无机非金属材料

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所属分类:科学故事
摘要

无机非金属材料以前主要指含有二氧化硅酸性氧化物的硅酸盐材料。陶瓷、玻璃、砖瓦、耐火材料、水泥等都是人们所熟悉的硅酸盐材料。经过几十年的发展,无机非金属材料早已超出硅酸盐的范围而日趋多样化。无机非金属材料有广泛的用途:化学工业需要不怕腐蚀、耐高温的陶瓷、玻璃设备;电力工业需要绝缘材料,而不导电的陶瓷是理想的绝缘材料;照明器具需要大量的玻璃;建筑行业需要大量的砖瓦水泥;而冶金工业则离不开耐火材料。虽然金属材料和有机材料发展迅速,但却取代不了无机材料,因为在耐高温性能上,无机材料几乎是不可替代的。硅酸

  无机非金属材料以前主要指含有二氧化硅酸性氧化物的硅酸盐材料。陶瓷、玻璃、砖瓦、耐火材料、水泥等都是人们所熟悉的硅酸盐材料。经过几十年的发展,无机非金属材料早已超出硅酸盐的范围而日趋多样化。

  无机非金属材料有广泛的用途:

  化学工业需要不怕腐蚀、耐高温的陶瓷、玻璃设备;电力工业需要绝缘材料,而不导电的陶瓷是理想的绝缘材料;照明器具需要大量的玻璃;建筑行业需要大量的砖瓦水泥;而冶金工业则离不开耐火材料。虽然金属材料和有机材料发展迅速,但却取代不了无机材料,因为在耐高温性能上,无机材料几乎是不可替代的。

  硅酸盐材料本身存在不少缺点。如陶瓷、玻璃都易碎,高温下会软化等,使它的应用受到限制。近十几年来,人们对硅酸盐材料进行了深入细致的研究,采用新技术新方法制成的硅酸盐材料与往日已不可同日而语。它们性能不同,异彩纷呈,为无机非金属材料带来了革命性的变化。下面我们就分别介绍这些材料。

  陶瓷

  在远古时代,我们的祖先就开始用粘土作成器皿盛装食物,后来人们发现这些器皿经火烧后,更加坚固耐用,这就是最初的陶瓷。在我国的半坡村氏族遗址中已有了精美的彩陶盆。我们的祖先对制陶技术不断加以完善,生产出图案精美、色泽鲜艳的陶器,出口世界,深受各国人民喜爱。我们中国的英文名字China,就是瓷器的意思。

  陶瓷的主要原料是粘土、长石、石英石等。先把它们磨成粉,再按一定配方混匀,加工成型,然后送入窑内高温烧结即可得到陶瓷。如果在毛坯上涂上各种釉质,刻上花纹,就可烧得精美的花瓶、盆、碗等日用品。

  陶瓷硬度高、耐高温、抗腐蚀,因而在工业上有广泛用途。1924年德国科学家以纯氧化铝为原料烧结出坚硬非凡的氧化铝陶瓷。这种陶瓷作成的刀具,甚至能切削硬度较高的合金钢。第二次世界大战以来,人们普遍用氧化铝陶瓷做火花塞。发动机的火花塞每秒引爆20~30次,瞬时温度高达2500℃,最大工作压力达100个大气压。在如此恶劣的条件下,氧化铝陶瓷仍能正常地长期工作。1957年,美国通用电气公司的工程师选用纯度达99.99%的氧化铝细粉作原料,烧制出半透明的陶瓷。用它制成的高压钠灯,亮度高、寿命长、清晰度高,能透过浓雾。

  导弹飞行的速度是声速的5~6倍,由于空气摩擦会使导弹头部温度高达1000℃。为了准确命中目标,导弹头部装有自动跟踪系统,能根据目标所发出的红外射线而自动调整飞行方向。什么材料既能耐1000℃以上的高温,又能透射红外射线呢?这就是著名的红外陶瓷。用纯净的原料通过真空热压或高温烧结,使陶瓷小晶粒迅速扩散而融合成晶莹透明的整体,就可得到能透射红外射线的透明陶瓷。

  氮化硅新型陶瓷是近十几年来发展起来的一种精密陶瓷。其制作方法是:把硅粉在1200℃高温的环境中氮化,使氮钻入硅粉坯体中,然后加工成型,再在1400℃高温下第二次氮化,即得氮化硅陶瓷。这种陶瓷具有足够高的强度和硬度,又有惊人的耐高温、耐腐蚀性能和抗急冷急热性能,是一种用途广泛的工程陶瓷。

  碳化硅陶瓷是另一种新型精密陶瓷。它质地坚硬,可作金刚石的代用品。人们采用热压烧结法得到的碳化硅陶瓷,在1400℃的高温下,其抗弯强度每平方厘米仍达5000~6000公斤以上,是制造高温燃气涡轮发动机的理想材料。

  1880年,法国科学家发现了某些晶体的压电效应,即沿晶体的某一方向施加压力,晶体表面会出现电荷,电荷大小与压力成正比。1944年,人们首次制得钛酸钡压电陶瓷,但性能不太理想。1955年,人们制得了性能较高的锆钛酸铅压电陶瓷。用这种压电陶瓷可生产大功率的超声和水声的换能器,也可作为高灵敏度的压电测量装置,在高频通讯技术、导弹技术、地震预报和医疗上都有广泛用途。这种陶瓷也是一种透明陶瓷,加上电场后具有双折射效应,去掉电场后又变成各向同性。用它可制成立体电视眼镜,戴上这种眼镜,你就可以看到立体电视或电影,医生用这种眼镜可以通过电视看到病人体内的立体图像,便于诊断治疗。

  目前陶瓷研究的方向是研制高温陶瓷,以便它能在1500℃以上的条件下工作,这在空间技术和军事技术上都有广泛用途。陶瓷研究的另一个方向是提高陶瓷的韧性,主要是陶瓷基复合材料。在现代科技的催化下,古老的陶瓷技术又开新花。

  玻璃

  一队远行的商人在野外露宿,他们用几块石头垒成灶,生火做饭。在烈焰的烧烤下石头熔化了,锅里的水倒下来浇灭了火,人们只好重新生火做饭。第二天早晨,有人在浇灭的火堆里发现了透明的小球,这就是第一颗玻璃球。原来那些石头的主要成分是硅酸钠和硅酸钙,在高温下熔化后又被迅速冷却,原子还来不及结晶处于液体状态就凝固,形成了一种新的材料——玻璃。

  人类认识玻璃、制造玻璃已有5000多年的历史,但要生产精美的玻璃制品很困难,因此几千年来,它一直是一种奢侈品,供少数人作为炫耀的资本。

  玻璃真正成为大众化的材料是从本世纪初开始的。1908年,美国人发明了平拉法,1910年,比利时人发明了有槽垂直上拉法,才使平板玻璃的生产摆脱了手工的吹制法而迅速发展。1959年,英国的皮尔金格兄弟公司花了7年时间,耗资400万英镑,终于研制出浮法玻璃生产工艺,大大提高了生产率并且降低了生产成本。1971年,日本人研制出对辊法,又使玻璃生产大大前进了一步。

  早期生产的玻璃主要是钠钙玻璃,常用作窗玻璃。这种玻璃受热不均时易破裂,不能作化学仪器。1915年美国研制出硼玻璃,把它加热到200℃后立即投入20℃的冷水中也不会破裂。因此它很快成为一种重要的化学用玻璃。用碳酸钾代替纯碱作原料生产出来的钾玻璃,熔点高,也是一种优秀的化学玻璃。

  玻璃易碎,但如果在玻璃型材制成后进行特殊的淬火处理:即把玻璃加热到600~650℃以上,用油或其他介质使玻璃骤冷,就可使玻璃的抗弯强度提高7~8倍,这种玻璃打碎后成为小钝角形的碎粒,没有刺伤人的危验,这就是钢化玻璃,很适合作汽车等的车窗。

  在一般玻璃中加入少量的澄清剂,如硝酸钠、氧化砷等,就可使玻璃更加晶莹透明,这种玻璃又叫玻晶。用它作成的器皿精美华丽,深受人们喜爱。

  如果在玻璃配料中加入少量金、银、铜等金属盐类作晶核,诱使玻璃形成很小的晶胞,就可获得晶体颗粒在0.05~1微米(1微米=1×10米)的微晶玻璃。它晶格致密,强度高,抗弯强度是普通玻璃的7~12倍。微晶玻璃耐高温性能好,在1300℃时才会软化;耐热冲击,在900℃时投入冷水中也不会破裂;耐磨、耐腐蚀并且能透过微波用作导弹的雷达罩,也可用于生产特殊轴承。

  在微晶玻璃中加入感光金属盐类,就制成光敏微晶玻璃。它具有跟照相底片一样的功能,一经加热就会显示出图像来。这种玻璃在光刻、光蚀技术以及集成电路生产中非常有用。

  玻璃晶莹透明,是生产光学仪器的重要材料。13世纪时,威尼斯人用玻璃制成了眼镜,16世纪时,人们又发明了望远镜和显微镜,光学玻璃的高性能是这些仪器发挥作用的关键。1886年,德国科学家阿贝和肖特系统地研究了氧化钡、硼酸盐等对玻璃性能的影响,研制出高性能的光学玻璃,在生产和生活中得到了广泛应用。随着光学和化学的发展,人们又研制出性能更高,用途更广的光学玻璃。如在原子能工业中,在作为观察窗和观察镜的玻璃中就加入硼和镉的氧化物以吸收中子流,加入氧化钡、氧化铝以吸收γ射线。

  有色玻璃是一种常见的光学玻璃。古代人凭经验开始少量研制,到了20世纪,光学的发展揭开了有色玻璃滤色的机理,人们据此制成了各种光色玻璃,具有选择某些特定光线的能力。例如:为了保护珍贵书籍,应当避免紫外线的长期照射,人们采用含有氧化铬、氧化钒的玻璃作图书馆的窗玻璃,就可阻止紫外线进入书库。近年来人们根据光色互变原理制成了变色玻璃,它是在玻璃中加入卤化银并经适当热处理,使卤化银部分沉淀为微晶,当强光照射时,卤化银分解为卤素和银,使玻璃变暗,减少光线透过;当无光照时,卤素与银又结合为卤化银,形成无色晶体。这种变色玻璃作成变色眼镜和汽车前窗玻璃,对保护视力很有好处。最近人们又研制成功了单透玻璃,它只允许光线单向通过,从玻璃一侧看过去,一切清晰;而从另一侧看过来,则什么也看不见,这种玻璃作汽车车窗和办公楼窗户都很棒。

  玻璃纤维是20世纪30年代问世的新产品。用先进的技术把熔化的玻璃拉成细丝,就成为玻璃纤维。随着技术水平的提高,玻璃丝越拉越细,已超过羊毛和棉纱,从此玻璃制品告别了脆性而成为抗拉强度很高的纤维。用玻璃纤维制成的绳子、缆等比钢绳轻,在建筑、航海上有广泛用途;用玻璃纤维制成的布,既耐高温又不怕腐蚀,并且具有绝缘隔热性能,因而在电机、化工、冶金、交通、国防等部门都受到青睐。

  光导纤维也是一种玻璃纤维,它用一种折射率较高的玻璃作芯子,用另一种折射率较低的玻璃作包皮,套制而成。由于玻璃的光学特性,光可以通过光导纤维向远方传递,就像电线传递电信号一样。光导纤维愈细愈纯,在传输中光能的损耗就愈少。光导纤维传递信号的能力很大,一根比头发丝还细的光导纤维能传递上千路电话;光缆根本不受电杂音干扰,可以和电线捆在一起而不失真,并且重量轻,占地少,特别适合作高效的通讯交流使用。光纤通讯技术将是通讯史上的一次重大变革,目前各国都在努力研究。

  水泥

  水泥是一种水硬性材料,普通建筑材料遇水会松垮,而水泥着水后却逐渐结硬而生成坚硬的人造石,在水泥中掺入砂子后用水调成砂浆,对砖瓦、石头等有良好的粘着力,用来砌墙,是一种很好的粘合剂。水泥和砂子、碎石掺在一起加水搅拌就成为混凝土,它具有很好的抗压性能,但抗拉强度差。用水泥包着钢筋后生成的钢筋混凝土,则具有优异的性能,它开辟了建筑史上的一个新纪元。多少巍峨矗立的高楼,多少凌空飞架的桥梁,都是钢筋混凝土结构。

  普通水泥的主要成分是硅酸盐,是用粘土和石灰石在回转窑内烧制成的,是普通建筑的常用材料。按国家标准,普通水泥分六个标号,即200,250,300,400,500,600。水泥标号越高,强度越高,可根据需要选用。

  普通水泥的耐磨和耐高温性能尚不能令人满意,于是人们又开发了各种高性能水泥。在普通水泥中掺入20%~50%的火山灰,得到的火山灰水泥非常耐冲刷,是建筑水库、水电站的好材料;在普通水泥中掺入20%~85%的高炉矿渣,制得的矿渣水泥可耐高温;在普通水泥中加入石膏和膨胀剂,可制得膨胀水泥,在隧道、涵洞修补上极为有用。

  目前每年全世界水泥的产量已超过8亿吨,可见水泥之重要。人们正在开发各种特殊水泥,如耐油防水的抗渗水泥,抗酸碱腐蚀的耐酸碱水泥,能阻止放射线渗透的放射物的包封用水泥等等。

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