无机材料的性能特点分类

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1、无机非金属材料性能一、绪论( 2 学时)1、无机非金属材料的特点(1) 化学组成上为无机化合物或非金属元素单质，包括传统的氧化物、硅酸盐、 碳酸盐、硫酸盐等含氧酸盐、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化物、硫系 化合物、硅、锗及碳材料等。(2) 形态与形状上包括多晶、单晶、非晶、薄膜、纤维、复合材料等。(3) 晶体结构复杂。单个晶格可能包含多种元素的原子，晶格缺陷种类多。(4) 原子间结合力丰要为离子键、 共价键或者离了共价混合键， 具有高的键能、 大的极性。(5) 制备上通常要求高纯度、 高细度原料， 并在化学组成、 添加物的数量和分布、 晶体结构和材料微观结构上能精确控制。(6) 性能多样

2、。具有高熔点高强度、耐磨损、高硬度、耐腐蚀及抗氧化，宽广的 导电性能、导热性、透光件以及良好的铁电性、铁磁性和压电性等待殊性能；但 大多数无机材料拉伸强度低，韧性差，脆性大。(7) 应用极其广泛。几乎在所有的领域都有无机材料的应用，尤其新型无机材料 更是现代技术的发展基础、 在电子信息技术、 激光技术、光纤技术、 光电子技术、 传感技术、超导技术以及空间技术的发展中占有十分重要的地位。2、传统无机非金属材料与新型无机非金属材料传统无机材料一般是指以天然的硅酸盐矿物 (粘土、石英、长石等 )为主要原 料，经高温窑烧制而成的一大类材料。故又称窑业材料，主要有陶瓷、玻璃、水 泥和耐火材料四种， 其化

3、学组成均为硅酸盐， 因此也称为硅酸盐材料。 新型无机 材料则是指应用于高科技领域的用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、 硅化物以及各种无机非属化合物经持殊的先进工艺制成的具有优异性能的无机 新材料，包括特种陶瓷、特种玻璃、特性水泥、新型耐火材料、人工晶体、增导 体材料等。3、无机非金属材料的分类无机材料种类繁多、 性能各异。 从传统硅酸盐材料到新型无机材料， 众多门 类的无机材料已经渗透到人类生活、 生产的各个领域， 需从多个角度对无机材料 进行分类。无机材料按成分特点、可分为单质和化合物两大类；按结构特征，可 分为单晶、多晶、玻璃、无定形材料、复合材料等；按形态，可分为体相材料、 薄膜

4、材料、纤维、粉体等；按性能特征和使用效能，又可分为结构材料和功能材 料两大类；按合成制备工艺，还可分为烧结成材、湿法合成材料、涂镀材料、水 硬材料等。4、无机材料的应用和发展无机材料的制造和使用合着悠久的历史。 早在远古旧石器时代人们就使用经 过简单加工的石器作为工具。 到新石器时期已经出现粗陶器； 我国商代开始出现 原始瓷和上釉的彩陶；东汉时期的青瓷，经过唐、宋、元、明、清不断发展，已 达到相当高的技术和艺术水平。 青铜器时代的金属冶炼中已经开始使用粘土质和 硅质材料作为耐火材料。 从青铜器时代、 铁器时代到近代钢铁工业的兴起， 耐火 材料都起着关键的作用。 距今五六千年前的古埃及文物中就发

5、现有绿色玻璃殊饰 品，我国的白色玻璃珠亦有近 3000年的历史； 17世纪以来，由于用工业纯碱代 替天然草木灰与硅石、 石灰石等矿物原料生产钠钙硅酸盐玻璃， 各种日用玻璃和 技术玻璃迅速进人普通家庭、 建筑物和工业业领域： 在距今五六千年的古代建筑 中已开始大量使用石灰和石膏等气硬性胶凝材料， 到公元初期水便性的石灰和火 山灰胶凝材料也开始被应用到建筑工业中， 但是用人工方法合成硅酸盐水泥制品 还只有 100 多年的历史； 19 世纪初，英国人阿斯普丁发明用硅酸盐矿物和石灰 原料经高温煅烧制成波特兰水泥 （ 又称硅酸盐水泥 ） ，从而开始了高强度水硬性胶 凝材料的新纪元。20世纪 40年代以后

6、 （第二次世界大战后期 ） 。无机材料的发展进人了一个新 的阶段；在原料纯化、工艺进步、材料理论的发展、显微分析技术的提高、性能 研究的深入、 无损评估技术的成就以及相邻学科的推动等因素的作用下， 传统无 机材料的成分、 结构、性能和应用得到了空前的延伸。 人们发展了包括结构陶瓷、 功能陶瓷、复合材料、半导体材料、新型玻璃、非晶态材料、人工晶体、炭素材 料、无机涂层及高性能水泥和混凝土等一系列高性能先进无机材料， 特别是具有 电、磁、声、光、热、力等信息的存储、转换功能的新型无机功能材料，正在日 益广泛地被应用在现代高技术领域，如微电子、航天、能源、计算机、激光、通 信、光电了、传感、红外、生

7、物医学和环境保护等领域，成为现代高新技术、新 兴产业和传统工业的主要物质基础。 如半导体材料的出现， 对电子工业的发展具 有巨大的推动作用， 计算机小型化和功能的提高， 与硅、锗等半导体材料密切相 关；涂覆 SiC 热解碳碳结合等复合材料在空间技术的发展中产生了巨大作用； 人工晶体、无机涂层、无机纤维等先进材料已逐渐成为近代尖端科学技术的重要 组成部分；各种矿物材料也因其电、光、磁、热、摩擦、密封、填充、增强、表 面效应以及胶体性：、化学活性与惰性、吸附性、载体与催化性等在工业、农业、 国防及民用等领域起着不可替代的作用。20 世纪 90年代以来，人类对无机材料的需求量越来越大，对其性能要求越

8、 来越高。无机材料的研究与应用近进入了一个更新的发展阶段。 纳米材料与技术 的发展，引起了无机材料从原料合成、制备工艺、材料科学、性能表征以及材料 应用的革命性进步。 复合技术、 材料设计等相关理沦与技术的进步， 大大扩充了 新型无机材料发展与创造的空间。基于材料学、物理、化学、电子、冶金等基础 学科的新型无机材料呈现空前活跃的发展前景， 在近代高新技术领域发挥着日益 重要的作用。5、无机材料在国民经济中的地位和作用不仅是人民生活、 工业生产和基础建设所必需的基础材料， 也是传统工业技 术改造、新兴产业和高新技术发展中不可缺少的重要物质基础和先导。 可以预测， 先进无机材料将是未来人类社会科技

9、进步与社会文明发展的重要物质基础与支 柱。6、无机材料的研究内容 无机材料工艺学的任务是不断利用材料科学及其他相邻学科的发展成就， 研 究如何选择合适的原料， 通道各种工艺过程生产出附合各种性能要求的材料， 并 能达到低投入高产出， 实现按使用性能要求来设计和制造无机材料的目标。 由于 基础科学和实验技术的进步， 材料科学研究水平不断提高， 已经从宏观进人微观， 从定性进入半定量或定量， 从静态进入动态， 从而为更合理、 更有效地使用现有 材料和发展新材料提供了依据， 为逐步实现按预想性能设计和制备材料创造了条 件。未来高新技术的发展， 对各种无机材料提出了更多、 更高和更新的要求。 特 种陶

10、瓷要求从原料的多相结构到趋向于单相结构， 又趋向于更复杂的多相复合结 构；纳米陶瓷的研究正向纵深发展， 有望得到性能更好的纳米陶瓷制品； 陶瓷强 化与增韧的研究取得了明显的成就。 新发展的纳米陶瓷和陶瓷的晶界应力设计可 望成为解决陶瓷脆性问题的有效途径； 先进功能陶瓷的精细复合原理及其工艺的 研究为人们所瞩目。无机材料逐步向多功能和良好的环境协调性方向发展；兼 具感知和驱动功能于一身的敏感陶瓷研究正在启动。 多功能和敏感无机涂层的研 究具有极大的发展前景；生物陶瓷和仿生研究将为人类自身造福。7、陶瓷陶瓷是人类生活和生产中不可缺少的材料之一。 陶资产品的应用范围涉及国 民经济的各个领域， 其生产

11、和发展经历了由简单到复杂、 由粗糙到精细、 从无釉 到施釉、从低温到高温的过程。 随着生产力的发展和技术水平的提高， 各个历史 阶段赋予陶瓷的含义和范围也不断发生变化。8、陶瓷在国民经济建设中的作用数千年前，彩陶与黑陶的出现是人类两种史前文化仰韶文化和龙山文化的 标志。陶瓷器皿的出现使人类日常生活方式发生巨大变化， 并逐步成为生活必需 品。日用陶瓷在发展对外贸易， 加强文化交流， 促进祖国建设发挥厂巨大的作用。电了技术、空间技术、激光技术、计算技术、红外技术等的出现是基于新型 材料的研制与生产的基础上才得到有效保证的、 而陶瓷也正是上述新型材料的一 类。陶瓷作为结构材料和功能材料，已广泛应用于

12、利学技术和工业生产领域中。 新型结构陶瓷、功能陶瓷在高温下具有高强度、高硬度、抗氧化、耐磨损、耐烧 蚀等特性，为先进热机的耐热、 耐磨部件的应用开辟了良好的前景， 使其在热学、 力学、化学等性能耍求苛刻条件下取代金属、 有机材料成为可能， 并产生巨大经 济效益和社会效益。 为了提高电压的等级和增大输配的电容量， 要求有高机械强 度和高介电强度的电瓷，以供线路、电器和电站使用。耐腐蚀、耐磨损、热稳定 性高的化工陶瓷是发展各种化学工业不可缺少的一种结构材料。 电子技术从晶体 管到厚、薄膜电路及大规模集成电路也和压电陶瓷、铁电陶瓷、磁性材料、半导 体材料及器件的研制成功是分不开的。 开发新能源是当前

13、重大的科学技术课题之 一，正在研究的新能源 （如核能发电、磁流体发电、地热发电等 ）所需的结构材料 和导电材料， 往往都由陶瓷来承担。 许多国家正在研究用氧化物固溶体及碱金属 阴离子导体（如B -Al 2Q）作高温燃料电池及高能量、高密度蓄电池的固体电解质 隔膜。一些宇宙技术中的运载工具 （如火箭、人造卫星、飞船等）所使用的高温结 构材料、烧蚀材料和涂层都属于陶瓷的范围。 超导陶瓷的出现成为现代物理学和 材料科学的重大突破。生物陶瓷由于其优良的生物相容和生物活性等特殊性能， 已广泛应用于生物医学工程中。9、玻璃在国民经济建设中的作用玻璃具有许多其他材料所不具备的特性， 从玻璃的本质结构和性质来

14、看， 最 显著的四个特性为： (1) 各向异性； (2) 无固定熔点： (3) 介稳性； (4) 性质变化的 连续性与可逆性。 此外，玻璃材料还具有一些良好的理化性能， 如良好的光学和 电学性能，较好的化学稳定性，较高的抗压强度、硬度、耐蚀性及耐热性等：从 工艺的角度来看，玻璃的特点在于： (1) 可以通过化学组成的调整，并结合各种 再加工工艺方法 (表而处理、热处理 ) 来大幅度、连续调整玻璃的物理和化学性能， 以适应范围很广的实用要求； (2) 可用多种多样的热成型 ( 吹、拉、压、延、浇铸) 方法，制成各种形状单件的 ( 空心或实心 ) 和延续的 ( 板片、管棒、丝绵 ) 制品。还 可以

15、通过冷加工 (磨砂、抛光、钻、削 ) 、粉末烧结和焊接等加工方法制成型状复 杂、尺寸严格的器件。 因此玻璃作为结构和功能材料已被广泛应用于建材、 轻工、 交通、医药、化工、电子、航空、航天和原子能工业等方面。日用玻璃，包括瓶罐、器皿、保温瓶、工艺美术品等，已成为人们牛活用品 的一部分：其中玻璃瓶罐也是食品工业、化学工业、医药工业、文教用品工业大 量采用的包装容器、窗玻璃，平板玻璃，空心玻璃砖，饰面板和隔声、隙热的泡 沫玻璃，在现代建筑中得到了普遍的采用。钢化玻璃、磨光玻璃、夹层玻璃、高 质量的平板玻璃，用来装配各种运输工具的风挡和门窗。 各种颜色信号玻璃在海、 陆、空交通中起着“指挥员”的作用

16、、电真空玻璃和照明玻璃，充分利用了玻璃 的气密、透明、绝缘、易于密封和容易抽真空等特性，是制造电子管、电视机、 电灯等不可取代的材料； 光学玻璃是国防、 高科技及工业生产不可缺少的精密光 学仪器与设备的核心部件，广泛地应用于显微镜、望远镜、照相机、光谱仪和各 种复杂的光学仪器， 大大地改变了科学研究的条件和方法； 电影放映机、 高质量 的眼镜片都是用光学玻璃制造的。 玻璃化学仪器、 温度计是化学、生物学、医学、 物理学工作者必备的实验用具。 大型玻璃设备及管道， 是化学工业上耐腐蚀、 耐 高温的优良器材。 玻璃纤维、玻璃棉及其纺织品， 是电器绝缘， 化工过滤和隔声、 隔热、耐热的优良材料。它们与各种树脂制成的玻璃钢，质量轻、强度高、耐腐 蚀、耐热，用以制造绝缘器件和各种壳体。随着科学技术的发展，玻璃新品种不 断出现，例如感光照相和印刷版玻璃，耐热性好、硬度大、强度高的微晶玻璃， 高折射、 低色散或低折射高色散的光学玻璃， 透紫外线和透红外线玻璃等等。 玻 璃的应用日