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无机材料的种类
硅酸盐:
按化学的概念,是指由二氧化硅(SiO2)和金属氧化物所形成的盐类。硅酸盐在自然界分布极广,种类繁多,是构成地壳岩石、土壤和许多矿物的主要成分。如长石、石英、高岭石、云母、石棉、滑石等都是常见的、具有经济价值的硅酸盐矿物。以这类矿石为主要原料,经高温处理制成的制品或材料称硅酸盐制品或硅酸盐材料;制造这类制品或材料的工艺过程称硅酸盐工艺;生产这种制品或材料的工业,称硅酸盐工业。传统的硅酸盐制品有日用陶瓷、砖瓦、玻璃、耐火材料、水泥、搪瓷等,一般都含有硅酸盐,是无机非金属材料的主要构成部分。新型硅酸盐材料指的就是无机材料,它不一定含有硅酸盐。
无机非金属材料:
简称为无机材料。无机材料包括:传统无机材料和先进无机材料。传统无机材料主要是指传统硅酸盐材料,见“硅酸盐”词解。先进无机材料,不一定含有硅酸盐,它是用氧化物等以至用各种无机非金属化合物,经特殊的先进工艺或方法制成的材料。这类材料从结晶的程度上来区分,可以是单晶体的人工晶体材料、多晶体的陶瓷材料,也可以是无定形非晶态的玻璃材料,还有纤维材料、厚膜和薄膜材料。就其用途上看,无机材料不仅深入到人们日常生活和各个工业领域,而且与现代新技术、高技术的发展紧紧地联系在一起。
无机涂层:
是指在某种底材上加涂一层无机材料(如非金属氧化物,氧化锆、氧化钛等)以抵御外部环境对底材的伤害,从而提高它们的使用效能或延长使用寿命。
无机涂层工艺方法可分为:涂覆法、喷涂法、蒸镀法、高温渗透法和阳极氧化法等。无机涂层已广泛应用于人们日常生活和有关工业领域中。如:日用搪瓷、化工搪瓷、以及机体上用生物涂层等。按其性能又可分耐热涂层、抗氧化涂层、耐磨涂层、耐腐蚀涂层、温控涂层、以及选择性光谱吸收涂层等。
结构陶瓷:
这是一大类陶瓷材料。是用于各种结构部件,以发挥其材料的各种特性如:机械性能、热性能、化学性能,以及生物功能等各种高性能特长的陶瓷。结构陶瓷主要有氮化硅、碳化硅、氧化锆系统、氧化铝等各种系列,以及陶瓷基复合材料系列。
由于结构陶瓷具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高硬度、高导热性和质量轻等特点,因此在机械、化工、冶金、汽车、航空航天和电子通讯以及生物等方面具有广阔应用前景。
功能陶瓷:
这是另一大类陶瓷材料。通常具有一种或多种功能。如:电、磁、光、热、声、化学、生物等功能,以及耦合功能。如压电、热电、电光、声光、磁光等功能。
功能陶瓷品种繁多,大致可分为1)电解质陶瓷(如绝缘陶瓷和电容器陶瓷);2)铁电陶瓷(如压电陶瓷);3)敏感陶瓷(如PTC、传感器等);4)导电陶瓷(如:氧化锆、β氧化铝);5)超导陶瓷;6)磁性陶瓷。由于功能陶瓷所具有的一些特殊性能,所以,目前已在能源开发、信息通讯、空间技术、传感技术、生物技术和环境科学等领域广泛地应用。
人工晶体:
自然界有很多天然单晶,如红宝石、翡翠、水晶等。这类材料不仅硬度高,不易磨损,而且经琢磨后光彩夺目。而使用人工的方法所合成的各种技术晶体,称之为人工晶体材料。
人工晶体大致可分为超硬晶体、光学晶体、半导体晶体、压电晶体、闪烁晶体、激光晶体、电光晶体和非线性光学晶体等。这类晶体材料应用领域很广泛,如:在手表、音响、装饰品、医疗仪器设备、信息通讯、光学仪器、高能物理、以及半导体产业等。
人工晶体制备方法主要有:溶液生长法、熔体生长法、气相生长法、也有固相生长法。
玻 璃 (glass)
玻璃是由熔融物冷却、固化而得的非晶态固体。日常生活中应用的玻璃大多是以SiO2为主要成分的硅酸盐玻璃,属Na2O-CaO-SiO2系统。其结构是硅氧四面体,通过共有顶角而互相连接,构成不规则的三维网络。除了硅酸盐玻璃之外,还有分别以B2O3,P2O5,Al2O3,GeO2,TeO2,V2O5等为主要成分的氧化物玻璃和以硫系化合物、卤化物为主的非氧化物玻璃,以及由某些合金快速冷却形成的金属玻璃。
玻璃具有一系列非常可贵的特性:透明、坚硬、良好的化学稳定性;可通过化学组成的调整,大幅度调节玻璃的物理和化学性能,以适应各种不同的使用要求;可以用吹、压、拉、铸、槽沉、离心浇注等多种成形方法,制成各种形状的空心和实心制品;可以通过焊接和粉末烧结等加工方制成形状复杂、尺寸严格的器件。而且,制造玻璃的原料丰富,价格低廉。因此,作为结构材料和功能材料,玻璃在建材、轻工、交通、医药、化工、电子、航天、原子能等领域获得了极其广泛的应用。
玻璃的制造已有五千年的历史,一般认为最早的制造者是古代的埃及人。我国在东周时代已能制造玻璃,玻璃组成中都含有氧化铅和氧化钡,与其他国家的古代玻璃有明显的区别。我国历史上有把玻璃称为琉璃、颇黎、假水晶料器、硝子等名称。
微晶玻璃(glass ceramics)
微晶玻璃是通过附加的热处理使玻璃基体中长出大量均匀分布的微小晶体而形成的一类特殊玻璃材料。或者说是一类用玻璃工艺制得的具有接近陶瓷性能的材料,故又称玻璃陶瓷。通常微晶体的大小可从10纳米至几微米,晶体数量可达50-90%。微晶玻璃的成分有Li2O-Al2O3-SiO2,MgO-Al2O3-SiO2,CaO-Al2O3-SiO2等系统。微晶玻璃的性能取决于析出晶体的种类和数量,以及残余玻璃相的组成和性能。一般说来微晶玻璃具有机械强度高、耐化学腐蚀、热稳定性好、使用温度高等优点。适当地选择玻璃组成和晶化条件,还能生产出具有各种特殊性能的微晶玻璃,如:光敏微晶玻璃、透明微晶玻璃、低膨胀微晶玻璃、电光微晶玻璃、磁性微晶玻璃、云母微晶玻璃(又称可切削微晶玻璃)和炉渣微晶玻璃等。
微晶玻璃是20世纪50年代才出现的一类新型材料,由于其优越的性能已在国防、航空、交通、建筑、工业、科技等领域获得广泛应用。
石英玻璃(silica glass)
石英玻璃是二氧化硅单一组成的玻璃。是用水晶、硅石、硅化物(如:SiCl4)为原料,经高温熔化或化学气相沉积而成。熔化方法有电熔法、气炼法等。石英玻璃通常分为透明石英玻璃和不透明石英玻璃两大类。不透明石英玻璃是由于含有大量小气泡而成乳白色。在石英玻璃中掺入少量杂质,可制得特殊性能的新品种,如:超低膨胀石英玻璃、荧光石英玻璃、颜色石英玻璃等。石英玻璃的突出优点是耐高温(软化点高达1730゜C),低膨胀(膨胀系数仅是普通玻璃的1/10~1/20),热震性好,化学稳定性和电绝缘性好,并能透过紫外线和红外线。它可广泛用于半导体、电光源、光导通讯、激光技术、光学仪器、实验室仪器、化工、电工、冶金、建材等工业以及国防科学技术方面。
光致变色玻璃(photochromic glass)
有一种能随光照强弱而改变颜色的玻璃称为光致变色玻璃,简称光色玻璃。它在受光线照射时产生吸收而变暗,光照停止后自动退色而复明。该玻璃形成系统十分广泛,包括硼硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐及碱铝硅酸盐等系统。玻璃中的光敏剂根据不同系统可引入卤化银、钼酸银、卤化铜、卤化镉、氯化铊等物质。光色玻璃可用于制作光色眼镜(人称自动太阳镜)、高级防光建材、显示装置、全息存储介质等。
光色玻璃的研制是受到照相化学原理的启示,在钠硼铝硅系玻璃中,引入卤化银作为感光剂、微量铜离子作为增感剂。制得玻璃后,须再经过500-600゜C的热处理,使卤化银集聚成一定大小的微晶体。在紫外线或短波可见光的幅照下,卤化银分解成为胶体银颗粒,引起玻璃变色。同时产生的卤素受到致密的玻璃体的束缚,光照停止后,在热、红外线的幅照下,银原子和卤素重新结合,而使玻璃退色。因而,这种光致变色的过程是可逆的,而且不存在"疲劳"现象。
光学玻璃(0ptical glass)
光学玻璃是用于制造光学仪器或机械系统的透镜、棱镜、反射镜、窗口等的玻璃材料。光学玻璃品种繁多,包括无色光学玻璃、有色光学玻璃、激光玻璃、耐辐射光学玻璃、防辐射光学玻璃和光学石英玻璃等各大类。
无色光学玻璃常简称光学玻璃,是广义光学玻璃中的一大类,又分冕玻璃和火石玻璃两类和十几个小类,大约200多个牌号。每个牌号必须具有规定的光学常数和光学均匀性、透明度及化学稳定性。某些光学玻璃还要求具有特殊的色散。光学玻璃对原料要求较纯,熔融的玻璃液要进行搅拌,根据不同玻璃的特点可采用坩埚熔炼、连续熔炼、高频熔炼等方法。成形工艺则可采用破埚、浇注、滚压、滴料、吸液、压制等技术。为保证光学均匀性,退火非常关键,要求严格。光学玻璃大多在望远镜、显微镜、照相机、瞄准器及其他光学仪器中用做透镜、棱镜、反射镜等光学元件。
激光玻璃(laser glass)
激光玻璃是以玻璃为基础掺入一定的激活离子制成的激光工作物质。
与其他工作物质比较,激光玻璃易于制备,能获得高度透明、光学均匀、大尺寸的制品;其基质玻璃的成分和性质的变化范围大,能获得具有不同特点的玻璃品种;利用热成形及冷加工工艺,可制成不同形状的激光玻璃,以适应激光器的需要。在玻璃中已实现激光的有:Nd+3、Yb+3、Er+3、Ho+3、Gd+3等。掺钕玻璃由于能在室温中产生激光,温度猝灭效应小,光泵吸收效率和发光的量子效率高,是目前最主要的激光玻璃。激光玻璃是发展最快、应用范围最广的固体激光材料之一,已用于各种类型的固体激光器中。
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