第一章无机材料引论

第一章无机材料引论本章提要材料是人类社会赖以生存的物质基础和科学技术发展的技术核心与先导。材料按其化学特征可划分为无机非金属材料（简称无机材料，inorganicmaterials）、无机金属材料（简称金属材料，metallicmaterials）、有机高分子（聚合物）材料（organicpolymermaterials）和复合材料（complexmaterials）四大类。其中无机材料因原料资源丰富，成本低廉，生产过程能耗低，产品应用范围广，能在许多场合替代金属或有机高分子材料，使材料的利用更加合理和经济，从而日益受到人们的重视，成为材料领域研究和开发的重点。本章通过介绍无机材料的分类与特点，阐述无机材料学科内涵及其结构－性能－工艺与环境间的关系，提出无机材料的选用原则，分析无机材料的地位与作用，综述无机材料研究现状与发展趋势，以初步建立起对无机材料的感性认识。1.1无机材料的分类无机材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料，是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。无机材料分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机材料两大类。一、传统无机材料指以SiO2及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，因此亦称硅酸盐材料，主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四种。此外，还有搪瓷、磨料、铸石（辉绿岩、玄武岩等）、碳素材料、非金属矿（石棉、云母、大理石等）。传统的无机材料是工业和基本建设所必需的基础材料。（一）陶瓷（ceramic）指以粘土为主要原料与其他天然矿物原料经过粉碎混练、成形、煅烧等过程而制成的各种普通陶瓷制品，包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其他工业用陶瓷。（1）陶器：粗陶器、普陶器和细陶器，坯体结构较疏松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙无光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。（2）瓷器。（二）玻璃（glass）由熔体过冷所制得的非晶态材料。普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃，包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等。根据其形成网络的组分不同，玻璃又可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等；网络形成体分为SiO2、B2O3和P2O5。（三）水泥（cement）加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料。水泥的种类：通用水泥、专用水泥和特性水泥（1）通用水泥：大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。（2）专用水泥：指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。（3）：特性水泥：某种性能比较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。按其所含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。（四）耐火材料（refractorymaterials）指耐火度不低于1580℃的专门为高温技术服务的无机非金属材料，用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。（1）按矿物组成：可分为氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊耐火材料；（2）按其制造方法：可分为天然矿石和人造制品；（3）按其形状：可分为块状制品和不定形耐火材料；（4）按其热处理方式：可分为不烧制品、烧成制品和熔铸制品；（5）按其耐火度：可分为普通、高级及特级耐火制品；（6）按化学性质：可分为酸性、中性及碱性耐火材料；（7）按其密度：可分为轻质及重质耐火材料。（8）按其制品的形状和尺寸：可分为标准砖、异型砖、特异型砖、管和耐火器皿等。（9）按应用：分为高炉用、水泥窑用、玻璃窑用、陶瓷窑用耐火材料等等。二、新型无机材料用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。主要包括新型陶瓷、特种玻璃、人工晶体、半导体材料、薄膜材料、无机纤维、多孔材料等。（一）新型陶瓷（advancedceramic）指以精制的高纯天然无机物或人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制的制造加工工艺烧结，具有优异特性，主要用于各种现代工业及尖端科学技术领域的高性能陶瓷，包括：（1）结构陶瓷（structuralceramic）以具有优良的力学性能（高强度、高硬度、耐磨损）、热学性能（抗热冲击、抗蠕变）和化学性能（抗氧化、抗腐蚀）的陶瓷材料，主要应用于高强度、高硬度、高刚性的切削刀具和要求耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐热冲击等的结构部件，包括氮化硅系统、碳化硅系统和氧化锆系统、氧化铝系统的高温结构陶瓷等；（2）功能陶瓷（functionalceramic）。利用其电、磁、声、光、热等直接效应和耦合效应所提供的一种或多种性质来实现某种使用功能的陶瓷材料，主要包括装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功能陶瓷等。（二）特种玻璃（specialglass）特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高纯或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的具有特殊功能或特殊用途的非晶态材料，包括经玻璃晶化获得的微晶玻璃。它们是在普通玻璃所具有的透光性、耐久性、气密性、形状不变性、耐热性、电绝缘性、组成多样性、易成形性和可加工性等优异性能的基础上，通过使玻璃具有特殊的功能，或将上述某项特性发挥至极点，或将上述某项特性置换为另一种特性，或牺牲上述某些性能而赋予某项有用的特性之后获得的。特种玻璃包括SiO2含量在85％以上或55％以下的硅酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）以及非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、金属玻璃等）等。根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃和非线性光学玻璃等。（三）人工晶体（syntheticcrystal）指采用精密控制的人工方法合成和生长的具有多种独特物理性能的无机功能单晶材料，主要用于实现电、光、声、热、磁、力等不同能量形式的交互作用的转换。（1）按化学：可分为无机晶体和有机晶体（包括有机—无机复合晶体）等；（2）按生长方法：可分为水溶性晶体和高温晶体等；按形态（或维度）分类可分为体块晶体、薄膜晶体、超薄层晶体和纤维晶体等；（3）按其物理性质（功能）：可分为半导体晶体、激光晶体、非线性光学晶体、光折变晶体、电光晶体、磁光晶体、声光晶体、闪烁晶体等。（四）半导体材料（semiconductormaterials）指其电阻率介于导体和绝缘体之间，数值一般在104~1010Ω·cm范围内，并对外界因素，如电场、磁场、光温度、压力及周围环境气氛非常敏感的材料。（1）按成分，可分为由同一种元素组成的元素半导体和由两种或两种以上元素组成的化合物半导体；（2）按结构，可分为单晶态、多晶态和非晶态；按物质类别，可分为无机材料和有机材料；（3）按形态，可分为块体材料和薄膜材料；（4）按性能，多数材料在通常状态下就呈半导体性质，但有些材料需在特定条件下才表现出半导体性能。（五）薄膜材料（filmmaterials）也称无机涂层（inorganiccoating），是相对于体材料而言，指采用特殊的方法，在体材料的表面沉积或制备的一层性质与体材料性质完全不同的物质层，从而具有特殊的材料性能或性能组合。按功能特性：可分为半导体薄膜，主要有半导体单晶薄膜、薄膜晶体管、太阳能电池、场致发光薄膜等；电学薄膜，包括集成电路（IC）中的布线、透明导电膜、绝缘膜、压电薄膜等；信息记录用薄膜，如磁记录材料、巨磁电阻材料、光记录元件材料等；各种热、气敏感薄膜；光学薄膜，包括防反射膜、薄膜激光器等。（六）无机纤维（inorganicfibre）指长径比非常大、有足够高的强度和柔韧性的长形固体。可分为无机、有机、金属三大类。无机纤维分类：（1）按材料来源，可分为天然矿物纤维和人造纤维；（2）按化学组成，可分为单质纤维（如碳纤维、硼纤维等）、硬质纤维（如碳化硅纤维、氮化硅纤维等）、氧化物纤维（如石英纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维等）、硅酸盐纤维（如玻璃纤维、陶瓷纤维和矿物纤维等）；（3）按晶体结构，可分为晶须（根截面直径约l~20µm，长约几厘米的发形或针状单晶体）、单晶纤维和多晶纤维；（4）按应用，可分为普通纤维、光导纤维、增强纤维等。其中玻璃光导纤维和先进复合材料用无机增强纤维现已在现代高科技领域发挥着重要作用。（七）多孔材料（porousmaterials）指具有很高孔隙率和很大比表面积的一类材料。特点：密度小，孔隙率高，比表面积大，对气体有选择性透过作用。分类：（1）小于2nm为微孔（micropore）；（2）2~50nm为介孔（mesopore）；（3）大于50nm为大孔（macropore），有时也将小于0.7nm的微孔称为超微孔材料。1.2无机材料的特点（1）在晶体结构上，质点间结合力主要为离子健、共价键或离子－共价混合键，具有高键能、高键强、大极性的特点，赋与高熔点、高强度、耐磨损、高硬度、耐腐蚀和抗氧化的基本属性，同时具有宽广的导电性、导热性和透光性以及良好的铁电性、铁磁性和压电性和高温超导性。（2）在化学组成上，不局限于硅酸盐，还包括其他含氧酸盐、氧化物、氮化物、碳与碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物、硅、锗、III－V族及II－VI族化合物等。（3）在形态上和显微结构上，薄膜（二维）、纤维（一维）、纳米（零维）材料、多孔材料、单晶和非晶材料。（4）在合成与制备上，高纯度、高细度的原料并在化学组成、添加物的数量和分布、晶体结构和材料微观结构上能精确加以控制。（5）在应用领域上，已成为传统工业技术改造和现代高新技术、新兴产业以及发展现代国防和生物医学所不可缺少的重要组成部分而广泛应用于化工、冶金、信息、通讯、能源、环境、生物、空间、军事、国防等各个方面。1.3无机材料组成、结构、性能、工艺及其与环境的关系一、无机材料学科内涵无机材料科学与工程就是一门研究无机材料合成与制备、组成与结构、性能与使用效能四者之间相互关系与制约规律的科学，其相互关系可用图1-1的四面体表示。图1-1构成无机材料科学与工程四面体的四个组元无机材料科学：偏重于研究无机材料的合成与制备、组成与结构、性能及使用效能各组元本身及其相互间关系的规律；无机材料工程：着重于研究如何利用这些规律性的研究成果以新的或更有效的方式开发并生产出材料，提高材料的使用效能，以满足社会的需要；同时还应包括材料制备与表征所需的仪器、设备的设计与制造。在无机材料学科发展中，科学与工程彼此密切结合，构成一个学科整体。（1）合成与制备：将原子、分子聚合起来并最终转变为有用产品的一系列连续过程，是提高材料质量、降低生产成本和提高经济效益的关键，也是开发新材料、新器件的中心环节。在合成与制备中，基础研究与工程性研究同样重要，如对材料合成与制备的动力学过程的研究可以揭示过程的本质，为改进制备方法、建立新的制备技术提供科学依据。（2）组成与结构：是材料的基本表征，一方面是特定的合成与制备条件的产物，另一方面又是决定材料性能与使用效能的内在因素，因而在材料科学与工程的四面体（图1-1）中占有独特的承前启后的地位，并起着指导性的作用。组成与结构：组成指构成材料物质的原子、分子及其分布；除主要组成以外，杂质及对无机材料结构与性能有重要影响的微量添加物亦不能忽略。（3）性能：指材料固有的物理与化学特性，也是确定材料用途的依据。广义地说，性能是材料在一定的条件下对外部作用的反应的定量表述。（4）使用效能：是