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材料、能源和信息是当今社会发展的三大支柱。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。材料包括金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料以及由它们组合而成的复合材料等。

下表是三种基础材料的一些大致上的性能特点：

除了由金属组成的材料、由有机高分子组成的有机高分子材料外，其它大多数材料归属于无机非金属材料。多数无机非金属材料具有耐高温、抗腐蚀、硬度大等特点。

一、硅酸盐材料

1、传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，如陶瓷、玻璃、水泥等。

2、硅酸盐的结构

硅氧四面体的特殊结构，决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。

3、陶瓷

(1)原料：黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)。

(2)陶器的简单制作过程：

(3)瓷器的制作流程：

(4)用途：

建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等。

4、玻璃

(1)原料：纯碱(Na₂CO₃)、石灰石(CaCO₃)、石英砂(SiO₂)。

(2)制作过程：将原料混合、粉碎，放入玻璃窑中熔融制得。

20世纪50年代末，英国皮尔金顿爵士发明了浮法玻璃生产工艺：在连续板带上放上一层熔融的锡作为基底，再让熔融的玻璃在上面流动，直至冷凝。这种方法可以保证生产出来的玻璃拥有均一的厚度和平整的表面。直到现在，90%以上的平板玻璃用的还是这种方法。

(3)主要发生的化学反应

Na₂CO₃＋SiO₂Na₂SiO₃＋CO₂↑

CaCO₃＋SiO₂CaSiO₃＋CO₂↑

(4)用途：

用于生产建筑材料、光学仪器、各种器皿等。

生产中采用不同的原料和工艺，可以制得具有不同性能和用途的玻璃。

5、水泥

(1)原料：黏土、石灰石。

(2)生产过程：

(3)用途：

用于建筑。

混凝土：水泥、沙子、碎石等与水混合后凝固得到。

二、新型无机非金属材料

新型的无机非金属材料，包括

(1)高纯度含硅元素的材料，如单晶硅、二氧化硅等，具有特殊光学性能或电学性能，是现代信息技术的基础材料。

(2)一些含碳、氮等其它元素的材料，在航天、能源和医疗等领域有广泛应用。

1、Si和SiO₂

(1)Si的导电性介于导体和绝缘体之间，是应用最广泛的半导体材料，主要用于制造二极管、芯片和硅太阳能电池。

(2)Si的制取和提纯

硅在自然界中主要以硅酸盐和氧化物(水晶、玛瑙)的形式存在。

①工业上用焦炭还原石英砂得到粗硅：

SiO₂＋2C=1800℃－2000℃=Si＋2CO↑

②再用HCl将粗硅转化为三氯硅烷：

Si＋3HCl=300℃= SiHCl₃＋H₂

③再将提纯的三氯硅烷用氢气还原得到高纯硅：

SiHCl₃＋H₂=1100℃= Si＋3HCl

(3)SiO₂可用来制造光导纤维。光导纤维可以用光为媒介传输信息，具有通信容量大，抗干扰性能好，信号不易衰减等优点。

2、新型陶瓷

(1)新型陶瓷的组成不再局限于传统的硅酸盐体系。在光学、热学、电学、磁学等方面具有新的特性和功能。

(2)SiC：具有类似于金刚石的结构。硬度大，可以用于砂纸或砂轮的磨料。熔点高，可用作耐高温的结构材料、耐高温的半导体材料。

(3)常见的新型陶瓷有：

①高温结构陶瓷

SiC、Si₃N₄和一些金属氧化物等高温烧结而成，有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优点。

用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等。

②压电陶瓷

钛酸盐(如钛酸钡BaTiO₃)、锆酸盐(如锆钛酸铅PbZr_xTi_1－xO₃)、偏铌酸盐(如偏铌酸钾钠Na_0·5K_0·5NbO₃)等，能实现机械能和电能的相互转化。

用于滤波器、扬声器、点火器、超声波探伤器等。

③透明陶瓷

Al₂O₃、Y₂O₃(氧化钇)、AlN、CaF₂等，耐高温，具有优异的光学性能。

用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等。

④超导陶瓷

1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料把临界超导温度的记录提高到125K。2013年，马普研究所发现，当使用红外激光脉冲照射钇钡铜氧化物材料时，它在室温条件下短暂显示出超导性。

用于电力、交通、计算机、医疗、高能物理等领域。

超导陶瓷

在电力系统方面，可以用于输配电。由于电阻为零，没有能量损耗。

在交通运输方面，可以制造磁悬浮高速列车。

利用超导陶瓷的约瑟夫逊效应可望制成超小型、超高性能的第五代计算机。

利用其抗磁性，在环保方面可以进行废水净化和去除毒物；在医药方面可以从血浆中分离血红细胞并正在研究抑制和杀死癌细胞。

在高能物理方面利用其磁场加速高能粒子等。

3、碳纳米材料

包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。

(1)富勒烯

由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，形状呈球型、椭球型、柱型或管状。

在数学上，富勒烯的结构都是以五边形和六边形面组成的凸多面体。最小的富勒烯是C₂₀，有正十二面体的构造。没有22个顶点的富勒烯，之后都存在C_2n(的富勒烯)，n=12、13、14……所有富勒烯结构的五边形个数为12个，六边形个数为n－10。

如C₆₀，又叫足球烯，由60个碳原子构成的分子，结构上由12个正五边形和20个正六边形构成。

C₆₀的发现为纳米科学提供了重要研究对象，开启了碳纳米材料研究和应用的新时代。

(2)碳纳米管

可以看成由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。

它的比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能。

用于制成复合材料、电池、传感器等。

碳纳米管具有良好的力学性能，制成材料的抗拉强度是钢的100倍，密度却只有钢的1/6；弹性模量与金刚石的相当，约为钢的5倍。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。

碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸，是理想的高强度纤维材料。有研究人员曾将碳纳米管置于1011 MPa的水压下(相当于水下10000米深的压强)，由于巨大的压力，碳纳米管被压扁。撤去压力后，碳纳米管像弹簧一样立即恢复了形状，表现出良好的韧性。

碳纳米管的熔点是已知材料中最高的。

由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能，制成材料的电导率可达铜的1万倍。

碳纳米管具有良好的传热性能，还可以合成高各向异性的热传导材料。

(3)石墨烯

指只有一个碳原子直径厚度的单层石墨。

在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。在光学器件、超级电容器、电池、复合材料等方面的应用研究正在不断深入。

英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，并且在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。(因为在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。)

石墨烯是已知强度最高的材料之一，具有非常高的熔点(4000K以上)。

石墨烯具有超强导电性以及很高的载流子迁移率。石墨烯还是一种零距离半导体。

石墨烯具有非常好的热传导性能，导热系数高于单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。

石墨烯具有非常良好的光学特性。特别是石墨烯可以用来做被动锁模激光器。

在非极性溶剂中表现出良好的溶解性，具有超疏水性和超亲油性。

还可以吸附和脱附各种原子和分子，用作化学反应催化剂的载体。