无机非金属材料科学前沿

1、无机非金属材料科学前沿班级：SJ1159姓名：薛燕红学号：201120181037摘要：无机非金属新材料是发展现代工业、农业、国防和科学技术不可缺少的 基础材料，随全球经济复苏及进一步发展，无机非金属新材料进入了一个重要发 展规划机遇期本文阐述了无机非金属新材料的现状和发展，在国民经济中的地位 和作用，国际上发展的现状和动向，我国的成就和差距。关键词:无机非金属新材料 现状 发展1引言无机非金属材料研究领域支持针对以无机非金属体系为主体的各类材料的 基础和应用基础研究。随着材料设计理论和制备与表征技术的不断创新，一大批 新型无机非金属材料，如陶瓷超导体、智能陶瓷材料、各类无机非金属基能源材 料和生物医用材料、纳米材料等不断涌现，使该领域的科学研究日趋活跃。目前， 无机非金属材料研究中，功能材料向着高性能、高可靠性、高灵敏、智能化、多 功能化以及功能集成化的方向发展；结构陶瓷材料向着复合化、高强度、高韧性、 耐磨损、抗腐蚀、耐高温、低能耗、低成本和高可靠性方向发展。在发展新材料 的同时，传统材料也不断地得到改造、更新和发展。无机非金属材料在信息、生 命、能源与环境等领域的应用以及和相关科

2、学领域的交叉也越来越受到重视。从 近三年的受理情况看，无机非金属材料的研究涉及内容逐渐扩展，交叉性越来越 强，申请项目数量逐年增加。无机非金属新材料已广泛用于军事装备和设施，如军用飞机、火箭、导弹、 核武器及侦察、通讯、制导、隐身及防御系统。其水平的高低直接关系到国家安 全。如没有咼性能微光夜视仪，战士夜间作战就看不清目标;没有咼性能激光测 距和制导，大炮、火箭就成“盲人”；应用高空侦察卫星，可以将敌方的兵力部 署，调动情况了如指掌等。这些都是以无机非金属新材料为基础的。体现当代最 高水平的军事和科学的竞争的美国“星球大战”计划，法国和西欧的“尤里卡” 计划，苏联，东欧的“科学技术进步综合纲要”和日本的“月光计划”等，都把 无机非金属新材料放在极其重要的地位。由此可见，无机非金属新材料是有极其 深远的战略意义和经济意义的，是面向21世纪，以电子信息为中心的高技术竞 争的关键性材料，应予以高度重视。2国外的发展现状无机非金属新材料受到世界各国的普遍重视，是当今“材料革命”和争夺高 科技领导权的前沿阵地。据日本通产省“新材料现状和预测”中预计，新材料在 2000年将形成新产业，其产值将占国

3、民经济总产值的10%左右;苏联东欧把新材 料列人5个优先发展的领域之一，西方七国正在研制的六种材料中，有5种与无 机非金属新材料有密切关系，南朝鲜重点发展的六项高、新技术中，有5种是以 无机非金属新材料为基础的。随着科学技术的飞速发展，人们已经通过表面(或 介面)技术、掺杂技术、高纯化技术、结晶化和非晶态化技术、复合技术、分子 杂交技术等进行“材料设计”，研制出具有特殊功能、复合功能的新材料。主要 表现在：(I) 结构材料复合化随着航天、原子能技术和超咼温、超咼压、超咼真空等极限技术的发展，单纯的 金属、有机高分子和陶瓷材料已经不能适应这样严酷的环境条件。出现了利用微 细粉体、颗粒、空心微珠、纤维、晶体及不同晶型等的材料与树脂、金属及陶瓷 复合，进而使陶瓷增韧、纤维补强、制得金属陶瓷及新型高性能材料。获得轻 质、高强、耐磨、耐高温烧蚀、高绝缘、高导热、耐辐射及抗化学腐蚀等特殊性 能。最近又出现了应用超细陶瓷和金属微粒、微孔、纤维及超薄膜等控制的原子、 分子级水平技术基础上的梯度功能材料。并着手研究自我复原、自我调节或控制、 自我诊断等“智能”材料。(2) 功能材料集成化随着集成电路向大

4、容量、微型化、高密度、专用化、高可靠、高速化、大规模、 超大规模发展，又出现了通过激光(或高频)，等离子化学气相沉积，物理气相沉 积，离子扩散、离子注人、溶胶凝胶等薄膜技术，紫外及X射线蚀刻微电路，使 半导体基片数据贮存能力提高上千倍，采用微组装技术制作三维集成电路，并研 制成功光集成电路等。(3) 极限技术和高技术得到广泛应用在制造新型无机非金属材料过程中，已广泛应用超高纯、超微细颗粒原料、超高 温、超高压、超高真空技术，和无重力等极限技术。应用激光技术、电子技术、 电子计算机技术、核技术及超微细加工技术来实现“材料设计”制造出超塑性 陶瓷、低损耗光学纤维、高性能复合材料、超硬晶体、大型激光晶体、闪烁晶体、 晶体薄漠、晶体纤维及其非晶态材料等。(4) 发展迅速、新材料不断涌现当前新材料发展和更替之快是空前的，以电子信息材料为例，半导体材料将超越 硅半导体基本材料的阶段，开发砷化稼、磷化锢超高速计算机芯片新材料，并将 研制出更高性能的金刚石半导体;光学纤维十多年前还鲜为人知，仅是科学家、 工程师们致力研究和开发的对象，随着激光材料，发光二极管、接受器及数字转 换器的发展，目前光纤每秒钟

5、能传递几十亿比特的信息，比普通电线负载量大上 千倍。3我国的现状我国目前从事无机非金属新材料研制，生产的单位主要集中在建材、中国科 学院、教委等系统。国家建材局所属科研院所是起步最早、规格最大、门类最全 的单位，是五十年代末期为配合当时研制“两弹”、“一机”而创建和发展起来的。 到目前为止已研制和生产了特种玻璃、玻璃纤维和特种纤维、石英玻璃、玻璃钢 和高性能复合材料、特种陶瓷、人工晶体、特种密封材料和特种胶凝材料等八大 类，共3000余种产品。“六五”末年产值18 一 20亿元，预计“七五”末可达 54亿元左右，并初步形成非金属新材料产业。主要表现：(1) 为国防军工，高技术提供了关键产品A. 为火箭、导弹等提供了耐烧蚀、防热玻璃钢复合材料、透微波、透红外线天线 罩材料、大型固体发动机壳体及导弹发射基地用特种胶凝材料等。B. 为国产军用飞机配套、研制和生产了 30个机种60种规格的飞机玻璃，并为舰、 船、坦克等提供了安全、防弹玻璃。C. 为军用电子信息产品提供了大型(直经44m)警戒引导雷达天线罩、集成电路基 片、硼、磷扩散源、陶瓷劈刀、各种石英玻璃制品，低熔玻璃、光掩模板、超硬 晶体

6、激光晶体，闪烁晶体、压电晶体等人工晶体、光学纤维面板微通道板。其 中滤紫外石英玻璃，用于某些兵器的激光测距仪，提高激光效率2仓一 50%,实 现固体激光器的小型化、实用化当年就节约外汇5000美元，并为国家创汇3500 万美元，打破了外国的军事圭寸锁。(2) 为国民经济各部门提供了高效、节能、防腐等新材料A. 玻璃钢制作的发电厂用大型轴流风机叶片，重量只有金属叶片的二分之一，每 台每年可节电20万度;玻璃酸洗筒成本不足不锈钢的十分之一，寿命却是不锈钢 的20倍左右，局部损坏还可以修补;用复合材料抽油杆部分代替钢抽油杆，产油 量可增加15%，节电22%左右。玻璃钢冷却塔已广泛用于化工和民用领域，大量 节约了工业和民用水资源。B. 金刚石框架锯用于石材加工，生产率可提高3倍以上，成本降低20%，出材率 提高20%，节电15 一 20%。C无碱玻璃纤维高级电机绝缘材料，已实现了自给，顶替了 30万千瓦、60万千 瓦大型电机绝缘材料的进口，达到产品升级、换代和出口创汇。D. 碳纤维密封材料的使用寿命比原来的石棉材料提高15 一 20倍，原从日本进口 要每公斤1300美元，而国内生产每公斤300

7、元。E玻璃纤维高温过滤布袋:耐高温、耐腐蚀、不变形，不粘袋，用于碳黑、冶金、 化工电厂及水泥等烟尘过滤和副产品回收，其效率高达99.5 一 100%。E赛隆(sialon)陶瓷具有高强度、高硬度、耐高温等特性，用它制作金属切削工 具，比合金钢刀具的切削速度高15 一 20倍;用它制作分离环，连续浇铸钢水千 吨以上不破坏，达到国外同类产品水平，实现了进口替代。G.多孔陶瓷用于固液、因气分离，比原有布袋分离器的寿命高80 一 100倍，每 年可节约上亿度电。开发了一批高性能、高水平产品和技术(4)军工产品技术转向民用，开创了形成新型产业的条件玻璃钢和高性能复合材料目前40%的市场是用于民用工业的，如：建筑用玻璃钢 有波形瓦、活动钢房、整体卫生间、卫生洁具、门、窗、化工防腐设备、冷却塔 等，今后汽车工业将逐步扩大其市场需要，估计到2000年其用量将提高到20% 左右;航空玻璃的增强技术，镀膜技术等也大部分转移到量大面广的建筑用热吸 收、热反射玻璃、彩色膜玻璃和汽车安全玻璃；高性能陶瓷、玻璃纤维和特种纤 维、人工晶体也都在扩大民用市场，这就为开创新型产业奠定了基础。4科技发展趋势随着材料研究工

8、作的不断深入，无机非金属新材料的科技发展大致展现出以 下五个方面的趋势：(1) 低维化。未来的发展将以纳米器件为中心来研究纳米材料的合成与性能调控。(2) 复合化或杂化。功能的复合将使结构材料与功能材料的界限逐步消失。纳米 复合材料的出现，可以把不同功能的材料从微观上复合在一起，形成紧凑的智能 材料。(3) 智能化。材料在接受外部环境变化的信息时，能实时反馈，并自动做相应的功 能调整。如智能湿度控制材料，指不需要借助任何人工能源和机械设备，依靠自身 的吸放湿性能，感应所调空间空气温、湿度的变化，自动调节相对湿度的材料，是 智能自动式。(4) 环境友好化。发挥无机非金属新材料的特点，加强起改善环境的关键材料的研 究，如能解决建筑自洁的光催化建筑材料,对药物、食物和污水处理的无机膜分离 材料，永久处理核废物的固化材料等。(5) 组织性能的可剪裁化。基于无机非金属新材料科学的发展，材料组织形态变化 规律的认识，制备技术的完善，合成工艺专家系统的建立等,使材料科技工作者有 可能应用计算机技术，模糊逻辑、数学图像等近代技术对材料进行剪裁与设计， 制造出预定性能的材料。5产业发展趋势随着社会和经济

9、的发展、全球化趋势的加快，国内非金属新材料产业呈现出 以下主要的发展趋势：(1) 发展体现出多学科交叉；(2) 产业上下游进一步融合；(3) 产业规模急剧扩大；(4) 开发与应用联系更加紧密；(5) 和生态环境的协调发展；(6) 降低加工及制造成本，提高质量增强市场竞争能力；(7) 缩短从技术到产品器件的制造周期；(8) 提高资源的综合利用率和经济效益。结束语无机非金属新材料是当今争夺高技术主导权的前沿阵地，受到世界各国普遍 的重视。无机非金属新材料种类繁多,在国民经济和国防建设的各个领域发挥着 无法替代的作用。无机非金属新材料某领域一旦取得突破性的进展，将带来相应 技术迅猛的发展，进而能通过相应产业推动国民经济的发展。参考文献1杜惠丽无机非金属新材料国民经济和国防工业的“粮食” J.中国建材，2001, (2): 79-81.2张雯,熊秋明无机非金属材料的发展阶段及特征J.陶瓷工程，1999, 33(6): 48-50.3 AlainTressaud. Inorganic fluorinated materials in France: re-cent developmentsJ. Journal of Fluorine Chemistry, 1999,100(1-2): 53-55.4杜惠丽，常青.跟踪前沿保持优势跨越发展我国无机非金属新材料工业发展展望J.中国建材，2001,(4): 78-80.5 Marcelo Rousseau Valen a Schwob, Mauricio Henriquesjr., et a.l Technical potential for developing natural gas usein the Brazilian red ceramic indus tryJ. Applied Energy,2009, 86(9): 1524-1531.6 Huang Chuan zhen, Ai Xing . Development of advance

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