對無機非金屬材料的認識與思考

1、<p><b>　　張宏格論文.doc</b></p><p>　　山西輕工職業(yè)技術學院</p><p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　對無機非金屬材料的認識與思考</p><p>　　教 學 系： 輕工工程系 </p>&

2、lt;p>　　班 級； 材料工程1031 </p><p>　　姓 名： 張宏格 </p><p>　　指導老師： 馬建杰 </p><p>　　山西輕工職業(yè)技術學院</p><p>　　二零一三年四月二十二日<

3、/p><p>　　對無機非金屬材料的認識與思考</p><p>　　摘 要：隨著社會科學技術的進步,能源是制約經(jīng)濟快速發(fā)展的重要條件。而新材料是發(fā)展高新技術的基石，復合材料及無機非金屬材料科學的新興領域等方面，新型無機非金屬材料將在未來科技發(fā)展中發(fā)揮更大的作用，應予以高度重視，而用新材料技術改造傳統(tǒng)無機非金屬材料行業(yè)，能促進材料行業(yè)的整體飛躍。本文闡述了新型無機非金屬材料的研究開發(fā)現(xiàn)狀，并對

4、其未來發(fā)展動向進行了展望。</p><p>　　關鍵詞：新型材料 新型無機非金屬材料 分類 功能陶瓷材料 現(xiàn)狀 展望 </p><p><b>　　正 文</b></p><p>　　一、無機非金屬材料的分類和地位</p><p>　　材料一般分為無機材料和有機材料，無機材料中除金屬以外的材料都是無機非金屬材料。最早，

5、無機非金屬材料只包含傳統(tǒng)的陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料，隨著科學和技術的發(fā)展，又將半導體、先進結構陶瓷、功能陶瓷、新型功能玻璃、人工晶體、非晶態(tài)材料、碳素材料等都納入到無機非金屬材料領域中。</p><p>　　無機非金屬材料品種繁多，新材料層出不窮，在國民經(jīng)濟和國防建設中的應用極其廣泛。由于無機非金屬材料學科具有多學科交叉的時代特征，其發(fā)展蓬蓬勃勃，新的生長點不斷涌現(xiàn)。</p><p>　

6、　作為四大材料中(鋼鐵、有色、有機和無機非金屬材料)工業(yè)之一的無機非金屬材料工業(yè)在我國經(jīng)濟建設中起著重要的作用。近年來，無機非金屬材料不僅在品種上有了空前的發(fā)展，而且在內涵上有了進一步的延伸。傳統(tǒng)的無機非金屬材料材料品種繁多，主要是指大宗無機建筑材料，包括水泥、玻璃、陶瓷與建筑（墻體）材料等。其產(chǎn)量占無機非金屬材料的絕大多數(shù)。建筑材料與人們的生活質量息息相關。</p><p>　　新型無機非金屬材料是指具有如高強

7、、輕質、耐磨、抗腐、耐高溫、抗氧化以及特殊的電、光、聲、磁等一系列優(yōu)異綜合性能的新型材料，是其它材料難以替代的功能材料和結構材料。無機非金屬新材料具有獨特的性能，是高技術產(chǎn)業(yè)不可缺少的關鍵材料。例如稀土摻雜石英玻璃廣泛應用于導彈、衛(wèi)星及坦克火控武器等激光測距系統(tǒng)，耐輻照石英玻璃應用于各種衛(wèi)星及宇宙飛船的姿控系統(tǒng)；光學纖維面板和微通道板作為像增強器和微光夜視元件在全天候兵器中得到應用；航空玻璃為中國各類軍用飛機提供了關鍵部件。人工晶體材料

8、中激光、非線性光學和紅外等晶體，用于彈道制導、電子對抗、潛艇通訊、激光武器等。特種陶瓷中，耐高溫、高韌性陶瓷可用于航空、航天發(fā)動機、衛(wèi)星遙感，可制作特殊性能的防彈裝甲陶瓷及特種纖維及用于電子對抗等。目前已開發(fā)了近四千種高性能、多功能無機非金屬新材料新品種。這些高性能材料在發(fā)展現(xiàn)代武器裝備中起到十分重要的作用。</p><p>　　二、無機非金屬材料的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　雖然我國無

9、機非金屬新材料取得了很多成就，但由于我國無機非金屬材料研制、開發(fā)至產(chǎn)業(yè)的形成起步較晚，底子薄，投入強度小等原因，使之與發(fā)達國家相比，仍有較大差距。</p><p>　　1.基礎研究和關鍵技術落后 </p><p>　　我國的無機非金屬新材料是從試制起步的，發(fā)展過程也主要是隨從于型號的需要進行。由于時間、人力的限制，加之我國長期以來對基礎研究重視不夠，投入較少，無機非金屬材料的系統(tǒng)的基礎非常

10、薄弱。 </p><p>　　2.材料性能低、品種少、批生產(chǎn)質量不穩(wěn)定 </p><p>　　雖然我國已基本上建立了無機非金屬材料的研究、開發(fā)與部分產(chǎn)品的生產(chǎn)體系，但材料的品種尚不齊全，一些重要工程的關鍵配套材料還須進口。性能低、質量差的問題仍然存在，而且在進行批量生產(chǎn)時質量不穩(wěn)定、成品率低、效益差的問題嚴重，必須下大力氣解決。例如，電磁屏蔽玻璃目前我國只能達到屏蔽85dB的水平，而美國已

11、達到110dB。我們在屏蔽波段范圍等方面遠遠不能滿足國防工業(yè)發(fā)展的需要。而航空玻璃方面高強、多功能(隱身、防激光等)圓弧整體風擋在我國還剛起步研究，極大的制約了我國航空工業(yè)的發(fā)展。 </p><p>　　3 .制備技術落后 </p><p>　　無機非金屬新材料工業(yè)，不但制備技術落后，而且生產(chǎn)能力低，效率低，直接影響高科技產(chǎn)品質量(性能)、成本、能耗等三個方面。例如，國外工業(yè)發(fā)達國家玻璃纖

12、維生產(chǎn)大都采用800-6000孔漏板池窯拉絲法生產(chǎn)，已占總量95％以上，無紡材料全部用池窯法生產(chǎn)，坩堝拉絲法早已被淘汰，而我國現(xiàn)有的池窯拉絲大部分采用800-2000孔生產(chǎn)技術，4000孔技術正在開發(fā)，坩堝拉絲還沒有完全淘汰，與國外相比還有較大的差距。我國纖維增強復合材料機械化生產(chǎn)只占40％，60％仍采用落后的手工成型，與工業(yè)發(fā)達國家差距甚大。又如集成電路(IC)石英擴散管的制備技術，國內采用的單機間歇氣煉生產(chǎn)技術只能提供100mm以下

13、IC 管，而國外采用一步法連熔拉管技術，生產(chǎn)∮200~300mm大口徑石英管供大規(guī)模集成電路用，使我國IC用石英擴散管失去競爭能力，完全依賴進口。 </p><p><b>　　4.技術裝備落后 </b></p><p>　　目前我國無機非金屬新材料制備技術與裝備明顯落后，造成研制周期長、新產(chǎn)品發(fā)展困難，預研成果不能及時進入工程化研究，即便生產(chǎn)也會出現(xiàn)成品率低、規(guī)模小

14、，經(jīng)濟效率差等問題。</p><p>　　三、無機非金屬的發(fā)展動態(tài)</p><p><b>　　1 ,低維化發(fā)展</b></p><p>　　低維化發(fā)展主要表現(xiàn)在宏觀上和微觀上兩個方面。宏觀上的低維化是從體材料向薄膜材料和纖維材料的發(fā)展。例如現(xiàn)代信息功能器件如微電子和光電子等都是由集成化, 在這期間主要應用的就是薄膜材料。薄膜材料的特殊作用更加

15、體現(xiàn)在結構材料也用薄膜來改性,是結構材料增強、增韌耐磨等效果。而作為結構復合材料主體的纖維也同樣起著尤為重要的作用, 如光通信中光信號的放大、調制、選模等都是通過纖維來完成,最終形成纖維光路和光網(wǎng)。而從微觀上看低維化, 即無機非金屬材料的織構與結構上的尺寸如毫米、微米趨向納米。目前人們更加關注的是納米尺度上的超晶格薄膜、納米線到納米點材料的結構中, 在以后的發(fā)展中更是以納米器件為中心來研究納米材料的合成、組裝等性能進行調控。</p

16、><p><b>　　2 ,復合化發(fā)展</b></p><p>　　作為無機非金屬材料與金屬材料和有機高分子材料的復合化發(fā)展趨勢。復合化的最終是以應用為目標, 如無機非金屬材料已廣泛應用在鋼筋混凝土、玻璃鋼等方面其中主要就是用有機高分子與無機玻璃纖維來組成, 這種結構材料為主的復合材料, 這也是復合材料具有單一材料所無法滿足的是使用功能,更是建筑材料發(fā)展趨勢。</p

17、><p><b>　　3, 智能化發(fā)展</b></p><p>　　作為材料的只能花是人們關注的焦點,材料的智能化即是材料性能的多元化,等接受外部環(huán)境變化的信息, 并能實時進行反饋。智能化功能材料大部分為多片壓電和鐵電陶瓷的復試結構, 目前應用領域較廣的建筑智能化,提高建筑材料的安全性智能等方面。</p><p>　　4, 節(jié)能、降耗的發(fā)展<

18、/p><p>　　由于傳統(tǒng)無機非金屬材料產(chǎn)業(yè)是一個相對能耗高、環(huán)境污染嚴重的領域。隨著可持續(xù)發(fā)展觀的提出, 要全面、協(xié)調、可持續(xù)發(fā)展的理念, 就必須改變這種落后的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式和經(jīng)營理念,進行科研研發(fā),探索出低能耗、少污染的新的合成工藝,提高產(chǎn)品性能和節(jié)耗的技術途徑, 改變生產(chǎn)結構和合理的利用方法。如汽車和柴油機尾氣三效催化劑或者是載體材料以解決汽車和柴油機的尾氣處理方案。特別是建材行業(yè)是環(huán)境材料的一個重要領域,尤其在

19、我國具有特別重要的意義。我國目前的建筑材料工業(yè)每年毀田6～10萬畝,耗土石50億t、標準煤2億t。排放二氧化碳61591億t,占全國總排放量的35%～40%。因此,我國急需發(fā)展節(jié)省資源和能源及環(huán)保型生態(tài)建材;有益于健康及凈化功能的生態(tài)建材;拓展生存空間和增加可利用資源的生態(tài)建材。</p><p>　　四．無機非金屬材料的應用</p><p><b>　　1、 水泥的應用</

20、b></p><p>　　在修復骨缺損的同時，保持局部組織中有效 的藥物濃度是確保組織正常修復的必要條件。因此，尋找一種既可填充骨缺損又能將藥物載入其 中，使之在局部緩慢釋放藥物的生物材料是許多科研和臨床工作者追求的目標。研究表明，多種骨修復材料可以充當藥物緩釋載體，如聚甲基丙 烯酸甲酯、陶瓷型磷酸鈣類人工骨和可吸收有機高分子材料等。磷 酸鈣骨水泥又稱羥基磷灰石骨水 泥，是1985年研制成功的自固化非陶瓷

21、型羥基磷灰石類人工骨材料，在修復骨缺損方面具有明顯的優(yōu)越性， 是一種較理想的新型骨骼修復材料。CPC 克服了陶瓷型羥基磷灰石難以修整、不易降解等缺點，具有良好的生物相容性、優(yōu)良的生物活性，可降解性，自固化能力以及易塑性和骨傳導能力 j 。以CP C為載體的藥物緩釋體系材料的發(fā)展趨勢。</p><p>　　材料科學技術是兼具基礎性和先導性的學科。該學科的交叉性很強，從傳統(tǒng)意義上看，它交叉了物理、化學、數(shù)學和工程等幾

22、個大的學科，近年來的發(fā)展使該學科又交叉了生物、力學、醫(yī)學等一大批學科；該學科的技術性也很強，因為它交叉了冶金、化工、機械、信息、電子、激光等一大批工程技system，DDS)是一種新型的給藥方式，植入生物體內骨骼后載體所負載的藥物能持續(xù)、穩(wěn)定、高效地緩慢釋放，達到修復骨缺損和藥物治療的雙重目的，從而配合全身治療以達到良好的效果。CPC藥物緩釋體系在骨髓炎、骨結核、骨腫瘤、骨折、骨不連和人工關節(jié)置換等領域有 廣闊的應用前景，有望成為骨骼系

23、統(tǒng)理想的藥物緩釋載體。（磷酸鈣骨水泥藥物緩釋體系的研究應用）</p><p><b>　　2、玻璃的應用</b></p><p>　　目前．在整彤外科、牙科及上須骨整形等臨床方面．對于骨移植物的需求正 日趨增加，傳統(tǒng)的髂峙部采骨用作骨移植物的手術操作存在著許多問題，如殘留的髂峙處的人為骨折和行走時的疼痛、不適及局部觸痛都是潛在的并發(fā)癥，更不用說其有限的骨的可利用性。同

24、種異體骨，人源的凍千骨必須經(jīng)過加工處理以降低其抗原性 。減少其傳播疾病的潛能，但同時亦可能減少其骨再生所必瘦的成骨蛋白數(shù)量。異種骨、球干小牛骨都是廉價的可選擇移植物，但是其處理過程的不同又決定了它的不穩(wěn)定性。正如同種異體骨那樣可能降低其成骨能力。因而臨床上強烈需要發(fā)展一種廉價的可臺成的骨移植材料，以單獨的或與有限的津移植共同用于機體自然的愈合過程。 </p><p>　　PerloGlas與自體骨混合用于截骨術

25、中的植骨，手術后5個月x線片顯示移植區(qū)有明顯骨形成征象。通過 2 5年的術后隨 訪表明成骨區(qū)的密度逐漸濃聚， 手術區(qū)域的臨床測量選擇在 </p><p>　　移植木后的6個月、 1 年、 2 年， 結果表明缺陷區(qū)的范圍明顯縮小，在每一個手術移植 的病例中，缺損都大大的減小了，并且填充有一種堅硬的、 血管化的、 類似于骨的組織（生物玻璃的研究進展和臨床應用）。 </p><p><b&

26、gt;　　3、陶瓷的應用</b></p><p>　　五、無機非金屬行業(yè)的現(xiàn)存問題</p><p><b>　　1、產(chǎn)品等級低 </b></p><p>　　在傳統(tǒng)無機非金屬材料中，無論是水泥、玻璃還是陶瓷的產(chǎn)品等級普遍偏低。例如：發(fā)達國家的水泥熟料強度一般都在70MPa以上，而我國平均強度僅為50 MPa。我國高等級水泥（ISO≥

27、42.5）僅占18%，大量生產(chǎn)的是中、低等級水泥（ISO≤32.5），而很多發(fā)達國家的高等級水泥占90％以上。 </p><p><b>　　2、資源消耗高 </b></p><p>　　在資源的消耗方面，水泥和陶瓷工業(yè)更為突出。由于大量的無序開采，未能充分利用有限資源，造成了極大浪費。例如：生產(chǎn)水泥熟料的主要原料是相對優(yōu)質的石灰石，其化學成份須滿足CaO含量不低于4

28、5%、MgO不高于3%等要求。我國符合水泥生產(chǎn)要求，可以使用的量僅約250億噸。目前每年生產(chǎn)水泥消耗的優(yōu)質石灰石約5.5億噸，因此該儲量僅可生產(chǎn)水泥熟料約200億噸，僅能提供約40年的水泥生產(chǎn)需要。 </p><p><b>　　3、能源消耗高 </b></p><p>　　在建筑材料的生產(chǎn)過程中，要消耗大量的能源。例如：水泥工業(yè)每年消耗標煤9106萬噸，電力 650

29、億度。我國水泥生產(chǎn)能耗遠高于世界先進水平，以每噸熟料的綜合能耗計算，世界先進水平為117Kg標煤，我國為173.5Kg標煤，高出達50%以上。在國外，全氧燃燒技術已經(jīng)在玻璃行業(yè)中得到了較為廣泛的應用，而僅有為數(shù)不多玻璃纖維生產(chǎn)線使用了該項技術。 </p><p><b>　　4、環(huán)境污染嚴重 </b></p><p>　　水泥工業(yè)每年排放溫室氣體CO2約5.55億噸、

30、SO2 68.6萬噸、NOx約206萬噸；目前其他先進國家平均噸熟料的粉塵排放<1Kg，而我國高達13Kg，全國水泥生產(chǎn)年排放的粉塵竟高達1000萬噸以上。 </p><p>　　5、單線生產(chǎn)規(guī)模小，落后工藝大量存在 </p><p>　　以懸浮預熱和預分解技術為核心技術的“新型干法”工藝，是目前世界水泥工業(yè)普遍采用的最先進的現(xiàn)代化水泥生產(chǎn)技術。日本有96%、意大利96.5%、韓國1

31、00%、泰國90%的水泥產(chǎn)量采用這種新型干法生產(chǎn)線，而我國僅為15％。我國水泥制造業(yè)處于先進工藝與落后工藝并存的復雜狀態(tài)。在玻璃行業(yè)，我國浮法玻璃生產(chǎn)線的平均生產(chǎn)規(guī)模為450噸/天，而西方國家的法玻璃生產(chǎn)線的平均生產(chǎn)規(guī)模為550噸/天。而且在玻璃產(chǎn)品的品質上與國外相比有非常的差距。 </p><p>　　六、無機非金屬材料發(fā)展的建議</p><p>　　針對我國無機非金屬材料工業(yè)的現(xiàn)狀，要

32、實現(xiàn)其快速、健康、穩(wěn)定的發(fā)展，就必須開展以下幾個方面的工作。 </p><p>　　(1) 加強政府在建材工業(yè)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結構調整中的政策引導； </p><p>　　(2) 加強資源綜合利用和環(huán)境保護的立法并嚴肅執(zhí)法； </p><p>　　(3) 促進形成若干個有國際競爭力的大型建材工業(yè)集團，建立以企業(yè)為主體的新型建材工業(yè)科技創(chuàng)新體系，促進產(chǎn)、學、研結合； <

33、;/p><p>　　(4) 加強“綠色”和節(jié)能型建材工業(yè)的應用基礎研究，加強建材工業(yè)實驗基地建設，促進工程技術創(chuàng)新； </p><p>　　(5) 強化行業(yè)管理，建立科學、先進、合理的標準體系，建立產(chǎn)品質量認證制度，發(fā)揮行業(yè)協(xié)會、學會和各類中介機構的作用； </p><p>　　(6) 應盡快制定適應我國市場經(jīng)濟發(fā)展和科研體制和政府體制改革的科學、有力的政策措施和管理體

34、系，加大投資力度和項目審計，以保證無機非金屬新材料研究、開發(fā)和生產(chǎn)的健康發(fā)展; </p><p>　　(7) 應根據(jù)需求牽引和科技推進的原則，并結合無機非金屬材料科學體系特點，統(tǒng)籌兼顧、協(xié)調發(fā)展，合理安排中長期科研項目。應重視和加強基礎研究，充分注意相關領域科技前沿，提高我國無機非金屬新材料的科技水平和開發(fā)能力; </p><p>　　(8) 為適應無機非金屬材料的飛速發(fā)展，必須加快人才的

35、培養(yǎng)，不斷革新無機非金屬材料教育的課程設置和教材，盡快反映本領域和相關領域不斷增加的新知識。應重視以基本的物理、化學原理為基礎，加強原始創(chuàng)新，研究探索有應用前景的未知新材料、研究新材料的合成、制備，特別是用基礎分析和計算機建模、微觀尺度結構控制、仿生等方法，發(fā)展具有創(chuàng)新意義的高性能低成本無機非金屬新材料。應加強新設備、包括重大儀器的研究和裝備，沒有先進的儀器、裝備就不可能在材料的科技前沿進行研究開發(fā)工作。</p><

36、p>　　7對無機非金屬材料未來的展望</p><p>　　新材料是發(fā)展高新技術的物質基礎,新材料及與其直接相關的研究領域,如信息存儲材料、微電子材料、生物材料、納米材料、超導材料及高溫電子學等,在當今高新技術領域及未來技術中均占有重要地位。因此世界各國都給予高度重視,很多國家把新材料的研究與開發(fā)列為關鍵技術。而在新材料中,新型無機非金屬材料又是特別活躍的領域,在整個新材料中占據(jù)主要地位。它對我國的、對世界各

37、國來說都是一個新型的產(chǎn)業(yè), 更應抓住這個機遇去研發(fā)、去運用到更行各業(yè)中,提高國家的更項水平,當然困難也是與此存在的,所以要克服困難, 迎難而進, 創(chuàng)造出新的佳績。</p><p><b>　　七、結論</b></p><p>　　無機非金屬材料品種和名目極其繁多,用途各異。傳統(tǒng)的無機非金屬材料是工業(yè)和基本建設所必需的基礎材料。新型無機非金屬材料是20世紀中期以后發(fā)展起

38、來的,具有特殊性能和用途的材料。它們是現(xiàn)代新技術、新產(chǎn)業(yè)、傳統(tǒng)工業(yè)技術改造、現(xiàn)代國防和生物醫(yī)學所不可缺少的物質基礎。主要有先進陶瓷、非晶態(tài)材料、人工晶體、無機涂層、無機纖維等。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1、王培銘主編.無機非金屬材料學.同濟大學版社，1999</p><p>　　2、李世普主著.特種陶瓷

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