新型無機材料

1、新型無機材料 無機非金屬材料是人類最先應(yīng)用的材料。 以硅酸鹽為主要成分的 傳統(tǒng)無機材料體系（如陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料等）在國民經(jīng)濟 和人民生活中起著極為重要的作用， 至今仍然是國民經(jīng)濟重要的支柱 產(chǎn)業(yè)，仍在繼續(xù)發(fā)展。同時，新材料、新工藝、新裝備和新技術(shù)也不 斷涌現(xiàn)。 隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展， 在無機材料領(lǐng)域中展現(xiàn)了一個新 的領(lǐng)域新型無機材料。 它是以人工合成的高純原料經(jīng)特殊的先進工 藝制成的材料，與高新技術(shù)發(fā)展相輔相成的新型材料。一、新型無機材料的分類 ：低維材料、高技術(shù)陶瓷、無機生 物醫(yī)學材料。1、低維材料 ：低維材料分為零維材料（超微粒子） 、一維材料 （晶須和纖維）、薄膜。2、高技術(shù)

2、陶瓷 ：先進結(jié)構(gòu)陶瓷、納米陶瓷、功能梯度材料、 晶體、敏感陶瓷、機敏（智能）無機材料、快離子導(dǎo)體陶瓷、高溫超 導(dǎo)陶瓷、功能精細復(fù)合材料。3、無機生物醫(yī)學材料 ：接近惰性的生物陶瓷、 生物活性陶瓷。二、新型無機材料的制備 ：1、低維材料 ：超微粒子 超微粒子主要有三種制備方法： 氣相法、 液相法和 固相法。 氣相法分為加熱法、 反應(yīng)氣體導(dǎo)入法和等離子體合成法。液 相法分為沉淀法、溶劑蒸發(fā)法、微波合成法、 水熱法、超重力場合成 法、超臨界流體法等。 固相法分為固相反應(yīng)法、超細機械粉碎法、高 能機械球磨法、自蔓延高溫合成法等。晶須和纖維 不同種類的晶須有不同的制備方法，比如金屬晶須主要利 用金屬鹽的

3、氫還原法和金屬的蒸發(fā)和凝聚兩種方法制備；氧 化物晶須主要通過蒸汽傳遞法和化學氣相生長法制備； SiC晶 須的制備方法主要有 SiO2 的碳熱還原法、以硫化硅為中間體 的方法、有機硅化合物的熱分解法、 升華結(jié)晶法、 稻殼法等。 纖維的主要制造方法為化學氣相沉積法。無機薄膜 無機薄膜的制備方法主要有化學氣相沉積法、物理 氣相沉積法、等離子體技術(shù)、溶膠凝膠法和 LB 技術(shù)等。2、高技術(shù)陶瓷 ：陶瓷的制備一般要經(jīng)過配料、 成型、燒結(jié)三道主要工序。 但是每 一種產(chǎn)品由于用途、 形狀和性能等要求不同和選用的材料不同， 最終 的化學成分和結(jié)構(gòu)也不同。這樣一來，生產(chǎn)工藝也就存在差別。 但總 體上來說，陶瓷的制

4、備還是有很多相似之處的。在配料工序中， 為了 使技術(shù)陶瓷具有獨特的優(yōu)良性能， 陶瓷粉料必須高純、 超細。無團聚、 球形、均勻等。目前所用的技術(shù)有：溶膠凝膠法、共沉淀法、水熱 合成法、前驅(qū)體法、有機金屬法、等離子體法、激光法、自蔓延合成 法等。在成型工序中， 首先要進行原料的預(yù)處理， 包括預(yù)燒、預(yù)合成； 然后是配料預(yù)混合、塑化、造粒和懸浮?，F(xiàn)在應(yīng)用的新技術(shù)主要有等 靜壓成型、熱壓注成型、注射成型、離心注漿、壓力注漿成型、流延 成型和凝膠澆注等。燒結(jié)階段主要是應(yīng)用常壓燒結(jié)法、真空燒結(jié)法、 熱壓燒結(jié)法、熱等靜壓燒結(jié)法、氣壓燒結(jié)法、 反應(yīng)燒結(jié)法、液相燒結(jié) 法等，近年來興起的新技術(shù)有：超高壓燒結(jié)法、等離

5、子體燒結(jié)、 微波 燒結(jié)等。舉納米陶瓷為例： 在配料階段運用的主要方法為爆炸絲法、 化學 氣相凝聚法、微波合成法、超聲化學法、激光蒸發(fā)凝聚法等， 爆炸 絲法是利用金屬絲在高壓電容器的瞬間放電作用下爆炸形成納米粉 體；在成型階段的主要方法是干法成型（如連續(xù)加壓成型、脈沖電磁 力成型和超高壓成型）和濕法成型（如凝膠注模成型、注漿成型、直 接凝固注模成型） ；燒結(jié)階段運用的方法為惰性氣體蒸發(fā)凝聚加壓 制備法、真空燒結(jié)、快速微波燒結(jié)、放電等離子體燒結(jié)、 高溫等靜壓 燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、超高壓低溫燒結(jié)、爆炸燒結(jié)等。3、無機生物醫(yī)學材料 無機生物醫(yī)學材料主要包括接近惰性的生物陶瓷和生物活性陶 瓷，所以其制備方法

6、都包含在了前兩種新型無機材料中了。三、新型無機材料的性能1、低維材料 ：超微粒子：超微粒子具有許多獨特的物理和化學特性：巨 大的比表面積和表面能； 熔點低： 超微粒子比同種物質(zhì)塊體要低得 多，并可在較低溫度下燒結(jié)，這與其巨大的表面積是密切相關(guān)的； 磁性強；光吸收性好：超微粒子的大小比太陽的波長還小，超微粒 子對光的反射能力差， 因此可以很好的吸光。 有些超微粒子可以吸收 紫外線，如超微細 TiO2 吸收紫外線的性能被用于化妝品作為紫外線吸 收劑以保護皮膚；活性強，易進行各種化學反應(yīng)；熱傳導(dǎo)性能好； 強吸附能力和催化活性 超微粒子除了具有巨大的比表面積和表 面能，其表面原子還存在許多懸空鍵，使其

7、具有不飽和性質(zhì)。這些因 素都將導(dǎo)致超微粒子的特殊吸附現(xiàn)象和催化性質(zhì)。 晶須和纖維 由于晶須的結(jié)構(gòu)完整，不含有通常材料中存在的 缺陷，諸如孔洞、位錯和顆粒界面等， 因此密度、強度等都接近完整 晶體的理論值， 并具有理想的彈性模量和特殊的物理性能。 一些金屬 晶須和半導(dǎo)體材料晶須一般具有特殊的磁性、 電性和光學性能， 可開 發(fā)為功能材料。 薄膜 由于固體表面自由能比塊材高， 是的薄膜表面呈現(xiàn)一 些獨特的功能： 幾何形狀效應(yīng) 塊狀合成材料一般使用粉末的最小 尺寸為納米至微米， 而薄膜是由尺寸為 10-10 左右的原子或分子逐漸生 長形成的。 采用薄膜工藝可以研制出塊材工藝不能獲得的物質(zhì) （如超 晶格

8、材料）。非熱力學平衡過程 真空蒸發(fā)、濺射鍍膜、離子鍍等 含有物質(zhì)的氣化和急冷過程， 此過程在非熱力學平衡狀態(tài)下進行， 可 制取在平衡狀態(tài)下進行， 可制取在平衡狀態(tài)下不存在的物質(zhì)。 由于材 料薄膜化后在成分結(jié)構(gòu)上與塊材有很大差異， 加上形狀效應(yīng)影響， 薄 膜的力學性能、 載流子運輸機構(gòu)、超導(dǎo)特性、磁性以及光學特性等都 與塊材不同。 非平衡狀態(tài)的薄膜形成工藝， 是許多材料很容易形成非 晶態(tài)結(jié)構(gòu)，特別是在制備超薄膜時，易形成島狀或纖維狀多晶結(jié)構(gòu)。 量子尺寸效應(yīng) 當膜厚與載流子的德布羅意波長差不多時， 垂直于 表面方向載流子的能級將發(fā)生分裂。 這種量子尺寸效應(yīng)為薄膜所特有。2、高技術(shù)陶瓷 先進結(jié)構(gòu)陶瓷

9、 不同材料的結(jié)構(gòu)陶瓷性能不同。 氮化硅陶 瓷 氮化硅陶瓷具有高強度、 高硬度、熱膨脹系數(shù)和蠕變小、 耐高溫、 抗氧化、耐磨損、耐腐蝕等獨特優(yōu)異的性能。賽龍?zhí)沾少慅執(zhí)沾删哂休^低的熱膨脹系數(shù)、較高耐腐蝕性、高的紅硬性、優(yōu)良的耐熱沖 擊性能，優(yōu)異的高溫強度和硬度等特點。 碳化硅陶瓷 碳化硅陶瓷 具有高溫強度高、 抗蠕變、硬度高、 耐磨、耐腐蝕、抗氧化、 高導(dǎo)熱、 高導(dǎo)電和熱穩(wěn)定性等一系列優(yōu)異的性能。納米陶瓷 納米陶瓷具有較高的擴散率、 燒結(jié)溫度降低、 硬 度強度高、 超塑性、電阻高、介電常數(shù)高壓電性強、非線性光學效 應(yīng)、光伏特性和磁場作用下的發(fā)光效應(yīng)等。敏感陶瓷 陶瓷是由晶粒、 晶界、氣孔組成的多相

10、系統(tǒng)通過 人為摻雜，造成晶粒表面的組分偏離，在晶粒表層產(chǎn)生固溶、偏析及 晶格缺陷；在晶界處產(chǎn)生異質(zhì)相的析出、雜質(zhì)的聚集、晶格缺陷及晶 格各向異性等。 這些晶粒邊界層的組成、結(jié)構(gòu)變化，顯著改變了晶界 的電性能，從而導(dǎo)致整個陶瓷電氣性能的顯著變化。四、新型無機結(jié)構(gòu)陶瓷的應(yīng)用1、低維材料 零維材料超微粒子 超微粒子在化工領(lǐng)域， 輕化工，食品、 保健品，醫(yī)學、農(nóng)藥和生物工程方面，磁記錄材料，材料科學，高科 技領(lǐng)域，國防軍事等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用。如在化工領(lǐng)域催化劑、 消光劑等，在高科技領(lǐng)域主要用于火箭固體燃料的添加劑。晶須和纖維光纖主要用于通信工程，碳纖維通常是與某些 基體做復(fù)合材料用， 比如碳纖維能

11、增強特種耐高溫橡膠制成性能良好 的隔熱材料，用于航天飛機、大型火箭助推器的內(nèi)襯。一維納米材 料 碳納米材料可在納米管之間的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計制造納米尺度電 子元器件， 如碳納米管與金屬形成隧道結(jié)可用作隧道二極管。 還可以 利用碳納米管制成高度各向異性材料， 與其他材料制成復(fù)合材料增強 其導(dǎo)電性等。薄膜 薄膜材料發(fā)展最活躍的一些研究領(lǐng)域是新材料的合 成與制備、材料表面與界面的研究、 非晶態(tài)和準晶態(tài)的形成、材料的 各向異性研究亞穩(wěn)態(tài)材料的探索等。 無機薄膜材料在現(xiàn)代科學技術(shù)和 國民經(jīng)濟中占有重要地位。 成膜技術(shù)及薄膜產(chǎn)品在各個領(lǐng)域中有多方 面的應(yīng)用， 制備的單晶薄膜、 多晶薄膜和非晶態(tài)薄膜已在現(xiàn)代微電

12、子 工藝、半導(dǎo)體光電技術(shù)、太陽能電池、 光纖通訊、超導(dǎo)技術(shù)和保護涂 層方面發(fā)揮越來越大的作用， 特別是在電子工業(yè)領(lǐng)域里占有極其重要 的地位，例如半導(dǎo)體集成電路、電阻器、電容器、激光器、磁帶等都 應(yīng)用到了薄膜技術(shù)。2 、 高技術(shù)陶瓷納米陶瓷 納米陶瓷超塑性的產(chǎn)生和韌性的提高已成為推動 納米材料研究的原動力之一。 納米陶瓷的超塑性在電子、 磁性、 光學 以及生物陶瓷方面有潛在應(yīng)用。 超塑性應(yīng)用于先進陶瓷凈尺寸制備成 為可能。 在材料工程上，利用陶瓷超塑性變形特性，使陶瓷如同金屬 一樣，可用鍛壓、擠壓、拉伸、彎曲和氣壓膨脹等成型方法，直接制 成精密尺寸的陶瓷零件，以及超塑性連接。納米陶瓷可能具有的低

13、溫 超塑性、延展性和極高的斷裂韌性，將使其成為兼具陶瓷和金屬的優(yōu) 良特性的新的結(jié)構(gòu)和功能材料，在航空、航天、機械、電子信息等眾 多領(lǐng)域具有無限廣闊的應(yīng)用前景。功能梯度材料功能梯度材料的研究和應(yīng)用目標最初是用作新型航天飛機的熱應(yīng)力緩和型超耐熱材料，但隨著對功能梯度材料 研究的不斷深入，其應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛。功能梯度材料的應(yīng)用目 前已經(jīng)涉及電子工程、核能工程、生物醫(yī)學工程、光學工程、機械工 程、化學化工等各個領(lǐng)域?？祀x子導(dǎo)電陶瓷快離子導(dǎo)電陶瓷的應(yīng)用主要為用作各種電池的隔膜材料和用作固體電子器件。高溫超導(dǎo)陶瓷高溫超導(dǎo)陶瓷的強電應(yīng)用目前主要集中在傳輸與配電電纜、大電流引線、變壓器、故障電流限制器、高溫超導(dǎo) 電機、磁懸浮列車和超導(dǎo)磁性存儲等方面。高溫超導(dǎo)陶瓷的弱電應(yīng)用 主要有無源微波器件、超導(dǎo)量子干涉儀、超導(dǎo)高速邏輯運算元件等。新材料是知識密集、資金密集的新興產(chǎn)業(yè)，他們中的多數(shù)是固體 物理、固體化學、冶金學、陶瓷學、生物學、信息等科學的新成就。 新材料的發(fā)展與新技術(shù)密