無機(jī)非金屬材料的科普

供稿|王玲，韓素梅，魯啟鵬，陳俊紅

無機(jī)非金屬材料

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，如果你搜索“無機(jī)非金屬材料”這個(gè)詞的概念，搜索引擎會(huì)告訴你：“無機(jī)非金屬材料是指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?！边@個(gè)概念雖然準(zhǔn)確，但大家看了之后是不是會(huì)想，生活中到底哪些是無機(jī)非金屬材料？無機(jī)非金屬材料專業(yè)學(xué)些什么？學(xué)了又有什么用呢？

事實(shí)上，無機(jī)非金屬材料最先被人類應(yīng)用的材料。早在石器時(shí)代，人類將石頭制作成工具和武器，石頭就是一種無機(jī)非金屬材料；在新石器時(shí)代，我國的先祖發(fā)明了彩陶和黑陶；到了魏晉時(shí)期，已完成了用高溫?zé)Y(jié)制成致密的瓷器這一重大發(fā)明；到了唐代，中國的陶瓷更是遠(yuǎn)銷海外，我國也因精湛的陶瓷制作技術(shù)與藝術(shù)創(chuàng)造而博得了“瓷國”之稱；除了陶瓷以外，日常生活中常用的水泥、玻璃等無機(jī)非金屬材料也被廣泛應(yīng)用。由于這些材料以二氧化硅為主要成分，因此我們把傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料稱為“硅酸鹽材料”。這些傳統(tǒng)的材料的應(yīng)用雖然已有很長(zhǎng)的歷史，但仍在日常生活中占據(jù)了很高的地位，也廣泛地使用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防中，成為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一[1]。隨著新材料、新工藝、新技術(shù)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料獲得了迅速的發(fā)展，同時(shí)又研發(fā)了一系列用于高新技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的新型無機(jī)非金屬材料，如壓電、鐵電、半導(dǎo)體、磁性、超硬、耐高溫、生物工程材料以及無機(jī)復(fù)合材料等。新型無機(jī)非金屬材料由于其耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、高硬度、多功能等優(yōu)越性能，其中一些已在各工業(yè)部門及近幾十年迅速發(fā)展起來的空間技術(shù)、電子技術(shù)、激光技術(shù)、光電子技術(shù)、紅外技術(shù)、能源開發(fā)和環(huán)境科學(xué)等新技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[2]。

圖1 載人航天飛機(jī)發(fā)射和宇航員太空行走的景象

圖2 近兩個(gè)世紀(jì)對(duì)鋰離子電池的需求量[4]

可以肯定，無機(jī)非金屬材料的發(fā)展必將大大地促進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類文明程度的提高。載人航天飛機(jī)拖著長(zhǎng)長(zhǎng)的尾煙鉆入藍(lán)天，宇航員們穿著厚厚的宇航服在太空行走，多么美好的景象，但若不是飛機(jī)和宇航服上耐高溫抗輻射的無機(jī)涂層，宇航員會(huì)被高能粒子流擊穿，航天器在返航時(shí)會(huì)被摩擦產(chǎn)生的熱燒成灰[3]。2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予來自美國的科學(xué)家約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷厄姆和日本科學(xué)家吉野彰，以表彰他們?cè)阡囯x子電池研發(fā)領(lǐng)域作出的貢獻(xiàn)。鋰離子電池由于其重量輕、可充電，已被應(yīng)用于生活中的各個(gè)領(lǐng)域[5]。如果沒有鋰離子電池，在這次疫情期間大家可能就不能坐在自己的房間里，用手機(jī)、平板電腦聽網(wǎng)課、聽報(bào)告，說不定還要抱著固定電話和遠(yuǎn)在他方的朋友聯(lián)系。你是否記得在讀書的教室里，調(diào)皮的學(xué)生扔一個(gè)石子砸中窗戶，玻璃就會(huì)瞬間碎滿地，尖銳而鋒利的碎玻璃甚至?xí)饺?，你再可以拿起手機(jī)看一下屏幕上的鋼化膜，結(jié)實(shí)耐用，即使碎掉后也會(huì)形成蜂窩狀的鈍角顆粒，十分安全。快速冷卻法制備的鋼化玻璃表面形成均勻壓應(yīng)力，內(nèi)部形成均勻張應(yīng)力，玻璃受外力時(shí)會(huì)首先抵消表層應(yīng)力，從而提高了承載能力，增強(qiáng)玻璃自身的抗沖擊性[6]。巴黎圣母院經(jīng)歷大火時(shí)，建筑的大部分石材架構(gòu)被大火燒塌，而耐火磚砌起來的鋼鐵廠的高爐，卻在煉鐵溫度1500 ℃下使用多年不倒塌，這是因?yàn)槟突鸫u選擇最優(yōu)的礦材料、顆粒級(jí)配、添加劑比例、合成方法和工藝制備致密胚體，使之具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能如吸水率、密度；優(yōu)異的熱學(xué)性能，如熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性；優(yōu)異的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、蠕變性；優(yōu)異的使用性能，如耐火度、抗侵蝕性[7-10]。這樣的例子數(shù)不勝數(shù)，無機(jī)非金屬材料對(duì)于人類的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步以及人類生活水平的提高起到了重要的作用。

無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)

北京科技大學(xué)開設(shè)了無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)，旨在培養(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(shí)，能在無機(jī)非金屬材料結(jié)構(gòu)與分析、材料的制備、材料成形與加工等領(lǐng)域從事科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)，生產(chǎn)及經(jīng)營(yíng)管理等方面的高級(jí)工程技術(shù)人才。目前我校在無機(jī)非金屬材料方面的研究包括以下幾個(gè)方向：

1) 新能源材料的研究，包括太陽能電池、鋰電池和氫燃料電池等[11]。由于化石燃料的使用對(duì)環(huán)境的污染，新能源的利用是當(dāng)今世界研究的前沿問題。近年來以電動(dòng)汽車為代表的新能源汽車在全球范圍實(shí)現(xiàn)了迅猛發(fā)展，國家也積極出臺(tái)一系列政策。隨著電動(dòng)汽車充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益完善，我國電動(dòng)汽車規(guī)模迅速擴(kuò)張，逐漸成為大眾購車的優(yōu)先選擇之一。然而，目前電動(dòng)汽車所用的鋰離子動(dòng)力電池仍具有充電時(shí)間長(zhǎng)、續(xù)航里程短、電池壽命差等缺點(diǎn)，是限制電動(dòng)汽車發(fā)展的主要瓶頸之一。隨著新能源行業(yè)的大力推進(jìn)，很多軍工企業(yè)研發(fā)的設(shè)備也開始引入新能源材料，比如導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)采用氫燃料電池。

在美術(shù)史發(fā)展樣式繁多并且觀念錯(cuò)綜復(fù)雜的今天，選擇“具象表現(xiàn)繪畫”這樣一個(gè)限定性很強(qiáng)的概念，首先符合我們自身的文化傳統(tǒng)（現(xiàn)實(shí)主義傳統(tǒng)）和藝術(shù)理想（藝術(shù)最終對(duì)人的教育作用和藝術(shù)所體現(xiàn)對(duì)自我心靈的凈化功能），其次在于它具備審美上的客觀性和表達(dá)方式的個(gè)體性特點(diǎn)，再次，“具象表現(xiàn)性繪畫”的語言探索本身有助于創(chuàng)造精神的開發(fā)。藝術(shù)來源于生活，又高于生活。我認(rèn)為我們美術(shù)教育應(yīng)建立在客觀現(xiàn)實(shí)和主觀表達(dá)的雙重基礎(chǔ)上，對(duì)于具體的教學(xué)來說就是具象與表現(xiàn)的折衷，具象與表現(xiàn)的統(tǒng)一。它們是互為前提，共同依存的。

圖3 用于高頻電磁波吸收的碳納米結(jié)構(gòu)及其復(fù)合材料量[14]

2) 無機(jī)功能材料，廣泛應(yīng)用于催化、吸波、壓電和熱電器件、非線性光學(xué)薄膜、太陽能電池薄膜材料及器件等領(lǐng)域。光催化材料可以利用光能，分解環(huán)境中的污染物，凈化人居環(huán)境[12]；吸波材料可以吸收轉(zhuǎn)換雷達(dá)電磁波，給導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)穿上隱身衣[13]。氮化硅、氮化鋁這兩類材料可用作電路板基板，提升電路板散熱性能、介電性能和耐磨性，因此該方向的研究也必將隨著5G時(shí)代的到來不斷深化與創(chuàng)新；此外加入氮化硅材料的軸承具備自潤(rùn)滑性好，耐高溫等特性，目前已經(jīng)應(yīng)用于航空航天設(shè)備，比如飛機(jī)起落架的承重軸承，該類材料的發(fā)動(dòng)機(jī)軸承也正在進(jìn)行相關(guān)研究與試驗(yàn)。壓電材料可以實(shí)現(xiàn)壓力和電信號(hào)轉(zhuǎn)換的信息功能材料，廣泛用作聲傳感器、醫(yī)學(xué)成像、陶瓷變壓器、超聲換能器等。熱電材料就是實(shí)現(xiàn)熱能和電能的轉(zhuǎn)換，可以用作儲(chǔ)能材料，還能用于制作高溫環(huán)境下的測(cè)溫儀器，比如航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、燃燒爐等的測(cè)溫。

3) 無機(jī)結(jié)構(gòu)材料。北京科技大學(xué)無機(jī)結(jié)構(gòu)材料研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的耐火材料已經(jīng)廣泛用于石油化工行業(yè)、發(fā)電廠、水泥廠、鋼鐵廠等。該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的陶瓷材料也已用作火箭、飛機(jī)的表面涂層，實(shí)現(xiàn)飛行器高速運(yùn)行時(shí)的快速散熱降溫；用作發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的表面涂層，可耐受1300～1500℃高溫，大幅提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和質(zhì)量。

結(jié)束語

無機(jī)非金屬材料的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。比如在能源方面，為了應(yīng)對(duì)化石能源危機(jī)，減輕環(huán)境污染壓力，人們致力于新能源的開發(fā)，能源的儲(chǔ)存以及能源的運(yùn)輸方面的研究?？茖W(xué)家們希望設(shè)計(jì)、制造更高效、更綠色的能源形式，比如設(shè)計(jì)太陽能電池，提高氫能的產(chǎn)率等。在能源存儲(chǔ)領(lǐng)域，過去的幾十年間我們經(jīng)歷了鉛酸電池、干電池、鎳錳電池、鎳氫電池到鋰離子電池的快速變遷，為了追求更高能、更安全、造價(jià)更低廉的儲(chǔ)能技術(shù)，化學(xué)家們?nèi)匀辉谧巫尾痪氲亻_發(fā)氫燃料電池、液流電池、鋰硫電池、金屬-空氣電池等。同時(shí)，為了更好地利用地球上有限的資源、更好地保護(hù)環(huán)境，發(fā)展環(huán)境友好的催化劑也越來越受到重視。另外，在這個(gè)知識(shí)爆炸的時(shí)代，學(xué)科與學(xué)科之間的界限正逐漸變得模糊，學(xué)科交叉和融合已經(jīng)成為一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。無機(jī)非金屬材料與其他學(xué)科結(jié)合，可以充分發(fā)揮各學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，對(duì)促進(jìn)材料性能的提升，加快在實(shí)際生活中的應(yīng)用有著重要的作用。