關(guān)于無機(jī)非金屬材料的現(xiàn)狀分析以及發(fā)展前景

趙大地

摘要：無機(jī)非金屬材料是人類應(yīng)用最早的材料，20世紀(jì)以來，隨著電子技術(shù)、航天、能源、計(jì)算機(jī)、通信、激光、紅外、光電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護(hù)等新技術(shù)的興起，對材料提出了更高的要求，促進(jìn)了特種無機(jī)非金屬材料的迅速發(fā)展。至今，出現(xiàn)了變色玻璃、光導(dǎo)纖維、電子發(fā)射及高溫超導(dǎo)材料和納米陶瓷等各種新型無機(jī)材料。在眾多的無機(jī)非金屬材料中，瓷器是我國古代的偉大發(fā)明，具有領(lǐng)先于其他國家上千年的歷史。

關(guān)鍵詞：發(fā)展現(xiàn)狀簡敘；發(fā)展前景

引言：自從人類誕生至今，傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料就與人類的生活密切相關(guān)，成為人類生活、生產(chǎn)中不可缺少的材料。從經(jīng)濟(jì)建設(shè)和近代高技術(shù)的發(fā)展來看，無機(jī)非金屬材料也起著重要的基礎(chǔ)和先導(dǎo)作用，特種無機(jī)非金屬材料的發(fā)展對于許多高技術(shù)行業(yè)的發(fā)展起著至為關(guān)鍵的作用。例如化合物半導(dǎo)體材料促使光電子技術(shù)的很大發(fā)展，形成了半導(dǎo)體發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器的新興產(chǎn)業(yè)。氧化物和超薄膜材料中巨磁電阻效應(yīng)（GMR）和近幾年隧道磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，使磁存儲密度獲得很大提高，磁記錄產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展；高溫結(jié)構(gòu)陶瓷與復(fù)合材料一直極大地推動了航空、航天、兵器與運(yùn)載工具的技術(shù)向高速度高搭載和長壽命方向發(fā)展。

一、無機(jī)非金屬材料的現(xiàn)狀簡敘

無機(jī)非金屬材料學(xué)科具有廣闊的發(fā)展前景。在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》國家重大戰(zhàn)略需求的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域中對材料領(lǐng)域規(guī)劃如下：重點(diǎn)研究基礎(chǔ)材料改性優(yōu)化，新材料的理化性質(zhì)，圍繞低維化、人工結(jié)構(gòu)化、集成化、智能化等新物理構(gòu)架探索、設(shè)計(jì)和制備新材料，材料成型、加工的新原理與新方法，材料表征與測量，材料服役行為及與環(huán)境的相互作用等。毫無疑問，21世紀(jì)無機(jī)非金屬材料的發(fā)展同樣符合上述描述，應(yīng)該具有復(fù)合化（材料的功能復(fù)合和組成復(fù)合）、結(jié)構(gòu)功能體化、低維化（在宏觀和微觀上）、智能化、環(huán)境友好和在極端環(huán)境中使用等特征。

二、無機(jī)非金屬材料的發(fā)展前景

（一）從均質(zhì)材料向復(fù)合材料發(fā)展

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，原來各自相對獨(dú)立的無機(jī)非金屬材料、金屬材料和髙分子材料等，已經(jīng)相互滲透、結(jié)合，多學(xué)科交叉成為材料科學(xué)技術(shù)的重要特征。無機(jī)非金屬材料與金屬材料和有機(jī)高分子材料的復(fù)合化具有廣闊的發(fā)展前景。事實(shí)上，以應(yīng)用為目標(biāo)，優(yōu)化三大類材料的各自優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行宏觀尺寸上的復(fù)合，20世紀(jì)在傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料上已廣泛采用，如鋼筋混凝土（金屬與水泥）、玻璃鋼（有機(jī)高分子與無機(jī)玻璃纖維）等。這類以結(jié)構(gòu)材料為主的復(fù)合材料，今后仍將優(yōu)化并繼續(xù)發(fā)展。隨著材料的復(fù)合尺寸越來越小，以至于達(dá)到納米和分子尺度上的復(fù)合或稱之為雜化（ hybrid），今后在無機(jī)非金屬功能材料上將頗為明顯。

（二）由結(jié)構(gòu)材料為向功能材料、多功能材料并重的方向發(fā)展

即所謂的結(jié)構(gòu)功能體化成為熱門的材料發(fā)展方向。功能的復(fù)合將使結(jié)構(gòu)材料功能材料的界限逐步消失。例如平板玻璃是作為門、窗、墻的結(jié)構(gòu)材料，但當(dāng)平板玻璃鍍膜后就具有不同的光反射和光吸收，有了陽光控制和低輻射性能后，就成為能滿足節(jié)能、環(huán)保、安全和裝飾的多功能建筑玻璃。結(jié)構(gòu)陶瓷也逐步功能化，利用陶瓷優(yōu)良的介電性能和光反射性能發(fā)展了結(jié)構(gòu)、防熱、透波（或吸波）等陶瓷材料。利用AIN陶瓷高的導(dǎo)熱性、低的電導(dǎo)率和熱膨脹以及優(yōu)良的機(jī)械性可作為大功率半導(dǎo)體集成器件的基板。

（三）材料結(jié)構(gòu)的尺度向“低維化”發(fā)展

宏觀上的低維化是從體材料向薄膜材料和纖維材料的發(fā)展。現(xiàn)代信息功能器件（微電子、光電子和光子學(xué)器件）都是集成化的，因此主要應(yīng)用薄膜材料。結(jié)構(gòu)材料也可用涂層和薄膜來進(jìn)行增強(qiáng)、增韌、耐磨的改性。無機(jī)涂層包括各類熱控涂層、耐高溫防腐蝕涂層、抗氧化涂層、耐損涂層等，應(yīng)用于航天器、核反應(yīng)堆和運(yùn)載工具上。特別在結(jié)構(gòu)材料的功能化上，薄膜具有特殊的作用。微觀上的低維化，即無機(jī)非金屬材料的織構(gòu)與結(jié)構(gòu)上的尺寸從毫米、微米趨向納米。納米尺度上的超晶格薄膜、納米線、納米點(diǎn)材料的結(jié)構(gòu)、性能的尺寸效應(yīng)，以及納米材料的制備在20世紀(jì)末已成為公眾關(guān)心的主題。納材料和器件由于其尺度上的納米量級，可表現(xiàn)出許多不同于塊體結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，對材料結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的認(rèn)識延伸到介觀尺度。進(jìn)入到21世紀(jì)將以納米器件為中心來研究納米材料的合成、組裝與性能調(diào)控[1]。進(jìn)一步的低維化，涉及基于原子和分子的納米材料和技術(shù)，低維納米材料及其復(fù)合的量子特性，量子限域體系的設(shè)計(jì)和制造，研究量子點(diǎn)和量子線材料的電子和能帶結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)態(tài)和缺陷態(tài)等與結(jié)構(gòu)與材料物理性質(zhì)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)量子調(diào)控等。

（四）材料向材料智能化方向發(fā)展

表現(xiàn)為材料能接收外部環(huán)境變化的信息，并能實(shí)時(shí)反饋。智能無機(jī)非金屬材料日益受到關(guān)注。最早的智能化材料為被動式的，如光色（光致變色）材料受陽光輻射，自動改變透光度，但透光度的深淺是不可控的。而電致變色材料不僅光照后變色，并且變色程度由外加電壓可控，是能動式的智能化。智能化功能材料大都分為多層壓電和鐵電陶瓷的復(fù)式結(jié)構(gòu)，外場信號的感知和反饋操作是分開的，目前趨向薄膜化和集成化。納米復(fù)合材料的出現(xiàn)，可以把不同功能的材料從微觀上復(fù)合在一起，形成緊湊的單體智能材料，這也是多功能無機(jī)非金屬材料的主要發(fā)展方向。

（五）材料的可循環(huán)利用和環(huán)境友好型材料的發(fā)展

隨著人類經(jīng)濟(jì)活動的發(fā)展，環(huán)境保護(hù)成為越來越重要的問題。資源綜合和循環(huán)利用、廢棄物資循環(huán)利用和處理、有害氣體液體的低排放和無害處理、有毒有害元素的替代等環(huán)境友好型的無機(jī)非金屬材料必然是將來的發(fā)展趨勢。需要全方位、多學(xué)科地研究綠色生產(chǎn)工藝，大力發(fā)展環(huán)境協(xié)調(diào)材料的制備技術(shù)及其理論基礎(chǔ)。開發(fā)傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)的生產(chǎn)技術(shù)，使之成為生態(tài)環(huán)境材料。加強(qiáng)理論基礎(chǔ)研究，探索出低能耗少污染的新的合成和制造工藝；廢氣廢料的合理科學(xué)處理技術(shù)；礦物資源的合理利用和結(jié)構(gòu)調(diào)整[2]。以傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料為例，建立材料環(huán)境負(fù)荷評價(jià)的方法。發(fā)揮無機(jī)非金屬材料的制備特點(diǎn)，加強(qiáng)對改善環(huán)境的關(guān)鍵材料的研究，諸如核廢物固化材料以解決核廢物的永久處理；汽車和柴油機(jī)尾氣三效催化劑（稀土復(fù)合氧化物）及載體材料（多孔陶瓷和陶瓷纖維）以解決汽車和柴油機(jī)的尾氣污染；光催化的建筑材料以解決建筑材料的自潔以及無機(jī)膜分離材料對藥物、食物和污水的處理。

（六）通過仿生途徑來發(fā)展新型無機(jī)非金屬材料

“師法自然”，大自然是我們永遠(yuǎn)的老師，自然界的各類生物通過千百萬年的進(jìn)化，在嚴(yán)峻的自然界環(huán)境中經(jīng)過優(yōu)勝劣汰、適者生存而發(fā)展到今天，自有其獨(dú)特之處。通過學(xué)習(xí)并揭開其奧秘，會給我們以無窮的啟發(fā)，為開發(fā)新材料提供廣闊的途徑隨著科技的進(jìn)步，新工藝、新技術(shù)的發(fā)展必然會促進(jìn)傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，必將開拓傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料新的應(yīng)用領(lǐng)域[3]。未來的主要建筑材料仍將是水泥和混凝土以及玻璃和陶瓷。

結(jié)束語：

21世紀(jì)傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料的生產(chǎn)和科研具有重要意義相對歷史悠久的傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料，特種無機(jī)非金屬材料的研究在整個(gè)材料科學(xué)領(lǐng)域中還很年輕，很多科學(xué)問題還未研究透徹，甚至有些問題還未涉及。特種無機(jī)非金屬材料的發(fā)展有待于冶金學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和數(shù)學(xué)等多學(xué)科的交叉滲透，共同探索。隨著研究的深入和發(fā)展，必然為特種無機(jī)非金屬材料的性能和應(yīng)用的開拓以及新材料、新功能的發(fā)現(xiàn)提供更堅(jiān)實(shí)的科學(xué)根據(jù)，開辟更美好的前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉波，徐順建，廖衛(wèi)兵等，無機(jī)非金屬新材料科技與產(chǎn)業(yè)概況及發(fā)展趨勢[J]，新余高專學(xué)報(bào).

[2] 閆 冬，無機(jī)非金屬材料行業(yè)的發(fā)展趨勢[J]，科技咨訊.

[3]陳上達(dá).質(zhì)子導(dǎo)電性無機(jī)非金屬材料的發(fā)展及其應(yīng)用[J].科技視界.