对无机非金属材料的认识与思考_无机非金属材料的展望
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张宏格论文.doc
山西轻工职业技术学院 毕业论文
对无机非金属材料的认识与思考
教 学 系：
轻工工程系
班
级；
材料工程1031
姓
名：
张宏格
指导老师：
马建杰
山西轻工职业技术学院 二零一三年四月二十二日
对无机非金属材料的认识与思考
摘要：随着社会科学技术的进步,能源是制约经济快速发展的重要条件。而新材料是发展高新技术的基石，复合材料及无机非金属材料科学的新兴领域等方面，新型无机非金属材料将在未来科技发展中发挥更大的作用，应予以高度重视，而用新材料技术改造传统无机非金属材料行业，能促进材料行业的整体飞跃。本文阐述了新型无机非金属材料的研究开发现状，并对其未来发展动向进行了展望。
关键词：新型材料 新型无机非金属材料 分类 功能陶瓷材料 现状 展望
正
文
一、无机非金属材料的分类和地位
材料一般分为无机材料和有机材料，无机材料中除金属以外的材料都是无机非金属材料。最早，无机非金属材料只包含传统的陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料，随着科学和技术的发展，又将半导体、先进结构陶瓷、功能陶瓷、新型功能玻璃、人工晶体、非晶态材料、碳素材料等都纳入到无机非金属材料领域中。
无机非金属材料品种繁多，新材料层出不穷，在国民经济和国防建设中的应用极其广泛。由于无机非金属材料学科具有多学科交叉的时代特征，其发展蓬蓬勃勃，新的生长点不断涌现。
作为四大材料中(钢铁、有色、有机和无机非金属材料)工业之一的无机非金属材料工业在我国经济建设中起着重要的作用。近年来，无机非金属材料不仅在品种上有了空前的发展，而且在内涵上有了进一步的延伸。传统的无机非金属材料材料品种繁多，主要是指大宗无机建筑材料，包括水泥、玻璃、陶瓷与建筑（墙体）材料等。其产量占无机非金属材料的绝大多数。建筑材料与人们的生活质量息息相关。
新型无机非金属材料是指具有如高强、轻质、耐磨、抗腐、耐高温、抗氧化以及特殊的电、光、声、磁等一系列优异综合性能的新型材料，是其它材料难以替代的功能材料和结构材料。无机非金属新材料具有独特的性能，是高技术产业不可缺少的关键材料。例如稀土掺杂石英玻璃广泛应用于导弹、卫星及坦克火控武器等激光测距系统，耐辐照石英玻璃应用于各种卫星及宇宙飞船的姿控系统；光学纤维面板和微通道板作为像增强器和微光夜视元件在全天候兵器中得到应用；航空玻璃为中国各类军用飞机提供了关键部件。人工晶体材料中激光、非线性光学和红外等晶体，用于弹道制导、电子对抗、潜艇通讯、激光武器等。特种陶瓷中，耐高温、高韧性陶瓷可用于航空、航天发动机、卫星遥感，可制作特殊性能的防弹装甲陶瓷及特种纤维及用于电子对抗等。目前已开发了近四千种高性能、多功能无机非金属新材料新品种。这些高性能材料在发展现代武器装备中起到十分重要的作用。
二、无机非金属材料的发展现状
虽然我国无机非金属新材料取得了很多成就，但由于我国无机非金属材料研制、开发至产业的形成起步较晚，底子薄，投入强度小等原因，使之与发达国家相比，仍有较大差距。1.基础研究和关键技术落后
我国的无机非金属新材料是从试制起步的，发展过程也主要是随从于型号的需要进行。由于时间、人力的限制，加之我国长期以来对基础研究重视不够，投入较少，无机非金属材料的系统的基础非常薄弱。
2.材料性能低、品种少、批生产质量不稳定
虽然我国已基本上建立了无机非金属材料的研究、开发与部分产品的生产体系，但材料的品种尚不齐全，一些重要工程的关键配套材料还须进口。性能低、质量差的问题仍然存在，而且在进行批量生产时质量不稳定、成品率低、效益差的问题严重，必须下大力气解决。例如，电磁屏蔽玻璃目前我国只能达到屏蔽85dB的水平，而美国已达到110dB。我们在屏蔽波段范围等方面远远不能满足国防工业发展的需要。而航空玻璃方面高强、多功能(隐身、防激光等)圆弧整体风挡在我国还刚起步研究，极大的制约了我国航空工业的发展。.制备技术落后
无机非金属新材料工业，不但制备技术落后，而且生产能力低，效率低，直接影响高科技产品质量(性能)、成本、能耗等三个方面。例如，国外工业发达国家玻璃纤维生产大都采用800-6000孔漏板池窑拉丝法生产，已占总量95％以上，无纺材料全部用池窑法生产，坩埚拉丝法早已被淘汰，而我国现有的池窑拉丝大部分采用800-2000孔生产技术，4000孔技术正在开发，坩埚拉丝还没有完全淘汰，与国外相比还有较大的差距。我国纤维增强复合材料机械化生产只占40％，60％仍采用落后的手工成型，与工业发达国家差距甚大。又如集成电路(IC)石英扩散管的制备技术，国内采用的单机间歇气炼生产技术只能提供100mm以下IC 管，而国外采用一步法连熔拉管技术，生产∮200~300mm大口径石英管供大规模集成电路用，使我国IC用石英扩散管失去竞争能力，完全依赖进口。
4.技术装备落后
目前我国无机非金属新材料制备技术与装备明显落后，造成研制周期长、新产品发展困难，预研成果不能及时进入工程化研究，即便生产也会出现成品率低、规模小，经济效率差等问题。
三、无机非金属的发展动态,低维化发展
低维化发展主要表现在宏观上和微观上两个方面。宏观上的低维化是从体材料向薄膜材料和纤维材料的发展。例如现代信息功能器件如微电子和光电子等都是由集成化, 在这期间主要应用的就是薄膜材料。薄膜材料的特殊作用更加体现在结构材料也用薄膜来改性,是结构材料增强、增韧耐磨等效果。而作为结构复合材料主体的纤维也同样起着尤为重要的作用, 如光通信中光信号的放大、调制、选模等都是通过纤维来完成,最终形成纤维光路和光网。而从微观上看低维化, 即无机非金属材料的织构与结构上的尺寸如毫米、微米趋向纳米。目前人们更加关注的是纳米尺度上的超晶格薄膜、纳米线到纳米点材料的结构中, 在以后的发展中更是以纳米器件为中心来研究纳米材料的合成、组装等性能进行调控。2 ,复合化发展
作为无机非金属材料与金属材料和有机高分子材料的复合化发展趋势。复合化的最终是以应用为目标, 如无机非金属材料已广泛应用在钢筋混凝土、玻璃钢等方面其中主要就是用有机高分子与无机玻璃纤维来组成, 这种结构材料为主的复合材料, 这也是复合材料具有单一材料所无法满足的是使用功能,更是建筑材料发展趋势。3, 智能化发展
作为材料的只能花是人们关注的焦点,材料的智能化即是材料性能的多元化,等接受外部环境变化的信息, 并能实时进行反馈。智能化功能材料大部分为多片压电和铁电陶瓷的复试结构, 目前应用领域较广的建筑智能化,提高建筑材料的安全性智能等方面。4, 节能、降耗的发展
由于传统无机非金属材料产业是一个相对能耗高、环境污染严重的领域。随着可持续发展观的提出, 要全面、协调、可持续发展的理念, 就必须改变这种落后的传统生产方式和经营理念,进行科研研发,探索出低能耗、少污染的新的合成工艺,提高产品性能和节耗的技术途径, 改变生产结构和合理的利用方法。如汽车和柴油机尾气三效催化剂或者是载体材料以解决汽车和柴油机的尾气处理方案。特别是建材行业是环境材料的一个重要领域,尤其在我国具有特别重要的意义。我国目前的建筑材料工业每年毁田6～10万亩,耗土石50亿t、标准煤2亿t。排放二氧化碳61591亿t,占全国总排放量的35%～40%。因此,我国急需发展节省资源和能源及环保型生态建材;有益于健康及净化功能的生态建材;拓展生存空间和增加可利用资源的生态建材。
四．无机非金属材料的应用
1、水泥的应用
在修复骨缺损的同时，保持局部组织中有效 的药物浓度是确保组织正常修复的必要条件。因此，寻找一种既可填充骨缺损又能将药物载入其 中，使之在局部缓慢释放药物的生物材料是许多科研和临床工作者追求的目标。研究表明，多种骨修复材料可以充当药物缓释载体，如聚甲基丙 烯酸甲酯、陶瓷型磷酸钙类人工骨和可吸收有机高分子材料等。磷 酸钙骨水泥又称羟基磷灰石骨水 泥，是1985年研制成功的自固化非陶瓷型羟基磷灰石类人工骨材料，在修复骨缺损方面具有明显的优越性，是一种较理想的新型骨骼修复材料。CPC 克服了陶瓷型羟基磷灰石难以修整、不易降解等缺点，具有良好的生物相容性、优良的生物活性，可降解性，自固化能力以及易塑性和骨传导能力 j。以CP C为载体的药物缓释体系材料的发展趋势。
材料科学技术是兼具基础性和先导性的学科。该学科的交叉性很强，从传统意义上看，它交叉了物理、化学、数学和工程等几个大的学科，近年来的发展使该学科又交叉了生物、力学、医学等一大批学科；该学科的技术性也很强，因为它交叉了冶金、化工、机械、信息、电子、激光等一大批工程技system，DDS)是一种新型的给药方式，植入生物体内骨骼后载体所负载的药物能持续、稳定、高效地缓慢释放，达到修复骨缺损和药物治疗的双重目的，从而配合全身治疗以达到良好的效果。CPC药物缓释体系在骨髓炎、骨结核、骨肿瘤、骨折、骨不连和人工关节置换等领域有 广阔的应用前景，有望成为骨骼系统理想的药物缓释载体。（磷酸钙骨水泥药物缓释体系的研究应用）
2、玻璃的应用
目前．在整彤外科、牙科及上须骨整形等临床方面．对于骨移植物的需求正 日趋增加，传统的髂峙部采骨用作骨移植物的手术操作存在着许多问题，如残留的髂峙处的人为骨折和行走时的疼痛、不适及局部触痛都是潜在的并发症，更不用说其有限的骨的可利用性。同种异体骨，人源的冻千骨必须经过加工处理以降低其抗原性。减少其传播疾病的潜能，但同时亦可能减少其骨再生所必瘦的成骨蛋白数量。异种骨、球干小牛骨都是廉价的可选择移植物，但是其处理过程的不同又决定了它的不稳定性。正如同种异体骨那样可能降低其成骨能力。因而临床上强烈需要发展一种廉价的可台成的骨移植材料，以单独的或与有限的津移植共同用于机体自然的愈合过程。
PerloGlas与自体骨混合用于截骨术中的植骨，手术后5个月x线片显示移植区有明显骨形成征象。通过 2 5年的术后随 访表明成骨区的密度逐渐浓聚，手术区域的临床测量选择在移植木后的6个月、1 年、2 年，结果表明缺陷区的范围明显缩小，在每一个手术移植 的病例中，缺损都大大的减小了，并且填充有一种坚硬的、血管化的、类似于骨的组织（生物玻璃的研究进展和临床应用）。
3、陶瓷的应用
五、无机非金属行业的现存问题
1、产品等级低
在传统无机非金属材料中，无论是水泥、玻璃还是陶瓷的产品等级普遍偏低。例如：发达国家的水泥熟料强度一般都在70MPa以上，而我国平均强度仅为50 MPa。我国高等级水泥（ISO≥42.5）仅占18%，大量生产的是中、低等级水泥（ISO≤32.5），而很多发达国家的高等级水泥占90％以上。
2、资源消耗高
在资源的消耗方面，水泥和陶瓷工业更为突出。由于大量的无序开采，未能充分利用有限资源，造成了极大浪费。例如：生产水泥熟料的主要原料是相对优质的石灰石，其化学成份须满足CaO含量不低于45%、MgO不高于3%等要求。我国符合水泥生产要求，可以使用的量仅约250亿吨。目前每年生产水泥消耗的优质石灰石约5.5亿吨，因此该储量仅可生产水泥熟料约200亿吨，仅能提供约40年的水泥生产需要。
3、能源消耗高
在建筑材料的生产过程中，要消耗大量的能源。例如：水泥工业每年消耗标煤9106万吨，电力 650亿度。我国水泥生产能耗远高于世界先进水平，以每吨熟料的综合能耗计算，世界先进水平为117Kg标煤，我国为173.5Kg标煤，高出达50%以上。在国外，全氧燃烧技术已经在玻璃行业中得到了较为广泛的应用，而仅有为数不多玻璃纤维生产线使用了该项技术。
4、环境污染严重
水泥工业每年排放温室气体CO2约5.55亿吨、SO2 68.6万吨、NOx约206万吨；目前其他先进国家平均吨熟料的粉尘排放
5、单线生产规模小，落后工艺大量存在
以悬浮预热和预分解技术为核心技术的“新型干法”工艺，是目前世界水泥工业普遍采用的最先进的现代化水泥生产技术。日本有96%、意大利96.5%、韩国100%、泰国90%的水泥产量采用这种新型干法生产线，而我国仅为15％。我国水泥制造业处于先进工艺与落后工艺并存的复杂状态。在玻璃行业，我国浮法玻璃生产线的平均生产规模为450吨/天，而西方国家的法玻璃生产线的平均生产规模为550吨/天。而且在玻璃产品的品质上与国外相比有非常的差距。
六、无机非金属材料发展的建议
针对我国无机非金属材料工业的现状，要实现其快速、健康、稳定的发展，就必须开展以下几个方面的工作。
(1)加强政府在建材工业发展和产业结构调整中的政策引导；
(2)加强资源综合利用和环境保护的立法并严肃执法；
(3)促进形成若干个有国际竞争力的大型建材工业集团，建立以企业为主体的新型建材工业科技创新体系，促进产、学、研结合；
(4)加强“绿色”和节能型建材工业的应用基础研究，加强建材工业实验基地建设，促进工程技术创新；
(5)强化行业管理，建立科学、先进、合理的标准体系，建立产品质量认证制度，发挥行业协会、学会和各类中介机构的作用；
(6)应尽快制定适应我国市场经济发展和科研体制和政府体制改革的科学、有力的政策措施和管理体系，加大投资力度和项目审计，以保证无机非金属新材料研究、开发和生产的健康发展;
(7)应根据需求牵引和科技推进的原则，并结合无机非金属材料科学体系特点，统筹兼顾、协调发展，合理安排中长期科研项目。应重视和加强基础研究，充分注意相关领域科技前沿，提高我国无机非金属新材料的科技水平和开发能力;
(8)为适应无机非金属材料的飞速发展，必须加快人才的培养，不断革新无机非金属材料教育的课程设置和教材，尽快反映本领域和相关领域不断增加的新知识。应重视以基本的物理、化学原理为基础，加强原始创新，研究探索有应用前景的未知新材料、研究新材料的合成、制备，特别是用基础分析和计算机建模、微观尺度结构控制、仿生等方法，发展具有创新意义的高性能低成本无机非金属新材料。应加强新设备、包括重大仪器的研究和装备，没有先进的仪器、装备就不可能在材料的科技前沿进行研究开发工作。7对无机非金属材料未来的展望
新材料是发展高新技术的物质基础,新材料及与其直接相关的研究领域,如信息存储材料、微电子材料、生物材料、纳米材料、超导材料及高温电子学等,在当今高新技术领域及未来技术中均占有重要地位。因此世界各国都给予高度重视,很多国家把新材料的研究与开发列为关键技术。而在新材料中,新型无机非金属材料又是特别活跃的领域,在整个新材料中占据主要地位。它对我国的、对世界各国来说都是一个新型的产业, 更应抓住这个机遇去研发、去运用到更行各业中,提高国家的更项水平,当然困难也是与此存在的,所以要克服困难, 迎难而进, 创造出新的佳绩。
七、结论
无机非金属材料品种和名目极其繁多,用途各异。传统的无机非金属材料是工业和基本建设所必需的基础材料。新型无机非金属材料是20世纪中期以后发展起来的,具有特殊性能和用途的材料。它们是现代新技术、新产业、传统工业技术改造、现代国防和生物医学所不可缺少的物质基础。主要有先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等。
参考文献
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