無機非金屬材料及其物理化學(xué)原理初探

1、無機非金屬材料及其物理化學(xué)原理初探2010-1-4作者: 劉順妮一、無機非金屬材料簡述無機非金屬材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質(zhì)組成的材料。是除有機高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統(tǒng)稱。無機非金屬材料的提法是20世紀40年代以后，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展從傳統(tǒng)的硅酸鹽材料演變而來的。它是與有機高分子材料和金屬材料并列的三大材料之一。在晶體結(jié)構(gòu)上，無機非金屬材料的元素結(jié)合力主要為離子鍵、共價鍵或離子-共價混合鍵。這些化學(xué)鍵所特有的高鍵能、高鍵強賦予這一大類材料以高熔點、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強度和良好的抗氧化性等基本屬性，

2、以及寬廣的導(dǎo)電性、隔熱性、透光性及良好的鐵電性、鐵磁性和壓電性。無機非金屬材料品種和名目極其繁多，用途各異，因此，還沒有一個統(tǒng)一而完善的分類方法。通常把它們分為傳統(tǒng)的和先進的（新型的）無機非金屬材料兩大類。傳統(tǒng)的無機非金屬材料由傳統(tǒng)的硅酸鹽材料發(fā)展演變而來，是工業(yè)和基本建設(shè)所必需的基礎(chǔ)材料。一般是指以天然的硅酸鹽礦物（粘土、石英、長石等）為主要原料，經(jīng)高溫窯爐燒制而成的一大類材料，故又稱窯業(yè)材料。包括日用陶瓷、一般工業(yè)用陶瓷、普通玻璃、水泥、耐火材料等。這類材料具有非常悠久的歷史。從遠古舊石器時代的石器工具，原始部落所制作的粗陶器，中國商代開始出現(xiàn)的原始瓷器和上釉的彩陶，東漢時期的青瓷，經(jīng)過唐

3、、宋、元、明、清各歷史時期的不斷發(fā)展，已達到相當(dāng)高的技術(shù)和藝術(shù)水平，并成為中華民族的瑰寶。與此并行發(fā)展的耐火材料（粘土質(zhì)和硅質(zhì)材料），從青銅器時代、鐵器時代到近代鋼鐵工業(yè)的興起，都起過關(guān)鍵的作用。在距今五六千年前的古埃及文物中即發(fā)現(xiàn)有綠色玻璃珠飾品，中國白色玻璃珠亦有近3000年的歷史。17世紀以來，由于用工業(yè)純堿代替天然草木灰與硅石、石灰石等礦物原料，生產(chǎn)鈉鈣硅酸鹽玻璃，各種日用玻璃和技術(shù)玻璃迅速進入普通家庭、建筑物和工業(yè)領(lǐng)域。在距今五六千年的史前和古代建筑中，已大量使用石灰和石膏等氣硬性膠凝材料。公元初期有了水硬性石灰和火山灰膠凝材料。但是用人工方法合成硅酸鹽水泥制品還只有100多年的歷史

4、。19世紀初，英國人J阿斯普丁（Aspdin）發(fā)明用硅酸鹽礦物和石灰原料，經(jīng)高溫煅燒制成波特蘭水泥（又稱硅酸鹽水泥)，從而開始了高強度水硬性膠凝材料的新紀元。上述陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均為硅酸鹽，因而長期以來，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)生產(chǎn)部門中將其稱為硅酸鹽材料。20世紀中期以后，隨著微電子、航天、能源、計算機、激光、通信、光電子、傳感、紅外、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護等新技術(shù)的興起，對材料提出了愈來愈高的要求，促進了性能更為優(yōu)良以及有特殊功能的新型陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥、涂層、磨料等制品的飛速發(fā)展。它們在化學(xué)組成上遠遠超出了硅酸鹽化合物的范圍，而是擴展到了其他氧化物、氮化物、硼化物、碳化物

5、、硫系化合物和鈦酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽等，以至幾乎一切無機化合物。已有相當(dāng)一些在其組成中完全不含氧化硅的產(chǎn)品，如剛玉瓷、鎂質(zhì)耐火材料、磷酸鹽和硼酸鹽光學(xué)玻璃等，已形成大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)并廣泛使用。在不少制品（如氧化鋯陶瓷）的組成中，氧化硅反倒成為最有害的雜質(zhì)而必須嚴格禁止。這樣再用硅酸鹽材料來概括這些材料已顯得過時，因此，無機非金屬材料這一名稱在學(xué)術(shù)界逐漸形成并獲得使用。在國際上因陶瓷歷史最悠久，且應(yīng)用廣泛，故常沿用廣義的陶瓷來表示無機非金屬材料。新型無機非金屬材料是20世紀中期以后發(fā)展起來的，具有特殊性能和用途的材料。它們是現(xiàn)代新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造、現(xiàn)代國防和生物醫(yī)學(xué)所不可缺少的物質(zhì)

6、基礎(chǔ)。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。二、無機非金屬材料物理化學(xué)的基本原理簡述 無機非金屬材料物理化學(xué)是研究無機非金屬材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系的科學(xué)。它是在傳統(tǒng)的物理化學(xué)、無機化學(xué)和有機化學(xué)的基礎(chǔ)上，隨著新材料、新技術(shù)、新工藝和現(xiàn)代測試技術(shù)的不斷進步，通過總結(jié)和分析無機非金屬材料的共性規(guī)律，并融合固體物理學(xué)、量子力學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)等相關(guān)學(xué)科而形成的一門專業(yè)性較強的綜合性學(xué)科。無機非金屬材料物理化學(xué)的研究內(nèi)容很多，但其基本原理主要可以總結(jié)為以下三個部分：1、無機非金屬材料晶體化學(xué)這一部分主要依據(jù)晶體化學(xué)的基本原理，揭示和分析無機非金屬材料的各種聚集狀態(tài)、結(jié)合形式以及對

7、材料性質(zhì)的影響。重點分析各種晶體結(jié)構(gòu)類型，晶體的結(jié)構(gòu)缺陷和形成的原因，固體的表面性質(zhì)和非晶態(tài)物質(zhì)的形成和結(jié)合方式，闡述了無機非金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)合方式與材料性質(zhì)的相互作用和相互影響的原因。晶體化學(xué)是無機非金屬材料物理與化學(xué)的重要理論基礎(chǔ)之一，它可以成功地解釋材料晶體結(jié)構(gòu)、缺陷與材料性質(zhì)的關(guān)系。利用晶體化學(xué)原理可以較好的解釋水泥熟料的主要產(chǎn)物-C2S與-C2S的水化活性的區(qū)別，從而指導(dǎo)水泥的生產(chǎn)和產(chǎn)品性能的改善。-C2S與-C2S具有相同的化學(xué)組成，其晶體結(jié)構(gòu)也相同，但是它們具有完全不同的水化活性，-C2S遇水不反應(yīng)，水化活性很差，-C2S則具有較好的水化性能。依據(jù)晶體化學(xué)的原理可知，這主要

8、是因為-C2S中的鈣的配位數(shù)比較規(guī)則，鈣的配位均為6，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，表現(xiàn)出較高的水化穩(wěn)定性，水化活性差。-C2S則不同，鈣的配位數(shù)有6和8兩種，結(jié)構(gòu)內(nèi)部由于配位不規(guī)則，空洞大，結(jié)構(gòu)對稱性差，表現(xiàn)出較高的水化活性。2、無機非金屬材料材料熱力學(xué)熱力學(xué)是研究各種變化過程中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，以及過程進行的方向和限度等的科學(xué)。熱力學(xué)第一定律是能量守恒及轉(zhuǎn)化定律，其主要原理可表述為：能量有各種不同的形式，能夠從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而在轉(zhuǎn)化中能量的總數(shù)保持不變。熱力學(xué)第一定律是一個普遍的自然規(guī)律，但仍有其局限性。因為僅僅是熱函的增加或減少尚不足以判斷過程進行的方向。判斷過程進行的方向必須依靠新的標準即熱

9、力學(xué)第二定律。熱力學(xué)第二定律即自由焓減少原理或熵值最大原理可用來判斷一定條件下過程進行的方向和限度。在絕對零度的條件下，完美晶體的墑值為零為熱力學(xué)第三定律。熱力學(xué)的三定律是判斷物質(zhì)穩(wěn)定性、反應(yīng)性的基礎(chǔ)。無機材料熱力學(xué)原理及其計算方法可以成功地進行相平衡的計算和研究。為無機非金屬材料新方法、新工藝和新產(chǎn)品的合成提供理論指導(dǎo)和基礎(chǔ)。作者在實驗中研究過不同溫度，不同固溶量的C3S的相平衡情況，實驗表明：不同的固溶雜質(zhì)，不同的固溶雜質(zhì)量，C3S的相平衡溫度和穩(wěn)定性不同。因此，在實際應(yīng)用中可以選擇有利于C3S活性的雜質(zhì)作為礦化劑或固溶物。利用熱力學(xué)原理還可以成功的解釋碳酸鈣的實際分解溫度低于理論計算溫度

10、的原因。3、無機非金屬材料過程動力學(xué)從晶體結(jié)構(gòu)分析可知，無機非金屬材料的元素結(jié)合力主要為離子鍵，共價鍵或離子共價混合鍵。這些化學(xué)鍵的特點是高的鍵能，鍵強。因此，這一大類材料具有高熔點、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強度和良好的抗氧化、寬廣的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等基本屬性，同時具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性。和氣體、液體一樣，固體中的粒子也因熱運動而不斷發(fā)生混合。不同的是無機非金屬材料固體粒子間很大的內(nèi)聚力使粒子遷移時必須克服較高的勢壘，使得遷延和混合過程變得極為緩慢。Fick第一和Fick第二定律是研究固體擴散的兩個基本定律。第一定律主要描述在穩(wěn)定擴散條件下，擴散物質(zhì)經(jīng)過單位表面積的滲透速率；第二定律則是描述在不

11、穩(wěn)定擴散條件下，在介質(zhì)中各點作為時間函數(shù)的擴散物質(zhì)聚集的過程。在無機非金屬材料的所有反應(yīng)過程中，物質(zhì)的擴散是前提和基礎(chǔ)。擴散介質(zhì)，雜質(zhì)、缺陷，晶界和表面活性等影響固體擴散的因素均影響相變、固相反應(yīng)和物質(zhì)燒結(jié)的速度。擴散加速固相反應(yīng)的最典型的應(yīng)用表現(xiàn)在固體粉料越細，表面積越大，則界面能增加，擴散速度越快，其固相反應(yīng)和燒結(jié)的速度也越快。三、無機非金屬材料的物理化學(xué)性質(zhì)無機非金屬材料的物理化學(xué)性質(zhì)是材料的組成、結(jié)構(gòu)和能量的具體反應(yīng)。一般包括材料熱學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、電磁性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和化學(xué)腐蝕性等等。1、無機非金屬材料的熱學(xué)性質(zhì)材料的熱學(xué)性質(zhì)一般包括比如、熱膨脹和熱傳導(dǎo)等熱學(xué)性能。材料的熱學(xué)性能實際上

12、是材料鍵能，鍵強、缺陷和材料聚集狀態(tài)的反映。比熱是物質(zhì)的一個重要的熱學(xué)性質(zhì)，它是指物質(zhì)被加熱升高溫度1時，單位質(zhì)量所吸收的熱量。它反映晶體受熱后激發(fā)出的晶格波和溫度的關(guān)系。晶格能相近的固體氧化物其比熱都相近。但是，隨著溫度升高，弗倫克爾缺陷和肖托基缺陷的形成，電子熱激發(fā)，磁性無序化等方面均須吸熱而增大熱容量。材料的熱膨脹是指當(dāng)溫度改變t時，固體在一定方向上會發(fā)生相對長度的變化，這種變化的比值稱為材料的線性膨脹系數(shù)。材料受熱時發(fā)生的相對體積變化的比值則稱為材料的體積膨脹系數(shù)。晶體的長度或體積隨溫度變化而改變的事實，表明了晶體中相鄰原子之間的平衡距離也隨溫度變化而改變。熱膨脹性和原子鍵強、晶體結(jié)構(gòu)

13、密切相關(guān)。隨著物質(zhì)中離子鍵性的增加，膨脹系數(shù)也增大。例如，共價鍵的金剛石的膨脹系數(shù)比離子鍵的螢石小得多。具有較高鍵強的物質(zhì)，熔點高，膨脹系數(shù)就較小。對于氧離子緊密堆積結(jié)構(gòu)的氧化物，一般線膨脹系數(shù)較大。這是由于氧離子緊密接觸，相互熱振動導(dǎo)致膨脹系數(shù)增大之故。對于許多具有硅氧四面體架狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，由于其中存在較大的空洞，一般熱膨脹系數(shù)都較小。在同一個晶體中，不同結(jié)晶方向如果鍵強不同，熱膨脹系數(shù)也不一樣。例如石墨，各層間的分子鍵比層內(nèi)原子鍵弱得多，受熱時不僅使這兩個方向的熱膨脹系數(shù)相差懸殊，甚至有些物質(zhì)在層間膨脹時，猶如材料受拉力導(dǎo)致斷面縮小一樣，使這些方向的膨脹系數(shù)出現(xiàn)負值。玻璃是一種由網(wǎng)絡(luò)形成劑

14、和網(wǎng)絡(luò)改變劑組成的無機非金屬材料，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)本身的強度對熱膨脹系數(shù)影響很大，如熔融石英全由硅氧四面體構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，正負離子間鍵力大，故具有最小的熱膨脹系數(shù)。加入堿金屬或堿土金屬氧化物能使網(wǎng)絡(luò)斷裂，造成玻璃膨脹系數(shù)的增大。若加入B2O3、Al2O3和Ga2O3等網(wǎng)絡(luò)形成劑，它們可以參與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，使已斷裂的硅氧網(wǎng)絡(luò)重新連接起來，增強了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致膨脹系數(shù)下降。如果再增加，又將作為網(wǎng)絡(luò)改變劑存在，使膨脹系數(shù)增大。如果加入鍵力較高的離子如Zn2+，Zr4+和Th4+等，由于它們處于網(wǎng)絡(luò)間空隙，對周圍硅氧四面體起聚集作用，增加結(jié)構(gòu)的緊密性，也促使膨脹系數(shù)下降。物質(zhì)的熱傳導(dǎo)系數(shù)是指單位溫度梯度條件下，單位時間

15、內(nèi)通過橫截面的熱量。它反映了物質(zhì)傳導(dǎo)熱量的難易，其倒數(shù)值稱為熱阻。固體的熱傳導(dǎo)是晶格和電子引起的熱傳導(dǎo)的總和。金屬材料熱傳導(dǎo)主要以電子傳導(dǎo)為主，無機非金屬材料由于自由電子少，則主要靠晶格導(dǎo)熱為主。陶瓷作為典型的無機非金屬材料之一，其導(dǎo)熱問題屬于多相材料導(dǎo)熱，材料中的氣孔大大降低陶瓷材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)。絕熱磚就是依據(jù)氣孔導(dǎo)熱系數(shù)低的原理提高材料的保溫性。2、無機非金屬材料的力學(xué)性質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì)是指在受載荷時所出現(xiàn)的形狀改變及其斷裂的性質(zhì)。載荷大小可以是穩(wěn)定的，也可以是連續(xù)變動的；從載荷時間上來看，可以是幾分之一秒或更短些，也可以是許多年；從材料的使用環(huán)境看，可以是室溫、低溫或高溫，有時甚至是腐蝕

16、性介質(zhì)載荷。許多無機非金屬材料都是作為結(jié)構(gòu)材料使用，其承受載荷時的變形情況是結(jié)構(gòu)材料可靠性的重要性能。因此，研究材料的力學(xué)性質(zhì)具有十分重要的意義。金屬材料受力變形一般分為彈性變形、塑性變形和斷裂三個階段。大部分的無機非金屬材料和具有延展性的金屬不同，幾乎沒有塑性變形或者很小塑性變形，但有些材料存在蠕變現(xiàn)象。無機非金屬材料的受力變形過程、承載力大小也是和材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、鍵強和鍵能的關(guān)系緊密相關(guān)。材料的斷裂隨材料的構(gòu)造、應(yīng)力、溫度和環(huán)境條件不同，分為脆性斷裂、延性斷裂和蠕變斷裂等。玻璃是脆性斷裂的典型材料。高溫下的陶瓷有時蠕變斷裂。材料的斷裂機理一般運用Griffith理論得以解釋，Griffit

17、h認為，微裂縫的端部正是應(yīng)力集中的地方，其鄰近所儲存的應(yīng)變能逐步變成斷裂表面能而使微裂紋進一步擴展，造成強度逐步降低。因此材料的斷裂過程分為兩步，一是微裂紋的產(chǎn)生，二是微裂紋的擴展。3、無機非金屬材料的電性質(zhì) 無機非金屬材料與金屬材料不同，其自由電子很少，導(dǎo)電性能較差。但是由于結(jié)構(gòu)的敞曠性，許多材料具有較好的離子導(dǎo)電性。例如氟化鈣型的化合物，當(dāng)加入堿土金屬氧化物氧化鈣等氧化物后，形成屬于氟化鈣型結(jié)構(gòu)的固溶體。由于添入的是低價正離子，要使結(jié)構(gòu)達到電價平衡，必然在結(jié)構(gòu)中形成大量空穴，這樣就可以通過離子固溶大大增加材料的離子導(dǎo)電性。 半導(dǎo)體是另一類重要的無機非金屬材料。根據(jù)禁帶寬度和晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，

18、可以判斷哪些材料可能是半導(dǎo)體材料。也可以根據(jù)從常用半導(dǎo)體鍺和硅的結(jié)構(gòu)特點來判斷和研究。許多半導(dǎo)體具有負離子緊密堆積排列的結(jié)構(gòu)，同時負離子占據(jù)其四面體而不是八面體空隙。閃鋅礦結(jié)構(gòu)及其衍生物就是很好的例子。摻雜可以改善半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，摻入電子價數(shù)較基體材料高的雜質(zhì)，由于增加了導(dǎo)帶中自由電子數(shù)，這種雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)，其形成的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。反之，摻入價數(shù)較低的雜質(zhì)形成的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。由于雜質(zhì)的電價可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，因此改變雜質(zhì)的濃度和反應(yīng)氣氛還可以制造出非化學(xué)計量化合物半導(dǎo)體。例如，將ZnO放在含Zn氣的還原氣氛中，可以制造出含鋅的N型半導(dǎo)體。硅酸鹽材料在電學(xué)中常用作電容器內(nèi)的介

19、電質(zhì)以及電的絕緣材料。隨著近代電氣工業(yè)和電子技術(shù)的迅速發(fā)展，材料的介電性、鐵電性和壓電性對新技術(shù)的研究和使用作用越來越大。甚至有時因材料在這方面性質(zhì)的限制，使技術(shù)的進一步改進形成障礙。影響材料介電性的主要因素是材料的極化率。極化率極強的電介質(zhì)可以作為鐵電體。某些晶體受外界應(yīng)力作用而變形時，好象電場施加在鐵電體一樣，有偶極矩形成，在相應(yīng)晶體表面產(chǎn)生極化電荷，用電位劑在相反表面上可測出電壓；如果施加相反應(yīng)力，則改變電位符號。這種現(xiàn)象即是材料的壓電效應(yīng)。所有的鐵電材料都有壓電性，但是具有壓電性的材料不一定是鐵電體。四、無機非金屬材料的發(fā)展人類發(fā)展的歷史證明：材料是社會進步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類進步

20、的里程碑。每一種重要材料的發(fā)現(xiàn)和利用，都會給把人類的物質(zhì)文明和精神文明向前推進一步。例如，半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，對電子工業(yè)的發(fā)展具有巨大的推動作用。計算機小型化和功能的提高，與鍺、硅等半導(dǎo)體材料密切相關(guān)。鋼鐵冶煉發(fā)展過程中的每一次重大演變，都有賴于耐火材料新品種的開發(fā)。玻璃瓶罐、器皿、保溫瓶、工藝美術(shù)品等，已成為人們生活用品的一部分。窗玻璃、平板玻璃、空心玻璃磚、飾面板和隔聲、隔熱的泡沫玻璃，在現(xiàn)代建筑中得到了普遍的采用；光導(dǎo)纖維的出現(xiàn)，改變了整個通信體系，使“信息高速公路”的設(shè)想成為現(xiàn)實；玻璃纖維、玻璃棉及其紡織品，是電器絕緣、化工過濾和隔聲、隔熱、耐蝕的優(yōu)良材料，它們與各種樹脂制成的玻璃鋼，質(zhì)

21、量輕、強度高、耐蝕、耐熱，用于制造絕緣器件和各種殼體。新型結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷，由于其高溫下的高強度、高硬度、抗氧化、耐磨損、耐燒蝕等特性，為先進熱機的耐熱、耐磨部件的應(yīng)用開辟了良好的前景。超導(dǎo)陶瓷的出現(xiàn)，成為現(xiàn)代物理學(xué)和材料科學(xué)的重大突破。生物陶瓷，由于其優(yōu)良的生物相容和生物活性等特殊性能，已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程中，人工晶體、無機涂層、無機纖維等先進材料已逐漸成為近代尖端科學(xué)技術(shù)的重要組成部分。未來科學(xué)技術(shù)，尤其是高技術(shù)的發(fā)展，對各種無機非金屬材料提出了更多、更高和更新的要求。先進陶瓷從原來的多相結(jié)構(gòu)到趨向于單相結(jié)構(gòu)，又趨向于更復(fù)雜的多相復(fù)合結(jié)構(gòu)；納米陶瓷的研究正向縱深發(fā)展，有望得到性能更好

22、的納米陶瓷制品；陶瓷強化與增韌的研究取得了明顯的成就。新發(fā)展的納米陶瓷和陶瓷的晶界應(yīng)力設(shè)計，可望成為解決陶瓷脆性問題的有效途徑；先進功能陶瓷的精細復(fù)合原理及其工藝的研究為人們所矚目；無機非金屬材料逐步向多功能和良好的環(huán)境協(xié)調(diào)性方向發(fā)展；兼具感知和驅(qū)動功能于一身的機敏陶瓷研究正在啟動。多功能和機敏無機涂層的研究具有極大的發(fā)展前景；生物陶瓷和仿生研究將為人類自身造福。非晶態(tài)材料的制備逐步擺脫傳統(tǒng)工藝，向氧化物以外的化合物方向發(fā)展；溶膠-凝膠法在不需要高溫的條件下制備玻璃的技術(shù)正日益受到重視。這種工藝的應(yīng)用對于平板玻璃表面進行處理加工，非晶功能薄膜傳感器元件的制造，以及各種非晶態(tài)涂層、多孔膜的制備都

23、具有潛在的價值。采用新的工藝設(shè)備，高效地生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的傳統(tǒng)的玻璃產(chǎn)品，或?qū)λ鼈冏魃疃燃庸?、表面處理、施加變色涂層以求達到具有智能化的節(jié)能效果等，也是玻璃未來的發(fā)展目標。玻璃超導(dǎo)體、玻璃快離子和質(zhì)子導(dǎo)體、熱釋電微晶玻璃、非線性光學(xué)玻璃的進一步開發(fā)，將成為玻璃研究的重要任務(wù)。仿生技術(shù)和材料復(fù)合新技術(shù)的不斷發(fā)展，使材料科學(xué)家正在試圖用新的眼光去尋覓水硬性膠凝材料的配方，以期開發(fā)出能替代鋼材和塑料的制品。而由水泥和超細材料以及一些高強纖維組成的高強膠凝材料，即DSP材料的開發(fā)成功，使水泥基材料的韌性、拉伸強度和斷裂柔度提高到了一個嶄新的高度。DSP材料基本上可以很好地替代鑄石、橡膠和鋼材用作襯里材料，甚至已成功地用于生產(chǎn)工程零部件，如螺絲刀、水泥磨的勺式喂料裝置和生產(chǎn)車床的沖壓模具等。而與此相類似的MDF水泥，由于其強度和剛度可與鋁合金媲美，且具有有機玻璃的韌性，因此，可作為某些特殊領(lǐng)域的功能性材料。水泥混凝土不斷向高性能方向發(fā)展，超高性能混凝土(UHPC)的出現(xiàn)，將創(chuàng)造新的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，使土木工程面貌一新。此外，采用堿激發(fā)方法生