质，气孔较多；烁器：提高烧成温度而获得致密的瓷器-烁器；瓷器：从烁起出发，通过提高质量而
3、获得致密的烧结构白色胚体。陶瓷和瓷器合称为陶瓷；在陶瓷的发展过程中，硅瓦，玻璃，水泥，耐火材料也在慢慢发展起来，都已经形成产业。 新型无机非金属材料：随着生产技术的向前发展，特别是自四十年代以来，在原有硅酸盐材料的基础上，开发出了许多新型材料，这些材料的成分已不含硅酸盐，将这些材料叫做新型无机非金属材料。 复合材料：单一材料的性能和功能是不能完全满足社会经济发展和现代科技的要求的；需要将多种材料复合起来，以赋予其特殊性能和功能；复合材料将是21世纪新的经济增长点。,二 无机非金属材料与人类文明 (一）建筑材料 建筑物是人类生存，学习和工作的主要场所，构筑建筑物的材料相当一部分是无机非金属材料。
4、,（二）生物材料 人体器官，骨骼等因疾病、缺损或机械损伤等原因，致使其失去应有的功能，需要替换。生物材料主要有三种功能： (1)替代人体内有病或损伤的部分； (2)作为人体先天性缺损部分的替代品； (3)有助于人体内组织恢复的功能生物材料。 早在公元前，人们就不断地探索、利用天然材料来修补人体创伤，但存在两个问题：(1)天然材料是有限的；(2)人道问题或心理问题。 到19世纪中期，开始大量利用金属板针固定骨折，存在的主要问题是与生体组织力学不相容、人感到不舒服、且金属材料易溶出对人体有害的金属离子。 六十年代初期是生物材料蓬勃发展的时期，当时主要是高分子材料，但高分子材料易老化、变化，易溶出对
5、人体有害的有机单体。 七十年代以来，随着氧化铝多晶和单晶陶瓷的引入和广泛应用，开创了崭新的生物陶瓷时代。继氧化铝陶瓷之后，人类又发现了许多生物性能优良的陶瓷材料。许多材料已应用于临床，如做牙齿冠（根）、人工骨、人工关节、固定骨折用的器具、人工心瓣膜、人工眼等。,生物材料（无机非金属材料）种类及临床应用,三大类材料性能的比较,从上表可以看出，无机非金属材料用作生物材料具有许多优点，如生物相容性。一些材料可用作惰性生物材料，即不与人体组织发生化学键合，但又能确保材料在生命体中不引起血栓、不致癌、无毒等；还有一些无机非金属材料可与人体组织发生化学键合，因为象人骨这样的生体组织中主要含P5+、Ca2+
6、、O2-、H2O等物质，这些物质极易与生物材料结合而成一体。又如化学稳定性，无机非金属材料的化学稳定性可确保材料在生体环境中材质的不改变。但无机非金属材料存在的问题也是明显的，如大多数无机非金属材料都是脆性的，难于加工成型等。因此，可将金属材料与无机非金属材料结合起来，使之兼具金属材料和无机非金属材料的优点。方法可示意如下： 另外，纳米技术的发展和应用也将有助于克服无机非金属材料的脆性和难于加工的问题。,（三）无机闪烁材料 人们一般认为物质结构的基本单元是原子，那么原子内部又是如何呢？这就是粒子物理学家长期以来在不懈努力探索的问题，期望更进一步，探索到物质结构的奥妙。在这方面，无机非金属材料所
7、起的作用举足轻重！1948年美国物理学家Hotstadter利用现在看起来相当简单的设备发明了第一块无机闪烁晶体NaI（），在50多年间，其应用达到空前广泛的程度。NaI（）被应用在物理学、生物学、化学、医学、核能、放射性跟踪、地质、铀矿勘探、石油探井、食品研究等许多领域。其中，在物理学方面的研究特别引人注目。如电子偶系统（）衰变的射线的探测、子跃迁产生的射线的探测、弱作用中宇称不守恒定律的证明、Mossbauer效应的发现、爱因斯坦等效性的验证、长期寻找的赝标量态粒子、候选态粒子以及可能是胶球状新粒子Z和的发现，均是借助于NaI（）这种闪烁晶体而得以实现的。可以说，没有NaI（）这种闪烁材料
8、，现代物理的发展进程将大大推迟。 现在的问题是：要发现越来越小的物质结构单元，需要建造越来越大的仪器。27Km长的大型电子正电子对撞机LEP（large electron position）是目前世界上最大的加速器，它产生250Gev（亨电子伏特）以上的正负电子碰撞。新一代加速器将是大型质子对撞机LHC（large Hadron-collider），质子将以28.5Tev（太电子伏特）的能量进行碰撞。在这种高辐射环境中的探测器对材料有很高的要求。NaI（）这种材料已经不能满足当代和新一代粒子物理试验的需要，其应用在Mev能级，寻找新的性能优良的闪烁材料是该领域的重要发展方向和热点。目前被认为有
9、希望的材料有YAP、YAlO3（Ce）、CeF3、GSO、Gd2SiO5（Ce）及氟化物玻璃和重金属氧化物玻璃。,（四）非线性光学材料 线性光学材料是指光通过材料后其频率不发生变化的材料，数学表达式为PKE。而非线性光学材料是指光通过材料后其频率发生变化的材料P=X1E + X2E2 +X3E3 =X1E0cost+ X2E02 cos2t+ X3E03 cos3tA.现在用的开关是基于电子的，速度慢而且易受电磁场干扰，未来用的开关是光子开关。Photonic Switch，这种非线性光学材料做的开关具有宽带频率范围，不受电磁场感应及开关速度快等特点，可满足未来光通讯、信号处理和计算机科学技术
10、发展的需要。玻璃非线性光学材料因具有高的透明性、化学稳定性、热稳定性，快的响应时间及制造容易等特点而成为未来光子开关的候选材料之一。 B.利用玻璃材料的高三阶非线性极化率可以制成相位共轭镜，用于对航天航空器进行探测，如飞机在高空云层上飞行，由于云层的折射率是不均匀的，因此，在地面上用普通反射镜探测器系统获得的图像是畸变的，但如果采用相位共轭镜，这种畸变的图像却可真实地反映出来。,（五）激光材料 由于激光具有高能密度、单色性、方向性以及相干性好等特点，因而激光在军事、工业、农业、医学、通讯和基础科学等许多领域都有重要应用。 发生激光的物质叫做激光工作物质，包括气体、液体和固体激光物质等，其中固体
11、激光物质是最重要的一种。固体激光物质中又分为晶体和玻璃，它们都是在基质固体中掺入适量的激活离子。如Cr3+ Ni2+ V22+ Co3+ Nd3+ Yb3+ 等。 晶体物质： A.氟化物晶体CAF2 、LiF4是通过提纯法在饱和水溶液中提纯单晶而成。 B.复合氟化物晶体如5CAF29YF3 、CaF2SrF2 、NaCaYF6等。 C.氟化物单晶Al3O3(Ce3+) 、CaWO4(Nd3+) 、钇铝石榴石 YAG等。非晶态物质： A.硅酸盐玻璃，是最先应用的玻璃态激光物质，缺点是发光物 质加入量不高、荧光效率低、非线性极化率大（易引起自聚 焦等） B.磷酸盐玻璃，荧光物质引入量较高、发光效率
12、较高、非线性极化率比硅酸盐玻璃小，但使用者还是认为高了一些。 C.氟磷酸盐玻璃，是目前非线性极化,（六）PDP用基板玻璃： 军事部门对显示器有许多特殊的要求，如要求工作温度范围宽，能承受作战平台的震动和冲击，视角大，能在阳光下读出，像素格式和分辩率能与各种传感器的输出相匹配等。因而军事部门一直采用技术已相当成熟的阴极射像管显示器。但随着平板显示器技术的发展和成熟，其许多性能已与阴极射像管相匹敌，而其体积小、重量轻和功耗低的特点是阴极射像管无法实现的。因而，军事部门已逐渐接受平板显示器，并在不断扩展其应用范围，平板显示器将最终完全取代笨重的阴极射像管。其中，20世纪90年代中期开发生产的彩色等离
13、子体显示屏（plasma display panels,简称PDP）因其工作在全数字化模型及易于实现大屏幕显示等特点，在21世纪的平板显示领域将占有主导地位，具有非常广阔的应用前景。在军用方面,这种显示器可广泛应用于预警-侦察机、潜艇、水面战舰、装甲战车等平台,以取代目前的大型阴极射像管；也可应用于陆军的“地面勇士计划”、航空夜视眼镜、激光测距机/指示器、探雷用和通用头部显示器；还可应用于M1A2坦克车长眼镜系统及各种作战指挥平台的大型显示器。在民用方面，它也是数字化彩电、高分辨率电视和多媒体终端理想的显示器件。显而易见, 等离子体显示屏用大屏幕基板玻璃具有非常广泛和乐观的市场前景。,目前，单
14、色产品的对角线尺寸已达1.5米，在彩色高分辨率电视机样品中，PDP产品的对角线尺寸均已达到1米（42英寸）。国外有多家公司正在研制1.3米（51英寸）的彩色等离子体显示器，预计到2005年后将有1.31.5米的大屏幕彩色PDP高分辨率电视机投产。然而，随着彩色等离子体显示器分辨率的提高和屏幕尺寸的增大，对彩色PDP显示器用基板玻璃的要求也越来越高，这些要求包括：（1）、为了尽可能减少封装应力、确保器件精度和灵敏度，基板玻璃应与已开发的PDP器件相关材料热膨胀系数相匹配；（2）、由于组成彩色PDP的前后玻璃基板均要在300600摄氏度之间经历多次高温烘烤与烧结，为了较少基板玻璃在加热与冷却器件过
15、程中的不恰当收缩而造成的像素错位（如荧光粉与电极，障壁与电极错位等）。为了减少印刷困难以及玻璃基板的弯曲变形，基板玻璃应具有较高的应变点（大于570摄氏度）；（3）、作为绝缘材料，基板玻璃应具有较高的体积电阻率；（4）、玻璃应具有良好的化学稳定性，成本应较低。国内现有的玻璃产品不能满足彩色等离子体显示屏对高性能基板玻璃的要求，这种现状将会直接制约大屏幕高清晰度PDP显示器的发展，进而制约着许多国防军事工程、大屏幕壁挂电视机和计算机监视器的发展，甚至导致平板显示器技术的停止不前。因此，研究等离子体显示屏用基板玻璃的制备技术以及其组成结构性能三者关系对于开发PDP用新型玻璃材料、促进PDP技术的发
16、展、加速国防军工建设，加速大屏幕壁挂电视机和计算机监视器的实用化进程具有非常重要的实际意义和理论意义。正如我国科学发展“十五”规划和2015远景规划“新材料技术领域发展战略”中所指出的，大屏幕显示器玻璃将取代传统的玻璃显像管，成为新型电子玻璃产业.,（七）MEMS用静电键合微晶玻璃 自从微电子技术问世以来，人们不断追求微小尺寸结构的装置。用微电子技术制造具有微电子器件那样尺寸的微机械，再与集成电路集成在一起便形成微电子机械系统MEMS（micro electronic mechanical system）。其技术目标是实现信息获取、处理、判断、执行一体化，具有尺寸小、热容量低、灵敏度高及响应快
17、等特点。该系统包括微机械惯性传感器、微型执行器、微加速器、微陀螺仪、微型机械光学零件、真空微电子元件及电子电力器件等。在航空、航天、海防、各种交通工具、计算机、生物、医疗等领域有着十分重要的应用，尤其是区电、DF-31A、DH-10、863-409等国防军事重点工程的关键系统。 微电子机械系统的实现依赖于微细加工技术，这些技术包括半导体加工技术、超精密机械加工及特种加工技术等。其中半导体加工技术（主要是硅半导体加工技术）目前是微型机械的主要制造技术，它又包括光刻、沉积、蚀刻及粘接技术等。为了抵抗高辐射环境中高能粒子的作用、减少电容、提高电路速度和集成度，获得复杂结构的多功能微电子机械系统，实现三维集成，需要把多个硅基片或硅集成电路粘接在一起，常用的粘接方法主要有硅与玻璃的阳极键合（又称为静电键合）和硅-硅的直接键合。玻璃与硅片的静电键合是指：在一定温度下，,
