無機(jī)非金屬材料科學(xué)前沿

1、無機(jī)非金屬材料科學(xué)前沿班級(jí)：SJ1159姓名：薛燕紅學(xué)號(hào)：201120181037摘要：無機(jī)非金屬新材料是發(fā)展現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)不可缺少的 基礎(chǔ)材料，隨全球經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇及進(jìn)一步發(fā)展，無機(jī)非金屬新材料進(jìn)入了一個(gè)重要發(fā) 展規(guī)劃機(jī)遇期本文闡述了無機(jī)非金屬新材料的現(xiàn)狀和發(fā)展，在國民經(jīng)濟(jì)中的地位 和作用，國際上發(fā)展的現(xiàn)狀和動(dòng)向，我國的成就和差距。關(guān)鍵詞:無機(jī)非金屬新材料 現(xiàn)狀 發(fā)展1引言無機(jī)非金屬材料研究領(lǐng)域支持針對(duì)以無機(jī)非金屬體系為主體的各類材料的 基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。隨著材料設(shè)計(jì)理論和制備與表征技術(shù)的不斷創(chuàng)新，一大批 新型無機(jī)非金屬材料，如陶瓷超導(dǎo)體、智能陶瓷材料、各類無機(jī)非金屬基能源材 料

2、和生物醫(yī)用材料、納米材料等不斷涌現(xiàn)，使該領(lǐng)域的科學(xué)研究日趨活躍。目前， 無機(jī)非金屬材料研究中，功能材料向著高性能、高可靠性、高靈敏、智能化、多 功能化以及功能集成化的方向發(fā)展；結(jié)構(gòu)陶瓷材料向著復(fù)合化、高強(qiáng)度、高韌性、 耐磨損、抗腐蝕、耐高溫、低能耗、低成本和高可靠性方向發(fā)展。在發(fā)展新材料 的同時(shí)，傳統(tǒng)材料也不斷地得到改造、更新和發(fā)展。無機(jī)非金屬材料在信息、生 命、能源與環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用以及和相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的交叉也越來越受到重視。從 近三年的受理情況看，無機(jī)非金屬材料的研究涉及內(nèi)容逐漸擴(kuò)展，交叉性越來越 強(qiáng)，申請(qǐng)項(xiàng)目數(shù)量逐年增加。無機(jī)非金屬新材料已廣泛用于軍事裝備和設(shè)施，如軍用飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、

3、核武器及偵察、通訊、制導(dǎo)、隱身及防御系統(tǒng)。其水平的高低直接關(guān)系到國家安 全。如沒有高性能微光夜視儀，戰(zhàn)士夜間作戰(zhàn)就看不清目標(biāo);沒有高性能激光測 距和制導(dǎo)，大炮、火箭就成“盲人”；應(yīng)用高空偵察衛(wèi)星，可以將敵方的兵力部 署，調(diào)動(dòng)情況了如指掌等。這些都是以無機(jī)非金屬新材料為基礎(chǔ)的。體現(xiàn)當(dāng)代最 高水平的軍事和科學(xué)的競爭的美國“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃，法國和西歐的“尤里卡” 計(jì)劃，蘇聯(lián)，東歐的“科學(xué)技術(shù)進(jìn)步綜合綱要”和日本的“月光計(jì)劃”等，都把 無機(jī)非金屬新材料放在極其重要的地位。由此可見，無機(jī)非金屬新材料是有極其 深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)意義的，是面向21世紀(jì)，以電子信息為中心的高技術(shù)競 爭的關(guān)鍵性材料，應(yīng)予以高

4、度重視。2國外的發(fā)展現(xiàn)狀無機(jī)非金屬新材料受到世界各國的普遍重視，是當(dāng)今“材料革命”和爭奪高 科技領(lǐng)導(dǎo)權(quán)的前沿陣地。據(jù)日本通產(chǎn)省“新材料現(xiàn)狀和預(yù)測”中預(yù)計(jì)，新材料在 2000年將形成新產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)值將占國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的10%左右;蘇聯(lián)東歐把新材 料列人5個(gè)優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域之一，西方七國正在研制的六種材料中，有5種與無 機(jī)非金屬新材料有密切關(guān)系，南朝鮮重點(diǎn)發(fā)展的六項(xiàng)高、新技術(shù)中，有5種是以 無機(jī)非金屬新材料為基礎(chǔ)的。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們已經(jīng)通過表面(或 介面)技術(shù)、摻雜技術(shù)、高純化技術(shù)、結(jié)品化和非晶態(tài)化技術(shù)、復(fù)合技術(shù)、分子 雜交技術(shù)等進(jìn)行“材料設(shè)計(jì)”，研制出具有特殊功能、復(fù)合功能的新材料。主要

5、 表現(xiàn)在：結(jié)構(gòu)材料復(fù)合化隨著航天、原子能技術(shù)和超高溫、超高壓、超高真空等極限技術(shù)的發(fā)展，單純的 金屬、有機(jī)高分子和陶瓷材料已經(jīng)不能適應(yīng)這樣嚴(yán)酷的環(huán)境條件。出現(xiàn)了利用微 細(xì)粉體、顆粒、空心微珠、纖維、品體及不同品型等的材料與樹脂、金屬及陶瓷 復(fù)合，進(jìn)而使陶瓷增韌、纖維補(bǔ)強(qiáng)、制得金屬陶瓷.及新型高性能材料。獲得輕 質(zhì)、高強(qiáng)、耐磨、耐高溫?zé)g、高絕緣、高導(dǎo)熱、耐輻射及抗化學(xué)腐蝕等特殊性 能。最近又出現(xiàn)了應(yīng)用超細(xì)陶瓷和金屬微粒、微孔、纖維及超薄膜等控制的原子、 分子級(jí)水平技術(shù)基礎(chǔ)上的梯度功能材料。并著手研究自我復(fù)原、自我調(diào)節(jié)或控制、 自我診斷等“智能”材料。功能材料集成化 隨著集成電路向大容量、微型化

6、、高密度、專用化、高可靠、高速化、大規(guī)模、 超大規(guī)模發(fā)展，又出現(xiàn)了通過激光(或高頻)，等離子化學(xué)氣相沉積，物理氣相沉 積，離子擴(kuò)散、離子注人、溶膠凝膠等薄膜技術(shù)，紫外及X射線蝕刻微電路，使 半導(dǎo)體基片數(shù)據(jù)貯存能力提高上千倍，采用微組裝技術(shù)制作三維集成電路，并研 制成功光集成電路等。極限技術(shù)和高技術(shù)得到廣泛應(yīng)用在制造新型無機(jī)非金屬材料過程中，已廣泛應(yīng)用超高純、超微細(xì)顆粒原料、超高 溫、超高壓、超高真空技術(shù)，和無重力等極限技術(shù)。應(yīng)用激光技術(shù)、電子技術(shù)、 電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、核技術(shù)及超微細(xì)加工技術(shù)來實(shí)現(xiàn)“材料設(shè)計(jì)”。制造出超塑性 陶瓷、低損耗光學(xué)纖維、高性能復(fù)合材料、超硬品體、大型激光品體、閃爍品體、

7、品體薄漠、品體纖維及其非晶態(tài)材料等。發(fā)展迅速、新材料不斷涌現(xiàn)當(dāng)前新材料發(fā)展和更替之快是空前的，以電子信息材料為例，半導(dǎo)體材料將超越 硅半導(dǎo)體基本材料的階段，開發(fā)神化稼、磷化錮超高速計(jì)算機(jī)芯片新材料，并將 研制出更高性能的金剛石半導(dǎo)體;光學(xué)纖維十多年前還鮮為人知，僅是科學(xué)家、 工程師們致力研究和開發(fā)的對(duì)象，隨著激光材料，發(fā)光二極管、接受器及數(shù)字轉(zhuǎn) 換器的發(fā)展，目前光纖每秒鐘能傳遞幾十億比特的信息，比普通電線負(fù)載量大上 千倍。3我國的現(xiàn)狀我國目前從事無機(jī)非金屬新材料研制，生產(chǎn)的單位主要集中在建材、中國科 學(xué)院、教委等系統(tǒng)。國家建材局所屬科研院所是起步最早、規(guī)格最大、門類最全 的單位，是五十年代末期

8、為配合當(dāng)時(shí)研制“兩彈”、“一機(jī)”而創(chuàng)建和發(fā)展起來的。 到目前為止已研制和生產(chǎn)了特種玻璃、玻璃纖維和特種纖維、石英玻璃、玻璃鋼 和高性能復(fù)合材料、特種陶瓷、人工品體、特種密封材料和特種膠凝材料等八大 類，共3000余種產(chǎn)品?！傲濉蹦┠戤a(chǎn)值18 一 20億元，預(yù)計(jì)“七五”末可達(dá) 54億元左右，并初步形成非金屬新材料產(chǎn)業(yè)。主要表現(xiàn)：為國防軍工，高技術(shù)提供了關(guān)鍵產(chǎn)品為火箭、導(dǎo)彈等提供了耐燒蝕、防熱玻璃鋼復(fù)合材料、透微波、透紅外線天線 罩材料、大型固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體及導(dǎo)彈發(fā)射基地用特種膠凝材料等。為國產(chǎn)軍用飛機(jī)配套、研制和生產(chǎn)了 30個(gè)機(jī)種60種規(guī)格的飛機(jī)玻璃，并為艦、 船、坦克等提供了安全、防彈玻璃。為

9、軍用電子信息產(chǎn)品提供了大型(直經(jīng)44m)警戒引導(dǎo)雷達(dá)天線罩、集成電路基 片、硼、磷擴(kuò)散源、陶瓷劈刀、各種石英玻璃制品，低熔玻璃、光掩模板、超硬 晶體激光品體，閃爍品體、壓電品體等人工品體、光學(xué)纖維面板微通道板。其 中濾紫外石英玻璃，用于某些兵器的激光測距儀，提高激光效率2倉一 50%，實(shí) 現(xiàn)固體激光器的小型化、實(shí)用化.當(dāng)年就節(jié)約外匯5000美元，并為國家創(chuàng)匯3500 萬美元，打破了外國的軍事封鎖。為國民經(jīng)濟(jì)各部門提供了高效、節(jié)能、防腐等新材料玻璃鋼制作的發(fā)電廠用大型軸流風(fēng)機(jī)葉片，重量只有金屬葉片的二分之一，每 臺(tái)每年可節(jié)電20萬度;玻璃酸洗筒成本不足不銹鋼的十分之一，壽命卻是不銹鋼 的20倍左

10、右，局部損壞還可以修補(bǔ);用復(fù)合材料抽油桿部分代替鋼抽油桿，產(chǎn)油 量可增加15%，節(jié)電22%左右。玻璃鋼冷卻塔已廣泛用于化工和民用領(lǐng)域，大量 節(jié)約了工業(yè)和民用水資源。金剛石框架鋸用于石材加工，生產(chǎn)率可提高3倍以上，成本降低20%，出材率 提高20%，節(jié)電15 一 20%。C無堿玻璃纖維高級(jí)電機(jī)絕緣材料，已實(shí)現(xiàn)了自給，頂替了 30萬千瓦、60萬千 瓦大型電機(jī)絕緣材料的進(jìn)口，達(dá)到產(chǎn)品升級(jí)、換代和出口創(chuàng)匯。碳纖維密封材料的使用壽命比原來的石棉材料提高15 一 20倍，原從日本進(jìn)口 要每公斤1300美元，而國內(nèi)生產(chǎn)每公斤300元。E玻璃纖維高溫過濾布袋:耐高溫、耐腐蝕、不變形，不粘袋，用于碳黑、冶金、

11、化工、電廠及水泥等煙塵過濾和副產(chǎn)品回收，其效率高達(dá)99.5 一 100%。E賽隆(sialon)陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫等特性，用它制作金屬切削工 具，比合金鋼刀具的切削速度高15 一 20倍;用它制作分離環(huán)，連續(xù)澆鑄鋼水千 噸以上不破壞，達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口替代。G.多孔陶瓷用于固液、因氣分離，比原有布袋分離器的壽命高80 一 100倍，每 年可節(jié)約上億度電。開發(fā)了一批高性能、高水平產(chǎn)品和技術(shù)(4)軍工產(chǎn)品技術(shù)轉(zhuǎn)向民用，開創(chuàng)了形成新型產(chǎn)業(yè)的條件玻璃鋼和高性能復(fù)合材料目前40%的市場是用于民用工業(yè)的，如：建筑用玻璃鋼 有波形瓦、活動(dòng)鋼房、整體衛(wèi)生間、衛(wèi)生潔具、門、窗、化工防腐

12、設(shè)備、冷卻塔 等，今后汽車工業(yè)將逐步擴(kuò)大其市場需要，估計(jì)到2000年其用量將提高到20% 左右;航空玻璃的增強(qiáng)技術(shù)，鍍膜技術(shù)等也大部分轉(zhuǎn)移到量大面廣的建筑用熱吸 收、熱反射玻璃、彩色膜玻璃和汽車安全玻璃；高性能陶瓷、玻璃纖維和特種纖 維、人工晶體也都在擴(kuò)大民用市場，這就為開創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)奠定了基礎(chǔ)。4科技發(fā)展趨勢隨著材料研究工作的不斷深入，無機(jī)非金屬新材料的科技發(fā)展大致展現(xiàn)出以 下五個(gè)方面的趨勢：低維化。未來的發(fā)展將以納米器件為中心來研究納米材料的合成與性能調(diào)控。復(fù)合化或雜化。功能的復(fù)合將使結(jié)構(gòu)材料與功能材料的界限逐步消失。納米 復(fù)合材料的出現(xiàn)，可以把不同功能的材料從微觀上復(fù)合在一起,形成緊湊的智

13、能 材料。智能化。材料在接受外部環(huán)境變化的信息時(shí)，能實(shí)時(shí)反饋，并自動(dòng)做相應(yīng)的功 能調(diào)整。如智能濕度控制材料，指不需要借助任何人工能源和機(jī)械設(shè)備，依靠自身 的吸放濕性能，感應(yīng)所調(diào)空間空氣溫、濕度的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)相對(duì)濕度的材料，是 智能自動(dòng)式。環(huán)境友好化。發(fā)揮無機(jī)非金屬新材料的特點(diǎn)，加強(qiáng)起改善環(huán)境的關(guān)鍵材料的研 究，如能解決建筑自潔的光催化建筑材料，對(duì)藥物、食物和污水處理的無機(jī)膜分離 材料，永久處理核廢物的固化材料等。組織性能的可剪裁化?；跓o機(jī)非金屬新材料科學(xué)的發(fā)展，材料組織形態(tài)變化 規(guī)律的認(rèn)識(shí)，制備技術(shù)的完善，合成工藝專家系統(tǒng)的建立等,使材料科技工作者有 可能應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，模糊邏輯、數(shù)學(xué)圖像

14、等近代技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行剪裁與設(shè)計(jì)， 制造出預(yù)定性能的材料。5產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、全球化趨勢的加快，國內(nèi)非金屬新材料產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出 以下主要的發(fā)展趨勢:(1)發(fā)展體現(xiàn)出多學(xué)科交叉;產(chǎn)業(yè)上下游進(jìn)一步融合；產(chǎn)業(yè)規(guī)模急劇擴(kuò)大；開發(fā)與應(yīng)用聯(lián)系更加緊密；和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展；降低加工及制造成本，提高質(zhì)量增強(qiáng)市場競爭能力;縮短從技術(shù)到產(chǎn)品器件的制造周期；提高資源的綜合利用率和經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)束語無機(jī)非金屬新材料是當(dāng)今爭奪高技術(shù)主導(dǎo)權(quán)的前沿陣地，受到世界各國普遍 的重視。無機(jī)非金屬新材料種類繁多，在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著 無法替代的作用。無機(jī)非金屬新材料某領(lǐng)域一旦取得突破性的進(jìn)展，將帶來相應(yīng)

15、技術(shù)迅猛的發(fā)展，進(jìn)而能通過相應(yīng)產(chǎn)業(yè)推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。參考文獻(xiàn)1杜惠麗.無機(jī)非金屬新材料國民經(jīng)濟(jì)和國防工業(yè)的“糧食” J.中國建材，2001, (2): 79-81.2張雯,熊秋明.無機(jī)非金屬材料的發(fā)展階段及特征J.陶瓷工程，1999, 33(6): 48-50.3 AlainTressaud. Inorganic fluorinated materials in France: re-cent developments. Journal of Fluorine Chemistry, 1999,100(1-2): 53-55.4杜惠麗，常青.跟蹤前沿保持優(yōu)勢跨越發(fā)展我國無機(jī)非金屬新材料工業(yè)發(fā)展

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