化工小知识分享-无机非金属材料

既不是金属，也不是有机高分子的一大类材料，称为无机非金属材料，也简称为无机材料。它与金属材料，有机高分子材料共同构成三大类材料。玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料，是典型的无机非金属材料。随着科技的发展，现在出现了许许多多新的无机非金属材料，其范围**超出了原来的硅酸盐材料，新型无机材料已成为当前新技术、高技术领域的重要方面之一。

从化学组成看，无机非金属材料包括(1)非金属元素组成的材料，其中有单一非金属元素组成的材料。如碳制成的定向石墨等多种碳素材料，合成金刚石，硅晶体管及其他硅集成电路、电子元器件;也有由两种或两种以上非金属元素化合而得到的性能优良的材料，如硫系化合物就是很好的光电材料。(2)非金属元素与金属元素形成的化合物，如氧化物、氮化物、碳化物等都是很重要的无机材料，如掺铬的氧化铝单晶即红宝石是很好的耐磨材料和激光材料，氧化铝陶瓷是用途广泛的耐高温、耐磨材料。(3)多种盐类和复合盐类所构成的无机材料，如锗酸盐、锆酸盐、磷酸盐、钛酸盐以及上面提到的硅酸盐等。如锗酸铋单晶是性能优良的闪烁晶体，是高能射线的探测材料，锆钛酸铅陶瓷是很重要的压电陶瓷材料。无机材料根据其内部结构的不同，可以分为单晶体、非晶态和多晶态。所谓单晶体就是在其内部，原子或分子呈规则排列的固体物质，而非晶态亦称无定形态，其内部原子或分子近程是有序的，而远程是无序的，通常的玻璃就是非晶态。多晶态是指许多微细晶粒构成的集合态，陶瓷就是多晶态材料。对同一种化学组成来说，晶态不同性能上就有差异。一般多晶或非晶材料比较容易制成，但生长成单晶则较困难，特别是组成复杂的化合物。此外，对于同一化学组成的晶体，也可具有不同的晶体结构，如石英就有鳞石英、方石英等等，由于晶体结构不同，而呈现不同的特性。材料的微观结构影响其性能。从材料的形态来看，除了块状材料外，现在还发展了薄膜、纤维、多孔、泡沫等多种形态的材料，这些材料的性能与块状材料有显著的差别，例如，一种微孔玻璃具有很大的比表面积，每1g玻璃的表面积可达上百平方米，这种特性使它在原子能、医药、照明等工业以及生物、超导等高技术中有着广泛的用途。无机材料和其他材料一样，按其应用也可大致分为两大类：结构材料和功能材料。仅仅利用材料的强度等特性来满足工程结构上需要的材料为结构材料。现代新技术对材料的要求远远超出了结构材料的范围，对材料提出了许多特殊的功能性要求，这往往只能通过电、光、声、磁等等在材料中的交互作用才能达到，具有这些特性的材料称为功能材料。有些材料不仅可作为结构材料，也可作为功能材料，例如，碳纤维与金属、陶瓷等复合做成的复合材料就是一种性能优异的新型结构材料， 可用来制造对压力敏感的传感器。复合材料是由两种或两种以上材料构成的复合体系。

下面是几类重要的无机非金属材料。高技术陶瓷。日本称它为精密陶瓷。在功能陶瓷中， 压电陶瓷可将电能转换成机械能， 或将机械能转换成电能， 用它做成的换能器，传感器已广泛用于超声、水声、电声、引燃、引爆等技术领域。用压电陶瓷做探头的超声波扫描仪已成为一种重要的医疗诊断工具。氧化锌半导性陶瓷制成的避雷器是高压输电工程的关键部件。以铁氧体为代表的磁性陶瓷在永磁、高频软磁、磁记录等方面的应用发展迅速， 在结构陶瓷中， 氮化硅陶瓷已被用来制造机械密封件以及切削工具、轴承、浇注金属用的模具等。碳化硅陶瓷也是制造耐磨部件的好材料， 还可制造热交换器。结构陶瓷最诱人的前景， 是它在热机中的应用，有人估计到本世纪90年代，热机用高温结构陶瓷将逐渐形成一个新兴的产业。

光导纤维。利用光导纤维进行通信的光纤通信标志着现代通信技术的一次革命，美、日等国均已建成了数千公里的光纤通信干线。光导纤维是由超纯石英玻璃通过掺杂后拉成细丝的。低损耗的光纤与原材料的纯度关系极大， 玻璃中的过渡金属离子浓度要低于百万分之一， 个别离子的浓度要低于亿分之一。光纤性能变化不仅与静态疲劳、表面裂纹有关外， 还与光纤中存在的氢有关， 分子氢在光纤中扩散使光纤衰减增加。目前，科学家们还在研究损耗比石英玻璃光纤更低的红外光纤， 以满足远距离通信的需要。

非晶态硅半导体。非晶态硅薄膜半导体是当前半导体研究领域中一个十分活跃的领域。它是以硅烷为原料， 通过直流或高频放电的方法进行分解、掺杂， 在衬底上沉积而成的。非晶态硅对太阳光的吸收系数几乎比单晶硅大一个数量级， 因此用非晶态硅来制作太阳能电池，只需要不到1μm厚的一层薄薄的膜就足够了， 而且不仅用料省， 制造工艺也较简单， 是制造大面积廉价太阳能电池的良好材料。研究表明非晶态硅实际是硅氢合金或硅-氟-氢合金，最近还制成了多层结构的非晶态硅半导体，这是300多层的硅-氮化硅多层结构。非晶态硅材料还具有良好的光电导特性， 机械强度和耐磨性也远比其他非晶态材料高。非晶态硅也可用来制造静电复印鼓、电视摄象管靶面、信息存储器、光探测器等。

快离子导体。快离子导体或称超离子导体、固体电解质， 是当前十分引人注目的材料分支。这类材料虽是固体， 却有与离子溶液相似的导电特性。导电载流子不是电子，而是阳离子、阴离子或离子空位。其离子电导率可高达10-1Ω-1·cm-1，活化能低达0.1～0.2eV。在这类导体的导电过程中伴随着物质迁移。快离子导体在能源技术中有着广泛的应用前途， 例如， 稳定氧化锆等氧离子导体高温燃料电池能高效率地将氢、天然气等的化学能直接转变成电能。快离子导体在高能量密度的蓄电池方面也得到了应用， 如钠硫电池有很多优点， 可望用于电站储能和车辆动力源。此外， 快离子导体还可用于电色显示器件、离子选择性电极、敏感元件以及其他电化学器件等。

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