新型无机非金属材料-2016

1、新型无机非金属材料新型无机非金属材料一、什么是无机非金属材料一、什么是无机非金属材料1 1、材料、材料 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是人类进步的里程碑。历史上的石器时代、青铜器人类进步的里程碑。历史上的石器时代、青铜器时代、铁器时代都是以材料作为时代主要标志的。时代、铁器时代都是以材料作为时代主要标志的。 石器、陶瓷、铁、铜、玻璃、水泥、有机高石器、陶瓷、铁、铜、玻璃、水泥、有机高分子（如塑料等）、单晶材料，每一种新型材料分子（如塑料等）、单晶材料，每一种新型材料的研制成功，都引起人类文化和生活的新变化。的研制成功，都引起人类文化和生活的新变化。没

2、有半导体材料，便不可能有目前的计算机技术；没有半导体材料，便不可能有目前的计算机技术；没有耐高温、高强度的特殊结构材料，便没有今没有耐高温、高强度的特殊结构材料，便没有今天的宇航工业；没有低损耗的光导纤维，也就没天的宇航工业；没有低损耗的光导纤维，也就没有现代的光通讯；没有有机高分子材料，人们的有现代的光通讯；没有有机高分子材料，人们的生活也不可能像今天这样丰富多彩。生活也不可能像今天这样丰富多彩。(1)(1)按化学组成和特性分按化学组成和特性分无机非金属材料无机非金属材料 传统传统无机非金属材料无机非金属材料 新型新型无机非金属材料无机非金属材料 金属材料金属材料高分子材料：塑料、合成橡胶、

3、合成纤维高分子材料：塑料、合成橡胶、合成纤维2 2、材料的几种分类方法、材料的几种分类方法(2)(2)按用途分按用途分结构材料：结构材料： 利用材料的力学和理、化性质，利用材料的力学和理、化性质，广泛应用于机械制造、工程建广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输等各个工业部门设、交通运输等各个工业部门功能材料：功能材料：利用材料的热、光、电、磁等性利用材料的热、光、电、磁等性能用于电子、激光、通讯、能源能用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。和生物工程等许多高新技术领域。3 3、生活中的无机非金属材料、生活中的无机非金属材料玻璃、水泥、陶瓷玻璃、水泥、陶瓷金刚石钻头金刚石钻头手

4、表上的手表上的“1919钻钻”( (人造红宝石轴承的数目人造红宝石轴承的数目) )玻璃刀（金刚砂）玻璃刀（金刚砂）石英钟表石英钟表煤气炉中的电子打火煤气炉中的电子打火彩电（荧光材料）彩电（荧光材料）海底电缆（光导纤维）海底电缆（光导纤维）电脑的电脑的CPUCPU（单晶硅）（单晶硅）隐形飞机（特殊光学材料）隐形飞机（特殊光学材料）( (压电陶瓷压电陶瓷) ) 一般无机非金属材料具有耐高温、高硬度一般无机非金属材料具有耐高温、高硬度和抗腐蚀等优良工程性能，其主要缺点是抗拉和抗腐蚀等优良工程性能，其主要缺点是抗拉强度低、韧性差。强度低、韧性差。 现代科学技术的发展，要求材料具有强度现代科学技术的发展

5、，要求材料具有强度高、耐腐蚀、耐高温和其他一些特殊性能，这高、耐腐蚀、耐高温和其他一些特殊性能，这大大促进了无机非金属材料的发展，使无机非大大促进了无机非金属材料的发展，使无机非金属材料领域除使用传统的硅酸盐材料外，出金属材料领域除使用传统的硅酸盐材料外，出现了氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷等现了氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷等许多具有特殊性能的新型材料，广泛应用于建许多具有特殊性能的新型材料，广泛应用于建筑、冶金、机械及尖端科技领域。筑、冶金、机械及尖端科技领域。 4 4、新型无机非金属材料的特征、新型无机非金属材料的特征（1 1）耐高温、强度高）耐高温、强度高 （2 2）具有电学性

6、质）具有电学性质 （3 3）具有光学性质）具有光学性质 （4 4）具有生物功能）具有生物功能 二、几种典型的新型无机非金属材料1 1、结构材料、结构材料2 2、功能材料、功能材料光导纤维（光纤）光导纤维（光纤）高温结构陶瓷高温结构陶瓷1 1、结构材料、结构材料高温结构陶瓷高温结构陶瓷(1)(1)氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷用用 途途 坩埚、高温炉管、坩埚、高温炉管、 刚玉球磨机、刚玉球磨机、 性性 能能 熔点高熔点高 硬度大硬度大 透明、耐高温透明、耐高温 高压钠灯灯管、高压钠灯灯管、 用途示例：钠蒸气放电发光问题早在用途示例：钠蒸气放电发光问题早在19501950年就得以解决，由年就得以解决，由于没

7、有一种能抵御高温钠蒸气（于没有一种能抵御高温钠蒸气（14001400）强烈腐蚀的特殊材料，）强烈腐蚀的特殊材料，所以，直到所以，直到19651965年才制取第一支高压钠灯。年才制取第一支高压钠灯。高温结构材料与金属材料的性能比较：高温结构材料与金属材料的性能比较： 耐高温、耐腐蚀、硬度大、耐磨损、不怕氧化。耐高温、耐腐蚀、硬度大、耐磨损、不怕氧化。 金属材料：金属材料： 易受腐蚀、不耐氧化、不适合高温时使用易受腐蚀、不耐氧化、不适合高温时使用 高纯氧化铝透明陶瓷管高纯氧化铝透明陶瓷管氧化铝陶瓷制品氧化铝陶瓷制品高温结构材料高温结构材料: :(2)(2)氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷主要特性主要特性超硬度

8、，耐磨损；超硬度，耐磨损；抗腐蚀，高温抗腐蚀，高温时也抗氧化；时也抗氧化；抗冷热冲击而不碎裂；抗冷热冲击而不碎裂；耐高温且不易传热；耐高温且不易传热；本身具有润本身具有润滑性滑性 主要用途主要用途 制造轴承、汽轮机叶片、机械密制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。用于封环、永久性模具等机械构件。用于制造柴油机中发动机部件的受热面等制造柴油机中发动机部件的受热面等如：如： ， 此外，高温结构陶瓷还有：氮化硼陶瓷、碳化此外，高温结构陶瓷还有：氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷、硼陶瓷、 、 等。等。SiSi3 3N N4 4基陶瓷球轴承基陶瓷球轴承氮化硅陶瓷部件氮化硅陶瓷部件沙漠车沙漠车等等

9、氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷(3)(3)人造宝石人造宝石 红宝石和蓝宝石的主要成分都是红宝石和蓝宝石的主要成分都是AlAl2 2O O3 3（刚（刚玉）。玉）。 红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物；合物； 而蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛而蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。化合物。 19001900年，科学家曾用氧化铝熔融后加入少年，科学家曾用氧化铝熔融后加入少量氧化铬的方法，制出了质量为量氧化铬的方法，制出了质量为2g-4g2g-4g的红宝石。的红宝石。 现在，已经能制造出大到现在，已经能制造出大到10g10g的红宝石

10、和蓝宝石。的红宝石和蓝宝石。 1870 1870年，英国科学家丁达尔做了一个有年，英国科学家丁达尔做了一个有趣的实验：让一股水流从玻璃容器的侧壁细趣的实验：让一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由流出，以一束细光束沿水平方向从开口自由流出，以一束细光束沿水平方向从开口处的正对面射入水中。丁达尔发现，细光口处的正对面射入水中。丁达尔发现，细光束不是穿出这股水流射向空气，而是顺从地束不是穿出这股水流射向空气，而是顺从地沿着水流弯弯曲曲地传播。这是光的全反射沿着水流弯弯曲曲地传播。这是光的全反射造成的结果。造成的结果。2 2、功能材料、功能材料光导纤维（光纤）光导纤维（光纤）光导原理光导原理光导纤维（二氧

11、化硅）光导纤维（二氧化硅）主要特性主要特性抗干扰性能好，不发生辐射；抗干扰性能好，不发生辐射；通通讯质量好；讯质量好；质量轻、耐腐蚀质量轻、耐腐蚀主要用途主要用途 除用于通讯外，还用于医疗、信除用于通讯外，还用于医疗、信息处理、息处理、传能传像、遥测遥控、照明传能传像、遥测遥控、照明等。等。是高质量传导光的玻璃纤维，信是高质量传导光的玻璃纤维，信息高速公路的息高速公路的“基石基石”(1)(1)光导纤维的特点和用途：光导纤维的特点和用途：光光 纤纤 光光 缆缆 普普 通通 电电 缆缆 信息量大信息量大, ,每根光纤理论上可同每根光纤理论上可同时通过时通过1010亿路电话亿路电话 8 8管同轴电缆

12、每管同轴电缆每条通话条通话18001800路路 原料来源广原料来源广( (石英玻璃石英玻璃),),节约有节约有色金属色金属 资源较少资源较少 质量小质量小, ,每公里每公里27 g,27 g,不怕腐蚀不怕腐蚀, ,铺设方便铺设方便 每公里每公里1.6 t 1.6 t 成本低成本低, ,每公里每公里1 1万元左右万元左右 每公里每公里2020万元万元 性能好性能好, ,抗电磁干扰保密性强抗电磁干扰保密性强, ,能能防窃听防窃听, ,不发生电辐射不发生电辐射 (2)(2)光纤光缆与普通电缆比较光纤光缆与普通电缆比较 真正的光通信时代。真正的光通信时代。目前的光纤通信，是把声音或图象通过电话机或电目

13、前的光纤通信，是把声音或图象通过电话机或电视摄像机变成电信号，再通过光调制机对激光光源视摄像机变成电信号，再通过光调制机对激光光源进行调制，把电信号变成光信号，由光导纤维传送进行调制，把电信号变成光信号，由光导纤维传送到接收端，接收端的激光接收机通过光电转换器，到接收端，接收端的激光接收机通过光电转换器，把光信号还原成电信号，进入电话机或电视机，重把光信号还原成电信号，进入电话机或电视机，重现发送的声音或图象。未来的光纤通信，可以不用现发送的声音或图象。未来的光纤通信，可以不用电信号，而是将声音或图象直接转换成光信号用光电信号，而是将声音或图象直接转换成光信号用光纤进行传输，电只是作为能源加以

14、使用。到那时电纤进行传输，电只是作为能源加以使用。到那时电话、电报、电视等电通信方式将变成话、电报、电视等电通信方式将变成“光话光话”“”“光光报报”“”“光视光视”等光通信方式，人类将进入一个无限等光通信方式，人类将进入一个无限美好的真正的光通信时代。美好的真正的光通信时代。 现代通信用光缆现代通信用光缆光导纤维在医学上的应用光导纤维在医学上的应用光导纤维不但是通信技术中的重要材料，还是医生光导纤维不但是通信技术中的重要材料，还是医生的得力助手。目前在医学领域，普遍使用着一种连的得力助手。目前在医学领域，普遍使用着一种连接着许多光纤的胃镜，光纤胃镜的光源是在体外由接着许多光纤的胃镜，光纤胃镜

15、的光源是在体外由光纤传进去的，它不产生热辐射，能减轻病人的痛光纤传进去的，它不产生热辐射，能减轻病人的痛苦。在光导纤维的一头装着精致小巧的微型镜头，苦。在光导纤维的一头装着精致小巧的微型镜头，可将胃内的情况传到体外拍摄下来或显示在屏幕上。可将胃内的情况传到体外拍摄下来或显示在屏幕上。光导纤维在医学上的另一个重要应用是通过微细的光导纤维在医学上的另一个重要应用是通过微细的光纤将高强度的激光输入人体的病变部位，用激光光纤将高强度的激光输入人体的病变部位，用激光来切除病变部位。这种来切除病变部位。这种“手术手术”不用切开皮肤和切不用切开皮肤和切割肌肉组织，而且切割部位准确，手术效果好。割肌肉组织，而

16、且切割部位准确，手术效果好。光学纤维胃镜光学纤维胃镜用光导纤维做手术，不用开刀用光导纤维做手术，不用开刀其他新型无机非金属材料简介其他新型无机非金属材料简介 金刚石是目前已知的最硬的材料，可以用来切削和金刚石是目前已知的最硬的材料，可以用来切削和刻划其他物质，被用于钻探、磨削等行业。刻划其他物质，被用于钻探、磨削等行业。 但是，由于天然金刚石非常少，远远不能满足生产和但是，由于天然金刚石非常少，远远不能满足生产和科研的需要。科学家们通过对石墨和金刚石同素异形体结科研的需要。科学家们通过对石墨和金刚石同素异形体结构的研究，指出了在一定条件下使石墨转化为金刚石的可构的研究，指出了在一定条件下使石墨

17、转化为金刚石的可能性。能性。 19551955年，美国首先用石墨合成出金刚石，这是材料合年，美国首先用石墨合成出金刚石，这是材料合成领域的一项重大成就。成领域的一项重大成就。 目前，世界上用石墨合成金刚石的研究发展很快，我目前，世界上用石墨合成金刚石的研究发展很快，我国在这方面的研究也在飞速发展，许多城市都建有人造金国在这方面的研究也在飞速发展，许多城市都建有人造金刚石的工厂和研究所，以满足生产发展的需要。刚石的工厂和研究所，以满足生产发展的需要。（1）金刚石）金刚石金金刚刚石石锯锯片片（2）巴基球）巴基球 长期以来，人们总认为碳元素只有两种同素异形体长期以来，人们总认为碳元素只有两种同素异形

18、体金金刚石和石墨，刚石和石墨，1985年，科学家发现了由年，科学家发现了由60个碳原子组成的分个碳原子组成的分子子C60，由于对它的结构认识源于建筑师巴克敏斯特富勒，由于对它的结构认识源于建筑师巴克敏斯特富勒所设计的圆拱形屋顶的启示，人们把它亲切地称为所设计的圆拱形屋顶的启示，人们把它亲切地称为“巴基球巴基球”。 巴基球现在已发展成一个大家族，有巴基球现在已发展成一个大家族，有C60、C70、C90等。等。 C60由于其结构的特殊性，使它在超导、磁性、光学、催化由于其结构的特殊性，使它在超导、磁性、光学、催化等方面表现出优异的性能。当碱金属嵌入等方面表现出优异的性能。当碱金属嵌入C60分子间的

19、空隙后分子间的空隙后形成形成K3C60 、Rb3C60 等，均为良好的超导体，具有很高的临等，均为良好的超导体，具有很高的临界温度。科学家预言，掺杂的界温度。科学家预言，掺杂的C240、C540有可能成为室温超导有可能成为室温超导体。体。 C60有很强的抗压性、良好的复原性、及高度的稳定性，加有很强的抗压性、良好的复原性、及高度的稳定性，加上其分子没有棱角，使它成为最优良的润滑剂。上其分子没有棱角，使它成为最优良的润滑剂。 将将C60作为新型功能基团引入高分子体系，可以得到具有优作为新型功能基团引入高分子体系，可以得到具有优异导电性能和光学性质的新型功能高分子材料。异导电性能和光学性质的新型功

20、能高分子材料。 随着对巴基球研究的深入，它的奇异性能和潜在应用价值随着对巴基球研究的深入，它的奇异性能和潜在应用价值相继被发现，人们认为其前途不可限量。相继被发现，人们认为其前途不可限量。 （3）纳米材料）纳米材料 纳米材料指的是微粒直径在纳米材料指的是微粒直径在10-710-9m级的材料，级的材料，它具有奇特的光、电、磁、热、力和化学性质。它具有奇特的光、电、磁、热、力和化学性质。 实验上发现如果将金属铜或铝做成几个纳米的颗实验上发现如果将金属铜或铝做成几个纳米的颗粒，一遇到空气就会产生剧烈的燃烧，发生爆炸。有粒，一遇到空气就会产生剧烈的燃烧，发生爆炸。有人认为用纳米颗粒作新型火箭的固体燃料

21、将会有更大人认为用纳米颗粒作新型火箭的固体燃料将会有更大的推力。另外，用纳米金属颗粒作催化剂可加快化学的推力。另外，用纳米金属颗粒作催化剂可加快化学反应过程，大大提高化工合成的生产效率。反应过程，大大提高化工合成的生产效率。 如果把纳米颗粒粉末制成块状金属材料，它会变如果把纳米颗粒粉末制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富有弹性。纳米金属有着奇异的性能像橡胶一样富有弹性。纳米金属有着奇异的性能超塑延展性，纳米铜在室温下可延伸超塑延展性，纳米铜在室温下可延伸50多倍而不折断。多倍而不折断。用这种材料制造飞机

22、、汽车、轮船，会使它们的质量用这种材料制造飞机、汽车、轮船，会使它们的质量减少到减少到1/10。 纳米碳管是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成纳米碳管是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状纤维，内部是空的，外部直径只有几到几十纳的笼状纤维，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的米。这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的1/6，而强度却是钢的而强度却是钢的100倍。用来做防弹背心是再好不过倍。用来做防弹背心是再好不过的了。纳米碳管的细尖极易发射电子，用于做电子枪，的了。纳米碳管的细尖极易发射电子，用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视。可做成几厘米厚的

23、壁挂式电视。 如果把透明、防油、防水的纳米材料颗粒组合在如果把透明、防油、防水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或窗玻璃上，大楼不会被空气中的油污弄脏，大楼表面或窗玻璃上，大楼不会被空气中的油污弄脏，玻璃也不会沾上水蒸气而永远透明。玻璃也不会沾上水蒸气而永远透明。 纳米材料在医学上前途不可限量。用数层纳米材纳米材料在医学上前途不可限量。用数层纳米材料包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细料包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。在人工器官外面涂上纳米粒子可胞或修补损伤组织。在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排异反应。使用纳米技术的新型诊断仪预防移植后的排异反应。使用

24、纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能诊断出各种疾病。纳米颗器只需检测少量血液，就能诊断出各种疾病。纳米颗粒还可用于人体的细胞分离或细胞染色，也可以用来粒还可用于人体的细胞分离或细胞染色，也可以用来携带携带DNA进行进行DNA治疗基因缺陷症治疗基因缺陷症。(4)智能材料智能材料 功能材料主要利用材料的热、光、电、功能材料主要利用材料的热、光、电、磁等性能，用于电子、激光、通讯、能源磁等性能，用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等领域。功能材料的最新发展和生物工程等领域。功能材料的最新发展是智能材料，它具有环境判断功能，自我是智能材料，它具有环境判断功能，自我修复功能和时间轴功能。智能材料

25、既能像修复功能和时间轴功能。智能材料既能像人的五官那样感知客观世界，又能主动对人的五官那样感知客观世界，又能主动对外做功，发射声波、辐射电磁波或热能，外做功，发射声波、辐射电磁波或热能，甚至能促进化学反应和改变颜色等类似有甚至能促进化学反应和改变颜色等类似有生命物质的智慧反应。生命物质的智慧反应。 （5）生物材料）生物材料 生物材料的目标是对人体组织的矫形、修生物材料的目标是对人体组织的矫形、修复、再造以维持其原有的功能。生物材料除复、再造以维持其原有的功能。生物材料除了应具有人体的组织或器官的功能外，还必了应具有人体的组织或器官的功能外，还必须有与人体组织的相容性，对肌体无免疫排须有与人体组

26、织的相容性，对肌体无免疫排异反应，血液相溶性好，无溶血、凝血反应异反应，血液相溶性好，无溶血、凝血反应（如人造血），不会引起代谢作用异常现象，（如人造血），不会引起代谢作用异常现象，对人体无毒、不致癌。目前已经发展起来的对人体无毒、不致癌。目前已经发展起来的生物合金、生物高分子和生物陶瓷（以生物生物合金、生物高分子和生物陶瓷（以生物陶瓷为优）基本上能满足这些要求，利用这陶瓷为优）基本上能满足这些要求，利用这些材料已经制造出了许多人工器官，如肾、些材料已经制造出了许多人工器官，如肾、肝、肺、骨关节等。肝、肺、骨关节等。（6）超导材料）超导材料 超导材料是一类在低温下（超导材料是一类在低温下（23

27、.2K或更低温度下）电阻可或更低温度下）电阻可以完全消失的材料。用超导材料做成导线，电阻几乎为零，以完全消失的材料。用超导材料做成导线，电阻几乎为零，可以实现远距离无损耗输电；超导材料可以产生极强的磁场，可以实现远距离无损耗输电；超导材料可以产生极强的磁场，用于制造磁悬浮列车；用超导材料制成的发电机将会比现有用于制造磁悬浮列车；用超导材料制成的发电机将会比现有的发动机输出功率高的发动机输出功率高100倍以上。由于超导现象发生在很低倍以上。由于超导现象发生在很低的温度下，使其应用受到很大的限制，因此寻找研制在较高的温度下，使其应用受到很大的限制，因此寻找研制在较高临界温度下具有超导特性的材料成为

28、近临界温度下具有超导特性的材料成为近30年来科学家研究的年来科学家研究的重要课题。重要课题。 1986年，瑞士的年，瑞士的IBM公司实验室的公司实验室的J G Bendnorz和和K A Mtiller首先在高温氧化物超导体的研究中取得了决定性首先在高温氧化物超导体的研究中取得了决定性的突破。在通式为的突破。在通式为AxByCuzOw（ALa，Y；BBa，Sr等）的钙钛矿结构的体系中，获得了临界温度等）的钙钛矿结构的体系中，获得了临界温度Tc达达35K的超导体，因此他们获得了的超导体，因此他们获得了1987年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。1987年，美国休斯敦大学的朱经武小组、中科院物理研究所赵忠年，美国休斯敦大学的朱经武小组、中科院物理研究所赵忠贤等发现了临界温度贤等发现了临界温度Tc为为90K的的YBaCuO材料，实现材料，实现了在液氧（了在液氧（77K）中的超导性。）中的超导性。 展望展望2121世纪，材料科学的前景是美好的：世纪，材料科学的前景是美好的： 1.1.光电转换材料，分解水的催化材料和储氢材料光电转换材料，分解水的催化材料和储氢材料等能源材料将实现高效化；等能源材料将实