無機(jī)非金屬材料的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1、非金屬材料的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢無機(jī)非金屬材料 (inorganic nonmetallic materials) 是以某些 元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、 鋁酸鹽、磷酸鹽、 硼酸鹽等物質(zhì)組成的材料。是除有機(jī)高分子材料和 金屬材料以外的所有材料的統(tǒng)稱。無機(jī)非金屬材料的提法是 20 世紀(jì) 40年代以后 , 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展從傳統(tǒng)的硅酸鹽材料演變而來 的。無機(jī)非金屬材料是與有機(jī)高分子材料和金屬材料并列的三大材料 之一。無機(jī)非金屬材料工程是材料學(xué)中的一個專業(yè)。 無機(jī)非金屬材料 工程是為了培養(yǎng)具備無機(jī)非金屬材料及其復(fù)合材料科學(xué)與工程方面 的知識，能在無機(jī)非金屬材料結(jié)構(gòu)

2、研究與分析、材料的制備、材料成 型與加工等領(lǐng)域從事科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、工藝和設(shè)備設(shè)計、生產(chǎn)及 經(jīng)營管理等方面工作的高級工程技術(shù)人才。本專業(yè)學(xué)生主要學(xué)習(xí)無機(jī)非金屬材料及復(fù)合材料的生產(chǎn)過程、 工 藝及設(shè)備的基礎(chǔ)理論、組成、結(jié)構(gòu)、性能及生產(chǎn)條件間的關(guān)系，具有 材料測試、生產(chǎn)過程設(shè)計、 材料改性及研究開發(fā)新產(chǎn)品、新技術(shù)和設(shè) 備及技術(shù)管理的能力。 我國無機(jī)非金屬材料工業(yè)的發(fā)展中存在很多問 題，特別是傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料與國外先進(jìn)水平有非常大的差距， 主要有：(1) 產(chǎn)品等級低在傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料中， 無論是水泥、 玻璃還是陶瓷的產(chǎn)品等 級普遍偏低。例如：發(fā)達(dá)國家的水泥熟料強(qiáng)度一般都在70M Pa以上，而

3、我國平均強(qiáng)度僅為50 MPa。我國高等級水泥(ISO)僅占18% 大量生產(chǎn)的是中、低等級水泥(ISO<),而很多發(fā)達(dá)國家的高等級水 泥占 90以上。(2) 資源消耗高 在資源的消耗方面， 水泥和陶瓷工業(yè)更為突出。 由于大量的無序 開采，未能充分利用有限資源，造成了極大浪費(fèi)。例如：生產(chǎn)水泥熟 料的主要原料是相對優(yōu)質(zhì)的石灰石，其化學(xué)成份須滿足CaO含量不低 于45% MgC不高于3%等要求。我國符合水泥生產(chǎn)要求，可以使用的 量僅約 250 億噸。目前每年生產(chǎn)水泥消耗的優(yōu)質(zhì)石灰石約億噸， 因此 該儲量僅可生產(chǎn)水泥熟料約 200 億噸，僅能提供約 40 年的水泥生產(chǎn) 需要。(3) 能源消耗高 在

4、建筑材料的生產(chǎn)過程中，要消耗大量的能源。例如：水泥工業(yè) 每年消耗標(biāo)煤 9106 萬噸，電力 650 億度。我國水泥生產(chǎn)能耗遠(yuǎn)高于 世界先進(jìn)水平，以每噸熟料的綜合能耗計算，世界先進(jìn)水平為 117Kg 標(biāo)煤，我國為標(biāo)煤，高出達(dá) 50%以上。在國外，全氧燃燒技術(shù)已經(jīng)在 玻璃行業(yè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用， 而僅有為數(shù)不多玻璃纖維生產(chǎn)線 使用了該項(xiàng)技術(shù)。(4) 環(huán)境污染嚴(yán)重水泥工業(yè)每年排放溫室氣體 co%億噸、SO2萬噸、NOx約206 萬噸；目前其他先進(jìn)國家平均噸熟料的粉塵排放v1Kg,而我國高達(dá)13Kg全國水泥生產(chǎn)年排放的粉塵竟高達(dá) 1000萬噸以上。(5) 單線生產(chǎn)規(guī)模小，落后工藝大量存在 以懸浮預(yù)

5、熱和預(yù)分解技術(shù)為核心技術(shù)的“新型干法”工藝，是目 前世界水泥工業(yè)普遍采用的最先進(jìn)的現(xiàn)代化水泥生產(chǎn)技術(shù)。日本有 96%、意大利%、韓國 100%、泰國 90%的水泥產(chǎn)量采用這種新型干法生 產(chǎn)線，而我國僅為 15。我國水泥制造業(yè)處于先進(jìn)工藝與落后工藝 并存的復(fù)雜狀態(tài)。 在玻璃行業(yè)， 我國浮法玻璃生產(chǎn)線的平均生產(chǎn)規(guī)模 為 450噸/天，而西方國家的法玻璃生產(chǎn)線的平均生產(chǎn)規(guī)模為 550噸/ 天。而且在玻璃產(chǎn)品的品質(zhì)上與國外相比有非常的差距。雖然我國無機(jī)非金屬新材料取得了很多成就， 但由于我國無機(jī)非 金屬材料研制、開發(fā)至產(chǎn)業(yè)的形成起步較晚，底子薄，投入強(qiáng)度小等 原因，使之與發(fā)達(dá)國家相比，仍有較大差距 ：

6、(1) 基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)落后我國的無機(jī)非金屬新材料是從試制起步的， 發(fā)展過程也主要是隨 從于型號的需要進(jìn)行。由于時間、人力的限制，加之我國長期以來對 基礎(chǔ)研究重視不夠， 投入較少，無機(jī)非金屬材料的系統(tǒng)的基礎(chǔ)非常薄 弱。(2) 材料性能低、品種少、批生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定 雖然我國已基本上建立了無機(jī)非金屬材料的研究、 開發(fā)與部分產(chǎn) 品的生產(chǎn)體系， 但材料的品種尚不齊全， 一些重要工程的關(guān)鍵配套材 料還須進(jìn)口。性能低、質(zhì)量差的問題仍然存在，而且在進(jìn)行批量生產(chǎn) 時質(zhì)量不穩(wěn)定、成品率低、效益差的問題嚴(yán)重，必須下大力氣解決。 例如，電磁屏蔽玻璃目前我國只能達(dá)到屏蔽 85dB的水平，而美國已 達(dá)到110d&am

7、p;我們在屏蔽波段范圍等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國防工業(yè)發(fā)展 的需要。而航空玻璃方面高強(qiáng)、多功能 （ 隱身、防激光等 ） 圓弧整體風(fēng) 擋在我國還剛起步研究，極大的制約了我國航空工業(yè)的發(fā)展。（3） 制備技術(shù)落后 無機(jī)非金屬新材料工業(yè)，不但制備技術(shù)落后，而且生產(chǎn)能力低， 效率低，直接影響高科技產(chǎn)品質(zhì)量 （性能）、成本、能耗等三個方面。 例如，國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家玻璃纖維生產(chǎn)大都采用 800-6000 孔漏板池 窯拉絲法生產(chǎn)，已占總量 95以上，無紡材料全部用池窯法生產(chǎn)， 坩堝拉絲法早已被淘汰， 而我國現(xiàn)有的池窯拉絲大部分采用 800-2000 孔生產(chǎn)技術(shù)， 4000 孔技術(shù)正在開發(fā)，坩堝拉絲還沒有完全淘汰，與

8、 國外相比還有較大的差距。我國纖維增強(qiáng)復(fù)合材料機(jī)械化生產(chǎn)只占 40，60仍采用落后的手工成型，與工業(yè)發(fā)達(dá)國家差距甚大。又如 集成電路 （IC） 石英擴(kuò)散管的制備技術(shù)， 國內(nèi)采用的單機(jī)間歇?dú)鉄捝a(chǎn) 技術(shù)只能提供lOOmm以下IC管，而國外采用一步法連熔拉管技術(shù)， 生產(chǎn)e 200300mm大口徑石英管供大規(guī)模集成電路用，使我國 IC用 石英擴(kuò)散管失去競爭能力，完全依賴進(jìn)口。（4） 技術(shù)裝備落后 目前我國無機(jī)非金屬新材料制備技術(shù)與裝備明顯落后， 造成研制 周期長、新產(chǎn)品發(fā)展困難， 預(yù)研成果不能及時進(jìn)入工程化研究，即便 生產(chǎn)也會出現(xiàn)成品率低、規(guī)模小，經(jīng)濟(jì)效率差等問題。作為四大材料中 （鋼鐵、有色、有機(jī)

9、和無機(jī)非金屬材料 ） 工業(yè)之一 的無機(jī)非金屬材料工業(yè)在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起著重要的作用。近年來， 無機(jī)非金屬材料不僅在品種上有了空前的發(fā)展， 而且在內(nèi)涵上有了進(jìn) 一步的延伸。 根據(jù)無機(jī)非金屬材料功能與作用的不同， 可以將無機(jī)非 金屬材料劃分為傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料 （建筑材料） 和無機(jī)非金屬新材 料。傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料材料品種繁多， 主要是指大宗無機(jī)建筑材 料，包括水泥、玻璃、陶瓷與建筑（墻體）材料等。其產(chǎn)量占無機(jī)非 金屬材料的絕大多數(shù)。 建筑材料與人們的生活質(zhì)量息息相關(guān)。 新型無 機(jī)非金屬材料是指具有如高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐磨、抗腐、耐高溫、抗氧化 以及特殊的電、光、聲、磁等一系列優(yōu)異綜合性能的新型材料，

10、是其 它材料難以替代的功能材料和結(jié)構(gòu)材料。 無機(jī)非金屬新材料具有獨(dú)特 的性能，是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)不可缺少的關(guān)鍵材料。 例如稀土摻雜石英玻璃 廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、 衛(wèi)星及坦克火控武器等激光測距系統(tǒng)， 耐輻照石英 玻璃應(yīng)用于各種衛(wèi)星及宇宙飛船的姿控系統(tǒng)； 光學(xué)纖維面板和微通道 板作為像增強(qiáng)器和微光夜視元件在全天候兵器中得到應(yīng)用； 航空玻璃 為中國各類軍用飛機(jī)提供了關(guān)鍵部件。 人工晶體材料中激光、 非線性 光學(xué)和紅外等晶體，用于彈道制導(dǎo)、電子對抗、潛艇通訊、激光武器 等。特種陶瓷中，耐高溫、高韌性陶瓷可用于航空、航天發(fā)動機(jī)、衛(wèi) 星遙感，可制作特殊性能的防彈裝甲陶瓷及特種纖維及用于電子對抗 等。目前已開發(fā)了近四

11、千種高性能、 多功能無機(jī)非金屬新材料新品種。 這些高性能材料在發(fā)展現(xiàn)代武器裝備中起到十分重要的作用。近些年，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，無論是傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料，還 是無機(jī)非金屬材料都有了一些新的發(fā)展趨勢：（1）生態(tài)與環(huán)保意識加強(qiáng) , 建立科學(xué)的評價體系 , 實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā) 展西方發(fā)達(dá)國家在促進(jìn)傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料產(chǎn)業(yè)健康、 可持續(xù)發(fā)展 方面的采取了許多重要措施。 世界發(fā)達(dá)國家十分重視建材工業(yè)的可持 續(xù)發(fā)展與綠色評價。生態(tài)評價也成為世界可持續(xù)發(fā)展的一個重要手 段。目前, 許多國家正在進(jìn)行“生態(tài)城市”的建設(shè)與實(shí)踐 , 推廣建筑節(jié) 能技術(shù)材料 ,使用可循環(huán)材料等 , 改善城市生態(tài)系統(tǒng)狀況。 由此，提出 了綠色

12、建材、環(huán)保建材與節(jié)能建材的概念 , 并開展了大量的研究與實(shí) 踐工作。與西方發(fā)達(dá)國家相比 ,我國還存在很大的差距 , 特別是缺乏立 法支持與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)以及相應(yīng)組織的管理與監(jiān)督 , 使我國的傳統(tǒng) 無機(jī)非金屬材料工業(yè)發(fā)展還有很大的提升空間。 面對資源和環(huán)境對我 國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的嚴(yán)峻考驗(yàn) , 國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略顯得愈加重要。（2）向著節(jié)能、降耗的方向發(fā)展 傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料工業(yè)是能源消耗大戶 , 在世界能源日益短 缺的今天,如何生產(chǎn)節(jié)能、降耗 , 以及如何生產(chǎn)出高質(zhì)量的建筑節(jié)能、 保溫產(chǎn)品是建材工業(yè)發(fā)展的重要趨勢。 選擇資源節(jié)約型、污染最低型、 質(zhì)量效益型、科技先導(dǎo)型的發(fā)展方式。新型墻體材料、

13、高質(zhì)量門窗、 中空玻璃將大量應(yīng)用。向著提高材料性能、使用壽命的方向發(fā)展。低 壽命設(shè)計、 大量重復(fù)建設(shè)已經(jīng)嚴(yán)重制約城市建設(shè)的發(fā)展。 現(xiàn)代化建筑 需要高性能建筑材料的支持 , 而提高建筑的耐久性又對建筑材料的使 用壽命提出了更高的要求。（3）單線生產(chǎn)能力向大型化發(fā)展 無論是水泥工業(yè)、 玻璃工業(yè)，還是陶瓷工業(yè)，單條生產(chǎn)線的生產(chǎn) 能力有大型化的趨勢。 生產(chǎn)線的大型化可以有效提高產(chǎn)品的質(zhì)量， 降 低能源消耗。（ 4）向著智能化方向發(fā)展建筑的智能化需要建筑材料的支持。 隨著技術(shù)的進(jìn)步和生活水平 的提高 , 建筑材料的安全性智能診斷等智能技術(shù)將更多的應(yīng)用于建筑 中。（5）向著復(fù)合化、多功能化方向發(fā)展 復(fù)合材

14、料具有單一材料所無法滿足的使用功能 , 是建筑材料的發(fā) 展趨勢, 對建筑材料的功能要求越來越趨向于多功能化。在美國、日本、西歐等所有發(fā)達(dá)國家在其科技發(fā)展戰(zhàn)略中都把無 機(jī)非金屬新材料的發(fā)展放在優(yōu)先發(fā)展的重要位置。 例如，美國為了保 持在高技術(shù)和軍事裝備方面的領(lǐng)先地位， 在先后制定的 先進(jìn)材料與 技術(shù)計劃（AMPP和國家關(guān)鍵技術(shù)報告中，新材料為六大關(guān)鍵 技術(shù)之首，而無機(jī)非金屬新材料占有相當(dāng)比例；日本發(fā)表的 21 世 紀(jì)初期產(chǎn)業(yè)支柱所列的新材料領(lǐng)域的 14 項(xiàng)基礎(chǔ)研究計劃中，其中 七項(xiàng)涉及無機(jī)非金屬新材料的研究領(lǐng)域。 例如發(fā)達(dá)國家十分重視復(fù)合 材料產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)研究。 通過關(guān)鍵技術(shù)的突破， 實(shí)現(xiàn)材料的 產(chǎn)業(yè)化