無機非金屬材料

二氧化硅氣凝膠、水泥、 玻璃、 陶瓷

在晶體結構上,無機非金屬的晶體結構遠比金屬複雜。具有比金屬鍵和純共價鍵更強的離子鍵和混合鍵。這種化學鍵所特有的高鍵能、高鍵強賦予這一大類材料以高熔點、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強度和良好的抗氧化性等基本屬性,以及寬廣的導電性、隔熱性、透光性及良好的鐵電性、鐵磁性和壓電性。

硅酸鹽材料是無機非金屬材料的主要分支之一，硅酸鹽材料是陶瓷的主要組成物質。

無機非金屬材料品種和名目極其繁多，用途各異，因此，還沒有一個統一而完善的分類方法。通常把它們分為普通的（傳統的）和先進的（新型的）無機非金屬材料兩大類。傳統的無機非金屬材料是工業和基本建設所必需的基礎材料。如水泥是一種重要的建築材料；耐火材料與高温技術，尤其與鋼鐵工業的發展關係密切；各種規格的平板玻璃、儀器玻璃和普通的光學玻璃以及日用陶瓷、衞生陶瓷、建築陶瓷、化工陶瓷和電瓷等與人們的生產、生活息息相關，它們產量大、用途廣。其他產品如搪瓷、磨料（碳化硅、氧化鋁）、鑄石（輝綠岩、玄武岩等）、碳素材料、非金屬礦（石棉、雲母、大理石等）也都屬於傳統的無機非金屬材料。新型無機非金屬材料是20世紀中期以後發展起來的，具有特殊性能和用途的材料。它們是現代新技術、新產業、傳統工業技術改造、現代國防和生物醫學所不可缺少的物質基礎。主要有先進陶瓷、非晶態材料、人工晶體、無機塗層、無機纖維等。 ^[1] 

傳統無機非金屬材料：

1、水泥和其他膠凝材料：硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、石灰、石膏等；

2、陶瓷：粘土質、長石質、滑石質和骨灰質陶瓷等；

3、耐火材料：硅質、硅酸鋁質、高鋁質、鎂質、鉻鎂質等，玻璃硅酸鹽 ；

4、搪瓷：鋼片、鑄鐵、鋁和銅胎等；

5、鑄石：輝綠岩、玄武岩、鑄石等；

6、研磨材料：氧化硅、氧化鋁、碳化硅等；

7、多孔材料：硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸鹽和硅酸鋁等 ；

8、碳素材料：石墨、焦炭和各種碳素製品等；

9、非金屬礦：粘土、石棉、石膏、雲母、大理石、水晶和金剛石等； ^[2] 

1、保温材料：

氣凝膠氈

2、絕緣材料：

（1）氧化鋁、氧化鈹、滑石、鎂橄欖石質陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等；

（2）鐵電和壓電材料：鈦酸鋇系、鋯鈦酸鉛系材料等；

3、磁性材料：

（1）錳—鋅、鎳—鋅、錳—鎂、鋰—錳等鐵氧體、磁記錄和磁泡材料等；

（2）導體陶瓷、鈉、鋰、氧離子的快離子導體和碳化硅等；

（3）半導體陶瓷、鈦酸鋇、氧化鋅、氧化錫、氧化釩、氧化鋯等過濾金屬元素氧化物系材料等。 ^[3] 

4、光學材料：

釔鋁石榴石激光材料，氧化鋁、氧化釔透明材料和石英系或多組分玻璃的光導纖維等。 ^[4] 

5、高温結構陶瓷：

（1）高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等難熔化合物超硬材料：碳化鈦、人造金剛石和立方氮化硼等；

（2）人工晶體：鋁酸鋰、鉭酸鋰、砷化鎵、氟金雲母等。

6、生物陶瓷：

長石質齒材、氧化鋁、磷酸鹽骨材和酶的載體材料等。

7、無機複合材料：

陶瓷基、金屬基、碳素基的複合材料。

傳統無機非金屬材料和新型無機非金屬材料的比較：傳統無機非金屬材料具有性質穩定，抗腐蝕耐高温等優點，但質脆，經不起熱衝擊。新型無機非金屬材料除具有傳統無機非金屬材料的優點外，還有某些特徵如：強度高、具有電學、光學特性和生物功能等。

其中，瓷是粉體的緻密燒結體，較之較早的陶，其氣孔率明顯降低，緻密度升高。

陶瓷在我國有悠久的歷史，是中華民族古老文明的象徵。從西安地區出土的秦始皇陵中大批陶兵馬俑，氣勢宏偉，形象逼真，被認為是世界文化奇蹟，人類的文明寶庫。唐代的唐三彩、明清景德鎮的瓷器均久負盛名。

傳統陶瓷材料的主要成分是硅酸鹽，自然界存在大量天然的硅酸鹽，如岩石、土壤等，還有許多礦物如雲母、滑石、石棉、高嶺石等，它們都屬於天然的硅酸鹽。此外，人們為了滿足生產和生活的需要，生產了大量人造硅酸鹽，主要有玻璃、水泥、各種陶瓷、磚瓦、耐火磚、水玻璃以及某些分子篩等。硅酸鹽製品性質穩定，熔點較高，難溶於水，有很廣泛的用途。

硅酸鹽製品一般都是以黏土（高嶺土）、石英和長石為原料經高温燒結而成。黏土的化學組成為Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O，石英為SiO₂，長石為K₂O·Al₂O₃·6SiO₂（鉀長石）或Na₂O·Al₂O₃·6SiO₂（鈉長石）。這些原料中都含有SiO₂，因此在硅酸鹽晶體結構中，硅與氧的結合是最重要也是最基本的。

硅酸鹽材料是一種多相結構物質，其中含有晶態部分和非晶態部分，但以晶態為主。硅酸鹽晶體中硅氧四面體 [SiO₄] 是硅酸鹽結構的基本單元。在硅氧四面體中，硅原子以sp³雜化軌道與氧原子成鍵，Si—O鍵鍵長為162 pm，比起Si和O的離子半徑之和有所縮短，故Si—O鍵的結合是比較強的。

精細陶瓷的化學組成已遠遠超出了傳統硅酸鹽的範圍。例如，透明的氧化鋁陶瓷、耐高温的二氧化鋯（ZrO₂）陶瓷、高熔點的氮化硅（Si₃N₄）和碳化硅（SiC）陶瓷等，它們都是無機非金屬材料，是傳統陶瓷材料的發展。精細陶瓷是適應社會經濟和科學技術發展而發展起來的，信息科學、能源技術、宇航技術、生物工程、超導技術、海洋技術等現代科學技術需要大量特殊性能的新材料，促使人們研製精細陶瓷，並在超硬陶瓷、高温結構陶瓷、電子陶瓷、磁性陶瓷、光學陶瓷、超導陶瓷和生物陶瓷等方面取得了很好的進展，下面選擇一些實例做簡要的介紹。

高温結構陶瓷汽車發動機一般用鑄鐵鑄造，耐熱性能有一定限度。由於需要用冷卻水冷卻，熱能散失嚴重，熱效率只有30%左右。如果用高温結構陶瓷製造陶瓷發動機，發動機的工作温度能穩定在1300 ℃左右，由於燃料充分燃燒而又不需要水冷系統，使熱效率大幅度提高。用陶瓷材料做發動機，還可減輕汽車的質量，這對航天航空事業更具吸引力，用高温陶瓷取代高温合金來製造飛機上的渦輪發動機效果會更好。

已有多個國家的大的汽車公司試製無冷卻式陶瓷發動機汽車。我國也在1990年裝配了一輛並完成了試車。陶瓷發動機的材料選用氮化硅，它的機械強度高、硬度高、熱膨脹係數低、導熱性好、化學穩定性高，是很好的高温陶瓷材料。氮化硅可用多種方法合成，工業上普遍採用高純硅與純氮在1300℃反應後獲得：

3Si+2N₂→Si₃N₄（1300 ℃）

高温結構陶瓷除了氮化硅外，還有碳化硅（SiC）、二氧化鋯（ZrO₂）、氧化鋁等。

透明陶瓷一般陶瓷是不透明的，但光學陶瓷像玻璃一樣透明，故稱透明陶瓷。一般陶瓷不透明的原因是其內部存在有雜質和氣孔，前者能吸收光，後者使光產生散射，所以就不透明瞭。因此如果選用高純原料，並通過工藝手段排除氣孔就可能獲得透明陶瓷。早期就是採用這樣的辦法得到透明的氧化鋁陶瓷，後來陸續研究出如燒結白剛玉、氧化鎂、氧化鈹、氧化釔、氧化釔-二氧化鋯等多種氧化物系列透明陶瓷。又研製出非氧化物透明陶瓷，如砷化鎵（GaAs）、硫化鋅（ZnS）、硒化鋅（ZnSe）、氟化鎂（MgF₂）、氟化鈣（CaF₂）等。這些透明陶瓷不僅有優異的光學性能，而且耐高温，一般它們的熔點都在2000℃以上。如氧化釷-氧化釔透明陶瓷的熔點高達3100℃，比普通硼酸鹽玻璃高1500℃。透明陶瓷的重要用途是製造高壓鈉燈，它的發光效率比高壓汞燈提高一倍，使用壽命達2萬小時，是使用壽命最長的高效電光源。高壓鈉燈的工作温度高達1200℃，壓力大、腐蝕性強，選用氧化鋁透明陶瓷為材料成功地製造出高壓鈉燈。透明陶瓷的透明度、強度、硬度都高於普通玻璃，它們耐磨損、耐劃傷，用透明陶瓷可以製造防彈汽車的窗、坦克的觀察窗、轟炸機的轟炸瞄準器和高級防護眼鏡等。

生物陶瓷人體器官和組織由於種種原因需要修復或再造時，選用的材料要求生物相容性好，對肌體無免疫排異反應；血液相容性好，無溶血、凝血反應；不會引起代謝作用異常現象；對人體無毒，不會致癌。已發展起來的生物合金、生物高分子和生物陶瓷基本上能滿足這些要求。利用這些材料製造了許多人工器官，在臨牀上得到廣泛的應用。但是這類人工器官一旦植入體內，要經受體內複雜的生理環境的長期考驗。例如，不鏽鋼在常温下是非常穩定的材料，但把它做成人工關節植入體內，三五年後便會出現腐蝕斑，並且還會有微量金屬離子析出，這是生物合金的缺點。有機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，耐腐蝕，更適合植入體內。

氧化鋁陶瓷做成的假牙與天然齒十分接近，它還可以做人工關節用於很多部位，如膝關節、肘關節、肩關節、指關節、髖關節等。ZrO₂陶瓷的強度、斷裂韌性和耐磨性比氧化鋁陶瓷好，也可用以製造牙根、骨和股關節等。羥基磷灰石〔Ca₁₀(PO₄)6(OH)2〕是骨組織的主要成分，人工合成的與骨的生物相容性非常好，可用於頜骨、耳聽骨修復和人工牙種植等。發現用熔融法制得的生物玻璃，如CaO-Na2O-SiO2-P2O5，具有與骨骼鍵合的能力。

陶瓷材料最大的弱點是性脆，韌性不足，這就嚴重影響了它作為人工人體器官的推廣應用。陶瓷材料要在生物工程中佔有地位，必須考慮解決其脆性問題。

從陶瓷材料發展的歷史來看，經歷了三次飛躍。由陶器進入瓷器這是第一次飛躍；由傳統陶瓷發展到精細陶瓷是第二次飛躍，在這個期間，不論是原材料，還是製備工藝、產品性能和應用等許多方面都有長足的進展和提高，然而對於陶瓷材料的致命弱點──脆性問題沒有得到根本的解決。精細陶瓷粉體的顆粒較大，屬微米級（10^-6m），有人用新的製備方法把陶瓷粉體的顆粒加工到納米級（10^-9m），用這種超細微粉體粒子來製造陶瓷材料，得到新一代納米陶瓷，這是陶瓷材料的第三次飛躍。納米陶瓷具有延性，有的甚至出現超塑性。如室温下合成的TiO₂陶瓷，它可以彎曲，其塑性變形高達100%，韌性極好。因此人們寄希望於發展納米技術去解決陶瓷材料的脆性問題。納米陶瓷被稱為21世紀陶瓷。

舊石器時代人們用來製作工具的天然石材是最早的無機非金屬材料。在公元前6000～前5000年中國發明瞭原始陶器。中國商代（約公元前17世紀初～約前11世紀）有了原始瓷器，並出現了上釉陶器。以後為了滿足宮廷觀賞及民間日用、建築的需要，陶瓷的生產技術不斷髮展。公元200年（東漢時期）的青瓷是迄今發現的最早瓷器。陶器的出現促進了人類進入金屬時代，中國夏代（約公元前22世紀末至約前21世紀初～約前17世紀初）鍊銅用的陶質煉鍋，是最早的耐火材料。鐵的熔鍊温度遠高於銅，故鐵器時代的耐火材料相應地也有很大發展。18世紀以後鋼鐵工業的興起，促進耐火材料向多品種、耐高温、耐腐 蝕方向發展。公元前3700年，埃及就開始有簡單的玻璃珠作裝 飾品。

公元前1000年前，中國也有了白色穿孔的玻璃珠。公元初期羅馬已能生產多種形式的玻璃製品。1000～1200年間玻璃製造技術趨於成熟，意大利的威尼斯成為玻璃工業中心。1600年後玻璃工業已遍及世界各地區。公元前3000～前2000年已使用石灰和石膏等氣硬性膠凝材料。隨着建築業的發展，膠凝材料也獲得相應的發展。公元初期有了水硬性石灰，火山灰膠凝材料，1700年以後製成水硬性石灰和羅馬水泥。1824年英國J.阿斯普丁發明波特蘭水泥。上述陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均為硅酸鹽，屬於典型的硅酸鹽材料。 18世紀工業革命以後，隨着建築、機械、鋼鐵、運輸等工業的興起，無機非金屬 材料有了較快的發展，出現了電瓷、化工陶瓷、金屬陶瓷、平板玻璃、化學儀器玻璃、光學玻璃、平爐和轉爐用的耐火材料以及快硬早強等性能優異的水泥。同時，發展了研磨材料、碳素及石墨製品、鑄石等。

20世紀以來，隨着電子技術、航天、能源、計算機、通信、激光、紅外、光電子學、生物醫學和環境保護等新技術的興起，對材料提出了更高的要求，促進了特種無機非金屬材料的迅速發展。30～40年代出現了高頻絕緣陶瓷、鐵電陶瓷和壓電陶瓷、鐵氧體（又稱磁性瓷）和熱敏電阻陶瓷等。50～60年代開發了碳化硅和氮化硅等高温結構陶瓷、氧化鋁透明陶瓷、β－氧化鋁快離子導體陶瓷、氣敏和濕敏陶瓷等。至今，又出現了變色玻璃、光導纖維、電光效應、電子發射及高温超導等各種新型無機材料。

普通無機非金屬材料的特點是：耐壓強度高、硬度大、耐高温、抗腐蝕。此外，水泥在膠凝性能上，玻璃在光學性能上，陶瓷在耐蝕、介電性能上，耐火材料在防熱隔熱性能上都有其優異的特性，為金屬材料和高分子材料所不及。但與金屬材料相比，它抗斷強度低、缺少延展性，屬於脆性材料。與高分子材料相比，密度較大，製造工藝較複雜。

特種無機非金屬材料的特點是：① 各具特色。例如：高温氧化物等的高温抗氧化特性；氧化鋁、氧化鈹陶瓷的高頻絕緣特性；鐵氧體的磁學性質；光導纖維的光傳輸性質；金剛石、立方氮化硼的超硬性質；導體材料的導電性質；快硬早強水泥的快凝、快硬性質等。② 各種物理效應和微觀現象。例如：光敏材料的光-電、熱敏材料的熱-電、壓電材料的力-電、氣敏材料的氣體-電、濕敏材料的濕度-電等材料對物理和化學參數間的功能轉換特性。③不同性質的材料經複合而構成複合材料。例如：金屬陶瓷、高温無機塗層，以及用無機纖維、晶須等增強的材料。

普通無機非金屬材料的生產是採用天然礦石作原料。經過粉碎、配料、混合等工序，成型（陶瓷、耐火材料等）或不成型（水泥、玻璃等），在高温下煅燒成多晶態（水泥、陶瓷等）或非晶態（玻璃、鑄石等），再經過進一步的加工如粉磨（水泥）、上釉彩飾（陶瓷）、成型後退火（玻璃、鑄石等），得到粉狀或塊狀的製品。

特種無機非金屬材料的原料多采用高純、微細的人工粉料。單晶體材料用焰融、提拉、水溶液、氣相及高壓合成等方法制造。多晶體材料用熱壓鑄、等靜壓、軋膜、流延、噴射或蒸鍍等方法成型後再煅燒，或用熱壓、高温等靜壓等燒結工藝，或用水熱合成、超高壓合成或熔體晶化等方法制造粉狀、塊狀或薄膜狀的製品。非晶態材料用高温熔融、熔體凝固、噴塗、拉絲或噴吹等方法制成塊狀、薄膜或纖維狀的製品。

未來科學技術的發展，對各種無機非金屬材料，尤其是對特種新型材料提出更多更高的要求。材料學科有廣闊的發展前景，複合材料、定向結晶材料、增韌陶瓷以及各種類型的表面處理和塗層的使用，將使材料的效能得到更大發揮。由於對材料科學基礎研究的日益深入，各種精密測試分析技術的發展，將有助於按預定性能設計材料的原子或分子組成及結構形態的早日實現。