第七章硅和硅酸鹽工業 第三節新型無機非金屬材料 一 什么是無機非金屬材料 1 材料 2 材料的幾種分類 3 生活中無機非金屬材料 4 新型無機非金屬材料的特征 二 幾種典型的新型無機非金屬材料 1 結構材料 高溫結構陶瓷 2 功能材料 光導纖維 光纖 展望 金剛石 材料是人類賴以生存和發展的物質基礎 一直是人類進步的一個重要里程碑 例如 歷史上的石器時代 青銅器時代 鐵器時代都是以材料作為時代主要標志的 一種新型材料的研制成功 可以引起人類文化和生活的新的變化 石器 陶瓷 鐵 銅 玻璃 水泥 有機高分子 如塑料等 單晶材料等的發明 為人類進步提供重要的物質基礎 沒有半導體材料 便不可能有目前的計算機技術 沒有耐高溫 高強度的特殊結構材料 便沒有今天的宇航工業 沒有低損耗的光導纖維 也就沒有現代的光通訊 沒有有機高分子材料 人們的生活也不可能像今天這樣豐富多彩 1 按化學組成和特性分 無機非金屬材料 傳統無機非金屬材料 新型無機非金屬材料 金屬材料 高分子材料 塑料 合成橡膠 合成纖維 2 按用途分 結構材料 利用材料的力學和理 化性質 廣泛應用于機械制造 工程建設 交通運輸等各個工業部門 功能材料 利用材料的熱 光 電 磁等性能用于電子 激光 通訊 能源和生物工程等許多高新技術領域 3 生活中的無機非金屬材料 玻璃 水泥 陶瓷 金剛石鉆頭 手表上的 19鉆 人造紅寶石軸承的數目 玻璃刀 石英鐘表 煤氣爐中的電子打火 彩電 熒光材料 海底電纜 光導纖維 電腦的cpu 單晶硅 隱形飛機 特殊光學材料 壓電陶瓷 4 新型無機非金屬材料的特征 1 耐高溫 強度高 2 具有電學性質 3 具有光學性質 4 具有生物功能 1 結構材料 高溫結構陶瓷 1 氧化鋁陶瓷 性能 用途 熔點高 坩堝 高溫爐管 硬度大 剛玉球磨機 透明 耐高溫 高壓鈉燈燈管 備注 鈉蒸氣放電發光問題早在1950年就得以解決 由于沒有一種能抵御高溫鈉蒸氣 1400 強烈腐蝕的特殊材料 所以 直到1965年才制取第一支高壓鈉燈 高溫結構材料與金屬材料的性能比較 耐高溫 耐腐蝕 硬度大 耐磨損 不怕氧化 易受腐蝕 不耐氧化 不適合高溫時使用 高純氧化鋁透明陶瓷管 氧化鋁陶瓷制品 2 氮化硅陶瓷 氮化硅基陶瓷具有密度小 高強 高硬 高韌性 耐磨損 耐腐蝕 抗氧化 抗熱震 自潤滑 隔熱 電絕緣等一系列優良性能 3 氮化硼陶瓷 碳化硼陶瓷 4 人造寶石 請看下頁 制造發動機部位的受熱面 提高柴油機的質量 節省燃料 不用水冷卻 減少熱散失 si3n4基陶瓷球軸承 氧化鋯陶瓷 碳化硅陶瓷 沙漠車 氮化硅陶瓷部件 人造寶石 紅寶石和藍寶石的主要成分都是al2o3 剛玉 紅寶石呈現紅色是由于其中混有少量含鉻化合物 而藍寶石呈藍色則是由于其中混有少量含鈦化合物 1900年 科學家曾用氧化鋁熔融后加入少量氧化鉻的方法 制出了質量為2g 4g的紅寶石 現在 已經能制造出大到10g的紅寶石和藍寶石 紅寶石和藍寶石及人造寶石 3 光導纖維的用途 光纖除了可以用于退通訊外 還用于醫療 信息處理 傳能傳像 遙測遙控 照明等許多方面 2 光纖光纜與普通電纜比較 見下頁 1 是高質量傳導光的玻璃纖維 信息高速公路的 基石 1870年 英國科學家丁達爾做了一個有趣的實驗 讓一股水流從玻璃容器的側壁細口自由流出 以一束細光束沿水平方向從開口處的正對面射入水中 丁達爾發現 細光束不是穿出這股水流射向空氣 而是順從地沿著水流彎彎曲曲地傳播 這是光的全反射造成的結果 2 功能材料 光導纖維 光纖 光導原理 光學纖維胃鏡 現代通信用光纜 用光導纖維做手術 不用開刀 金剛石是目前已知的最硬的材料 可以用來切削和刻劃其他物質 被用于鉆探 磨削等行業 但是 由于天然金剛石非常少 遠遠不能滿足生產和科研的需要 科學家們通過對石墨和金剛石同素異形體結構的研究 指出了在一定條件下使石墨轉化為金剛石的可能性 1955年 美國首先用石墨合成出金剛石 這是材料合成領域的一項重大成就 目前 世界上用石墨合成金剛石的研究發展很快 我國在這方面的研究也在飛速發展 許多城市都建有人造金剛石的工廠和研究所 以滿足生產發展的需要 金剛石 金剛石鉆頭 金剛石鋸片 展望21世紀 材料科學的前景是美好的 1 光電轉換材料 分解水的催化材料和儲氫材料等能源材料將實現高效化 2 集多種功能于一身的復合材料可使我們的生活質量得到進一步改善 如 白色污染 將被消除 3 高溫超導材料進入實用階段 4 智能材料和機敏材料將得到廣泛應用 5 納米材料將在治療癌癥 存儲信息等領域大顯神通 社會需要材料 材料離不開化學 si3n4基陶瓷球軸承 高純氧化鋁透明陶瓷管 現代通信用光纜 光學纖維胃鏡 用光導纖維做手術 不用開刀 人造金剛石鋸片 金剛石鉆頭 金剛