無機(jī)非金屬材料專業(yè)論文

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新型無機(jī)非金屬材料的發(fā)展與挑戰(zhàn)金屬材料、高分子合成材料、無機(jī)非金屬材料與人們的衣、食、住、行關(guān)系非常密切。材料是人類生活必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)。沒有感光材料，我們就無法留下青春的回憶；沒有特殊的熒光材料，就沒有彩色電視；沒有高純的單晶硅，就沒有今天的“奔騰IV”；沒有特殊的新型材料，“神舟號(hào)”宇宙飛船就無法上天。隨著科學(xué)和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展以及人們生活的需要，一些具有特殊結(jié)構(gòu)、特殊功能的新材料相繼研制出來，如半導(dǎo)體材料：超硬材料、耐高溫材料、發(fā)光材料等，我們稱這些材料為新型無機(jī)非金屬材料。水泥、玻璃、陶瓷等都屬于傳統(tǒng)的非金屬材料，像玻璃刀上的人造金剛石、作為手表軸承的人造紅寶石、煤氣爐中用于電子打火的壓電陶瓷、傳輸信息的光導(dǎo)纖維都屬于新型無機(jī)非金屬材料。在材料中，有一類叫結(jié)構(gòu)材料主要制利用其強(qiáng)度、硬度韌性等機(jī)械性能制成的各種材料。金屬作為結(jié)構(gòu)材料，一直被廣泛使用。但是，由于金屬易受腐蝕，在高溫時(shí)不耐氧化，不適合在高溫時(shí)使用。高溫結(jié)構(gòu)材料的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了金屬材料的弱點(diǎn)。這類材料具有能經(jīng)受高溫、不怕氧化、耐酸堿腐蝕、硬度大、耐磨損、密度小等優(yōu)點(diǎn)，作為高溫結(jié)構(gòu)材料，非常適合。 氧化鋁陶瓷（人造剛玉）是一種極有前途的高溫結(jié)構(gòu)材料。它的熔點(diǎn)很高，可作高級(jí)耐火材料，如坩堝、高溫爐管等。利用氧化鋁硬度大的優(yōu)點(diǎn)，可以制造在實(shí)驗(yàn)室中使用的剛玉磨球機(jī)，用來研磨比它硬度小的材料。用高純度的原料，使用先進(jìn)工藝，還可以使氧化鋁陶瓷變得透明，可制作高壓鈉燈的燈管。高溫氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷　指熔點(diǎn)高于1728℃的氧化物（如氧化硅晶體）或某些復(fù)合氧化物（如氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈣和氧化釷等）。它們的重要特點(diǎn)是高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性好，尤其是抗氧化性能好。但弱點(diǎn)是脆性較大，耐機(jī)械沖擊性差。利用氧化鋯相變作用增韌氧化物陶瓷在20世紀(jì)70年代末獲較大進(jìn)展，氧化鋯增韌氧化鋁，斷裂韌性參數(shù)由2.9MPa/m2提高到15MPa/m2，抗折強(qiáng)度由350MPa提高到1200MPa。加有氧化釔的半穩(wěn)定氧化鋯，斷裂韌性參數(shù)也高達(dá) 9～16MPa/m2。增韌氧化物陶瓷可用于制造錘子、水果刀、剪刀、軸和發(fā)動(dòng)機(jī)部件等，可以承受一定沖擊而不碎裂。高溫氧化物陶瓷可用作高溫爐襯，熔煉稀有金屬和純金屬的坩堝，以及磁流體發(fā)電裝置的高溫電極材料和熱機(jī)材料。　　氧化鋁結(jié)構(gòu)陶瓷的生產(chǎn)，采用γ－氧化鋁（見氧化鋁）為原料與少量添加劑（如MgΟ等），經(jīng)粉碎和混合后按產(chǎn)品的形狀，尺寸及用途，采用不同的方法成型。干壓成型時(shí)需先將混合后的坯料造粒，然后用油壓機(jī)壓制成坯樣。采用注漿成型時(shí)，則將混合后的粉料制成懸浮料漿，注入石膏模中成型。采用熱壓注時(shí)，用適量石蠟與混合料制成料漿，用熱壓注機(jī)成型。燒成的坯體需按使用的要求，進(jìn)行機(jī)械加工或研磨?！　「邷胤茄趸锝Y(jié)構(gòu)陶瓷　包括氮化物、碳化物、硅化物、硼化物等。其中有發(fā)展前途的是氮化硅、碳化硅和氮化硼等材料。與氧化物比較，難熔化合物的熱導(dǎo)率較高，熱膨脹系數(shù)較低，因此具有良好的抗熱震性。氮化硅與碳化硅還具有較高強(qiáng)度，硬度僅次于金剛石，耐磨性好，是很好的熱機(jī)材料。采用氮化硅或碳化硅作為燃?xì)廨啓C(jī)和陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件，與金屬部件比較，可承受較高的工作溫度，省去水冷卻系統(tǒng)，減輕自重，因而節(jié)能效果顯著。由于氮化硼具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，而且對(duì)金屬熔體有很好的耐蝕性，用它作為水平連續(xù)鑄鋼的分離環(huán)，可較氮化硅有更長(zhǎng)的使用壽命。　　氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷的燒成，按氮化硅合成的方式可分為反應(yīng)燒結(jié)法和燒結(jié)法。反應(yīng)燒結(jié)法是將硅粉預(yù)先成型，然后在通氮的情況下燒結(jié)，使氮化硅(Si3N4)的形成和燒結(jié)同時(shí)完成。燒結(jié)法是將預(yù)先合成的氮化硅粉末在高溫與壓力同時(shí)作用下熱壓燒結(jié)，或是將氮化硅粉末壓成坯體后，在高溫下無壓燒結(jié)。近20年來，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料的研究與開發(fā)— 直十分重視，相繼制定了各自的國家發(fā)展計(jì)劃，并投人了大量的人力、物力和財(cái)力，對(duì)這一新型材料寄予厚望。如美國NASA制定的先進(jìn)高溫?zé)釞C(jī)材料計(jì)劃（HITEMP）、DOE／NAsA的先進(jìn)渦輪技術(shù)應(yīng)用計(jì)劃、美國國家宇航計(jì)劃（NASP）、美國國防關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃以及日本的月光計(jì)劃等都把高溫結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料作為重點(diǎn)研究對(duì)象，其研制目標(biāo)是將發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的使用溫度提高到1650℃或更高，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度，達(dá)到節(jié)能、減重、提高推重比和延長(zhǎng)壽命的目的，滿足軍事和民用熱機(jī)的需要。由于陶瓷材料具有高耐磨性、耐高溫和抗侵蝕能力，國外目前已將其應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)高速軸承、活塞、密封環(huán)閥門導(dǎo)軌等要求轉(zhuǎn)速高和配合精度高的部件。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫構(gòu)件的應(yīng)用上，到目前為止已報(bào)道有的法國將CVI法SiC／Cr用于狂風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)M88發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴瓣以及將SiC／SiCr用于幻影2000戰(zhàn)斗機(jī)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管內(nèi)調(diào)節(jié)片。此外，有許多陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)動(dòng)機(jī)高溫構(gòu)件正在研制之中。如美國格魯曼公司正研究跨大氣層高超音速飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的陶瓷材料進(jìn)口、噴管和噴口等部件；美國碳化硅公司用Si34N／SiCw制造導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈬姽?；杜邦公司研制出能承?200－1300℃、使用壽命2000h的陶瓷基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)部件等。目前導(dǎo)彈、無人駕駛飛機(jī)以及其它短壽命的陶瓷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)正處在最后研制階段，美國空軍材料實(shí)驗(yàn)室的研究人員認(rèn)為，12O4-1371℃發(fā)動(dòng)機(jī)陶瓷基復(fù)合材料已經(jīng)研制成功。由于提高了燃燒溫度，取消或減少了冷卻系統(tǒng)，預(yù)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率可從目前的26%提高到46%。英國羅—羅公司認(rèn)為，未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片和機(jī)匣、高壓與低壓渦輪盤及葉片、燃燒室、加大燃燒室、火焰穩(wěn)定器及排氣噴管等都將采用陶瓷基復(fù)合材料。預(yù)計(jì)在21世紀(jì)初，陶瓷基復(fù)合材料的使用溫度可提高到1650℃或更高。 氮化硅陶瓷陶瓷也是一種重要的結(jié)構(gòu)材料，它是一種超硬物質(zhì)，密度小、本身具有潤(rùn)滑性，并且耐磨損，除氫氟酸外，它不與其他無機(jī)酸反應(yīng)，抗腐蝕能力強(qiáng)；高溫時(shí)也能抗氧化。而且它還能抵抗冷熱沖擊，在空氣中加熱到1000以上，急劇冷卻再急劇加熱，也不會(huì)碎裂。正是氮化硅具有如此良好的特性，人們常常用它來制造軸承、汽輪機(jī)葉片、機(jī)械密封環(huán)、永久性模具等機(jī)械構(gòu)件。外觀與性狀:潤(rùn)滑,易吸潮.氮化硼是白色、難溶、耐高溫的物質(zhì)。將B2O3與NH4Cl共熔，或?qū)钨|(zhì)硼在NH3中燃燒均可制得BN。通常制得的氮化硼是石墨型結(jié)構(gòu)，俗稱為白色石墨。另一種是金剛石型，和石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸脑眍愃疲偷鹪诟邷兀?800℃）、高壓（800Mpa）下可轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎傂偷稹＿@種氮化硼中B－N鍵長(zhǎng)（156pm）與金剛石在C－C鍵長(zhǎng)（154pm）相似，密度也和金剛石相近，它的硬度和金剛石不相上下，而耐熱性比金剛石好，是新型耐高溫的超硬材料，用于制作鉆頭、磨具和切割工具。高溫結(jié)構(gòu)陶瓷除了氮化硅外，還有碳化硅（SiC）、二氧化鋯（ZrO2）、氧化鋁等。 　　透明陶瓷一般陶瓷是不透明的，但光學(xué)陶瓷像玻璃一樣透明，故稱透明陶瓷。一般陶瓷不透明的原因是其內(nèi)部存在有雜質(zhì)和氣孔，前者能吸收光，后者使光產(chǎn)生散射，所以就不透明了。因此如果選用高純?cè)?，并通過工藝手段排除氣孔就可能獲得透明陶瓷。早期就是采用這樣的辦法得到透明的氧化鋁陶瓷，后來陸續(xù)研究出如燒結(jié)白剛玉、氧化鎂、氧化鈹、氧化釔、氧化釔-二氧化鋯等多種氧化物系列透明陶瓷。近期又研制出非氧化物透明陶瓷，如砷化鎵（GaAs）、硫化鋅（ZnS）、硒化鋅（ZnSe）、氟化鎂（MgF2）、氟化鈣（CaF2）等。這些透明陶瓷不僅有優(yōu)異的光學(xué)性能，而且耐高溫，一般它們的熔點(diǎn)都在2000℃以上。如氧化釷-氧化釔透明陶瓷的熔點(diǎn)高達(dá)3100℃，比普通硼酸鹽玻璃高1500℃。透明陶瓷的重要用途是制造高壓鈉燈，它的發(fā)光效率比高壓汞燈提高一倍，使用壽命達(dá)2萬小時(shí)，是使用壽命最長(zhǎng)的高效電光源。高壓鈉燈的工作溫度高達(dá)1200℃，壓力大、腐蝕性強(qiáng)，選用氧化鋁透明陶瓷為材料成功地制造出高壓鈉燈。透明陶瓷的透明度、強(qiáng)度、硬度都高于普通玻璃，它們耐磨損、耐劃傷，用透明陶瓷可以制造防彈汽車的窗、坦克的觀察窗、轟炸機(jī)的轟炸瞄準(zhǔn)器和高級(jí)防護(hù)眼鏡等。光導(dǎo)纖維從高純度的二氧化硅或稱石英玻璃熔融體中，拉出直徑約100μm的細(xì)絲，稱為石英玻璃纖維。玻璃可以透光，但在傳輸過程中光損耗很大，用石英玻璃纖維光損耗大為降低，故這種纖維稱為光導(dǎo)纖維，是精細(xì)陶瓷中的一種?！　±霉鈱?dǎo)纖維可進(jìn)行光纖通信。激光的方向性強(qiáng)、頻率高，是進(jìn)行光纖通信的理想光源。光纖通信與電波通信相比，光纖通信能提供更多的通信通路，可滿足大容量通信系統(tǒng)的需要。 　　光導(dǎo)纖維一般由兩層組成，里面一層稱為內(nèi)芯，直徑幾十微米，但折射率較高；外面一層稱包層，折射率較低。從光導(dǎo)纖維一端入射的光線，經(jīng)內(nèi)芯反復(fù)折射而傳到末端，由于兩層折射率的差別，使進(jìn)入內(nèi)芯的光始終保持在內(nèi)芯中傳輸著。光的傳輸距離與光導(dǎo)纖維的光損耗大小有關(guān)，光損耗小，傳輸距離就長(zhǎng)，否則就需要用中繼器把衰減的信號(hào)放大。用最新的氟玻璃制成的光導(dǎo)纖維，可以把光信號(hào)傳輸?shù)教窖蟊税抖恍枞魏沃欣^站?！　≡趯?shí)際使用時(shí)，常把千百根光導(dǎo)纖維組合在一起并加以增強(qiáng)處理，制成像電纜一樣的光纜，這樣既提高了光導(dǎo)纖維的強(qiáng)度，又大大增加了通信容量?！　∮霉饫|代替通信電纜，可以節(jié)省大量有色金屬，每公里可節(jié)省銅1.1t、鉛2～3t。光纜有質(zhì)量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、絕緣性能好、壽命長(zhǎng)、輸送距離長(zhǎng)、保密性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。光纖通信與數(shù)字技術(shù)及計(jì)算機(jī)結(jié)合起來，可以用于傳送電話、圖像、數(shù)據(jù)、控制電子設(shè)備和智能終端等，起到部分取代通信衛(wèi)星的作用?！」鈸p耗大的光導(dǎo)纖維可在短距離使用，特別適合制作各種人體內(nèi)窺鏡，如胃鏡、膀胱鏡、直腸鏡、子宮鏡等，對(duì)診斷、醫(yī)治各種疾病極為有利。 生物陶瓷人體器官和組織由于種種原因需要修復(fù)或再造時(shí)，選用的材料要求生物相容性好，對(duì)肌體無免疫排異反應(yīng)；血液相容性好，無溶血、凝血反應(yīng)；不會(huì)引起代謝作用異?，F(xiàn)象；對(duì)人體無毒，不會(huì)致癌。目前已發(fā)展起來的生物合金、生物高分子和生物陶瓷基本上能滿足這些要求。利用這些材料制造了許多人工器官，在臨床上得到廣泛的應(yīng)用。但是這類人工器官一旦植入體內(nèi)，要經(jīng)受體內(nèi)復(fù)雜的生理環(huán)境的長(zhǎng)期考驗(yàn)。例如，不銹鋼在常溫下是非常穩(wěn)定的材料，但把它做成人工關(guān)節(jié)植入體內(nèi)，三五年后便會(huì)出現(xiàn)腐蝕斑，并且還會(huì)有微量金屬離子析出，這是生物合金的缺點(diǎn)。有機(jī)高分子材料做成的人工器官容易老化，相比之下，生物陶瓷是惰性材料，耐腐蝕，更適合植入體內(nèi)。納米陶瓷　　從陶瓷材料發(fā)展的歷史來看，經(jīng)歷了三次飛躍。由陶器進(jìn)入瓷器這是第一次飛躍；由傳統(tǒng)陶瓷發(fā)展到精細(xì)陶瓷是第二次飛躍，在這個(gè)期間，不論是原材料，還是制備工藝、產(chǎn)品性能和應(yīng)用等許多方面都有長(zhǎng)足的進(jìn)展和提高，然而對(duì)于陶瓷材料的致命弱點(diǎn)──脆性問題沒有得到根本的解決。精細(xì)陶瓷粉體的顆粒較大，屬微米級(jí)（10m），有人用新的制備方法把陶瓷粉體的顆粒加工到納米級(jí)　　（10m），用這種超細(xì)微粉體粒子來制造陶瓷材料，得到新一代納米陶瓷，這是陶瓷材料的第三次飛躍。納米陶瓷具有延性，有的甚至出現(xiàn)超塑性。如室溫下合成的TiO2陶瓷，它可以彎曲，其塑性變形高達(dá)100%，韌性極好。因此人們寄希望于發(fā)展納米技術(shù)去解決陶瓷材料的脆性問題。納米陶瓷被稱為21世紀(jì)陶瓷紅寶石和藍(lán)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(lán)寶石呈藍(lán)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(lán)寶石。綜上所述是集中高溫結(jié)構(gòu)材料的簡(jiǎn)介，而這僅僅是無機(jī)非金屬材料的一小部分而已。所以我們可以清楚的明白無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域是一個(gè)覆蓋面極廣、科學(xué)含量極高的一個(gè)學(xué)科。我知道如果想在無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域有一番作為并非易事。因?yàn)榭茖W(xué)在發(fā)展，科技在進(jìn)步，各種新興的材料不斷被研發(fā)出來，所以必須時(shí)時(shí)刻刻關(guān)心當(dāng)今世界材料科學(xué)的最新動(dòng)態(tài)?，F(xiàn)在，而我所能做的就是認(rèn)認(rèn)真真的學(xué)好所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)為將來的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，材料科學(xué)并不是理論上的，更重要的是實(shí)踐上的！所以，提高自己的動(dòng)手能力，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ彩潜夭豢缮俚?。既然無機(jī)非金屬材料是一個(gè)前沿學(xué)科，那么單單的本科學(xué)歷顯然是不夠的，是無法滿足社會(huì)對(duì)此領(lǐng)域的需求的，因此，考研成為了我們繼續(xù)深造的基本要求。研究生會(huì)有更多的機(jī)會(huì)參與科學(xué)的研究，會(huì)有更多的機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)的最新的理論知識(shí)，會(huì)有更多的機(jī)會(huì)進(jìn)行高水平的實(shí)驗(yàn)，而且研究生再就業(yè)方面更具有競(jìng)爭(zhēng)力，所以考研勢(shì)在必行！此外，我國的材料水平還沒有達(dá)到世界頂尖，我國是一個(gè)材料大國，但是我們不是一個(gè)材料強(qiáng)國，雖然我國每年的材料需求都是巨大的，各個(gè)領(lǐng)域都依靠材料，但是我國的一些先進(jìn)材料基本都是進(jìn)口的，所以我們要趕上其他發(fā)達(dá)國家比如美國還需要國人的不斷努力，不斷去奮斗 。如果可能的話我想我會(huì)去國外繼續(xù)深造，學(xué)習(xí)更先進(jìn)的理論知識(shí)，將來能為祖國貢獻(xiàn)自己的一份力量?。?！我會(huì)在河南工業(yè)努力學(xué)習(xí)，為自己的明天而奮斗?。。?/p>