無機非金屬材料行業的發展趨勢

＊尹愛玲

（吉林大學 吉林 130022）

引言

在現代科學領域當中，主要依靠能源、信息和材料實現發展的驅動和提高，而在現代材料學領域的研究與發展過程當中，無機非金屬材料是其中重要的組成部分之一，特別是一些高分子、復合化的無機材料在理化性能的表現上更為突出，能夠和許多不同行業發展之間形成應用融合。無機非金屬材料的類型組成十分廣泛，其優勢特點也存在著差異化表現，不斷加深對無機非金屬材料的研究能夠更好地為現代化技術的革新發展提供原材料，使其成為促進科研發展的原動力。

1.無機非金屬材料概述

由于無機非金屬材料包含的種類較多，從材料學的定義范疇上進行分類，除金屬材料、有機高分子材料之外的其他類別都可納入無機非金屬材料幫助，包括了常見的氧化物、碳化物、硅酸鹽等等。無機非金屬的主要應用以研究在18世紀時出現了爆炸式的發展，這與工業革命的興起之間有密不可分的聯系。自20世紀以來，計算機、航空航天等許多新興領域的興起對于材料學的性能特點提出了更新的要求，也促使了無機非金屬材料的進一步深入發展，誕生出了許多在理化性能上具有優勢性的各項材料，如絕緣陶瓷、變色玻璃和光導纖維等，較好地取代了原有金屬材料和有機材料。自“九五”后，科研人員對于無機非金屬材料的研究不斷深入，工業化市場對于這類新材料的應用需求量也在不斷攀升，形成了全領域、多產品的應用模式，打破了由于材料性能不佳而產生的技術限制性，更好地促進了生產、科研的現代化發展[1]。

2.無機非金屬材料分類

(1)半導體材料

半導體材料的理化性能較為特殊，其在集成電路行業中有十分廣泛的應用，其電導率會隨著溫度變化呈現出反比關系，是一種與金屬材料性能相反的材料，也賦予了其更高的研究價值和廣泛應用。半導體材料的單質元素外層電子處于充滿的狀態，如常見的Si、Ge、Se等都具有半導性的特點，前兩種在工業中的應用最廣泛。一些化合物材料也具有半導體的特點，如閃鋅礦、酞菁等。半導體材料在生活當中十分常見，且由于基礎材料的生產成本較低，為其廣泛應用提供了良好的基礎。半導體材料在進行制備處理時根據應用需求的不同可以制備為單晶片、薄膜材料等，其純度可以達到6個“9”以上，可以作為良好的基體材料進行精細化處理，確保其在電子集成應用當中能夠達到最大的襯底直徑。碳化硅半導體材料的應用帶寬間隙等大，可以在600℃的條件下保證2000h以上的使用壽命，在通信、航空等工程當中有極強的應用優勢[2]。納米級別的半導體材料在研究與發展的過程中可以更好地促進大規模集電技術的良好發展，使芯片內的集成度得到有效提升，利用超晶格的特點優化通信技術進步。

(2)晶體材料BGO

晶體材料根據晶胞的排布差異可以分為單晶和多晶兩種類型，如常見的金剛石、硅板等都屬于單質材料，在電子電路設計、機械工程設備當中都有廣泛的應用，而化合狀的陶瓷、玻璃等都屬于多晶化合物，其應用的場景十分豐富，包括了日用、建筑、冶金、工業等多方面的內容，是一種和日常生活息息相關的無機非金屬材料。在晶體材料中，其中的粒子都是按照一定的規律進行排布分散的，這也使其這類材料的理化性能更加穩定，且可以通過實驗室培養的方式誘導晶體的生長，使材料學研究取得到較好的發展。不同類型的晶體材料在功能特性上存在很大差異，包括了導電性、光學特性等，在具體的應用中可以提供更加多樣化的選擇。BGO材料是一種特殊的晶體材料，其晶格結構和X光中的高能粒子發生碰撞從而實現了晶體發光，屬于光致發光的范疇[3]。將BGO晶體加載在探測器的頂部，能夠更好地檢測環境中的射線信號，再結合光電轉化、電路處理等方式延伸出了許多不同行業的應用。根據BGO晶體中的元素組成差異，可以將其分為氧化物、鹵化物等，在醫療、物理、工業等方面都有極高的應用價值。

(3)硅酸鹽材料

玻璃、微晶玻璃和陶瓷都屬于硅酸鹽材料的范疇，這類材料的硬度極強，在建筑工程行業有廣泛的應用優勢。硅酸鹽材料中的分子結構為四面體行，其中的硅、氧原子位置分布較為固定，分別對應著體心結構和四角位置，其他元素的不同組合方式能夠分別形成不同的硅酸鹽材料[4]。硅酸鹽材料中的分子結合性更強，其耐壓性、抗腐蝕性較金屬材料、有機材料更強，在硅酸鹽材料進行微晶化處理后可以具備更強的光學性能和導電性能，在市場應用中已經可以逐步替代傳統材料。硅酸鹽材料作為水泥成山的原材料可以形成硬度更強的膠凝結構，利用硅酸鹽熟料替代傳統水泥當中的其他熟料，可以有效提升其保溫效果。高溫陶瓷屬于新型硅酸鹽材料的一種，其耐磨損的性能更為突出，可以實現耐酸堿腐蝕和耐高溫環境，為工業生產提供了較好的應用原材料。

(4)其他新型材料

在無機非金屬材料的應用與發展過程中還誕生了一些新型材料，對于工業生產、日常生活等帶來了很大改變。如一些特殊的感光材料可以用于制作光電顯示的原料，高純硅材料可以用于制備新型電子通信設備等。在無機非金屬材料的不斷發展過程中，還誕生出了一批在理化特性上擁有突出特點的新材料，和常見的金屬、有機物等存在很大差別。超硬材料在機械產品當中有十分廣泛的應用，其耐磨性能更為突出，在長時間的機械作用之下依然能夠保證表面的光滑，是一種十分重要的結構性產品，有效替代了傳統機械生產過程中使用的金屬軸承等。復合化的氧化物陶瓷材料的熔點極高，在高溫環境下依然能夠保持性能的穩定，其抗折能力也提升至上千兆帕，在一些機械加工刀具、軸承等產品中都有廣泛的應用，一些金屬材料進行提純干餾時使用的坩堝等產品也是由極耐高溫的無機非金屬材料制備而成。在新型無機非金屬材料的發展過程中，對于O、Si、C等化合物的深入研究取得了良好的成效，將其制備為機械、工業產品后的使用壽命明顯更優。

3.無機非金屬材料應用優勢分析

無機非金屬材料是目前新材料領域當中的重要組成部分之一，由于其包含的種類十分廣泛，在性能特點上能夠更好地適配不同行業的應用需求。無機非金屬材料的整體性能較為穩定，不同類型的材料在某一性能特點上極為突出，如高強度、光電效應、晶體特點等，這使得無機非金屬材料的特性化優勢得到了更好的保留與發展。

常見的高品質陶瓷材料就屬于無機非金屬材料的一種，其耐高溫性能較其他普通材料更為突出，將其作為發動機當中的某些零件能夠更好地克服在長時間運行過程當中產生的高溫影響，不再需要引入水冷循環系統對其進行降溫處理，整個設備的熱傳導效率得到了更好的提升，系統結構更為穩定簡便，有利于廣泛進行復制和生產。

光纖材料是目前通信領域當中應用極為廣泛的一種信道傳輸介質，可以憑借全反射的優勢性來減少信號傳輸過程當中產生的損耗問題。光纖材料從本質上來說，屬于無機非金屬當中的玻璃材料類別，通過了較為特殊的拉伸工藝將其轉變成為極細、覆膜的形式，通過多條結合環繞的方式將其轉變為了日常應用當中的光纜線路[5]。這種材料的光導性能是其他金屬材料、有機材料所不能比擬的，也是無機非金屬材料在現代生產生活當中的重要應用表現之一。

4.無機非金屬材料發展中存在的問題

在新型無機材料快速發展的過程中，還存在有一定的問題需要通過科研手段予以克服，也是國內無機非金屬材料下一步發展中的重要方向。首先，無機非金屬材料和許多工業生產、建筑施工等行業之間有十分密切的聯系性，這要求新型材料必須要具備大批量生產的應用需求，并保證產品的等級和品質能夠滿足現代化應用的需求。如許多玻璃燈類產品的外殼平均強度只能達到50%-60%，較許多西方發達國家的產品還有一定的差距。其次，國內五金非金屬材料的研究品類豐富度上還存在有一定的不足，特別是對于一些與生產建設相關的配套性產品還依賴于進口，不能較好的實現全品類的研究和生產。如在一些集成電路的設計與生產過程中，需要使用電磁屏蔽玻璃來提升其運行的穩定性，避免受到環境干擾的影響。目前國內這類屏蔽產品的等級為85dB左右，而西方國家的相關產品已經可以達到110dB，特別是在屏蔽防護等級要求較高的國防、航空等領域內，對這些新型無機非金屬材料的質量需求更高，也成為了限制行業發展的影響因素之一。最后，在無機非金屬材料的生產過程中，對于能源的消耗量偏大，與綠色發展的理念之間存在一定的違背，特別是水泥材料的用量偏大，在資源應用上缺少科學的規劃，導致產生了不必要的浪費問題。

5.無機非金屬材料主要應用領域

(1)建筑工程領域

水泥、陶瓷和涂料等無機非金屬材料在建筑工程領域當中的應用十分廣泛，也是對傳統建材進行升級換代的重要研究。第一，傳統的水泥材料在生產過程當中需要消耗大量的能量，而新型無機非金屬材料研究可以通過工業廢渣的回收利用打造生態型的水泥原料，使其在經濟效益和應用優勢上更為突出。這種新型的水泥材料在性能特點上和傳統材料未見較大差異，且由于其透水性能更強，在許多市政工程建設當中應用新型水泥材料更有利于生態海綿城市的打造。 第二，將新型陶瓷材料制備成顆粒作為粗骨料應用在建筑工程施工當中，能夠更好地改善砌塊材料的保溫隔熱效果，并優化提升原有材料的荷載能力和配料比例，特別是作為外墻建設的應用可以有效降低室內的能量損耗，更符合建筑工程綠色環保的發展趨勢性[6]。第三，高質量的無機非金屬材料在建筑涂料的應用當中能夠實現形成一層較薄的涂抹，不僅有利于節約涂料應用成本，涂料表面的平整度也有了更好的提升，不會出現大量的流痕滴落問題。將硅藻土和傳統涂料進行融合的應用當中，由于其優秀的吸附特性，可以使新型涂料的防霉效果得到更好的提升，在較為潮濕的地區有廣泛的應用。

(2)智慧工業領域

無機非金屬材料在電子工業、醫學研究和航天航空等不同的領域當中都有著廣泛的應用，且在實踐過程當中取得了良好的應用反饋。第一，傳統的微電子生產加工需要通過絲網印刷的方式進行電子線路的刻磨，基底材料的性能特點會直接影響到集成電路的實際應用。在現代技術發展過程當中，應用玻璃陶瓷材料作為電子工業基地可以使其在高溫應用的過程當中依舊保持良好的導電性能，對于延長電子產品壽命、穩定產品性能具有積極意義[7]。復合氧化無機材料能夠制備為傳感探測零件，對于有害氣體、光敏變化等能夠形成更加精準的捕捉，在工業生產的過程中可以成為警報探測元件。第二，在醫學修復的過程當中應用樹脂材料可以更好地保持其穩定性和耐磨性，可以更好地排除，當金屬材料移植到人體后出現的各種排異現象。無機非金屬高分子材料由于高致命性的特點，其應用強度、鑄造性能等都可以較好地滿足醫學修復的應用需求，如LiKO材料在目前醫學口腔科室中應用十分廣泛[8]，能夠更好地代替鑄鐵材料等傳統材料，增加其應用過程中的耐磨性和生物適應性。第三，無機非金屬材料的加工性能十分優越，在零件產品的延展性和精細度上可以得到更好地把控，與航空航天這類應用要求較高的行業能夠形成良好的適配。無機非金屬材料在高溫高壓的環境之下，依然能夠保持較為穩定的理化特征，彈頭、外罩等保護材料都會選擇使用無機非金屬材料進行加工制備。第四，在工業化發展的過程中，不僅要求適應的材料可以具備導電性、耐磨性等，在一些特殊的智慧工業領域內還需要應用具有柔性化特征的新材料，可以更好地提升工業加工設備的密封效果，如柔性石墨材料能夠較好地代替傳統橡膠材料，就是利用了其高溫膨化的獨特性質。

6.無機非金屬材料行業發展趨勢分析

首先，在綠色環保發展理念的影響之下，對于無機非金屬材料的生產與加工也必須要落實可持續性的要求，特別是對于在建筑工程和智慧工業領域當中需要大量應用的玻璃和水泥材料，在生產加工過程當中需要消耗一定的能源才能夠完成制備，而在科研技術不斷提升的過程中，可持續性的發展需求會得到逐步落實，以低能耗、高產出的方式確保在行業應用當中可以使用更加優質的無機非金屬材料。如在城市打造過程中廣泛使用到的生態水泥就屬于可以循環利用的無機非金屬材料，許多垃圾焚燒、工業加工后形成的廢料殘渣都可以通過無機非金屬加工生產的方式將其轉變為水泥材料，在建筑工程當中能夠形成廣泛應用，具備阻燃、排濕、降噪等多方面的優勢性[9]。

其次，無機非金屬材料的應用領域十分廣泛，在其發展的過程當中對于基礎性能的優化和提升必須要和其應用需求之間形成良好的適配，確保行業和市場的發展更具一致性，不斷提升無機非金屬材料的經濟性價值。在許多建筑工程當中會使用到新型玻璃材料來改善房屋的透光、隔熱和降噪等需求，其應用的數量較為巨大，促使了材料研究與發展當中必須要重視生產實踐性和產量需求性。在玻璃、陶瓷等無機非金屬材料的研究過程中都必須要深入到生產工廠進行實地考察，以大型化和高產量作為材料生產研究的重要方向，更好地滿足市場應用需求。納米化的無機非金屬材料在理化性能上會出現一定的改變，包括了光學、力學和地磁特性等，也成為了該材料發展研究的重要方向。

最后，單一類型的材料研究在性能提升的有效性上存在有明顯的不足，有更多的研究人員將科研方向投入到了無機非金屬材料的復合化發展當中，借助多種材料的優勢融合制備出質量更高的新型材料。在復合技術的研究發展過程中，必須要重視不同類型材料性能的融合碰撞，確保對所需求的理化特征進行有效保留，并和材料的生產應用之間形成橋接，確保新型材料可以更好地投入到市場當中[10]。在我國的材料學發展中已經開展了復合高分子無機非金屬材料的相關實驗和科研，復合材料的類型也十分多樣化，包括了層級間、顆粒間和纖維間等不同的合成方法，對于新材料的研究與發展起到了極大的促進作用。

7.結束語

無機非金屬材料所包含的種類眾多，自18世紀以后在許多行業當中都扮演著極為重要的角色，在建筑工程、智慧工業等多方面的領域中，無機非金屬材料都憑借著優秀的高硬度、高耐壓和高抗腐等特性有了廣泛應用。為更好地加強對無機非金屬材料的研究力度，相關科研人員必須要重視對行業發展趨勢的有效把握，以環保性、可持續性和復合性的方向繼續深入，更好的放大無機非金屬材料的性能優勢，使其能夠在更廣泛的領域內帶來新材料的技術革新與發展。