無機非金屬材料前景及應(yīng)用領(lǐng)域

1、無機非金屬材料（inorganicnonmetallicmaterials）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。無機非金屬材料是與有機高分子材料和金屬材料并列的三大材料之一。硅酸鹽材料是無機非金屬材料的主要分支之一，硅酸鹽材料是陶瓷的主要組成物質(zhì)。應(yīng)用領(lǐng)域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。通常把它們分為普通的（傳統(tǒng)的）和先進的（新型

2、的）無機非金屬材料兩大類。傳統(tǒng)的無機非金屬材料是工業(yè)和基本建設(shè)所必需的基礎(chǔ)材料。如水泥是一種重要的建筑材料;耐火材料與高溫技術(shù),尤其與鋼鐵工業(yè)的發(fā)展關(guān)系密切;各種規(guī)格的平板玻璃、儀器玻璃和普通的光學(xué)玻璃以及日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和電瓷等與人們的生產(chǎn)、生活休戚相關(guān)。它們產(chǎn)量大,用途廣。其他產(chǎn)品,如搪瓷、磨料（碳化硅、氧化鋁）、鑄石（輝綠巖、玄武巖等）、碳素材料、非金屬礦（石棉、云母、大理石等）也都屬于傳統(tǒng)的無機非金屬材料。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)基礎(chǔ)。主

3、要有先進陶瓷（advancedceramics）非晶態(tài)材料（noncrystalmaterial、人工晶體artificialcrys-tal、無機涂層（inorganiccoating）、無機纖維（inorganicfibre等。傳統(tǒng)工藝傳統(tǒng)無機非金屬材料水泥和其他膠凝材料硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、石灰、石膏等陶瓷粘土質(zhì)、長石質(zhì)、滑石質(zhì)和骨灰質(zhì)陶瓷等耐火材料硅質(zhì)、硅酸鋁質(zhì)、高鋁質(zhì)、鎂質(zhì)、鉻鎂質(zhì)等玻璃硅酸鹽搪瓷鋼片、鑄鐵、鋁和銅胎等鑄石輝綠巖、玄武巖、鑄石等研磨材料氧化硅、氧化鋁、碳化硅等多孔材料硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸鹽和硅酸鋁等碳素材料石墨、焦炭和各種碳素制品等非金屬礦粘土、石棉、石膏、

4、云母、大理石、水晶和金剛石等新型無機非金屬材料絕緣材料氧化鋁、氧化鈹、滑石、鎂橄欖石質(zhì)陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等鐵電和壓電材料鈦酸鋇系鋯鈦酸鉛系材料等磁性材料錳鋅、鎳鋅、錳鎂、鋰錳等鐵氧體、磁記錄和磁泡材料等導(dǎo)體陶瓷鈉、鋰、氧離子的快離子導(dǎo)體和碳化硅等半導(dǎo)體陶瓷鈦酸鋇、氧化鋅、氧化錫、氧化釩、氧化鋯等過濾金屬元素氧化物系材料等光學(xué)材料釔鋁石榴石激光材料，氧化鋁、氧化釔透明材料和石英系或多組分玻璃的光導(dǎo)纖維等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷高溫氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等難熔化合物超硬材料碳化鈦、人造金剛石和立方氮化硼等人工晶體鋁酸鋰、鉭酸鋰、砷化鎵、氟金云母等生物陶瓷長石質(zhì)齒材、氧化鋁、磷酸鹽骨材和酶的載體材

5、料等無機復(fù)合材料陶瓷基、金屬基、碳素基的復(fù)合材料傳統(tǒng)無機非金屬材料和新型無機非金屬材料的比較傳統(tǒng)無機非金屬材料新型無機非金屬材料具有性質(zhì)穩(wěn)定，抗腐蝕耐高溫等優(yōu)點，但質(zhì)脆，經(jīng)不起熱沖擊。除具有傳統(tǒng)無機非金屬材料的優(yōu)點外，還有某些特征如：強度高、具有電學(xué)、光學(xué)特性和生物功能等。業(yè)務(wù)培養(yǎng)目標：本專業(yè)培養(yǎng)具備無機非金屬材料及其復(fù)合材料科學(xué)與工程方面的知識，能在無機非金屬材料結(jié)構(gòu)研究與分析、材料的制備、材料成型與加工等領(lǐng)域從事科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、工藝和設(shè)備設(shè)計、生產(chǎn)及經(jīng)營管理等方面工作的高級工程技術(shù)人才。業(yè)務(wù)培養(yǎng)要求：本專業(yè)學(xué)生主要學(xué)習(xí)無機非金屬材料及復(fù)合材料的生產(chǎn)過程、工藝及設(shè)備的基礎(chǔ)理論、組成、結(jié)構(gòu)

6、、性能及生產(chǎn)條件間的關(guān)系，具有材料測試、生產(chǎn)過程設(shè)計、材料改性及研究開發(fā)新產(chǎn)品、新技術(shù)和設(shè)備及技術(shù)管理的能力。主干學(xué)科：材料科學(xué)與工程主要課程：物理化學(xué)、無機材料性能、測試及研究方法、粉體工程、材料制備原理、熱工過程與設(shè)備、無機材料工藝學(xué)（含硅酸鹽、復(fù)合材料）等主要實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)：包括專業(yè)實驗、金工實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)（含畢業(yè)實習(xí)）、課程設(shè)計、計算機應(yīng)用與上機實踐、畢業(yè)設(shè)計（論文）。主要專業(yè)實驗：材料物化性能、材料工藝性能實驗、材料晶相分析等開設(shè)院校北京科技大學(xué)西南工學(xué)院貴州大學(xué)河北理工大學(xué)燕山大學(xué)河北工業(yè)大學(xué)河北科技大學(xué)河北工程大學(xué)河北建筑科技學(xué)院無機非金屬材料行業(yè)發(fā)展趨勢無機非金屬材料在國民經(jīng)濟

7、建設(shè)中的作用和地位作為四大材料中（鋼鐵、有色、有機和無機非金屬材料）工業(yè)之一的無機非金屬材料工業(yè)在我國經(jīng)濟建設(shè)中起著重要的作用。近年來，無機非金屬材料不僅在品種上有了空前的發(fā)展，而且在內(nèi)涵上有了進一步的延伸。根據(jù)無機非金屬材料功能與作用的不同，可以將無機非金屬材料劃分為傳統(tǒng)無機非金屬材料（建筑材料）和無機非金屬新材料。傳統(tǒng)的無機非金屬材料材料品種繁多，主要是指大宗無機建筑材料，包括水泥、玻璃、陶瓷與建筑（墻體）材料等。其產(chǎn)量占無機非金屬材料的絕大多數(shù)。建筑材料與人們的生活質(zhì)量息息相關(guān)。新型無機非金屬材料是指具有如高強、輕質(zhì)、耐磨、抗腐、耐高溫、抗氧化以及特殊的電、光、聲、磁等一系列優(yōu)異綜合性能

8、的新型材料，是其它材料難以替代的功能材料和結(jié)構(gòu)材料。無機非金屬新材料具有獨特的性能，是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)不可缺少的關(guān)鍵材料。例如稀土摻雜石英玻璃廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、衛(wèi)星及坦克火控武器等激光測距系統(tǒng)，耐輻照石英玻璃應(yīng)用于各種衛(wèi)星及宇宙飛船的姿控系統(tǒng)；光學(xué)纖維面板和微通道板作為像增強器和微光夜視元件在全天候兵器中得到應(yīng)用；航空玻璃為中國各類軍用飛機提供了關(guān)鍵部件。人工晶體材料中激光、非線性光學(xué)和紅外等晶體，用于彈道制導(dǎo)、電子對抗、潛艇通訊、激光武器等。特種陶瓷中，耐高溫、高韌性陶瓷可用于航空、航天發(fā)動機、衛(wèi)星遙感，可制作特殊性能的防彈裝甲陶瓷及特種纖維及用于電子對抗等。目前已開發(fā)了近四千種高性能、多功能無機非

9、金屬新材料新品種。這些高性能材料在發(fā)展現(xiàn)代武器裝備中起到十分重要的作用。國際發(fā)展趨勢近些年，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，無論是傳統(tǒng)無機非金屬材料，還是無機非金屬材料都有了一些新的發(fā)展趨勢。生態(tài)與環(huán)保意識加強,建立科學(xué)的評價體系,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展西方發(fā)達國家在促進傳統(tǒng)無機非金屬材料產(chǎn)業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展方面的采取了許多重要措施。世界發(fā)達國家十分重視建材工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與綠色評價。生態(tài)評價也成為世界可持續(xù)發(fā)展的一個重要手段。目前,許多國家正在進行“生態(tài)城市”的建設(shè)與實踐,推廣建筑節(jié)能技術(shù)材料,使用可循環(huán)材料等,改善城市生態(tài)系統(tǒng)狀況。由此，提出了綠色建材、環(huán)保建材與節(jié)能建材的概念,并開展了大量的研究與實踐工作。

10、與西方發(fā)達國家相比,我國還存在很大的差距,特別是缺乏立法支持與技術(shù)標準的指導(dǎo)以及相應(yīng)組織的管理與監(jiān)督,使我國的傳統(tǒng)無機非金屬材料工業(yè)發(fā)展還有很大的提升空間。面對資源和環(huán)境對我國經(jīng)濟發(fā)展的嚴峻考驗,國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略顯得愈加重要。向著節(jié)能、降耗的方向發(fā)展傳統(tǒng)的無機非金屬材料工業(yè)是能源消耗大戶,在世界能源日益短缺的今天,如何生產(chǎn)節(jié)能、降耗,以及如何生產(chǎn)出高質(zhì)量的建筑節(jié)能、保溫產(chǎn)品是建材工業(yè)發(fā)展的重要趨勢。選擇資源節(jié)約型、污染最低型、質(zhì)量效益型、科技先導(dǎo)型的發(fā)展方式。新型墻體材料、高質(zhì)量門窗、中空玻璃將大量應(yīng)用。向著提高材料性能、使用壽命的方向發(fā)展。低壽命設(shè)計、大量重復(fù)建設(shè)已經(jīng)嚴重制約城市建設(shè)

11、的發(fā)展。現(xiàn)代化建筑需要高性能建筑材料的支持,而提高建筑的耐久性又對建筑材料的使用壽命提出了更高的要求。單線生產(chǎn)能力向大型化發(fā)展無論是水泥工業(yè)、玻璃工業(yè)，還是陶瓷工業(yè)，單條生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力有大型化的趨勢。生產(chǎn)線的大型化可以有效提高產(chǎn)品的質(zhì)量，降低能源消耗。向著智能化方向發(fā)展建筑的智能化需要建筑材料的支持。隨著技術(shù)的進步和生活水平的提高,建筑材料的安全性智能診斷等智能技術(shù)將更多的應(yīng)用于建筑中。向著復(fù)合化、多功能化方向發(fā)展復(fù)合材料具有單一材料所無法滿足的使用功能,是建筑材料的發(fā)展趨勢,對建筑材料的功能要求越來越趨向于多功能化。在美國、日本、西歐等所有發(fā)達國家在其科技發(fā)展戰(zhàn)略中都把無機非金屬新材料的發(fā)

12、展放在優(yōu)先發(fā)展的重要位置。例如，美國為了保持在高技術(shù)和軍事裝備方面的領(lǐng)先地位，在先后制定的先進材料與技術(shù)計劃(AMPP)和國家關(guān)鍵技術(shù)報告中，新材料為六大關(guān)鍵技術(shù)之首，而無機非金屬新材料占有相當(dāng)比例；日本發(fā)表的21世紀初期產(chǎn)業(yè)支柱所列的新材料領(lǐng)域的14項基礎(chǔ)研究計劃中，其中七項涉及無機非金屬新材料的研究領(lǐng)域。例如發(fā)達國家十分重視復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)研究。通過關(guān)鍵技術(shù)的突破，實現(xiàn)材料的產(chǎn)業(yè)化；產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，促進了技術(shù)的成熟和創(chuàng)新；應(yīng)用新材料刺激新產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)生，創(chuàng)造出新的應(yīng)用領(lǐng)域。我國無機非金屬材料差距和問題31傳統(tǒng)無機非金屬材料我國無機非金屬材料工業(yè)的發(fā)展中存在很多問題，特別是傳統(tǒng)的無機非金

13、屬材料與國外先進水平有非常大的差距，主要有：(1)產(chǎn)品等級低在傳統(tǒng)無機非金屬材料中，無論是水泥、玻璃還是陶瓷的產(chǎn)品等級普遍偏低。例如：發(fā)達國家的水泥熟料強度一般都在70MPa以上，而我國平均強度僅為50MPa。我國高等級水泥(ISO42.5)僅占18%,大量生產(chǎn)的是中、低等級水泥(ISOS32.5)，而很多發(fā)達國家的高等級水泥占90%以上。(2)資源消耗高在資源的消耗方面，水泥和陶瓷工業(yè)更為突出。由于大量的無序開采，未能充分利用有限資源，造成了極大浪費。例如：生產(chǎn)水泥熟料的主要原料是相對優(yōu)質(zhì)的石灰石，其化學(xué)成份須滿足CaO含量不低于45%、MgO不高于3%等要求。我國符合水泥生產(chǎn)要求，可以使用

14、的量僅約250億噸。目前每年生產(chǎn)水泥消耗的優(yōu)質(zhì)石灰石約5.5億噸，因此該儲量僅可生產(chǎn)水泥熟料約200億噸，僅能提供約40年的水泥生產(chǎn)需要。(3)能源消耗高在建筑材料的生產(chǎn)過程中，要消耗大量的能源。例如：水泥工業(yè)每年消耗標煤9106萬噸，電力650億度。我國水泥生產(chǎn)能耗遠高于世界先進水平，以每噸熟料的綜合能耗計算，世界先進水平為117Kg標煤,我國為173.5Kg標煤，高出達50%以上。在國外，全氧燃燒技術(shù)已經(jīng)在玻璃行業(yè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用,而僅有為數(shù)不多玻璃纖維生產(chǎn)線使用了該項技術(shù)。(4)環(huán)境污染嚴重水泥工業(yè)每年排放溫室氣體CO2約5.55億噸、SO268.6萬噸、NOx約206萬噸；目前其

15、他先進國家平均噸熟料的粉塵排放1Kg,而我國高達13Kg，全國水泥生產(chǎn)年排放的粉塵竟高達1000萬噸以上。(5)單線生產(chǎn)規(guī)模小，落后工藝大量存在以懸浮預(yù)熱和預(yù)分解技術(shù)為核心技術(shù)的“新型干法”工藝，是目前世界水泥工業(yè)普遍采用的最先進的現(xiàn)代化水泥生產(chǎn)技術(shù)。日本有96%、意大利96.5%、韓國100%、泰國90%的水泥產(chǎn)量采用這種新型干法生產(chǎn)線，而我國僅為15%。我國水泥制造業(yè)處于先進工藝與落后工藝并存的復(fù)雜狀態(tài)。在玻璃行業(yè)，我國浮法玻璃生產(chǎn)線的平均生產(chǎn)規(guī)模為450噸/天，而西方國家的法玻璃生產(chǎn)線的平均生產(chǎn)規(guī)模為550噸/天。而且在玻璃產(chǎn)品的品質(zhì)上與國外相比有非常的差距。32無機非金屬新材料雖然我國

16、無機非金屬新材料取得了很多成就，但由于我國無機非金屬材料研制、開發(fā)至產(chǎn)業(yè)的形成起步較晚，底子薄，投入強度小等原因，使之與發(fā)達國家相比，仍有較大差距(1)基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)落后我國的無機非金屬新材料是從試制起步的，發(fā)展過程也主要是隨從于型號的需要進行。由于時間、人力的限制，加之我國長期以來對基礎(chǔ)研究重視不夠，投入較少，無機非金屬材料的系統(tǒng)的基礎(chǔ)非常薄弱。(2)材料性能低、品種少、批生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定雖然我國已基本上建立了無機非金屬材料的研究、開發(fā)與部分產(chǎn)品的生產(chǎn)體系，但材料的品種尚不齊全，一些重要工程的關(guān)鍵配套材料還須進口。性能低、質(zhì)量差的問題仍然存在，而且在進行批量生產(chǎn)時質(zhì)量不穩(wěn)定、成品率低、效益

17、差的問題嚴重，必須下大力氣解決。例如，電磁屏蔽玻璃目前我國只能達到屏蔽85dB的水平，而美國已達到110dB。我們在屏蔽波段范圍等方面遠遠不能滿足國防工業(yè)發(fā)展的需要。而航空玻璃方面高強、多功能(隱身、防激光等)圓弧整體風(fēng)擋在我國還剛起步研究，極大的制約了我國航空工業(yè)的發(fā)展。(3)制備技術(shù)落后無機非金屬新材料工業(yè)，不但制備技術(shù)落后，而且生產(chǎn)能力低，效率低，直接影響高科技產(chǎn)品質(zhì)量(性能)、成本、能耗等三個方面。例如，國外工業(yè)發(fā)達國家玻璃纖維生產(chǎn)大都采用800-6000孔漏板池窯拉絲法生產(chǎn)，已占總量95以上，無紡材料全部用池窯法生產(chǎn)，坩堝拉絲法早已被淘汰，而我國現(xiàn)有的池窯拉絲大部分采用800-2000孔生產(chǎn)技術(shù)，4000孔技術(shù)正在開發(fā)，坩堝拉絲還沒有完全