关于无机非金属材料的现状分析以及发展前景

赵大地

摘要：无机非金属材料是人类应用最早的材料，20世纪以来，随着电子技术、航天、能源、计算机、通信、激光、红外、光电子学、生物医学和环境保护等新技术的兴起，对材料提出了更高的要求，促进了特种无机非金属材料的迅速发展。至今，出现了变色玻璃、光导纤维、电子发射及高温超导材料和纳米陶瓷等各种新型无机材料。在众多的无机非金属材料中，瓷器是我国古代的伟大发明，具有领先于其他国家上千年的历史。

关键词：发展现状简叙；发展前景

引言：自从人类诞生至今，传统无机非金属材料就与人类的生活密切相关，成为人类生活、生产中不可缺少的材料。从经济建设和近代高技术的发展来看，无机非金属材料也起着重要的基础和先导作用，特种无机非金属材料的发展对于许多高技术行业的发展起着至为关键的作用。例如化合物半导体材料促使光电子技术的很大发展，形成了半导体发光二极管和半导体激光器的新兴产业。氧化物和超薄膜材料中巨磁电阻效应（GMR）和近几年隧道磁电阻效应的发现，使磁存储密度获得很大提高，磁记录产业得到迅速发展；高温结构陶瓷与复合材料一直极大地推动了航空、航天、兵器与运载工具的技术向高速度高搭载和长寿命方向发展。

一、无机非金属材料的现状简叙

无机非金属材料学科具有广阔的发展前景。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》国家重大战略需求的基础研究领域中对材料领域规划如下：重点研究基础材料改性优化，新材料的理化性质，围绕低维化、人工结构化、集成化、智能化等新物理构架探索、设计和制备新材料，材料成型、加工的新原理与新方法，材料表征与测量，材料服役行为及与环境的相互作用等。毫無疑问，21世纪无机非金属材料的发展同样符合上述描述，应该具有复合化（材料的功能复合和组成复合）、结构功能体化、低维化（在宏观和微观上）、智能化、环境友好和在极端环境中使用等特征。

二、无机非金属材料的发展前景

（一）从均质材料向复合材料发展

随着科学技术的发展，原来各自相对独立的无机非金属材料、金属材料和髙分子材料等，已经相互渗透、结合，多学科交叉成为材料科学技术的重要特征。无机非金属材料与金属材料和有机高分子材料的复合化具有广阔的发展前景。事实上，以应用为目标，优化三大类材料的各自优点，进行宏观尺寸上的复合，20世纪在传统无机非金属材料上已广泛采用，如钢筋混凝土（金属与水泥）、玻璃钢（有机高分子与无机玻璃纤维）等。这类以结构材料为主的复合材料，今后仍将优化并继续发展。随着材料的复合尺寸越来越小，以至于达到纳米和分子尺度上的复合或称之为杂化（ hybrid），今后在无机非金属功能材料上将颇为明显。

（二）由结构材料为向功能材料、多功能材料并重的方向发展

即所谓的结构功能体化成为热门的材料发展方向。功能的复合将使结构材料功能材料的界限逐步消失。例如平板玻璃是作为门、窗、墙的结构材料，但当平板玻璃镀膜后就具有不同的光反射和光吸收，有了阳光控制和低辐射性能后，就成为能满足节能、环保、安全和装饰的多功能建筑玻璃。结构陶瓷也逐步功能化，利用陶瓷优良的介电性能和光反射性能发展了结构、防热、透波（或吸波）等陶瓷材料。利用AIN陶瓷高的导热性、低的电导率和热膨胀以及优良的机械性可作为大功率半导体集成器件的基板。

（三）材料结构的尺度向“低维化”发展

宏观上的低维化是从体材料向薄膜材料和纤维材料的发展。现代信息功能器件（微电子、光电子和光子学器件）都是集成化的，因此主要应用薄膜材料。结构材料也可用涂层和薄膜来进行增强、增韧、耐磨的改性。无机涂层包括各类热控涂层、耐高温防腐蚀涂层、抗氧化涂层、耐损涂层等，应用于航天器、核反应堆和运载工具上。特别在结构材料的功能化上，薄膜具有特殊的作用。微观上的低维化，即无机非金属材料的织构与结构上的尺寸从毫米、微米趋向纳米。纳米尺度上的超晶格薄膜、纳米线、纳米点材料的结构、性能的尺寸效应，以及纳米材料的制备在20世纪末已成为公众关心的主题。纳材料和器件由于其尺度上的纳米量级，可表现出许多不同于块体结构的性质，对材料结构和性能关系的认识延伸到介观尺度。进入到21世纪将以纳米器件为中心来研究纳米材料的合成、组装与性能调控[1]。进一步的低维化，涉及基于原子和分子的纳米材料和技术，低维纳米材料及其复合的量子特性，量子限域体系的设计和制造，研究量子点和量子线材料的电子和能带结构、杂质态和缺陷态等与结构与材料物理性质的关系，实现量子调控等。

（四）材料向材料智能化方向发展

表现为材料能接收外部环境变化的信息，并能实时反馈。智能无机非金属材料日益受到关注。最早的智能化材料为被动式的，如光色（光致变色）材料受阳光辐射，自动改变透光度，但透光度的深浅是不可控的。而电致变色材料不仅光照后变色，并且变色程度由外加电压可控，是能动式的智能化。智能化功能材料大都分为多层压电和铁电陶瓷的复式结构，外场信号的感知和反馈操作是分开的，目前趋向薄膜化和集成化。纳米复合材料的出现，可以把不同功能的材料从微观上复合在一起，形成紧凑的单体智能材料，这也是多功能无机非金属材料的主要发展方向。

（五）材料的可循环利用和环境友好型材料的发展

随着人类经济活动的发展，环境保护成为越来越重要的问题。资源综合和循环利用、废弃物资循环利用和处理、有害气体液体的低排放和无害处理、有毒有害元素的替代等环境友好型的无机非金属材料必然是将来的发展趋势。需要全方位、多学科地研究绿色生产工艺，大力发展环境协调材料的制备技术及其理论基础。开发传统无机非金属材料与生态环境协调的生产技术，使之成为生态环境材料。加强理论基础研究，探索出低能耗少污染的新的合成和制造工艺；废气废料的合理科学处理技术；矿物资源的合理利用和结构调整[2]。以传统的无机非金属材料为例，建立材料环境负荷评价的方法。发挥无机非金属材料的制备特点，加强对改善环境的关键材料的研究，诸如核废物固化材料以解决核废物的永久处理；汽车和柴油机尾气三效催化剂（稀土复合氧化物）及载体材料（多孔陶瓷和陶瓷纤维）以解决汽车和柴油机的尾气污染；光催化的建筑材料以解决建筑材料的自洁以及无机膜分离材料对药物、食物和污水的处理。

（六）通过仿生途径来发展新型无机非金属材料

“师法自然”，大自然是我们永远的老师，自然界的各类生物通过千百万年的进化，在严峻的自然界环境中经过优胜劣汰、适者生存而发展到今天，自有其独特之处。通过学习并揭开其奥秘，会给我们以无穷的启发，为开发新材料提供广阔的途径随着科技的进步，新工艺、新技术的发展必然会促进传统无机非金属材料工业的技术进步，必将开拓传统无机非金属材料新的应用领域[3]。未来的主要建筑材料仍将是水泥和混凝土以及玻璃和陶瓷。

结束语：

21世纪传统无机非金属材料的生产和科研具有重要意义相对历史悠久的传统无机非金属材料，特种无机非金属材料的研究在整个材料科学领域中还很年轻，很多科学问题还未研究透彻，甚至有些问题还未涉及。特种无机非金属材料的发展有待于冶金学、物理学、化学和数学等多学科的交叉渗透，共同探索。随着研究的深入和发展，必然为特种无机非金属材料的性能和应用的开拓以及新材料、新功能的发现提供更坚实的科学根据，开辟更美好的前景。

参考文献

[1] 刘波，徐顺建，廖卫兵等，无机非金属新材料科技与产业概况及发展趋势[J]，新余高专学报.

[2] 闫 冬，无机非金属材料行业的发展趋势[J]，科技咨讯.

[3]陈上达.质子导电性无机非金属材料的发展及其应用[J].科技视界.