新型無機非金屬材料2016

1、新型無機非金屬材料,一、什么是無機非金屬材料1、材料,材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類進步的里程碑。歷史上的石器時代、青銅器時代、鐵器時代都是以材料作為時代主要標(biāo)志的。 石器、陶瓷、鐵、銅、玻璃、水泥、有機高分子（如塑料等）、單晶材料，每一種新型材料的研制成功，都引起人類文化和生活的新變化。沒有半導(dǎo)體材料，便不可能有目前的計算機技術(shù)；沒有耐高溫、高強度的特殊結(jié)構(gòu)材料，便沒有今天的宇航工業(yè)；沒有低損耗的光導(dǎo)纖維，

2、也就沒有現(xiàn)代的光通訊；沒有有機高分子材料，人們的生活也不可能像今天這樣豐富多彩。,(1)按化學(xué)組成和特性分,,無機非金屬材料,,傳統(tǒng)無機非金屬材料,新型無機非金屬材料,金屬材料,高分子材料：塑料、合成橡膠、合成纖維,2、材料的幾種分類方法,(2)按用途分,,結(jié)構(gòu)材料：,利用材料的力學(xué)和理、化性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于機械制造、工程建設(shè)、交通運輸?shù)雀鱾€工業(yè)部門,功能材料：,利用材料的熱、光、電、磁等性能用于電子、激光、通訊、能源和生物工程等許多高新

3、技術(shù)領(lǐng)域。,3、生活中的無機非金屬材料,⑴玻璃、水泥、陶瓷,⑸金剛石鉆頭,⑶手表上的“19鉆”(人造紅寶石軸承的數(shù)目),⑷玻璃刀（金剛砂）,⑵石英鐘表,⑺煤氣爐中的電子打火,⑹彩電（熒光材料）,⑻海底電纜（光導(dǎo)纖維）,⑼電腦的CPU（單晶硅）,⑽隱形飛機（特殊光學(xué)材料）,(壓電陶瓷),一般無機非金屬材料具有耐高溫、高硬度和抗腐蝕等優(yōu)良工程性能，其主要缺點是抗拉強度低、韌性差。 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要求材料具有強度高、耐腐蝕、耐高

4、溫和其他一些特殊性能，這大大促進了無機非金屬材料的發(fā)展，使無機非金屬材料領(lǐng)域除使用傳統(tǒng)的硅酸鹽材料外，出現(xiàn)了氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷等許多具有特殊性能的新型材料，廣泛應(yīng)用于建筑、冶金、機械及尖端科技領(lǐng)域。,二、幾種典型的新型無機非金屬材料,1、結(jié)構(gòu)材料——,2、功能材料——光導(dǎo)纖維（光纖）,高溫結(jié)構(gòu)陶瓷,1、結(jié)構(gòu)材料——高溫結(jié)構(gòu)陶瓷,(1)氧化鋁陶瓷,用  途,坩堝、高溫爐管、,剛玉球磨機、,高壓鈉燈燈管、,用途示例

5、：鈉蒸氣放電發(fā)光問題早在1950年就得以解決，由于沒有一種能抵御高溫鈉蒸氣（1400℃）強烈腐蝕的特殊材料，所以，直到1965年才制取第一支高壓鈉燈。,高溫結(jié)構(gòu)材料與金屬材料的性能比較：,耐高溫、耐腐蝕、硬度大、耐磨損、不怕氧化。,金屬材料： 易受腐蝕、不耐氧化、不適合高溫時使用,高純氧化鋁透明陶瓷管,氧化鋁陶瓷制品,高溫結(jié)構(gòu)材料:,(2)氮化硅陶瓷,此外，高溫結(jié)構(gòu)陶瓷還有：氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷、 、

6、 等。,Si3N4基陶瓷球軸承,氮化硅陶瓷部件,沙漠車,等,氧化鋯陶瓷,碳化硅陶瓷,(3)人造寶石,紅寶石和藍寶石的主要成分都是Al2O3（剛玉）。 紅寶石呈現(xiàn)紅色是由于其中混有少量含鉻化合物； 而藍寶石呈藍色則是由于其中混有少量含鈦化合物。 1900年，科學(xué)家曾用氧化鋁熔融后加入少量氧化鉻的方法，制出了質(zhì)量為2g-4g的紅寶石。 現(xiàn)在，已經(jīng)能制造出大到10g的紅寶石和藍寶石

7、。,1870年，英國科學(xué)家丁達爾做了一個有趣的實驗：讓一股水流從玻璃容器的側(cè)壁細(xì)口自由流出，以一束細(xì)光束沿水平方向從開口處的正對面射入水中。丁達爾發(fā)現(xiàn)，細(xì)光束不是穿出這股水流射向空氣，而是順從地沿著水流彎彎曲曲地傳播。這是光的全反射造成的結(jié)果。,2、功能材料——光導(dǎo)纖維（光纖）,光導(dǎo)原理,(1)光導(dǎo)纖維的特點和用途：,(2)光纖光纜與普通電纜比較,真正的光通信時代。目前的光纖通信，是把聲音或圖象通過電話機或電視攝像機變成電信號，再通過

8、光調(diào)制機對激光光源進行調(diào)制，把電信號變成光信號，由光導(dǎo)纖維傳送到接收端，接收端的激光接收機通過光電轉(zhuǎn)換器，把光信號還原成電信號，進入電話機或電視機，重現(xiàn)發(fā)送的聲音或圖象。未來的光纖通信，可以不用電信號，而是將聲音或圖象直接轉(zhuǎn)換成光信號用光纖進行傳輸，電只是作為能源加以使用。到那時電話、電報、電視等電通信方式將變成“光話”“光報”“光視”等光通信方式，人類將進入一個無限美好的真正的光通信時代。,現(xiàn)代通信用光纜,光導(dǎo)纖維在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用光導(dǎo)

9、纖維不但是通信技術(shù)中的重要材料，還是醫(yī)生的得力助手。目前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，普遍使用著一種連接著許多光纖的胃鏡，光纖胃鏡的光源是在體外由光纖傳進去的，它不產(chǎn)生熱輻射，能減輕病人的痛苦。在光導(dǎo)纖維的一頭裝著精致小巧的微型鏡頭，可將胃內(nèi)的情況傳到體外拍攝下來或顯示在屏幕上。光導(dǎo)纖維在醫(yī)學(xué)上的另一個重要應(yīng)用是通過微細(xì)的光纖將高強度的激光輸入人體的病變部位，用激光來切除病變部位。這種“手術(shù)”不用切開皮膚和切割肌肉組織，而且切割部位準(zhǔn)確，手術(shù)效果好。,

10、光學(xué)纖維胃鏡,用光導(dǎo)纖維做手術(shù)，不用開刀,其他新型無機非金屬材料簡介,金剛石是目前已知的最硬的材料，可以用來切削和刻劃其他物質(zhì)，被用于鉆探、磨削等行業(yè)。 但是，由于天然金剛石非常少，遠遠不能滿足生產(chǎn)和科研的需要?？茖W(xué)家們通過對石墨和金剛石同素異形體結(jié)構(gòu)的研究，指出了在一定條件下使石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的可能性。 1955年，美國首先用石墨合成出金剛石，這是材料合成領(lǐng)域的一項重大成就。 目前，世界上用石墨合成金剛石的研究

11、發(fā)展很快，我國在這方面的研究也在飛速發(fā)展，許多城市都建有人造金剛石的工廠和研究所，以滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要。,（1）金剛石,金剛石鋸片,（2）巴基球,長期以來，人們總認(rèn)為碳元素只有兩種同素異形體——金剛石和石墨，1985年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了由60個碳原子組成的分子——C60，由于對它的結(jié)構(gòu)認(rèn)識源于建筑師巴克敏斯特富勒所設(shè)計的圓拱形屋頂?shù)膯⑹?，人們把它親切地稱為“巴基球”。 巴基球現(xiàn)在已發(fā)展成一個大家族，有C60、C70、C90等。

12、 C60由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，使它在超導(dǎo)、磁性、光學(xué)、催化等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。當(dāng)堿金屬嵌入C60分子間的空隙后形成K3C60 、Rb3C60 等，均為良好的超導(dǎo)體，具有很高的臨界溫度?？茖W(xué)家預(yù)言，摻雜的C240、C540有可能成為室溫超導(dǎo)體。 C60有很強的抗壓性、良好的復(fù)原性、及高度的穩(wěn)定性，加上其分子沒有棱角，使它成為最優(yōu)良的潤滑劑。 將C60作為新型功能基團引入高分子體系，可以得到具

13、有優(yōu)異導(dǎo)電性能和光學(xué)性質(zhì)的新型功能高分子材料。 隨著對巴基球研究的深入，它的奇異性能和潛在應(yīng)用價值相繼被發(fā)現(xiàn)，人們認(rèn)為其前途不可限量。,（3）納米材料,納米材料指的是微粒直徑在10-7~10-9m級的材料，它具有奇特的光、電、磁、熱、力和化學(xué)性質(zhì)。 實驗上發(fā)現(xiàn)如果將金屬銅或鋁做成幾個納米的顆粒，一遇到空氣就會產(chǎn)生劇烈的燃燒，發(fā)生爆炸。有人認(rèn)為用納米顆粒作新型火箭的固體燃料將會有更大的推力。另外，用納米金屬顆

14、粒作催化劑可加快化學(xué)反應(yīng)過程，大大提高化工合成的生產(chǎn)效率。 如果把納米顆粒粉末制成塊狀金屬材料，它會變得十分結(jié)實，強度比一般金屬高十幾倍，同時又可以像橡膠一樣富有彈性。納米金屬有著奇異的性能——超塑延展性，納米銅在室溫下可延伸50多倍而不折斷。用這種材料制造飛機、汽車、輪船，會使它們的質(zhì)量減少到1/10。,納米碳管是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀纖維，內(nèi)部是空的，外部直徑只有幾到幾十納米。這樣的材料很輕，但很結(jié)

15、實。它的密度是鋼的1/6，而強度卻是鋼的100倍。用來做防彈背心是再好不過的了。納米碳管的細(xì)尖極易發(fā)射電子，用于做電子槍，可做成幾厘米厚的壁掛式電視。 如果把透明、防油、防水的納米材料顆粒組合在大樓表面或窗玻璃上，大樓不會被空氣中的油污弄臟，玻璃也不會沾上水蒸氣而永遠透明。 納米材料在醫(yī)學(xué)上前途不可限量。用數(shù)層納米材料包裹的智能藥物進入人體后可主動搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補損傷組織。在人工器官外面涂上

16、納米粒子可預(yù)防移植后的排異反應(yīng)。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測少量血液，就能診斷出各種疾病。納米顆粒還可用于人體的細(xì)胞分離或細(xì)胞染色，也可以用來攜帶DNA進行DNA治療基因缺陷癥。,(4)智能材料,功能材料主要利用材料的熱、光、電、磁等性能，用于電子、激光、通訊、能源和生物工程等領(lǐng)域。功能材料的最新發(fā)展是智能材料，它具有環(huán)境判斷功能，自我修復(fù)功能和時間軸功能。智能材料既能像人的五官那樣感知客觀世界，又能主動對外做功，發(fā)射聲波、輻射電

17、磁波或熱能，甚至能促進化學(xué)反應(yīng)和改變顏色等類似有生命物質(zhì)的智慧反應(yīng)。,（5）生物材料,生物材料的目標(biāo)是對人體組織的矯形、修復(fù)、再造以維持其原有的功能。生物材料除了應(yīng)具有人體的組織或器官的功能外，還必須有與人體組織的相容性，對肌體無免疫排異反應(yīng)，血液相溶性好，無溶血、凝血反應(yīng)（如人造血），不會引起代謝作用異?，F(xiàn)象，對人體無毒、不致癌。目前已經(jīng)發(fā)展起來的生物合金、生物高分子和生物陶瓷（以生物陶瓷為優(yōu)）基本上能滿足這些要求，利用這些材料已經(jīng)制

18、造出了許多人工器官，如腎、肝、肺、骨關(guān)節(jié)等。,（6）超導(dǎo)材料,超導(dǎo)材料是一類在低溫下（23.2K或更低溫度下）電阻可以完全消失的材料。用超導(dǎo)材料做成導(dǎo)線，電阻幾乎為零，可以實現(xiàn)遠距離無損耗輸電；超導(dǎo)材料可以產(chǎn)生極強的磁場，用于制造磁懸浮列車；用超導(dǎo)材料制成的發(fā)電機將會比現(xiàn)有的發(fā)動機輸出功率高100倍以上。由于超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)生在很低的溫度下，使其應(yīng)用受到很大的限制，因此尋找研制在較高臨界溫度下具有超導(dǎo)特性的材料成為近30年來科學(xué)家研究的重要課

19、題。 1986年，瑞士的IBM公司實驗室的J?G?Bendnorz和K?A?Mtiller首先在高溫氧化物超導(dǎo)體的研究中取得了決定性的突破。在通式為AxByCuzOw（A＝La，Y……；B＝Ba，Sr……等）的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的體系中，獲得了臨界溫度Tc達35K的超導(dǎo)體，因此他們獲得了1987年諾貝爾物理獎。1987年，美國休斯敦大學(xué)的朱經(jīng)武小組、中科院物理研究所趙忠賢等發(fā)現(xiàn)了臨界溫度Tc為90K的Y－Ba－Cu－O材料，實

20、現(xiàn)了在液氧（77K）中的超導(dǎo)性。,展望21世紀(jì)，材料科學(xué)的前景是美好的： 1.光電轉(zhuǎn)換材料，分解水的催化材料和儲氫材料等能源材料將實現(xiàn)高效化； 2.集多種功能于一身的復(fù)合材料可使我們的生活質(zhì)量得到進一步改善（如“白色污染”將被消除）； 3.高溫超導(dǎo)材料進入實用階段； 4.智能材料和機敏材料將得到廣泛應(yīng)用； 5、納米材料將在治療癌癥、存儲信息等領(lǐng)域大顯神通……   

21、 社會需要材料,材料離不開化學(xué)。開發(fā)新材料需要大家學(xué)好化學(xué)。,傳統(tǒng)無機非金屬材料與新型無機非金屬材料的特性對比,高純氧化鋁透明陶瓷管,返回,氧化鋁陶瓷制品,返回,高壓鈉燈管,返回,1．燈內(nèi)溫度高達1400 ℃。 2．鈉蒸氣具有強烈的腐蝕作用。,Si3N4基陶瓷球軸承,返回,返回,天然瑪瑙礦石,瑪瑙飾品,藍寶石,返回,返回,現(xiàn)代通信用光纜,返回,光學(xué)纖維胃鏡,返回,用光導(dǎo)纖維做手術(shù)，不用開刀。,返回,人造金剛石鋸片,返回,金剛石鉆頭,返