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无机非金属材料作业 材料_____班 __________ _____ 这个学期，我开始了32个学时的无机非金属材料的学习。从开始学习到现在，在这短短的三周里，我查看了相关资料，我对无机非金属材料的认识也进一步加深。 首先谈谈我对无机非金属的认识。 无机非金属材料inorganic nonmetallic materials是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后,随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。 从近代高技术的发展来看，无机非金属材料所起的基础和先导作用非常显著。上二十世纪下半叶兴起的高技术以其产业为例，化合物半导体材料促使光电子技术的很大发展，形成了半导体发光二极管和半导体激光器的新兴产业，特别是近十年宽禁带半导体材料，如GaN材料的突破将推动全固态光源技术和产业的发展。由于七十年代石英玻璃光导纤维的损耗小于20dB/km，才使光纤通信技术能够实用化。近十年由于掺稀土离子的光纤放大器材料的突破，使多波复用长距离的光纤通信迅速发展。由于在La－Ba－Cu－O化合物中观察到30k以上的超导转变，开创了高温超导的新兴技术领域。碳富勒烯球和碳纳米管的诞生使纳米技术走向世纪的前沿。弛豫铁电和压电单晶和陶瓷的突破使高性能超声和水声换能器、压电驱动器等得到发展，在医用等高技术领域广泛应用。氧化物和超薄膜材料中巨磁电阻效应（GMR）和近十年隧道磁电阻效应的发现，使磁存储密度获得很大提高，磁记录产业得到迅速发展。人们研究并发展了晶须增韧、颗粒弥散强化、相变增韧等多种途径，使一些新型的氮化物（如Si3N4、BN）、硼化物（如 LaB6、ZrB2等）、碳化物（TiC、WC、SiC）等材料，其断裂韧性高达20MPam1/2以上，使陶瓷基复合材料进入实用化，推动了航空、航天和交通制造业。 21世纪无机非金属材料的发展具有低维化（在宏观和微观上）、复合化（材料的功能复合和组成复合）、智能化和环境友好等特征。宏观上的低维化是从体材料向薄膜材料和纤维材料的发展。现代信息功能器件（微电子、光电子和光子学器件）都是集成化的，因此主要应用薄膜材料。结构材料也用涂层和薄膜来改性增强、增韧、耐磨。无机涂层包括各类热控涂层、耐高温防腐蚀涂层、抗氧化涂层、耐损涂层等，应用于航天器、核反应堆和远载工具上。特别在结构材料的功能化上，薄膜具有特殊的作用。因此无机非金属材料的薄膜制备、结构和性能、表面态以及发展新的薄膜材料的研究就十分重要。在功能器件中纤维也作为集成元件，如光通信中光信号的放大、调制、选模等功能都通过功能纤维来完成，形成集成纤维光路和光网。纤维作为结构复合材料的主体，纤维的表面结构和性能就尤为重要。 如果要从事无机非金属的研究工作，我将会选择高性能纳米陶瓷作为我的研究方向。 先进结构陶瓷主要是指发挥材料机械、热、化学等功能的一大类高性能陶瓷，在日本称之为精细结构陶瓷，而欧美则称之为高性能结构陶瓷。按照组成可以将现金结构陶瓷大体分为氧化物类（如氧化锆、氧化铝等）和非氧化物类（如氮化硅、碳化硅、碳化硼、硼化钛等）。一般具有很高的熔点、硬度及较强的抗化学腐蚀性能，因而可以用于其他材料难以承受的高温、强腐蚀、强氧化、强冲击扽环境或条件。 基于上述优点及原因，发展先进结构陶瓷材料是什么具有理论意义和实际意义的。其主要用途包括各种高温结构件（如喷嘴、热交换器、承烧板、高温过滤器、高温球阀、耐热涂层、抗烧蚀材料、加热元件等）、耐磨材料（如轴承、球磨介质、脱水板等）、耐腐蚀部件（如管道、球阀、泵材等）、密封件、抗冲击结构件（如陶瓷装甲等）、发动机用陶瓷部件等。 所以，陶瓷的发展潜力是十分巨大的。 而陶瓷本身有其局限性。虽然陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1500HV以上，陶瓷的抗压强度较高，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差。因为这些原因，也就制约了陶瓷的发展。 随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属似柔韧性和可加工性。英国材料学家Cahn指出，纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。 纳米耐高温陶瓷粉涂层材料是一种通过化学反应而形成耐高温陶瓷涂层的材料。利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是指在陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米水平（1～100nm），使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响，为替代工程陶瓷的应用开拓了新领域。 纳米陶瓷的特性主要在于力学性能方面，包括纳米陶瓷材料的硬度，断裂韧度和低温延展性等。纳米级陶瓷复合材料的 力学性能，特别是在高温下使硬度、强度得以较大的提高。有关研究表明，纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性，而且纳米陶瓷出现将有助于解 决陶瓷的强化和增韧问题。在室温压缩时，纳米颗粒已有很好的结合，高于500℃很快致密化，而晶粒大小只有稍许的增加，所得的硬度和断裂韧度值更好，而烧 结温度却要比工程陶瓷低400～600℃，且烧结不需要任何的添加剂。其硬度和断裂韧度随烧结温度的增加（即孔隙度的降低）而增加，故低温烧结能获得好的 力学性能。通常，硬化处理使材料变脆，造成断裂韧度的降低，而就纳米晶而言，硬化和韧化由孔隙的消除来形成，这样就增加了材料的整体强度。因此，如果陶瓷 材料以纳米晶的形式出现，可观察到通常为脆性的陶瓷可变成延展性的，在室温下就允许有大的弹性形变。 由于纳米粉末的活性很高，高温烧结时晶粒生长很快，绝大多数情况下获得的不是纳米陶瓷，而是亚微米甚至微米陶瓷。只有采用热压、热等静压烧结或者小试样的快速等温烧结，才可能获得致密烧结的块体纳米陶瓷。在这种工艺条件下，一是对烧成设备的技术要求很高，二是很难制备复杂形状和尺寸的纳米陶瓷制品。因此，开发一种高性能低成本的纳米陶瓷制备新技术，是使纳米陶瓷制品实现产业化并获得广泛应用的关键。纳米陶瓷制品可在高温、腐蚀、无润滑等恶劣环境下用作耐磨结构材料，如研磨体、陶瓷轴承、机械密封件、纺织瓷件、管道、阀门、耐磨衬板等，对提升传统耐磨结构材料的可靠性和技术含量，推动机械制造、化工、纺织等相关产业的技术进步有积极意义。该技术利用工业废渣来制备纳米陶瓷，是一项集新材料研制、固体废弃物再生利用和环境保护于一体的具有显著社会经济效益和推广应用价值的课题，对提高冶金工业废渣的利用率和附加值，降低其对环境污染的压力具有重要意义。 前景展望，举例新型无机非金属纳米陶瓷抗磨剂的用途。新型无机非金属纳米陶瓷抗磨剂是一种以纳米氮化铝、纳米氮化硅的惰性固体材料为基础制成的抗磨剂，以润滑油为 载体作用于机件表面，加入后，在高温和极压的作用下被激活，修复受损部位，同时形成纳米渗镀保护膜，在保证正常配合间隙的情况下，将运动机件间的磨擦降至 近乎零。因为有这层膜的隔离作用，使机件间相对运动产生的磨擦只是作用于这层保护膜，从而保护了机件，降低了磨擦，起到抗磨、减磨、迅速修复的作用。1、 无机非金属纳米陶瓷抗磨剂的抗磨工作原理将纳米陶瓷抗磨剂加入各类合成机油、齿轮油、润滑油或润滑脂后，能迅速融为一体，并随机械的运转将其带到所有有 磨擦的金属表面，在高温和极压下激活，牢固的渗嵌到金属机件表面凹痕和微孔中，并在金属表面形成纳米保护膜，使原有的金属间的油脂膜或化学膜变成纳米膜， 极大的降低磨擦力，使磨擦系数几乎接近零，从而发挥其独特神奇的功能。2、无机非金属纳米陶瓷抗磨剂的修复磨损功能无机非金属纳米陶瓷抗磨剂对磨损金属 机件凹痕，由内及外进行牢固的耐高温、耐极压、耐极磨的物理性纳米渗镀，修复磨损。任何金属机件使用传统润滑油、润滑脂都无法避免和修复磨损，只能起到延 缓作用。而化学成膜的抗磨剂、“保护神”在短期内有一定作用，长期使用副作用大，而且依赖性强，反而加剧发动机磨损。3、无机非金属纳米陶瓷抗磨剂的功 能（1）纳米渗镀，修复磨损；（2）节省燃油率15-35；（3）延长换油周期50-100；（4）恢复动力；（5）增加扭矩力5-15； （6）实现机械零磨擦；（7）延长使用寿命2-3倍；（8）降低机械噪音、振动、温度10-20；（9）减少废气及有害物质排放20-70； （10）清除积炭、油垢、化学膜。4、无机非金属纳米陶瓷抗磨剂的特性（1）色乳黄；（2）呈乳状；（3）液体比重d1；（4）清洁分散性极 强；（5）无毒、无味、无腐蚀、不含金属；（6）减磨、抗磨、抗腐蚀、抗氧化、抗极压；（7）能与各种合成机油、石油、润滑油、润滑脂混合使用；（8）不 分解于水。 总结 陶瓷作为材料业三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。而纳米陶瓷作为一种新型高性能陶瓷，是近几年发展起来的一门全新技术，由于有着工程陶瓷无法比拟的有点（强度、韧性和超塑性大幅度提高），在发展的道路上前景必然是无比美好的。 参考资料 [1]傅正义 李建保，先进陶瓷及无机非金属材料，科学出版社，2007，1； [2]Jason_E 冰蓝晶使等，2011-01-29，无机非金属材料, http// [3] kafeixinqin,2009-11-20, 新型无机非金属纳米多功能陶瓷粉体（AlN Si3N4,http// [4]水冰上校等，2011-02-12，陶瓷材料，http// [5]wewe83等，2010-12-24，纳米陶瓷，http//