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无机非金属材料_分类

分类: 检测服务来源:百度百科作者:百度百科发布时间:2018-12-05关键字:无机非金属材料  分类
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无机非金属材料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。

  传统陶瓷

  其中,瓷是粉体的致密烧结体,较之较早的陶,其气孔率明显降低,致密度升高。

  陶瓷在我国有悠久的历史,是中华民族古老文明的象征。从西安地区出土的秦始皇陵中大批陶兵马俑,气势宏伟,形象逼真,被认为是世界文化奇迹,人类的文明宝库。唐代的唐三彩、明清景德镇的瓷器均久负盛名。

  传统陶瓷材料的主要成分是硅酸盐,自然界存在大量天然的硅酸盐,如岩石、土壤等,还有许多矿物如云母、滑石、石棉、高岭石等,它们都属于天然的硅酸盐。此外,人们为了满足生产和生活的需要,生产了大量人造硅酸盐,主要有玻璃、水泥、各种陶瓷、砖瓦、耐火砖、水玻璃以及某些分子筛等。硅酸盐制品性质稳定,熔点较高,难溶于水,有很广泛的用途。

  硅酸盐制品一般都是以黏土(高岭土)、石英和长石为原料经高温烧结而成。黏土的化学组成为Al传3·2SiO·2H传,石英为SiO,长石为K传·Al传3·6SiO(钾长石)或Na2O·Al2O3·6SiO2(钠长石)。这些原料中都含有SiO2,因此在硅酸盐晶体结构中,硅与氧的结合是最重要也是最基本的。

  硅酸盐材料是一种多相结构物质,其中含有晶态部分和非晶态部分,但以晶态为主。硅酸盐晶体中硅氧四面体[SiO4]是硅酸盐结构的基本单元。在硅氧四面体中,硅原子以sp杂化轨道与氧原子成键,Si—O键键长为162 pm,比起Si和O的离子半径之和有所缩短,故Si—O键的结合是比较强的。

  精细陶瓷

  精细陶瓷的化学组成已远远超出了传统硅酸盐的范围。例如,透明的氧化铝陶瓷、耐高温的二氧化锆(ZrO2)陶瓷、高熔点的氮化硅(Si3N4)和碳化硅(SiC)陶瓷等,它们都是无机非金属材料,是传统陶瓷材料的发展。精细陶瓷是适应社会经济和科学技术发展而发展起来的,信息科学、能源技术、宇航技术、生物工程、超导技术、海洋技术等现代科学技术需要大量特殊性能的新材料,促使人们研制精细陶瓷,并在超硬陶瓷、高温结构陶瓷、电子陶瓷、磁性陶瓷、光学陶瓷、超导陶瓷和生物陶瓷等方面取得了很好的进展,下面选择一些实例做简要的介绍。

  高温结构陶瓷汽车发动机一般用铸铁铸造,耐热性能有一定限度。由于需要用冷却水冷却,热能散失严重,热效率只有30%左右。如果用高温结构陶瓷制造陶瓷发动机,发动机的工作温度能稳定在1 300 ℃左右,由于燃料充分燃烧而又不需要水冷系统,使热效率大幅度提高。用陶瓷材料做发动机,还可减轻汽车的质量,这对航天航空事业更具吸引力,用高温陶瓷取代高温合金来制造飞机上的涡轮发动机效果会更好。

  已有多个国家的大的汽车公司试制无冷却式陶瓷发动机汽车。我国也在1990年装配了一辆并完成了试车。陶瓷发动机的材料选用氮化硅,它的机械强度高、硬度高、热膨胀系数低、导热性好、化学稳定性高,是很好的高温陶瓷材料。氮化硅可用多种方法合成,工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1 300 ℃反应后获得:

  3Si+2N2→Si3N4 (1 300 ℃)

  高温结构陶瓷除了氮化硅外,还有碳化硅(SiC)、二氧化锆(ZrO2)、氧化铝等。

  透明陶瓷一般陶瓷是不透明的,但光学陶瓷像玻璃一样透明,故称透明陶瓷。一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔,前者能吸收光,后者使光产生散射,所以就不透明了。因此如果选用高纯原料,并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。早期就是采用这样的办法得到透明的氧化铝陶瓷,后来陆续研究出如烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆等多种氧化物系列透明陶瓷。又研制出非氧化物透明陶瓷,如砷化镓(GaAs)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、氟化镁(MgF2)、氟化钙(CaF2)等。这些透明陶瓷不仅有优异的光学性能,而且耐高温,一般它们的熔点都在2 000 ℃以上。如氧化钍-氧化钇透明陶瓷的熔点高达3 100 ℃,比普通硼酸盐玻璃高1 500 ℃。透明陶瓷的重要用途是制造高压钠灯,它的发光效率比高压汞灯提高一倍,使用寿命达2万小时,是使用寿命最长的高效电光源。高压钠灯的工作温度高达1 200 ℃,压力大、腐蚀性强,选用氧化铝透明陶瓷为材料成功地制造出高压钠灯。透明陶瓷的透明度、强度、硬度都高于普通玻璃,它们耐磨损、耐划伤,用透明陶瓷可以制造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器和高级防护眼镜等。

  生物陶瓷人体器官和组织由于种种原因需要修复或再造时,选用的材料要求生物相容性好,对肌体无免疫排异反应;血液相容性好,无溶血、凝血反应;不会引起代谢作用异常现象;对人体无毒,不会致癌。已发展起来的生物合金、生物高分子和生物陶瓷基本上能满足这些要求。利用这些材料制造了许多人工器官,在临床上得到广泛的应用。但是这类人工器官一旦植入体内,要经受体内复杂的生理环境的长期考验。例如,不锈钢在常温下是非常稳定的材料,但把它做成人工关节植入体内,三五年后便会出现腐蚀斑,并且还会有微量金属离子析出,这是生物合金的缺点。有机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,耐腐蚀,更适合植入体内。

  氧化铝陶瓷做成的假牙与天然齿十分接近,它还可以做人工关节用于很多部位,如膝关节、肘关节、肩关节、指关节、髋关节等。ZrO2陶瓷的强度、断裂韧性和耐磨性比氧化铝陶瓷好,也可用以制造牙根、骨和股关节等。羟基磷灰石〔Ca10(PO4)6(OH)2〕是骨组织的主要成分,人工合成的与骨的生物相容性非常好,可用于颌骨、耳听骨修复和人工牙种植等。发现用熔融法制得的生物玻璃,如CaO-Na2O-SiO2-P2O5,具有与骨骼键合的能力。

  陶瓷材料最大的弱点是性脆,韧性不足,这就严重影响了它作为人工人体器官的推广应用。陶瓷材料要在生物工程中占有地位,必须考虑解决其脆性问题。

  纳米陶瓷

  从陶瓷材料发展的历史来看,经历了三次飞跃。由陶器进入瓷器这是第一次飞跃;由传统陶瓷发展到精细陶瓷是第二次飞跃,在这个期间,不论是原材料,还是制备工艺、产品性能和应用等许多方面都有长足的进展和提高,然而对于陶瓷材料的致命弱点──脆性问题没有得到根本的解决。精细陶瓷粉体的颗粒较大,属微米级(10 m),有人用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级

  (10 m),用这种超细微粉体粒子来制造陶瓷材料,得到新一代纳米陶瓷,这是陶瓷材料的第三次飞跃。纳米陶瓷具有延性,有的甚至出现超塑性。如室温下合成的TiO2陶瓷,它可以弯曲,其塑性变形高达100%,韧性极好。因此人们寄希望于发展纳米技术去解决陶瓷材料的脆性问题。纳米陶瓷被称为21世纪陶瓷。

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