無機非金屬材料行業(yè)的發(fā)展趨勢

＊尹愛玲

（吉林大學 吉林 130022）

引言

在現(xiàn)代科學領(lǐng)域當中，主要依靠能源、信息和材料實現(xiàn)發(fā)展的驅(qū)動和提高，而在現(xiàn)代材料學領(lǐng)域的研究與發(fā)展過程當中，無機非金屬材料是其中重要的組成部分之一，特別是一些高分子、復(fù)合化的無機材料在理化性能的表現(xiàn)上更為突出，能夠和許多不同行業(yè)發(fā)展之間形成應(yīng)用融合。無機非金屬材料的類型組成十分廣泛，其優(yōu)勢特點也存在著差異化表現(xiàn)，不斷加深對無機非金屬材料的研究能夠更好地為現(xiàn)代化技術(shù)的革新發(fā)展提供原材料，使其成為促進科研發(fā)展的原動力。

1.無機非金屬材料概述

由于無機非金屬材料包含的種類較多，從材料學的定義范疇上進行分類，除金屬材料、有機高分子材料之外的其他類別都可納入無機非金屬材料幫助，包括了常見的氧化物、碳化物、硅酸鹽等等。無機非金屬的主要應(yīng)用以研究在18世紀時出現(xiàn)了爆炸式的發(fā)展，這與工業(yè)革命的興起之間有密不可分的聯(lián)系。自20世紀以來，計算機、航空航天等許多新興領(lǐng)域的興起對于材料學的性能特點提出了更新的要求，也促使了無機非金屬材料的進一步深入發(fā)展，誕生出了許多在理化性能上具有優(yōu)勢性的各項材料，如絕緣陶瓷、變色玻璃和光導(dǎo)纖維等，較好地取代了原有金屬材料和有機材料。自“九五”后，科研人員對于無機非金屬材料的研究不斷深入，工業(yè)化市場對于這類新材料的應(yīng)用需求量也在不斷攀升，形成了全領(lǐng)域、多產(chǎn)品的應(yīng)用模式，打破了由于材料性能不佳而產(chǎn)生的技術(shù)限制性，更好地促進了生產(chǎn)、科研的現(xiàn)代化發(fā)展[1]。

2.無機非金屬材料分類

(1)半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體材料的理化性能較為特殊，其在集成電路行業(yè)中有十分廣泛的應(yīng)用，其電導(dǎo)率會隨著溫度變化呈現(xiàn)出反比關(guān)系，是一種與金屬材料性能相反的材料，也賦予了其更高的研究價值和廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體材料的單質(zhì)元素外層電子處于充滿的狀態(tài)，如常見的Si、Ge、Se等都具有半導(dǎo)性的特點，前兩種在工業(yè)中的應(yīng)用最廣泛。一些化合物材料也具有半導(dǎo)體的特點，如閃鋅礦、酞菁等。半導(dǎo)體材料在生活當中十分常見，且由于基礎(chǔ)材料的生產(chǎn)成本較低，為其廣泛應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。半導(dǎo)體材料在進行制備處理時根據(jù)應(yīng)用需求的不同可以制備為單晶片、薄膜材料等，其純度可以達到6個“9”以上，可以作為良好的基體材料進行精細化處理，確保其在電子集成應(yīng)用當中能夠達到最大的襯底直徑。碳化硅半導(dǎo)體材料的應(yīng)用帶寬間隙等大，可以在600℃的條件下保證2000h以上的使用壽命，在通信、航空等工程當中有極強的應(yīng)用優(yōu)勢[2]。納米級別的半導(dǎo)體材料在研究與發(fā)展的過程中可以更好地促進大規(guī)模集電技術(shù)的良好發(fā)展，使芯片內(nèi)的集成度得到有效提升，利用超晶格的特點優(yōu)化通信技術(shù)進步。

(2)晶體材料BGO

晶體材料根據(jù)晶胞的排布差異可以分為單晶和多晶兩種類型，如常見的金剛石、硅板等都屬于單質(zhì)材料，在電子電路設(shè)計、機械工程設(shè)備當中都有廣泛的應(yīng)用，而化合狀的陶瓷、玻璃等都屬于多晶化合物，其應(yīng)用的場景十分豐富，包括了日用、建筑、冶金、工業(yè)等多方面的內(nèi)容，是一種和日常生活息息相關(guān)的無機非金屬材料。在晶體材料中，其中的粒子都是按照一定的規(guī)律進行排布分散的，這也使其這類材料的理化性能更加穩(wěn)定，且可以通過實驗室培養(yǎng)的方式誘導(dǎo)晶體的生長，使材料學研究取得到較好的發(fā)展。不同類型的晶體材料在功能特性上存在很大差異，包括了導(dǎo)電性、光學特性等，在具體的應(yīng)用中可以提供更加多樣化的選擇。BGO材料是一種特殊的晶體材料，其晶格結(jié)構(gòu)和X光中的高能粒子發(fā)生碰撞從而實現(xiàn)了晶體發(fā)光，屬于光致發(fā)光的范疇[3]。將BGO晶體加載在探測器的頂部，能夠更好地檢測環(huán)境中的射線信號，再結(jié)合光電轉(zhuǎn)化、電路處理等方式延伸出了許多不同行業(yè)的應(yīng)用。根據(jù)BGO晶體中的元素組成差異，可以將其分為氧化物、鹵化物等，在醫(yī)療、物理、工業(yè)等方面都有極高的應(yīng)用價值。

(3)硅酸鹽材料

玻璃、微晶玻璃和陶瓷都屬于硅酸鹽材料的范疇，這類材料的硬度極強，在建筑工程行業(yè)有廣泛的應(yīng)用優(yōu)勢。硅酸鹽材料中的分子結(jié)構(gòu)為四面體行，其中的硅、氧原子位置分布較為固定，分別對應(yīng)著體心結(jié)構(gòu)和四角位置，其他元素的不同組合方式能夠分別形成不同的硅酸鹽材料[4]。硅酸鹽材料中的分子結(jié)合性更強，其耐壓性、抗腐蝕性較金屬材料、有機材料更強，在硅酸鹽材料進行微晶化處理后可以具備更強的光學性能和導(dǎo)電性能，在市場應(yīng)用中已經(jīng)可以逐步替代傳統(tǒng)材料。硅酸鹽材料作為水泥成山的原材料可以形成硬度更強的膠凝結(jié)構(gòu)，利用硅酸鹽熟料替代傳統(tǒng)水泥當中的其他熟料，可以有效提升其保溫效果。高溫陶瓷屬于新型硅酸鹽材料的一種，其耐磨損的性能更為突出，可以實現(xiàn)耐酸堿腐蝕和耐高溫環(huán)境，為工業(yè)生產(chǎn)提供了較好的應(yīng)用原材料。

(4)其他新型材料

在無機非金屬材料的應(yīng)用與發(fā)展過程中還誕生了一些新型材料，對于工業(yè)生產(chǎn)、日常生活等帶來了很大改變。如一些特殊的感光材料可以用于制作光電顯示的原料，高純硅材料可以用于制備新型電子通信設(shè)備等。在無機非金屬材料的不斷發(fā)展過程中，還誕生出了一批在理化特性上擁有突出特點的新材料，和常見的金屬、有機物等存在很大差別。超硬材料在機械產(chǎn)品當中有十分廣泛的應(yīng)用，其耐磨性能更為突出，在長時間的機械作用之下依然能夠保證表面的光滑，是一種十分重要的結(jié)構(gòu)性產(chǎn)品，有效替代了傳統(tǒng)機械生產(chǎn)過程中使用的金屬軸承等。復(fù)合化的氧化物陶瓷材料的熔點極高，在高溫環(huán)境下依然能夠保持性能的穩(wěn)定，其抗折能力也提升至上千兆帕，在一些機械加工刀具、軸承等產(chǎn)品中都有廣泛的應(yīng)用，一些金屬材料進行提純干餾時使用的坩堝等產(chǎn)品也是由極耐高溫的無機非金屬材料制備而成。在新型無機非金屬材料的發(fā)展過程中，對于O、Si、C等化合物的深入研究取得了良好的成效，將其制備為機械、工業(yè)產(chǎn)品后的使用壽命明顯更優(yōu)。

3.無機非金屬材料應(yīng)用優(yōu)勢分析

無機非金屬材料是目前新材料領(lǐng)域當中的重要組成部分之一，由于其包含的種類十分廣泛，在性能特點上能夠更好地適配不同行業(yè)的應(yīng)用需求。無機非金屬材料的整體性能較為穩(wěn)定，不同類型的材料在某一性能特點上極為突出，如高強度、光電效應(yīng)、晶體特點等，這使得無機非金屬材料的特性化優(yōu)勢得到了更好的保留與發(fā)展。

常見的高品質(zhì)陶瓷材料就屬于無機非金屬材料的一種，其耐高溫性能較其他普通材料更為突出，將其作為發(fā)動機當中的某些零件能夠更好地克服在長時間運行過程當中產(chǎn)生的高溫影響，不再需要引入水冷循環(huán)系統(tǒng)對其進行降溫處理，整個設(shè)備的熱傳導(dǎo)效率得到了更好的提升，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定簡便，有利于廣泛進行復(fù)制和生產(chǎn)。

光纖材料是目前通信領(lǐng)域當中應(yīng)用極為廣泛的一種信道傳輸介質(zhì)，可以憑借全反射的優(yōu)勢性來減少信號傳輸過程當中產(chǎn)生的損耗問題。光纖材料從本質(zhì)上來說，屬于無機非金屬當中的玻璃材料類別，通過了較為特殊的拉伸工藝將其轉(zhuǎn)變成為極細、覆膜的形式，通過多條結(jié)合環(huán)繞的方式將其轉(zhuǎn)變?yōu)榱巳粘?yīng)用當中的光纜線路[5]。這種材料的光導(dǎo)性能是其他金屬材料、有機材料所不能比擬的，也是無機非金屬材料在現(xiàn)代生產(chǎn)生活當中的重要應(yīng)用表現(xiàn)之一。

4.無機非金屬材料發(fā)展中存在的問題

在新型無機材料快速發(fā)展的過程中，還存在有一定的問題需要通過科研手段予以克服，也是國內(nèi)無機非金屬材料下一步發(fā)展中的重要方向。首先，無機非金屬材料和許多工業(yè)生產(chǎn)、建筑施工等行業(yè)之間有十分密切的聯(lián)系性，這要求新型材料必須要具備大批量生產(chǎn)的應(yīng)用需求，并保證產(chǎn)品的等級和品質(zhì)能夠滿足現(xiàn)代化應(yīng)用的需求。如許多玻璃燈類產(chǎn)品的外殼平均強度只能達到50%-60%，較許多西方發(fā)達國家的產(chǎn)品還有一定的差距。其次，國內(nèi)五金非金屬材料的研究品類豐富度上還存在有一定的不足，特別是對于一些與生產(chǎn)建設(shè)相關(guān)的配套性產(chǎn)品還依賴于進口，不能較好的實現(xiàn)全品類的研究和生產(chǎn)。如在一些集成電路的設(shè)計與生產(chǎn)過程中，需要使用電磁屏蔽玻璃來提升其運行的穩(wěn)定性，避免受到環(huán)境干擾的影響。目前國內(nèi)這類屏蔽產(chǎn)品的等級為85dB左右，而西方國家的相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)可以達到110dB，特別是在屏蔽防護等級要求較高的國防、航空等領(lǐng)域內(nèi)，對這些新型無機非金屬材料的質(zhì)量需求更高，也成為了限制行業(yè)發(fā)展的影響因素之一。最后，在無機非金屬材料的生產(chǎn)過程中，對于能源的消耗量偏大，與綠色發(fā)展的理念之間存在一定的違背，特別是水泥材料的用量偏大，在資源應(yīng)用上缺少科學的規(guī)劃，導(dǎo)致產(chǎn)生了不必要的浪費問題。

5.無機非金屬材料主要應(yīng)用領(lǐng)域

(1)建筑工程領(lǐng)域

水泥、陶瓷和涂料等無機非金屬材料在建筑工程領(lǐng)域當中的應(yīng)用十分廣泛，也是對傳統(tǒng)建材進行升級換代的重要研究。第一，傳統(tǒng)的水泥材料在生產(chǎn)過程當中需要消耗大量的能量，而新型無機非金屬材料研究可以通過工業(yè)廢渣的回收利用打造生態(tài)型的水泥原料，使其在經(jīng)濟效益和應(yīng)用優(yōu)勢上更為突出。這種新型的水泥材料在性能特點上和傳統(tǒng)材料未見較大差異，且由于其透水性能更強，在許多市政工程建設(shè)當中應(yīng)用新型水泥材料更有利于生態(tài)海綿城市的打造。 第二，將新型陶瓷材料制備成顆粒作為粗骨料應(yīng)用在建筑工程施工當中，能夠更好地改善砌塊材料的保溫隔熱效果，并優(yōu)化提升原有材料的荷載能力和配料比例，特別是作為外墻建設(shè)的應(yīng)用可以有效降低室內(nèi)的能量損耗，更符合建筑工程綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢性[6]。第三，高質(zhì)量的無機非金屬材料在建筑涂料的應(yīng)用當中能夠?qū)崿F(xiàn)形成一層較薄的涂抹，不僅有利于節(jié)約涂料應(yīng)用成本，涂料表面的平整度也有了更好的提升，不會出現(xiàn)大量的流痕滴落問題。將硅藻土和傳統(tǒng)涂料進行融合的應(yīng)用當中，由于其優(yōu)秀的吸附特性，可以使新型涂料的防霉效果得到更好的提升，在較為潮濕的地區(qū)有廣泛的應(yīng)用。

(2)智慧工業(yè)領(lǐng)域

無機非金屬材料在電子工業(yè)、醫(yī)學研究和航天航空等不同的領(lǐng)域當中都有著廣泛的應(yīng)用，且在實踐過程當中取得了良好的應(yīng)用反饋。第一，傳統(tǒng)的微電子生產(chǎn)加工需要通過絲網(wǎng)印刷的方式進行電子線路的刻磨，基底材料的性能特點會直接影響到集成電路的實際應(yīng)用。在現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展過程當中，應(yīng)用玻璃陶瓷材料作為電子工業(yè)基地可以使其在高溫應(yīng)用的過程當中依舊保持良好的導(dǎo)電性能，對于延長電子產(chǎn)品壽命、穩(wěn)定產(chǎn)品性能具有積極意義[7]。復(fù)合氧化無機材料能夠制備為傳感探測零件，對于有害氣體、光敏變化等能夠形成更加精準的捕捉，在工業(yè)生產(chǎn)的過程中可以成為警報探測元件。第二，在醫(yī)學修復(fù)的過程當中應(yīng)用樹脂材料可以更好地保持其穩(wěn)定性和耐磨性，可以更好地排除，當金屬材料移植到人體后出現(xiàn)的各種排異現(xiàn)象。無機非金屬高分子材料由于高致命性的特點，其應(yīng)用強度、鑄造性能等都可以較好地滿足醫(yī)學修復(fù)的應(yīng)用需求，如LiKO材料在目前醫(yī)學口腔科室中應(yīng)用十分廣泛[8]，能夠更好地代替鑄鐵材料等傳統(tǒng)材料，增加其應(yīng)用過程中的耐磨性和生物適應(yīng)性。第三，無機非金屬材料的加工性能十分優(yōu)越，在零件產(chǎn)品的延展性和精細度上可以得到更好地把控，與航空航天這類應(yīng)用要求較高的行業(yè)能夠形成良好的適配。無機非金屬材料在高溫高壓的環(huán)境之下，依然能夠保持較為穩(wěn)定的理化特征，彈頭、外罩等保護材料都會選擇使用無機非金屬材料進行加工制備。第四，在工業(yè)化發(fā)展的過程中，不僅要求適應(yīng)的材料可以具備導(dǎo)電性、耐磨性等，在一些特殊的智慧工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)還需要應(yīng)用具有柔性化特征的新材料，可以更好地提升工業(yè)加工設(shè)備的密封效果，如柔性石墨材料能夠較好地代替?zhèn)鹘y(tǒng)橡膠材料，就是利用了其高溫膨化的獨特性質(zhì)。

6.無機非金屬材料行業(yè)發(fā)展趨勢分析

首先，在綠色環(huán)保發(fā)展理念的影響之下，對于無機非金屬材料的生產(chǎn)與加工也必須要落實可持續(xù)性的要求，特別是對于在建筑工程和智慧工業(yè)領(lǐng)域當中需要大量應(yīng)用的玻璃和水泥材料，在生產(chǎn)加工過程當中需要消耗一定的能源才能夠完成制備，而在科研技術(shù)不斷提升的過程中，可持續(xù)性的發(fā)展需求會得到逐步落實，以低能耗、高產(chǎn)出的方式確保在行業(yè)應(yīng)用當中可以使用更加優(yōu)質(zhì)的無機非金屬材料。如在城市打造過程中廣泛使用到的生態(tài)水泥就屬于可以循環(huán)利用的無機非金屬材料，許多垃圾焚燒、工業(yè)加工后形成的廢料殘渣都可以通過無機非金屬加工生產(chǎn)的方式將其轉(zhuǎn)變?yōu)樗嗖牧?，在建筑工程當中能夠形成廣泛應(yīng)用，具備阻燃、排濕、降噪等多方面的優(yōu)勢性[9]。

其次，無機非金屬材料的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，在其發(fā)展的過程當中對于基礎(chǔ)性能的優(yōu)化和提升必須要和其應(yīng)用需求之間形成良好的適配，確保行業(yè)和市場的發(fā)展更具一致性，不斷提升無機非金屬材料的經(jīng)濟性價值。在許多建筑工程當中會使用到新型玻璃材料來改善房屋的透光、隔熱和降噪等需求，其應(yīng)用的數(shù)量較為巨大，促使了材料研究與發(fā)展當中必須要重視生產(chǎn)實踐性和產(chǎn)量需求性。在玻璃、陶瓷等無機非金屬材料的研究過程中都必須要深入到生產(chǎn)工廠進行實地考察，以大型化和高產(chǎn)量作為材料生產(chǎn)研究的重要方向，更好地滿足市場應(yīng)用需求。納米化的無機非金屬材料在理化性能上會出現(xiàn)一定的改變，包括了光學、力學和地磁特性等，也成為了該材料發(fā)展研究的重要方向。

最后，單一類型的材料研究在性能提升的有效性上存在有明顯的不足，有更多的研究人員將科研方向投入到了無機非金屬材料的復(fù)合化發(fā)展當中，借助多種材料的優(yōu)勢融合制備出質(zhì)量更高的新型材料。在復(fù)合技術(shù)的研究發(fā)展過程中，必須要重視不同類型材料性能的融合碰撞，確保對所需求的理化特征進行有效保留，并和材料的生產(chǎn)應(yīng)用之間形成橋接，確保新型材料可以更好地投入到市場當中[10]。在我國的材料學發(fā)展中已經(jīng)開展了復(fù)合高分子無機非金屬材料的相關(guān)實驗和科研，復(fù)合材料的類型也十分多樣化，包括了層級間、顆粒間和纖維間等不同的合成方法，對于新材料的研究與發(fā)展起到了極大的促進作用。

7.結(jié)束語

無機非金屬材料所包含的種類眾多，自18世紀以后在許多行業(yè)當中都扮演著極為重要的角色，在建筑工程、智慧工業(yè)等多方面的領(lǐng)域中，無機非金屬材料都憑借著優(yōu)秀的高硬度、高耐壓和高抗腐等特性有了廣泛應(yīng)用。為更好地加強對無機非金屬材料的研究力度，相關(guān)科研人員必須要重視對行業(yè)發(fā)展趨勢的有效把握，以環(huán)保性、可持續(xù)性和復(fù)合性的方向繼續(xù)深入，更好的放大無機非金屬材料的性能優(yōu)勢，使其能夠在更廣泛的領(lǐng)域內(nèi)帶來新材料的技術(shù)革新與發(fā)展。