無機(jī)材料的制備與應(yīng)用研究發(fā)展

1、無機(jī)材料的制備與應(yīng)用研究發(fā)展摘要：本文主要介紹了無機(jī)材料的制備，主要有金屬材料、陶瓷、高分子材料、晶體生長技術(shù)。這些材料的制備都與我們生活最密切相關(guān)。介紹每一種材料的性質(zhì)、應(yīng)用、前景。并將一些新的金屬材料進(jìn)行了綜述。關(guān)鍵詞：金屬材料；陶瓷；高分子材料；晶體生長技術(shù)；應(yīng)用引言隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，無機(jī)材料在原有的基礎(chǔ)上越來越重要，無機(jī)材料不再是傳統(tǒng)的用法，各種新型的方法得到應(yīng)用。例如，金屬材料的制備、陶瓷工藝應(yīng)用、高分子材料、晶體生長技術(shù)等。越來越多的材料使用新技術(shù)來研究，不只是無機(jī)材料這一方面。通常金屬材料是指金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的具有金屬特性的材料的統(tǒng)稱1。包括純金屬、合金、金屬材料

2、金屬間化合物和特種金屬材料等。繼石器時代之后出現(xiàn)的銅器時代、鐵器時代，均以金屬材料的應(yīng)用為其時代的顯著標(biāo)志?，F(xiàn)代，種類繁多的金屬材料已成為人類社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。近些年來，我國的陶瓷工業(yè)有很大發(fā)展，可從以下3方面說明：一是新技術(shù)與新工藝不斷采用，例如高梯度磁場選礦及其它選礦技術(shù)的應(yīng)用，使陶瓷生產(chǎn)使用的天然原料質(zhì)量得到保證。二是對陶瓷材料的性能與本質(zhì)有了更深入的了解，這主要是因為一些研究材料組分和結(jié)構(gòu)技術(shù)與儀器的出現(xiàn)，使人們對陶瓷的認(rèn)識進(jìn)入了更高層次。三是新品種的開發(fā)。由于科學(xué)技術(shù)的推動和需要，使得能充分利用陶瓷的物理與化學(xué)特性開發(fā)出許多高科技領(lǐng)域中應(yīng)用的功能材料與結(jié)構(gòu)材料。例如人造骨骼或器

3、官的生物陶瓷，耐高溫、高強(qiáng)度、高韌性的陶瓷部件等。高分子材料是由相對分子質(zhì)量比一般有機(jī)化合物高得多的高分子化合物為主要成分制成的物質(zhì)般有機(jī)化合物的相對分子質(zhì)量只有幾十到幾百，高分子化合物是通過小分子單體聚合而成的相對分子質(zhì)量高達(dá)上萬甚至上百萬的聚合物。巨大的分子質(zhì)量賦予這類有機(jī)高分子以嶄新的物理、化學(xué)性質(zhì)：可以壓延成膜；可以紡制成纖維；可以擠鑄或模壓成各種形狀的構(gòu)件；可以產(chǎn)生強(qiáng)大的粘結(jié)能力；可以產(chǎn)生巨大的彈性形變；并具有質(zhì)輕、絕緣、高強(qiáng)、耐熱、耐腐蝕、自潤滑等許多獨特的性能。于是人們將它制成塑料、橡膠、纖維、復(fù)合材料、膠粘劑、涂料等一系列性能優(yōu)異、豐富多彩的制品，使其成為當(dāng)今工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各部門、

4、科學(xué)研究各領(lǐng)域、人類衣食住行各個環(huán)節(jié)不可缺少、無法替代的材料。當(dāng)今，在高新技術(shù)材料領(lǐng)域中，人工晶體作為一種特種功能材料，在材料學(xué)、光學(xué)、光電子、醫(yī)療生物領(lǐng)域有著廣泛的作用。用于人工晶體生長的方法有多種，如：物理氣相沉淀、水熱法、低溫溶液生長、籽晶提拉、塔埸下降等。其中水熱法晶體生長可以使晶體在非受限的條件下充分生長，可以長出形態(tài)各異、結(jié)晶完好的晶體而受到廣泛應(yīng)用。水熱法可用于生長各種大的人工晶體，制備超細(xì)、無團(tuán)聚或少團(tuán)聚、結(jié)晶完好的微晶。適合生長熔點較高，具有包晶反應(yīng)或非同成分融化，而在常溫下又不溶解各種溶劑或溶解后即分解，不能再結(jié)晶的晶體材料。與其他的合成方法相比，水熱法合成的晶體具有純度高

5、、缺陷少，熱應(yīng)力小質(zhì)量好等特點。近年來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水熱法合成技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，該技術(shù)已成功地應(yīng)用于人工水晶的合成、陶瓷粉末材料的制備和人工寶石的合成等領(lǐng)域。1金屬材料1.1 金屬材料的性能一般分為工藝性能和使用性能兩類。所謂工藝性能是指機(jī)械零件在加工制造過程中，金屬材料在所定的冷、熱加工條件下表現(xiàn)出來的性能。金屬對各種加工工藝方法所表現(xiàn)出來的適應(yīng)性稱為工藝性能，主要有以下四個方面：切削加工性能；可鍛性；可鑄性；金屬材料工藝性能的好壞，決定了它在制造過程中加工成形的適應(yīng)能力。所謂使用性能是指機(jī)械零件在使用條件下，金屬材料表現(xiàn)出來的性能，它包括機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能等。金屬材料的

6、性能決定著材料的適用范圍及應(yīng)用的合理性。金屬材料的性能主要分為四個方面，即：機(jī)械性能、化學(xué)性能、物理性能、工藝性能。金屬材料使用性能的好壞，決定了它的使用范圍與使用壽命。在實際應(yīng)用中主要考慮金屬的抗蝕性、抗氧化性（又稱作氧化抗力，這是特別指金屬在高溫時對氧化作用的抵抗能力或者說穩(wěn)定性），以及不同金屬之間、金屬與非金屬之間形成的化合物對機(jī)械性能的影響等等。在金屬的化學(xué)性能中，特別是抗蝕性對金屬的腐蝕疲勞損傷有著重大的意義。1.2 金屬材料的應(yīng)用主要應(yīng)用于金屬制品制造、金屬工具制造、集裝箱及金屬包裝容器制造、不銹鋼及類似日用金屬制品制造，船舶及海洋工程制造等。金屬制品在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及人們的生活各個

7、領(lǐng)域的運(yùn)用越來越廣泛，也給社會創(chuàng)造越來越大的價值。金屬制品行業(yè)在發(fā)展過程中也遇到一些困難，例如技術(shù)單一，技術(shù)水平偏低，缺乏先進(jìn)的設(shè)備，人才短缺等，制約了金屬制品行業(yè)的發(fā)展。為此，可以采取提高企業(yè)技術(shù)水平，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，培養(yǎng)適用人才等提高中國金屬制品業(yè)的發(fā)展。2陶瓷2.1 陶瓷的簡介陶瓷是指陶器和瓷器，廣義上講還包括玻璃、搪瓷、耐火材料、磚瓦、水泥、石灰、石膏等人造無機(jī)非金屬材料。在國外，陶瓷這一概念，實際上是各種無機(jī)非金屬材料的通稱冏。傳統(tǒng)陶瓷主要指粘土制品，在我國有悠久的歷史。我國是發(fā)明瓷器最早的國家，所以我國的英文名字China另一個意思就是瓷器。陶瓷按性能特點和用途，可分為日用陶瓷、

8、建筑陶瓷、電器絕緣陶瓷（高壓電瓷）、化工陶瓷、多孔陶瓷等，2.2 陶瓷的應(yīng)用陶瓷制品種類繁多，其中主要用于建筑裝飾工程中的陶瓷制品有以下幾類。2.2.1 琉璃制品（琉璃瓦）琉璃瓦主要有兩種形式：筒瓦與板瓦富麗堂皇，經(jīng)久耐用。琉璃瓦多用于民族色彩的宮殿式大屋頂建筑中。其它屋面用的琉璃瓦為屋脊、獸頭、人物、寶頂?shù)?。除用于屋面外，通過造型設(shè)計，已制成的有花窗、欄桿等琉璃制品，廣泛用于庭院裝飾中。2.2.2 陶瓷壁畫陶瓷壁畫是以陶瓷面磚、陶板、錦磚等為原料而制作的具有較高藝術(shù)價值的現(xiàn)代裝飾材料。它不是原畫稿的簡單復(fù)制，而是藝術(shù)的再創(chuàng)造。它巧妙地運(yùn)用繪畫技法和陶瓷裝飾藝術(shù)于一體，經(jīng)過放樣、制版、刻畫、配

9、釉、施釉、燒成等一系列工序，采用浸點、涂、噴、填等多種施釉技法和豐富多彩的窯變技術(shù)而產(chǎn)生出神形兼?zhèn)?、巧奪天工的藝術(shù)效果。2.2.3 衛(wèi)生潔具衛(wèi)生潔具是現(xiàn)代建筑中室內(nèi)配套不可缺少的組成部分。陶瓷質(zhì)衛(wèi)生潔具是傳統(tǒng)的衛(wèi)生潔具，主要有洗面器、浴缸、大便器等。2.2.4 瓷磚所謂瓷磚，是以耐火的金屬氧化物及半金屬氧化物，經(jīng)由研磨、混合、壓制、施釉、燒結(jié)之過程，而形成之一種耐酸堿的瓷質(zhì)或石質(zhì)等之建筑或裝飾之材料，主要用于室內(nèi)室外都使用瓷磚進(jìn)行裝飾，譬如：地面、墻面、臺面、壁爐、噴泉以及外墻等等。3高分子材料3.1 高分子材料來源高分子材料也稱為聚合物材料，是以高分子化合物為基體，再配有其他添加劑（助劑）所

10、構(gòu)成的材料。高分子材料按來源分為天然高分子材料和合成高分子材料。天然高分子是存在于動物、植物及生物體內(nèi)的高分子物質(zhì)，可分為天然纖維、天然樹脂、天然橡膠、動物膠等。合成高分子材料主要是指塑料、合成橡膠和合成纖維三大合成材料，此外還包括膠黏劑、涂料以及各種功能性高分子材料。合成高分子材料具有天然高分子材料所沒有的或較為優(yōu)越的性能一一較小的密度、較高的力學(xué)、耐磨性、耐腐蝕性、電絕緣性等4。13.2 高分子的應(yīng)用3.2.1 塑料塑料是指以聚合物為主要成分，在一定條件（溫度、壓力等）下可塑成一定形狀并且在常溫下保持其形狀不變的材料。塑料根據(jù)加熱后的情況又可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。加熱后軟化，形成高分

11、子熔體的塑料成為熱塑性塑料。主要的熱塑性塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、尼龍、聚碳酸酯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯等。加熱后固化，形成交聯(lián)的不熔結(jié)構(gòu)的塑料稱為熱固性塑料。常見的有環(huán)氧樹脂，酚醛塑料，聚酰亞胺，三聚富氨甲醛樹脂等。塑料的加工方法包括注射，擠出，膜壓，熱壓，吹塑等等。3.2.2 橡膠橡膠又可以分為天然橡膠和合成橡膠。天然橡膠的主要成分是聚異戊二烯。合成橡膠的主要品種有丁基橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、丙烯酸酯橡膠、聚氨酯橡膠、硅橡膠、氟橡膠等等。3.2.3 纖維纖維是高分子材料的另外一個重要應(yīng)用。常見的合成纖維包括尼龍、滌綸、睛綸

12、聚酯纖維、芳綸、丙綸纖維等。3.2.4 涂料涂料是涂附在工業(yè)或日用產(chǎn)品表面起美觀或這保護(hù)作用的一層高分子材料、常用的工業(yè)涂料有環(huán)氧樹脂，聚氨酯等。黏合劑3.2.5黏和劑也是一類重要的高分子材料。人類在很久以前就開始使用淀粉，樹膠等天然高分子材料做黏合劑?，F(xiàn)代黏合劑通過其使用方式可以分為聚合型，如環(huán)氧樹脂；熱融型，如尼龍，聚乙烯；加壓型，如天然橡膠；水溶型，如淀粉。4晶體生長技術(shù)4.1 晶體生長的基本原理水熱法又稱熱液法，晶體的熱液生長是一種在高溫高壓下過飽和溶液中進(jìn)行結(jié)晶的方法。它實質(zhì)上是一種相變過程，即生長基元從周圍環(huán)境中不斷地通過界面而進(jìn)入晶格座位的過程，水熱條件下的晶體生長是在密閉很好的

13、高溫高壓水溶液中進(jìn)行的。利用釜內(nèi)上下部分的溶液之間存在的溫度差，使釜內(nèi)溶液產(chǎn)生強(qiáng)烈對流，從而將高溫區(qū)的飽和溶液放入帶有籽晶的低溫區(qū)，形成過飽和溶液。根據(jù)經(jīng)典的晶體生長理論，水熱條件下晶體生長包括以下步驟：（1）溶解階段；（2）輸運(yùn)階段；（3）離子、分子或離子團(tuán)在生長界面上吸附、分解與脫附；（4）吸附物質(zhì)在界面上的運(yùn)動；（5）結(jié)晶。同時利用水熱法生長人工晶體時由于采用的主要是溶解一再結(jié)晶機(jī)理，因此用于晶體生長的各種化合物在水溶液中的溶解度是采用水熱法進(jìn)行晶體生長時必須首先考慮的。4.2 水熱法晶體生長的應(yīng)用4.2.1 水熱法合成高檔寶石水熱法是由意大利科學(xué)家Spezia于19世紀(jì)末發(fā)明的，早期主

14、要用于地球化學(xué)的相平衡研究及人工晶體的生長研究。1930年德國的IGFaben在此基礎(chǔ)上合成出了第一塊祖母綠晶體。水熱法和合成祖母綠晶體質(zhì)量高于助熔劑法合成的祖母綠晶體的質(zhì)量。綠柱石是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的硅酸鹽礦物，含銘的綠柱石晶體即為祖母綠晶體，它是一種具有寬帶輻射的優(yōu)秀可調(diào)諧激光材料。采用溫差水熱法，以復(fù)雜的鹽酸混合溶液為礦化溶劑，在較低溫度壓力條件下，可生長出無色透明的綠柱石晶體。5.未來無機(jī)材料發(fā)展展望目前，迅速發(fā)展的電子工業(yè)、空間科學(xué)、核技術(shù)、激光技術(shù)、高能電池、太陽能利用等領(lǐng)域，對材料性能提出了各種新的要求7.因而在傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料基礎(chǔ)上發(fā)展出了高溫材料、高強(qiáng)材料、電子材料、光學(xué)材料以及激光、鐵電、壓電等材料，這些說明了新材料發(fā)展和高科技發(fā)展是緊密聯(lián)系的.因此，它在現(xiàn)代工業(yè)、現(xiàn)代國防、現(xiàn)代生活的應(yīng)用方面前景廣闊。未來新材料的發(fā)展方向是各種材料相復(fù)合，即可改善無機(jī)材料脆性的弱點，并可具有高彈性模量，低比重，高韌性.未來電子材料的工程發(fā)展方向是微小型化、薄膜化，消除缺陷與微電子的集成工藝相結(jié)合.結(jié)構(gòu)材料的工程研究方向主要是在應(yīng)用上的可靠性，生產(chǎn)上的重復(fù)性、穩(wěn)定性以及成本的逐步下降.新材料和傳統(tǒng)無機(jī)材料相比，一個重要的變化是從勞動密集型向技術(shù)密集型并繼續(xù)向知識密集型的新興工業(yè)過渡.今后，多學(xué)科交叉的各種復(fù)合材料將越來越占據(jù)材料工業(yè)的主導(dǎo)地位.1劉建群.陶瓷工