新型无机材料[推荐]_新型无机材料

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新型无机材料

无机非金属材料是人类最先应用的材料。以硅酸盐为主要成分的传统无机材料体系（如陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料等）在国民经济和人民生活中起着极为重要的作用，至今仍然是国民经济重要的支柱产业，仍在继续发展。同时，新材料、新工艺、新装备和新技术也不断涌现。随着现代科学技术的发展，在无机材料领域中展现了一个新的领域—新型无机材料。它是以人工合成的高纯原料经特殊的先进工艺制成的材料，与高新技术发展相辅相成的新型材料。

一、新型无机材料的分类：低维材料、高技术陶瓷、无机生物医学材料。

1、低维材料：低维材料分为零维材料（超微粒子）、一维材料（晶须和纤维）、薄膜。

2、高技术陶瓷：先进结构陶瓷、纳米陶瓷、功能梯度材料、晶体、敏感陶瓷、机敏（智能）无机材料、快离子导体陶瓷、高温超导陶瓷、功能精细复合材料。

3、无机生物医学材料：接近惰性的生物陶瓷、生物活性陶瓷。

二、新型无机材料的制备：

1、低维材料：

⑴超微粒子超微粒子主要有三种制备方法：气相法、液相法和固相法。气相法分为加热法、反应气体导入法和等离子体合成法。液相法分为沉淀法、溶剂蒸发法、微波合成法、水热法、超重力场合成法、超临界流体法等。固相法分为固相反应法、超细机械粉碎法、高能机械球磨法、自蔓延高温合成法等。

⑵晶须和纤维

①不同种类的晶须有不同的制备方法，比如金属晶须主要利用金属盐的氢还原法和金属的蒸发和凝聚两种方法制备；氧化物晶须主要通过蒸汽传递法和化学气相生长法制备；SiC晶须的制备方法主要有SiO2的碳热还原法、以硫化硅为中间体的方法、有机硅化合物的热分解法、升华结晶法、稻壳法等。②纤维的主要制造方法为化学气相沉积法。

⑶无机薄膜无机薄膜的制备方法主要有化学气相沉积法、物理气相沉积法、等离子体技术、溶胶—凝胶法和LB技术等。

2、高技术陶瓷：

陶瓷的制备一般要经过配料、成型、烧结三道主要工序。但是每一种产品由于用途、形状和性能等要求不同和选用的材料不同，最终的化学成分和结构也不同。这样一来，生产工艺也就存在差别。但总体上来说，陶瓷的制备还是有很多相似之处的。在配料工序中，为了使技术陶瓷具有独特的优良性能，陶瓷粉料必须高纯、超细。无团聚、球形、均匀等。目前所用的技术有：溶胶—凝胶法、共沉淀法、水热合成法、前驱体法、有机金属法、等离子体法、激光法、自蔓延合成法等。在成型工序中，首先要进行原料的预处理，包括预烧、预合成；然后是配料预混合、塑化、造粒和悬浮。现在应用的新技术主要有等静压成型、热压注成型、注射成型、离心注浆、压力注浆成型、流延成型和凝胶浇注等。烧结阶段主要是应用常压烧结法、真空烧结法、热压烧结法、热等静压烧结法、气压烧结法、反应烧结法、液相烧结法等，近年来兴起的新技术有：超高压烧结法、等离子体烧结、微波烧结等。

举纳米陶瓷为例：在配料阶段运用的主要方法为爆炸丝法、化学气相凝聚法、微波合成法、超声化学法、激光蒸发—凝聚法等，爆炸丝法是利用金属丝在高压电容器的瞬间放电作用下爆炸形成纳米粉体；在成型阶段的主要方法是干法成型（如连续加压成型、脉冲电磁力成型和超高压成型）和湿法成型（如凝胶注模成型、注浆成型、直接凝固注模成型）；烧结阶段运用的方法为惰性气体蒸发—凝聚加压制备法、真空烧结、快速微波烧结、放电等离子体烧结、高温等静压烧结、热压烧结、超高压低温烧结、爆炸烧结等。

3、无机生物医学材料

无机生物医学材料主要包括接近惰性的生物陶瓷和生物活性陶瓷，所以其制备方法都包含在了前两种新型无机材料中了。

三、新型无机材料的性能

1、低维材料：

⑴超微粒子：超微粒子具有许多独特的物理和化学特性：①巨大的比表面积和表面能；②熔点低：超微粒子比同种物质块体要低得多，并可在较低温度下烧结，这与其巨大的表面积是密切相关的；③磁性强；④光吸收性好：超微粒子的大小比太阳的波长还小，超微粒子对光的反射能力差，因此可以很好的吸光。有些超微粒子可以吸收紫外线，如超微细TiO2吸收紫外线的性能被用于化妆品作为紫外线吸收剂以保护皮肤；⑤活性强，易进行各种化学反应；⑥热传导性能好；⑦强吸附能力和催化活性 超微粒子除了具有巨大的比表面积和表面能，其表面原子还存在许多悬空键，使其具有不饱和性质。这些因素都将导致超微粒子的特殊吸附现象和催化性质。

⑵晶须和纤维由于晶须的结构完整，不含有通常材料中存在的缺陷，诸如孔洞、位错和颗粒界面等，因此密度、强度等都接近完整晶体的理论值，并具有理想的弹性模量和特殊的物理性能。一些金属晶须和半导体材料晶须一般具有特殊的磁性、电性和光学性能，可开发为功能材料。

⑶薄膜 由于固体表面自由能比块材高，是的薄膜表面呈现一些独特的功能：①几何形状效应 块状合成材料一般使用粉末的最小尺寸为纳米至微米，而薄膜是由尺寸为10-10左右的原子或分子逐渐生长形成的。采用薄膜工艺可以研制出块材工艺不能获得的物质（如超晶格材料）。②非热力学平衡过程 真空蒸发、溅射镀膜、离子镀等含有物质的气化和急冷过程，此过程在非热力学平衡状态下进行，可制取在平衡状态下进行，可制取在平衡状态下不存在的物质。由于材料薄膜化后在成分结构上与块材有很大差异，加上形状效应影响，薄膜的力学性能、载流子运输机构、超导特性、磁性以及光学特性等都与块材不同。非平衡状态的薄膜形成工艺，是许多材料很容易形成非晶态结构，特别是在制备超薄膜时，易形成岛状或纤维状多晶结构。③量子尺寸效应 当膜厚与载流子的德布罗意波长差不多时，垂直于表面方向载流子的能级将发生分裂。这种量子尺寸效应为薄膜所特有。

2、高技术陶瓷

⑴先进结构陶瓷 不同材料的结构陶瓷性能不同。①氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷具有高强度、高硬度、热膨胀系数和蠕变小、耐高温、抗氧化、耐磨损、耐腐蚀等独特优异的性能。②赛龙陶瓷 赛龙陶瓷具有较低的热膨胀系数、较高耐腐蚀性、高的红硬性、优良的耐热冲击性能，优异的高温强度和硬度等特点。③碳化硅陶瓷 碳化硅陶瓷具有高温强度高、抗蠕变、硬度高、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、高导热、高导电和热稳定性等一系列优异的性能。

⑵纳米陶瓷 纳米陶瓷具有较高的扩散率、烧结温度降低、硬度强度高、超塑性、电阻高、介电常数高压电性强、非线性光学效应、光伏特性和磁场作用下的发光效应等。

⑶敏感陶瓷 陶瓷是由晶粒、晶界、气孔组成的多相系统通过人为掺杂，造成晶粒表面的组分偏离，在晶粒表层产生固溶、偏析及晶格缺陷；在晶界处产生异质相的析出、杂质的聚集、晶格缺陷及晶格各向异性等。这些晶粒边界层的组成、结构变化，显著改变了晶界的电性能，从而导致整个陶瓷电气性能的显著变化。

四、新型无机结构陶瓷的应用

1、低维材料

⑴零维材料—超微粒子超微粒子在化工领域，轻化工，食品、保健品，医学、农药和生物工程方面，磁记录材料，材料科学，高科技领域，国防军事等领域均具有广泛的应用。如在化工领域催化剂、消光剂等，在高科技领域主要用于火箭固体燃料的添加剂。⑵晶须和纤维①光纤主要用于通信工程，碳纤维通常是与某些基体做复合材料用，比如碳纤维能增强特种耐高温橡胶制成性能良好的隔热材料，用于航天飞机、大型火箭助推器的内衬。②一维纳米材料 碳纳米材料可在纳米管之间的结构基础上设计制造纳米尺度电子元器件，如碳纳米管与金属形成隧道结可用作隧道二极管。还可以利用碳纳米管制成高度各向异性材料，与其他材料制成复合材料增强其导电性等。

⑶薄膜 薄膜材料发展最活跃的一些研究领域是新材料的合成与制备、材料表面与界面的研究、非晶态和准晶态的形成、材料的各向异性研究亚稳态材料的探索等。无机薄膜材料在现代科学技术和国民经济中占有重要地位。成膜技术及薄膜产品在各个领域中有多方面的应用，制备的单晶薄膜、多晶薄膜和非晶态薄膜已在现代微电子工艺、半导体光电技术、太阳能电池、光纤通讯、超导技术和保护涂层方面发挥越来越大的作用，特别是在电子工业领域里占有极其重要的地位，例如半导体集成电路、电阻器、电容器、激光器、磁带等都应用到了薄膜技术。

2、高技术陶瓷

⑴纳米陶瓷纳米陶瓷超塑性的产生和韧性的提高已成为推动纳米材料研究的原动力之一。纳米陶瓷的超塑性在电子、磁性、光学以及生物陶瓷方面有潜在应用。超塑性应用于先进陶瓷净尺寸制备成为可能。在材料工程上，利用陶瓷超塑性变形特性，使陶瓷如同金属一样，可用锻压、挤压、拉伸、弯曲和气压膨胀等成型方法，直接制成精密尺寸的陶瓷零件，以及超塑性连接。纳米陶瓷可能具有的低温超塑性、延展性和极高的断裂韧性，将使其成为兼具陶瓷和金属的优良特性的新的结构和功能材料，在航空、航天、机械、电子信息等众多领域具有无限广阔的应用前景。

⑵功能梯度材料 功能梯度材料的研究和应用目标最初是用作新型航天飞机的热应力缓和型超耐热材料，但随着对功能梯度材料研究的不断深入，其应用的领域越来越广泛。功能梯度材料的应用目前已经涉及电子工程、核能工程、生物医学工程、光学工程、机械工程、化学化工等各个领域。

⑶快离子导电陶瓷 快离子导电陶瓷的应用主要为用作各种电池的隔膜材料和用作固体电子器件。

⑷高温超导陶瓷 高温超导陶瓷的强电应用目前主要集中在传输与配电电缆、大电流引线、变压器、故障电流限制器、高温超导电机、磁悬浮列车和超导磁性存储等方面。高温超导陶瓷的弱电应用主要有无源微波器件、超导量子干涉仪、超导高速逻辑运算元件等。

新材料是知识密集、资金密集的新兴产业，他们中的多数是固体物理、固体化学、冶金学、陶瓷学、生物学、信息等科学的新成就。新材料的发展与新技术密切相关，从新材料的合成与制造来看，往往是利用极端条件或技术作为必要的手段，如超高压、超高温、超真空、超高速冷却等等。新材料是多种学科互相渗透的结果。新材料的特点是品种多、式样多、更新换代快，对性能的要求越来越趋向于功能化、极限化、复合化、精细化。由于新型无机材料的高性能与多功能，使它在信息、航空航天、生命科学等现代科学技术各个领域中，发挥了极其重要的作用，甚至，有人预计21世纪将是“第二个石器时代”。