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材料结构与性能结课论文1
材料科学与工程学院 2015年12月21日
摘要：无机非金属材料具有良好的材料性能,其在国内工业中一直扮演着重要的角色。随着国内科技的发展,各行各业对材料的性能要求也越来越高。因此,本文为加深对无机材料非金属概念定义种类以及未来发展趋势和晶体结构性质特点等的理解，进行简单介绍。
【关键词】 无机非金属；国内现状与未来发展；晶体结构性能；
1、无机材料化学简述 1.1无机非金属材料定义
无机非金属材料(inorganicnonmetallicmaterials)是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。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。无机非金属材料的提法是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。无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。
无机非金属材料材料以高熔点、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,以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。硅酸盐材料是无机非金属材料的主要分支之一，硅酸盐材料是陶瓷的主要组成物质。1.2无机非金属材料种类
无机材料化学是材料科学的重要分支之一，也是当今最活跃的前沿交叉学科。而作为重要分支的无机材料，无疑扮演者及其重大的角色。
无机材料是由多种元素以适当的组合形成的无机化合物构成。无机材料一般可以分为传统的和新型的无机材料两大类。传统的无机材料是指以二氧化硅及其硅酸盐化合物为主要成分制备的材料，因此又称硅酸盐材料。新型无机材料是指新近发展起来和正在发展中的具有优异性能和特殊功能的材料，其多用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种非金属化合物经特殊的先进工艺制成。
2、国内无机非金属材料的现状 2.1无机非金属新材料的新应用
2.1.1高技术陶瓷材料
高技术陶瓷是以人工合成的超细高纯粉体为原料制备的一种新型无机非金属材料,其主要使用各种先进材料成型方法、优秀的当代烧结工艺以及精密加工技术制作而成。高技术陶瓷材料具有高性能、高附加值的特点,目前已经广泛应用于高端技术领域和顶尖国防材料领域。高技术陶瓷具有耐高温、高硬度、高刚度、耐磨耐腐蚀性优越等优点,可用于陶瓷机械
零件、生物陶瓷材料、集成电路、各种传感器等领域。大量材料应用结果表明:高技术陶瓷材料是21世纪国家经济和科技发展水平的重要特征。
2.1.2纳米材料
随着纳米科学技术的快速发展,纳米材料也迅速得到发展,纳米材料由极细晶粒组成,其晶粒尺寸在纳米尺度范围,与微米晶体材料相比,在材料力学、材料光学、材料电磁学等方面具有更加优异的表现,因此纳米材料科学是当今凝聚态物理材料领域的热点研究方向。比如:纳米碳管的直径为1.4nm,5万根纳米碳管并排后才跟一根头发一般粗,但是其强度已达到钢的100倍。多数研究表明,纳米材料的特殊性将在未来日常生活和高科技领域广泛应用。例如,利用纳米技术研发的新型电脑其性能更优良;飞机表面涂覆纳米硅基陶瓷粉可以成功避开雷达的监测等。
2.1.3复合氧化物与化学传感器材料
复合氧化物敏感材料与化学传感器对信息感知度强,其形态千变万化、性能各异、功能多样。目前,对这类材料的研究重点材料主要有:新型半导体材料;有害气体敏感材料;复合氧化物气敏材料等。多功能敏感材料的传感元件结构简单、使用方便、价格便宜、灵敏度高。广泛用于火灾报警、可燃气报警、汽车尾气检测等方面。
2.1.4特精细化学品材料和功能化合物材料
目前,特精细化学品材料和功能化合物材料品种越来越多,其主要包括畜牧业饲料添加剂、饮食添加剂、灭火剂、生氧剂等等。特种精细化学品和功能化合物的生产产量小、规模小,但是生产的技术含量高,具有很好的经济效益和市场前景。
2.1.5固体电解质
近十几年来,固体电解质材料发展较快。由于非核能能源技术发展的需要,固体电解质材料中的新能源技术的研发引起人们极大的关注。当前,这类材料的研究体系已经成为单独的固态离子学学科。固体电解质研究重点主要是碱金属离子材料,未来具有很好的经济效益和市场前景。
2.2、无机材料未来发展
目前,迅速发展的电子工业、空间科学、核技术、激光技术、高能电池、太阳能利用等领域,对材料性能提出了各种新的要求。因而在传统无机非金属材料基础上发展出了高温材料、高强材料、电子材料、光学材料以及激光、铁电、压电等材料,这些说明了新材料发展和高科技发展是紧密联系的。因此,它在现代工业、现代国防、现代生活的应用方面前景广阔。未来新材料的发展方向是各种材料相复合,即可改善无机材料脆性的弱点,并可具有高弹性模量,低比重,高韧性。未来电子材料的工程发展方向是微小型化、薄膜化,消除缺陷与微电子的集成工艺相结合。结构材料的工程研究方向主要是在应用上的可靠性,生产上的重复性、稳定性以及成本的逐步下降。新材料和传统无机材料相比,一个重要的变化是从劳动密集型向技术密集型并继续向知识密集型的新兴工业过渡。今后,多学科交叉的各种复合材料
将越来越占据材料工业的主导地位。2.3、无机材料机遇与挑战
无机非金属材料在我国发展中出现的问题虽然,无机非金属材料在我国发展迅速,其新技术与新工艺不断得以应用与推广,无机非金属材料的产量也得到突破。但是,我国传统无机非金属材料依然存在着品种杂、质量档次低、高科技含量少,国际竞争力不强的现象。导致这现象的主要原因是国内材料企业过多,市场竞争失衡,企业总体生产工艺差,材料工作人员素质差,高水平材料研发机构少等等。21世纪对无机非金属材料需要量大,质量要求也越来越高。在激烈的市场竞争下,国内材料型企业要想生存与发展,必须提高企业研发、生产、销售高科技材料的能力,积极参预国际材料市场的竞争,提高自身的核心竞争力。
3、无机材料结构概念特点与科学内涵
结构：元素的结合力主要为离子键、共价键或离子共价混合键，所以具有高的键能和键强。
优点：由于结构特点，赋予这一大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨蚀、高强度和良好的抗氧化性等基本属性，以及宽广的导电性、导热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。这是无机非金属材料作为一门学科而迅速发展的最有利的一面。
缺点：抗拉强度低、韧性差等，有待于进一步改善。将其与金属材料、有机高分子材料一起合成为复合材料是一个重要的改性途径
科学内涵：无机非金属材料科学与工程是一门研究无机非金属材料的合成与制备、组 成与结构、性能、使用效能，四者之间关系与规律的科学。
使用效能是指材料的固有性能、产品设计、合成与制备、使用环境等的综合表现。通常以寿命、效率、可靠性、成本等指标来衡量。它是无机非金属材料科学与工程追求的最终目标，在很大程度上代表了这一学科的发展水平。性能与其组成及结构息息相关。组成与结构是合成和制备过程的结果。
4、晶体结构及其与材料性能的关系
晶体是微粒（原子、分子、离子）在空间按一定规律周期性排列而成的固体。一切晶体在结构上不同于非晶体（以及液体、气体）的最本质的特征，是组成晶体的微粒在三维空间的排列具有结构的周期性。4.1、结构的周期性
结构的周期性是指同一种微粒在空间排列上每隔一定距离重复出现。换句话说，在任一方向排在一直线上的相邻两种微粒之间的距离都相等，这个距离称为周期。如果每一个微粒用一个点代表，则所有这些点组成一个有规则的空间点阵。
过一点在不同方向取三根联结各点的直线作为三个坐标轴，用三组平行于坐标轴的直线将所有的点联结起来，则将空间点阵划成所谓空间格子，空间格子的最小单位是一个平行六面体。晶体的空间格子将晶体截分为一个个内容（组成粒子、粒子的排布、粒子间的作用力的性质等）完全等同的基本单位──晶胞。晶胞的形状、大小与空间格子的平行六面体单位相同。晶体可以看作无数个晶胞有规则地堆积而成。在非晶体中，微粒的排列没有规则，不存在空间点阵结构。4.2、晶体具有通性
4.2.1均匀性
一块晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。如有相同的密度、相同的化学组成。来源于晶体中原子排布的周期很小，宏观观察无法分辨微观的不连续性。气体、液体和玻璃体也有均匀性，是由于原子杂乱无章的分布，来源于统计性规律。
4.2.2各向异性
一种性质在晶体的不同方向上它的大小有差异，这叫做各向异性。晶体的力学性质、光学性质、热和电的传导性质都表现出各向异性。例如，石墨晶体在平行于石墨层方向上比垂直于石墨层方向上导电率大一万倍；云母片沿某一平面的方向容易撕成薄片等。这是由于在晶体内不同方向上微粒排列的周期长短不同，而微粒间距离的长短又直接影响它们相互作用力的大小和性质。非晶体由于微粒的排列是混乱的，表现为各向同性。
4.2.3自范性
晶体有整齐、规则的几何外形例如，只有结晶条件良好，可以看出食盐、石英、明矾等分别具有立方体、六角柱体和八面体的几何外形。这是晶体内微粒的排布具有空间点阵结构在晶体外形上的表现。对晶体有规则的几何外形进行深入研究以后，人们发现不同晶体有不同程度的对称性。晶体中可能具有的对称元素有对称中心、镜面、旋转轴、反轴等许多种。玻璃、松香、橡胶等非晶体都没有一定的几何外形。晶体在理想环境中生长成凸多面体，其镜面数（F）、晶棱数（E）和顶点数（V）相互之间的关系符合Euler公式：F+V=E+2 4.2.4在一定压力下，晶体有固定的熔点
这是由于晶体的每一个晶胞都是等同的，温度升高，热振动加剧，晶体开始熔化时，各部分需要相同的温度；非晶体没有固定的熔点，只有一段软化温度范围。微粒间的作用力有的大有的小，极不均一，所以没有固定的熔点。
4.2.5晶体的对称性
理想晶体的外形与其内部的微观结构是紧密相关的，都具有特定的对称性，而且其对称性与性质的关系非常密切。注意:这里所说的对称性与分子点群不完全相同。
4.2.6稳定性
晶体能长期保持其故有状态而不会自发地转变为其它状态。4.3晶体的宏观对称性
对称性是晶体的基本性质之一。晶体的外形是一个有限的对称图形，其相等部分表现为相同的晶面、晶棱和角顶等。几何学已经证明，能使有限对称图形中相等部分出现规律性重复(复原)的对称操作只有旋转、反映、倒反和旋转倒反四种。这些对称操作常称为宏观对称
操作。如果对一个对称图形实施某种对称操作，使其在操作后又能复原，总是要借助于某些辅助性的、假想的几何要素(点、线、面)来进行的。这些几何要素称为对称元素。各种对称操作都有相应的对称元素：旋转操作的对称元素叫做旋转轴(或对称轴)；反映操作的对称元素叫对称面(或镜面)；倒反操作的对称元素叫对称中心；旋转倒反操作的对称元素叫反轴。它们都是宏观对称操作的辅助几何元素，所以统称为宏观对称元素。
参考文献
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