无机材料的制备与应用研究发展

无机材料的制备与应用研究发展摘要：本文主要介绍了无机材料的制备，主要有金属材料、陶瓷、高分子材料、晶体生长技术。这些材料的制备都与我们生活最密切相关。介绍每一种材料的性质、应用、前景。并将一些新的金属材料进行了综述。关键词：金属材料；陶瓷；高分子材料；晶体生长技术；应用引言随着社会和经济的发展，无机材料在原有的基础上越来越重要，无机材料不再是传统的用法，各种新型的方法得到应用。例如，金属材料的制备、陶瓷工艺应用、高分子材料、晶体生长技术等。越来越多的材料使用新技术来研究，不只是无机材料这一方面。通常金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称[1]。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。近些年来，我国的陶瓷工业有很大发展，可从以下3方面说明:一是新技术与新工艺不断采用，例如高梯度磁场选矿及其它选矿技术的应用，使陶瓷生产使用的天然原料质量得到保证。二是对陶瓷材料的性能与本质有了更深入的了解，这主要是因为一些研究材料组分和结构技术与仪器的出现，使人们对陶瓷的认识进入了更高层次。三是新品种的开发[2]。由于科学技术的推动和需要，使得能充分利用陶瓷的物理与化学特性开发出许多高科技领域中应用的功能材料与结构材料。例如人造骨骼或器官的生物陶瓷，耐高温、高强度、高韧性的陶瓷部件等。高分子材料是由相对分子质量比一般有机化合物高得多的高分子化合物为主要成分制成的物质。一般有机化合物的相对分子质量只有几十到几百，高分子化合物是通过小分子单体聚合而成的相对分子质量高达上万甚至上百万的聚合物。巨大的分子质量赋予这类有机高分子以崭新的物理、化学性质：可以压延成膜；可以纺制成纤维；可以挤铸或模压成各种形状的构件；可以产生强大的粘结能力；可以产生巨大的弹性形变；并具有质轻、绝缘、高强、耐热、耐腐蚀、自润滑等许多独特的性能。于是人们将它制成塑料、橡胶、纤维、复合材料、胶粘剂、涂料等一系列性能优异、丰富多彩的制品，使其成为当今工农业生产各部门、科学研究各领域、人类衣食住行各个环节不可缺少、无法替代的材料。当今，在高新技术材料领域中，人工晶体作为一种特种功能材料，在材料学、光学、光电子、医疗生物领域有着广泛的作用。用于人工晶体生长的方法有多种，如：物理气相沉淀、水热法、低温溶液生长、籽晶提拉、坩埚下降等。其中水热法晶体生长可以使晶体在非受限的条件下充分生长，可以长出形态各异、结晶完好的晶体而受到广泛应用。水热法可用于生长各种大的人工晶体，制备超细、无团聚或少团聚、结晶完好的微晶。适合生长熔点较高，具有包晶反应或非同成分融化，而在常温下又不溶解各种溶剂或溶解后即分解，不能再结晶的晶体材料。与其他的合成方法相比，水热法合成的晶体具有纯度高、缺陷少，热应力小质量好等特点。近年来随着科学技术的不断发展，水热法合成技术得到广泛应用，该技术已成功地应用于人工水晶的合成、陶瓷粉末材料的制备和人工宝石的合成等领域。1金属材料1.1金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属对各种加工工艺方法所表现出来的适应性称为工艺性能，主要有以下四个方面：⑴切削加工性能；⑵可锻性；⑶可铸性；金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括机械性能、物理性能、化学性能等。金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。金属材料的性能主要分为四个方面，即：机械性能、化学性能、物理性能、工艺性能。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。在实际应用中主要考虑金属的抗蚀性、抗氧化性（又称作氧化抗力，这是特别指金属在高温时对氧化作用的抵抗能力或者说稳定性），以及不同金属之间、金属与非金属之间形成的化合物对机械性能的影响等等。在金属的化学性能中，特别是抗蚀性对金属的腐蚀疲劳损伤有着重大的意义。1.2金属材料的应用主要应用于金属制品制造、金属工具制造、集装箱及金属包装容器制造、不锈钢及类似日用金属制品制造，船舶及海洋工程制造等。金属制品在工业、农业以及人们的生活各个领域的运用越来越广泛，也给社会创造越来越大的价值。金属制品行业在发展过程中也遇到一些困难，例如技术单一，技术水平偏低，缺乏先进的设备，人才短缺等，制约了金属制品行业的发展。为此，可以采取提高企业技术水平，引进先进技术设备，培养适用人才等提高中国金属制品业的发展。2陶瓷2.1陶瓷的简介陶瓷是指陶器和瓷器,广义上讲还包括玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦、水泥、石灰、石膏等人造无机非金属材料。在国外，陶瓷这一概念，实际上是各种无机非金属材料的通称[3]。传统陶瓷主要指粘土制品，在我国有悠久的历史。我国是发明瓷器最早的国家，所以我国的英文名字China另一个意思就是瓷器。陶瓷按性能特点和用途,可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电器绝缘陶瓷(高压电瓷)、化工陶瓷、多孔陶瓷等，2.2陶瓷的应用陶瓷制品种类繁多，其中主要用于建筑装饰工程中的陶瓷制品有以下几类。2.2.1琉璃制品（琉璃瓦）琉璃瓦主要有两种形式：筒瓦与板瓦富丽堂皇，经久耐用。琉璃瓦多用于民族色彩的宫殿式大屋顶建筑中。其它屋面用的琉璃瓦为屋脊、兽头、人物、宝顶等。除用于屋面外，通过造型设计，已制成的有花窗、栏杆等琉璃制品，广泛用于庭院装饰中。2.2.2陶瓷壁画陶瓷壁画是以陶瓷面砖、陶板、锦砖等为原料而制作的具有较高艺术价值的现代装饰材料。它不是原画稿的简单复制，而是艺术的再创造。它巧妙地运用绘画技法和陶瓷装饰艺术于一体，经过放样、制版、刻画、配釉、施釉、烧成等一系列工序，采用浸点、涂、喷、填等多种施釉技法和丰富多彩的窑变技术而产生出神形兼备、巧夺天工的艺术效果。2.2.3卫生洁具卫生洁具是现代建筑中室内配套不可缺少的组成部分。陶瓷质卫生洁具是传统的卫生洁具，主要有洗面器、浴缸、大便器等。2.2.4瓷砖所谓瓷砖，是以耐火的金属氧化物及半金属氧化物，经由研磨、混合、压制、施釉、烧结之过程，而形成之一种耐酸碱的瓷质或石质等之建筑或装饰之材料，主要用于室内室外都使用瓷砖进行装饰，譬如：地面、墙面、台面、壁炉、喷泉以及外墙等等。3高分子材料3.1高分子材料来源高分子材料也称为聚合物材料，是以高分子化合物为基体，再配有其他添加剂（助剂）所构成的材料。高分子材料按来源分为天然高分子材料和合成高分子材料。天然高分子是存在于动物、植物及生物体内的高分子物质，可分为天然纤维、天然树脂、天然橡胶、动物胶等。合成高分子材料主要是指塑料、合成橡胶和合成纤维三大合成材料，此外还包括胶黏剂、涂料以及各种功能性高分子材料。合成高分子材料具有天然高分子材料所没有的或较为优越的性能——较小的密度、较高的力学、耐磨性、耐腐蚀性、电绝缘性等[4]。[1]3.2高分子的应用3.2.1塑料塑料是指以聚合物为主要成分，在一定条件（温度、压力等）下可塑成一定形状并且在常温下保持其形状不变的材料。塑料根据加热后的情况又可分为热塑性塑料和热固性塑料。加热后软化，形成高分子熔体的塑料成为热塑性塑料。主要的热塑性塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等。加热后固化，形成交联的不熔结构的塑料称为热固性塑料。常见的有环氧树脂,酚醛塑料，聚酰亚胺，三聚氰氨甲醛树脂等。塑料的加工方法包括注射，挤出，膜压，热压，吹塑等等。3.2.2橡胶橡胶又可以分为天然橡胶和合成橡胶。天然橡胶的主要成分是聚异戊二烯。合成橡胶的主要品种有丁基橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、丙烯酸酯橡胶、聚氨酯橡胶、硅橡胶、氟橡胶等等。3.2.3纤维纤维是高分子材料的另外一个重要应用。常见的合成纤维包括尼龙、涤纶、腈纶聚酯纤维、芳纶、丙纶纤维等。3.2.4涂料涂料是涂附在工业或日用产品表面起美观或这保护作用的一层高分子材料、常用的工业涂料有环氧树脂，聚氨酯等。黏合剂3.2.5黏和剂也是一类重要的高分子材料。人类在很久以前就开始使用淀粉，树胶等天然高分子材料做黏合剂。现代黏合剂通过其使用方式可以分为聚合型，如环氧树脂；热融型，如尼龙，聚乙烯；加压型，如天然橡胶；水溶型，如淀粉。4晶体生长技术4.1晶体生长的基本原理水热法又称热液法，晶体的热液生长是一种在高温高压下过饱和溶液中进行结晶的方法。它实质上是一种相变过程，即生长基元从周围环境中不断地通过界面而进入晶格座位的过程，水热条件下的晶体生长是在密闭很好的高温高压水溶液中进行的。利用釜内上下部分的溶液之间存在的温度差，使釜内溶液产生强烈对流，从而将高温区的饱和溶液放入带有籽晶的低温区，形成过饱和溶液。根据经典的晶体生长理论，水热条件下晶体生长包括以下步骤：（1）溶解阶段；（2）输运阶段；（3）离子、分子或离子团在生长界面上吸附、分解与脱附；（4）吸附物质在界面上的运动；（5）结晶。同时利用水热法生长人工晶体时由于采用的主要是溶解—再结晶机理，因此用于晶体生长的各种化合物在水溶液中的溶解度是采用水热法进行晶体生长时必须首先考虑的。4.2水热法晶体生长的应用4.2.1水热法合成高档宝石水热法是由意大利科学家Spezia于19世纪末发明的，早期主要用于地球化学的相平衡研究及人工晶体的生长研究。1930年德国的IGFaben在此基础上合成出了第一块祖母绿晶体。水热法和合成祖母绿晶体质量高于助熔剂法合成的祖母绿晶体的质量[5]。绿柱石是一种结构复杂的硅酸盐矿物，含铬的绿柱石晶体即为祖母绿晶体，它是一种具有宽带辐射的优秀可调谐激光材料。采用温差水热法，以复杂的盐酸混合溶液为矿化溶剂，在较低温度压力条件下，可生长出无色透明的绿柱石晶体[6]。5.未来无机材料发展展望目前,迅速发展的电子工业、空间科学、核技术、激光技术、高能电池、太阳能利用等领域,对材料性能提出了各种新的要求[7].因而在传统无机非金属材料基础上发展出了高温材料、高强材料、电子材料、光学材料以及激光、铁电、压电等材料,这些说明了新材料发展和高科技发展是紧密联系的.因此,它在现代工业、现代国防、现代生活的应用方面前景广阔。未来新材料的发展方向是各种材料相复合,即可改善无机材料脆性的弱点,并可具有高弹性模量,低比重,高韧性.未来电子材料的工程发展方向是微小型化、薄膜化,消除缺陷与微电子的集成工艺相结合.结构材料的工程研究方向主要是在应用上的可靠性,生产上的重复性、稳定性以及成本的逐步下降.新材料和传统无机材料相比,一个重要的变化是从劳动密集型向技术密集型并继续向知识密集型的新兴工业过渡.今后,多学科交叉的各种复合材料将越来越占据材料工业的主导地位.[1]刘建群.陶瓷工业热工设备[M].武汉:武汉工业大学出版社,1998.[2]曹文聪,杨树森.普通硅酸盐工艺学[M].武汉:武汉工业大学出版社,1996.[3]刘康时.陶瓷工艺原理[M].广州:华南理工大学出版社,1994.[4]周亚栋.无机材料物理化学[M].武汉:武汉工业大学出版社,1994.[5］AntsiferovVV.TechnicalPhysics,2000,45(8):1085-1087.[6］王步国，仲维卓，施尔畏，等.ZnO晶体的极性生长与双晶的形成机理[J].人工晶体学报，1997，26：102-107.