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无机非金属材料有哪些，天然石材是无机非金属材料吗( 三 )

小知识


陶瓷在我国有悠久的历史， 是中华民族古老文明的象征 。 从西安地区出土的秦始皇陵中大批陶兵马俑， 气势宏伟， 形象逼真， 被认为是世界文化奇迹， 人类的文明宝库 。 唐代的唐三彩、明清景德镇的瓷器均久负盛名 。
传统陶瓷材料的主要成分是硅酸盐， 自然界存在大量天然的硅酸盐， 如岩石、土壤等， 还有许多矿物如云母、滑石、石棉、高岭石等， 它们都属于天然的硅酸盐 。 此外， 人们为了满足生产和生活的需要， 生产了大量人造硅酸盐， 主要有玻璃、水泥、各种陶瓷、砖瓦、耐火砖、水玻璃以及某些分子筛等 。 硅酸盐制品性质稳定， 熔点较高， 难溶于水， 有很广泛的用途 。
硅酸盐制品一般都是以黏土（高岭土）、石英和长石为原料经高温烧结而成 。 黏土的化学组成为Al传3·2SiO·2H传， 石英为SiO， 长石为K传·Al传3·6SiO（钾长石）或Na2O·Al2O3·6SiO2（钠长石） 。 这些原料中都含有SiO2， 因此在硅酸盐晶体结构中， 硅与氧的结合是最重要也是最基本的 。
硅酸盐材料是一种多相结构物质， 其中含有晶态部分和非晶态部分， 但以晶态为主 。 硅酸盐晶体中硅氧四面体[SiO4]是硅酸盐结构的基本单元 。 在硅氧四面体中， 硅原子以sp杂化轨道与氧原子成键， Si—O键键长为162 pm， 比起Si和O的离子半径之和有所缩短， 故Si—O键的结合是比较强的 。 精细陶瓷的化学组成已远远超出了传统硅酸盐的范围 。 例如， 透明的氧化铝陶瓷、耐高温的二氧化锆（ZrO2）陶瓷、高熔点的氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC）陶瓷等， 它们都是无机非金属材料， 是传统陶瓷材料的发展 。 精细陶瓷是适应社会经济和科学技术发展而发展起来的， 信息科学、能源技术、宇航技术、生物工程、超导技术、海洋技术等现代科学技术需要大量特殊性能的新材料， 促使人们研制精细陶瓷， 并在超硬陶瓷、高温结构陶瓷、电子陶瓷、磁性陶瓷、光学陶瓷、超导陶瓷和生物陶瓷等方面取得了很好的进展， 下面选择一些实例做简要的介绍 。
高温结构陶瓷汽车发动机一般用铸铁铸造， 耐热性能有一定限度 。 由于需要用冷却水冷却， 热能散失严重， 热效率只有30%左右 。 如果用高温结构陶瓷制造陶瓷发动机， 发动机的工作温度能稳定在1 300 ℃左右， 由于燃料充分燃烧而又不需要水冷系统， 使热效率大幅度提高 。 用陶瓷材料做发动机， 还可减轻汽车的质量， 这对航天航空事业更具吸引力， 用高温陶瓷取代高温合金来制造飞机上的涡轮发动机效果会更好 。
已有多个国家的大的汽车公司试制无冷却式陶瓷发动机汽车 。 我国也在1990年装配了一辆并完成了试车 。 陶瓷发动机的材料选用氮化硅， 它的机械强度高、硬度高、热膨胀系数低、导热性好、化学稳定性高， 是很好的高温陶瓷材料 。 氮化硅可用多种方法合成， 工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1 300 ℃反应后获得：
3Si+2N2→Si3N4 （1 300 ℃）
高温结构陶瓷除了氮化硅外， 还有碳化硅（SiC）、二氧化锆（ZrO2）、氧化铝等 。
透明陶瓷一般陶瓷是不透明的， 但光学陶瓷像玻璃一样透明， 故称透明陶瓷 。 一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔， 前者能吸收光， 后者使光产生散射， 所以就不透明了 。 因此如果选用高纯原料， 并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷 。 早期就是采用这样的办法得到透明的氧化铝陶瓷， 后来陆续研究出如烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆等多种氧化物系列透明陶瓷 。 又研制出非氧化物透明陶瓷， 如砷化镓（GaAs）、硫化锌（ZnS）、硒化锌（ZnSe）、氟化镁（MgF2）、氟化钙（CaF2）等 。 这些透明陶瓷不仅有优异的光学性能， 而且耐高温， 一般它们的熔点都在2 000 ℃以上 。 如氧化钍-氧化钇透明陶瓷的熔点高达3 100 ℃， 比普通硼酸盐玻璃高1 500 ℃ 。 透明陶瓷的重要用途是制造高压钠灯， 它的发光效率比高压汞灯提高一倍， 使用寿命达2万小时， 是使用寿命最长的高效电光源 。 高压钠灯的工作温度高达1 200 ℃， 压力大、腐蚀性强， 选用氧化铝透明陶瓷为材料成功地制造出高压钠灯 。 透明陶瓷的透明度、强度、硬度都高于普通玻璃， 它们耐磨损、耐划伤， 用透明陶瓷可以制造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器和高级防护眼镜等 。

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