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)展的物質基礎，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。沒有半導體材料，便不可能有目前的計算機技術；沒有耐高溫、高強度的特殊結構材料，便沒有今天的宇航工業(yè)；沒有低損耗的光導纖維，

2、也就沒有現代的光通訊；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,,結構材料：,利用材料的力學和理、化性質，廣泛應用于機械制造、工程建設、交通運輸等各個工業(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、技術領域。,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（光導纖維）,⑼電腦的CPU（單晶硅）,⑽隱形飛機（特殊光學材料）,(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。 現代科學技術的發(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域除使用傳統(tǒng)的硅酸鹽材料外，出現了氧化物陶瓷、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，廣泛應用于建筑、冶金、機械及尖端科技領域。,二、幾種典型的新型無機非金屬材料,1、結構材料——,2、功能材料——光導纖維（光纖）,高溫結構陶瓷,1、結構材料——高溫結構陶瓷,(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。,高溫結構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,高溫結構材料:,(2)氮化硅陶瓷,此外，高溫結構陶瓷還有：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，科學家曾用氧化鋁熔融后加入少量氧化鉻的方法，制出了質量為2g-4g的紅寶石。 現在，已經能制造出大到10g的紅寶石和藍寶石

7、。,1870年，英國科學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壁細口自由流出，以一束細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，細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果。,2、功能材料——光導纖維（光纖）,光導原理,(1)光導纖維的特點和用途：,(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、光調制機對激光光源進行調制，把電信號變成光信號，由光導纖維傳送到接收端，接收端的激光接收機通過光電轉換器，把光信號還原成電信號，進入電話機或電視機，重現發(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。,現代通信用光纜,光導纖維在醫(yī)學上的應用光導

9、纖維不但是通信技術中的重要材料，還是醫(yī)生的得力助手。目前在醫(yī)學領域，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，它不產生熱輻射，能減輕病人的痛苦。在光導纖維的一頭裝著精致小巧的微型鏡頭，可將胃內的情況傳到體外拍攝下來或顯示在屏幕上。光導纖維在醫(yī)學上的另一個重要應用是通過微細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”不用切開皮膚和切割肌肉組織，而且切割部位準確，手術效果好。,

10、光學纖維胃鏡,用光導纖維做手術，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，被用于鉆探、磨削等行業(yè)。 但是，由于天然金剛石非常少，遠遠不能滿足生產和科研的需要。科學家們通過對石墨和金剛石同素異形體結構的研究，指出了在一定條件下使石墨轉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，人們總認為碳元素只有兩種同素異形體——金剛石和石墨，1985年，科學家發(fā)現了由60個碳原子組成的分子——C60，由于對它的結構認識源于建筑師巴克敏斯特富勒所設計的圓拱形屋頂的啟示，人們把它親切地稱為“巴基球”。 巴基球現在已發(fā)展成一個大家族，有C60、C70、C90等。

12、 C60由于其結構的特殊性，使它在超導、磁性、光學、催化等方面表現出優(yōu)異的性能。當堿金屬嵌入C60分子間的空隙后形成K3C60 、Rb3C60 等，均為良好的超導體，具有很高的臨界溫度。科學家預言，摻雜的C240、C540有可能成為室溫超導體。 C60有很強的抗壓性、良好的復原性、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)異導電性能和光學性質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用價值相繼被發(fā)現，人們認為其前途不可限量。,（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、力和化學性質。 實驗上發(fā)現如果將金屬銅或鋁做成幾個納米的顆粒，一遇到空氣就會產生劇烈的燃燒，發(fā)生爆炸。有人認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反應過程，大大提高化工合成的生產效率。 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

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)學上前途不可限量。用數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胞或修補損傷組織。在人工器官外面涂上

16、納米粒子可預防移植后的排異反應。使用納米技術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胞分離或細胞染色，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，甚至能促進化學反應和改變顏色等類似有生命物質的智慧反應。,（5）生物材料,生物材料的目標是對人體組織的矯形、修復、再造以維持其原有的功能。生物材料除了應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，血液相溶性好，無溶血、凝血反應（如人造血），不會引起代謝作用異?，F象，對人體無毒、不致癌。目前已經發(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，利用這些材料已經制

18、造出了許多人工器官，如腎、肝、肺、骨關節(jié)等。,（6）超導材料,超導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。用超導材料做成導線，電阻幾乎為零，可以實現遠距離無損耗輸電；超導材料可以產生極強的磁場，用于制造磁懸浮列車；用超導材料制成的發(fā)電機將會比現有的發(fā)動機輸出功率高100倍以上。由于超導現象發(fā)生在很低的溫度下，使其應用受到很大的限制，因此尋找研制在較高臨界溫度下具有超導特性的材料成為近30年來科學家研究的重要課

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）的鈣鈦礦結構的體系中，獲得了臨界溫度Tc達35K的超導體，因此他們獲得了1987年諾貝爾物理獎。1987年，美國休斯敦大學的朱經武小組、中科院物理研究所趙忠賢等發(fā)現了臨界溫度Tc為90K的Y－Ba－Cu－O材料，實

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

21、 社會需要材料,材料離不開化學。開發(fā)新材料需要大家學好化學。,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,現代通信用光纜,返回,光學纖維胃鏡,返回,用光導纖維做手術，不用開刀。,返回,人造金剛石鋸片,返回,金剛石鉆頭,返