《人类科学技术史-417》当代无机非金属材料

无机非金属材料一般指不含碳的非金属材料，如陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料等。

从本世纪40年代，陶瓷生产逐步实现了机械化。50年代，建立起能连续烧成的隧道窑，取代了过去烧一窑就得停下来卸装的落后方式。这些工艺的改革提高了生产能力，降低了成本。

科学技术的高速进步，对陶瓷提出了新的挑战。电力技术、电子通信技术的发展，需要强度高、性能好的陶瓷。这大大推动了对陶瓷材料广泛而深入的研究。40-50年代，实现了传统陶瓷向先进陶瓷的转变。60年代以来，先进陶瓷的材料和制备技术两方面的研究都取得了很大进展。科学家们认识到，陶瓷的显微结构有举足轻重的作用，只要减少陶瓷中的玻璃相，就可能制造出结晶态陶瓷。

先进陶瓷分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。陶瓷最突出的优点是坚硬耐磨、耐高温、耐腐蚀、不老化。先进结构陶瓷是在高温和苛刻的工作环境下能够长期可靠地工作的材料。比较重要的先进结构陶瓷有莫来石陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、复相陶瓷等。

1957年，美国通用电气公司工程师根据陶瓷的烧结机理，选择了强度达99.99％、颗粒直径平均为0.3微米的氧化铝细粉作原料，搀和不到3％的氧化镁，在通氢气的高温电炉里烧制，获得了半透明的氧化铝陶瓷。氧化铝陶瓷的研制成功，在陶瓷发展史上有重要意义。人们认识到，只要把内部气孔和杂质尽可能除净，陶瓷也可以与玻璃一样透明。这类透明陶瓷的优良性能是玻璃无法比拟的。它是当代尖端技术的重要材料。红外线制导导弹的整流罩、防止核爆炸闪光盲害的眼镜，立体工业电视的观察镜等都必须用透明陶瓷；超音速飞机的风挡、高级轿车的防弹窗、坦克的观察窗等也多用透明陶瓷。氧化锆陶瓷是60年代发展起来的用途广泛的先进结构陶瓷。它的出现，改变了人们对陶瓷力学性质的传统看法，促进了先进结构陶瓷的发展。氧化锆陶瓷强度高、韧性好。氧化锆相变增韧现象的发现，是近年来在先进结构陶瓷方面最重要的研究成果之一。氮化物陶瓷的优良性能，人们在50年代已有所认识。

随着烧结设备的不断改进，近年来氮化物陶瓷有很大发展。氮化硅陶瓷作为一种高强度、高硬度的高温陶瓷，已用于制造陶瓷刀具，并试制出在1200℃以上高温下工作的陶瓷涡轮转子。氮化铝陶瓷是以其特别高的热导率、优异的电气绝缘性质用于大规模集成电路和混合集成电路的基片。立方氮化硼陶瓷则作为一种硬度接近金刚石的超硬材料受到重视。碳化硅陶瓷在近30年发展起来。它的抗弯强度在1400℃高温下仍保持在5000-6000公斤／厘米2以上，是非常好的高温结构材料。复相陶瓷是近几年来出现的先进结构陶瓷。它是性能更加理想、更全面的陶瓷材料。目前，先进结构陶瓷的生产和市场容量以每年15-18％的速度增长。在少冷和绝热发动机、燃气涡轮的叶片和转子等制造方面，它是非常理想的材料。中国在"七五"期间研制成一系列陶瓷发动机的关键陶瓷部件，装配成发动机，并完成了在大型公共汽车上从上海往返北京的装车路试。由陶瓷部件装成的发动机，不仅能提高燃油效率，而且无需专门的冷却系统，特别适用于沙漠地区等恶劣环境。陶瓷刀具不仅具有高硬度、高耐磨性，同时在高温下的力学性质也很好，仍然和低温时一样坚硬锋利。

先进功能陶瓷与电子技术密切相关，又称为信息陶磁。这类陶瓷具有特殊的物理性能，如绝缘性、电感性、压电性、热电性、磁性、半导体性、超导性、光学性能等。电容器陶瓷从50-60年代开始发展起来，现已成为电容器中最重要的一类，约占各类电容器总和的一半以上。铁电陶瓷中最早发现的是钛酸钡，已被主要用于制造陶瓷电容器。1988年，非挥发性的铁电随机存贮器问世。它的出现给计算机技术以很大的冲击，引起科学界和工业界的注意。压电陶瓷最早用的也是钛酸钡。60年代初，锆钛酸铅压电陶瓷的出现，为压电陶瓷未来的发展打下了坚实的基础。压电陶瓷主要用来进行换能、传感、驱动和频率控制，可用于许多先进技术领域。电致伸缩陶瓷是70年代后期发展起来的一种新型功能陶瓷。10多年来，关于它的研究取得很大进展。

多层结构的电致伸缩位移器可以在低电压下工作，大有取代压电微位移器的趋势。磁性陶瓷在40年代末50年代初萌芽。经过长期反复的探索，人们发现，与磁铁矿具有相同尖晶石结构的锰铁尖晶石、锌铁尖晶石及其固溶体既有很高的导磁率，又有很高的电阻率，可以烧结成瓷质很好的磁性陶瓷。这类陶瓷为高频电感器件的发展开辟了道路。半导电陶瓷主要用来制造各种陶瓷敏感器件和传感器件，如陶瓷变阻器、热敏电阻器、湿敏电阻器、气敏电阻器、生物敏感电阻器等。60年代后期，发现了掺杂氧化锌陶瓷的非线性变阻特性。这种电流电压非线性，或者电阻值的电压敏感特性可用来吸收供电系统经常产生的过电压、过电流脉冲，保护用电设备和器件免遭破坏。20多年来，对氧化锌变阻器进行了广泛的研究，但许多问题尚未弄清楚。其他几种半导电陶瓷正处于研究开发阶段。超导电陶瓷的出现是近年来物理学和陶瓷学取得的最重要进展之一。光学陶瓷的研究和应用目前也取得了可喜的成绩。由于先进功能陶瓷具有许多独特的优良性能，所以近二三十年来发展很快。有人预计未来将是先进功能陶瓷的黄金时代。

目前绝大部分先进陶瓷的晶粒大小约为1-10mm。如果晶粒的线度降到0.01-0.1mm，那么它就变成一种新的纳米陶瓷。这将是陶瓷发展进程中的第三次飞跃。我国在先进陶瓷材料的研究方面有较好的基础，但在应用方面还比较落后。开发推广先进陶瓷材料是我国材料科学技术的重要任务之一。

无机非金属材料中的玻璃在第二次世界大战后也有很大发展。40年代后期开始了对低折射率的氟化物、氟磷酸盐玻璃的研究，于60年代初获得了产品。70年代又开始了向高折射率的玻璃中引入氧化锗和氧化碲的研究，着重发展具有特殊色散的光学玻璃，以满足新兴技术的需求。此外，有色玻璃、变色玻璃也发展很快，它广泛用于生产和生活的许多方面。