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第三章 无机非金属材料概述无机非金属材料是指以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。无机非金属材料是20世纪40年代以后随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的，已与高分子材料和金属材料并列为经济建设中的三大材料。传统的硅酸盐材料一般是指以天然的硅酸盐矿物(粘土、石英、长石等)为主要原料、经高温窑烧制而成的一大类材料，故又称窑业材料，这类材料具有非常悠久的历史。从远古旧石器时代的石器工具，原始部落所制作的粗陶器，中国商代开始出现的原始瓷器和上釉的彩陶，东汉时期的青瓷，经过唐、宋、元、明、清不断发展，已达到相当高的工艺水平，并成为中华民族的瑰宝。与此并行发展的耐火材料(粘土质和硅质材料)，从青铜器时代、铁器时代到近代钢铁工业的兴起，都起过关键的作用。玻璃制品亦有非常悠久的历史。距今五六千年的省埃及文物中即发现有绿色玻璃珠饰品，中国白色玻璃珠亦有近3000年的历史。17世纪以来，由于用工业纯碱代替天然草木灰与硅石、石灰石等矿物原料生产钠钙硅酸盐玻璃，各种日用玻璃和技术玻璃迅速进入普通家庭、建筑物和工业领域。在距今五六千年的史前和古代建筑中已大量使用石灰和石膏等气硬性胶凝材料。公元初期有了水硬性石灰和火山灰胶凝材料。19世纪初，英国人J 阿斯普丁(Aspdin)发明用硅酸盐矿物和石灰原料经高温煅烧制成波特兰水泥(又称硅酸盐水泥)，从而开始了高强度水硬性胶凝材料的新纪元。上述陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等，主要成分均为硅酸盐。长期以来，在学术界和工业生产部门中将其称为硅酸盐材料。20世纪中期后，随着微电子、航天、能源、计算机、激光、通信、光电子、传感、红外、生物医学和环境保护等新技术的兴起，对材料提出了愈来愈高的要求，促进了性能更为优良以及有特殊功能的新型陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥、涂层、磨料等制品的飞速发展。它们在化学组成上远远超出了硅酸盐化合物的范围，而是扩展到了其他氧化物、氮化物、硼化物、碳化物、硫系化合物和钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等一切无机化合物。已有相当一部分在其组成中完全不含氧化硅的产品，如刚玉瓷、镁质耐火材料、磷酸盐和硼酸盐光学玻璃等，已形成大规模的工业生产并广泛使用。在不少制品(如氧化锆陶瓷)的组成中，氧化硅反倒成为最有害的杂质而必须严格禁止。这样，再用硅酸盐材料来概括这些材料已显得过时，因此，无机非金属材料这一名称在学术界逐渐形成并获得使用。但由于历史的原因，在中国，有时仍常沿用硅酸盐的名称；国际上也常沿用广义的陶瓷(Ceramics)来表示无机非金属材料。无机非金属材料是一种或多种金属元素与一种非金属元素(如O，C，N等，通常为O)的化合物，主要为金属氧化物和金属非氧化合物，不含C-H-O链。其中，尺寸较大的氧原子为主体，尺寸较小的金属原子(或半金属原子，如Si等)处于氧原子之间的空隙中。氧原子同金属化合时，形成很强的离子键；同时也存在一定成分的共价键，但离子键是主要的，如MgO晶体中，离子键占84％，共价键占16％。也有一些特殊陶瓷，如SiC等，是以共价键为主。因此，从晶体结构上，无机非金属材料的元素结合力主要为离子键、共价键或离子一共价混合键。这些化学键的特点是高的键能、键强，这一大类材料有高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性，以及有宽广的导电性、导热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。 无机非金属材料品种极其繁多，用途各异，因此，还没有一个统一而完善的分类方法。通常把它们分为普通的(传统的)和先进的(新型的)无机非金属材料两大类。 传统的元机非金属材料是工业和基本建设所必需的基础材料。如水泥、耐火材料、陶瓷、玻璃等，它们生产历史较长，产量大，用途广。其他产品，如搪瓷、磨料、铸石、碳素材料、天然矿物材料等，也都属于传统的无机非金属材料。新型无机非金属材料是指20世纪中期以后发展起来的、具有特殊性能与用途的材料。它们是现代新技术、新兴产业和传统工业技术改造的物质基础，也是发展现代国防和生物医学所不可缺少的。主要有先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等。天然矿物材料天然矿物材料是指那些只经过简单的物理加工或经过表面化学处理就能被当作材料使用的天然矿物或岩石。一般不包括用于制作玻璃、水泥、陶瓷、耐火材料、铸石或岩棉等的原料和无机化工原料。 基于这样一个定义，可以把天然矿物材料分为天然石材、天然粉体功能材料及其他天然旷物材料等三大类。(一)天然石材 天然石材习惯上按其形状分为规格石材和碎石材料两大类，而规格石材按其硬度和矿物岩石特征，习惯上分为大理石、花岗石及天然板石。这里讲的“花岗石”、“大理石”、“板石”并非矿物岩石学中的概念，而是商业、建材业中的概念。 1．大理石类 大理石是建筑饰面石材的一种