無(wú)機(jī)非金屬材料

通常包括人工晶體、陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料等。其中，陶瓷一詞隨著制備工藝相近的新型無(wú)機(jī)非金屬材料的不斷出現(xiàn)，其基本概念和科學(xué)內(nèi)容不斷得到擴(kuò)大和延伸。廣義的陶瓷概念已與無(wú)機(jī)非金屬材料的含義相同。無(wú)機(jī)非金屬材料與金屬材料和有機(jī)高分子材料共同構(gòu)成了完整的人工材料體系（區(qū)別于天然材料）。

公元前6000～前5000年，中國(guó)發(fā)明了原始陶器。中國(guó)商代（約前17世紀(jì)初至前11世紀(jì)）有了原始瓷器，并出現(xiàn)了上釉陶器。公元200年（東漢時(shí)期）的青瓷是已知發(fā)現(xiàn)最早的瓷器。陶器的出現(xiàn)促進(jìn)了人類進(jìn)入金屬時(shí)代。中國(guó)夏代煉銅用的陶質(zhì)煉堝是已知最早的耐火材料。鐵的熔煉溫度遠(yuǎn)高于銅，故鐵器時(shí)代的耐火材料相應(yīng)地也有很大發(fā)展。18世紀(jì)以后，鋼鐵工業(yè)的興起，促進(jìn)耐火材料向多品種、耐高溫、耐腐蝕方向發(fā)展。玻璃制品亦有非常悠久的歷史。距今5000～6000年前的古埃及文物中即發(fā)現(xiàn)有綠色玻璃珠飾品，中國(guó)白色玻璃珠亦有近3000年的歷史。公元初期羅馬已能生產(chǎn)多種形狀的玻璃制品。1000～1200年間，玻璃制造技術(shù)趨于成熟，意大利的威尼斯成為玻璃工業(yè)中心。17世紀(jì)以來(lái)，由于用工業(yè)純堿代替天然草木灰與硅石、石灰石等礦物原料生產(chǎn)鈉鈣硅酸鹽玻璃，各種日用玻璃和技術(shù)玻璃迅速進(jìn)入普通家庭、建筑物和工業(yè)領(lǐng)域。在距今5000～6000年的古代建筑中已使用石灰和石膏等氣硬性膠凝材料。公元初期有了水硬性石灰和火山灰膠凝材料。1700年以后制成水硬性石灰和羅馬水泥。但是用人工方法合成硅酸鹽水泥制品還只有100多年的歷史。1824年，英國(guó)人J.阿斯普?。ˋspdin）發(fā)明用硅酸鹽礦物和石灰原料經(jīng)高溫煅燒制成波特蘭水泥（又稱硅酸鹽水泥），從而開(kāi)始了高強(qiáng)度水硬性膠凝材料的新紀(jì)元。上述陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均為硅酸鹽，因而長(zhǎng)期以來(lái)，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界將其稱為硅酸鹽材料。18世紀(jì)工業(yè)革命以后，隨著建筑、機(jī)械、鋼鐵等近代工業(yè)的興起，無(wú)機(jī)非金屬材料發(fā)展迅猛，出現(xiàn)了電瓷、化工陶瓷、金屬陶瓷、平板玻璃、化學(xué)儀器玻璃、光學(xué)玻璃、平爐和轉(zhuǎn)爐用的耐火材料和快硬早強(qiáng)等性能優(yōu)異的水泥。發(fā)展了研磨材料、碳素及石墨制品、鑄石等。20世紀(jì)中期以后，隨著微電子、航天、能源、計(jì)算機(jī)、激光、通信、光電子、傳感、紅外、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護(hù)等新技術(shù)的興起，促進(jìn)了先進(jìn)無(wú)機(jī)非金屬材料的發(fā)展。其在化學(xué)組成上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了硅酸鹽材料范圍，擴(kuò)展到了其他氧化物、氮化物、硼化物、碳化物、硫系化合物和鈦酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽等無(wú)機(jī)化合物。已有相當(dāng)一些在其組成中已完全不含氧化硅，如剛玉瓷、鎂質(zhì)耐火材料、磷酸鹽和硼酸鹽光學(xué)玻璃等。而且在一些制品（如氧化鋯陶瓷）的組成中，氧化硅反倒成為有害的雜質(zhì)而必須嚴(yán)格控制。

在國(guó)際上因陶瓷歷史悠久，且應(yīng)用廣泛，內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)涵蓋了各種無(wú)機(jī)非金屬材料結(jié)構(gòu)，因此常用廣義的陶瓷表示無(wú)機(jī)非金屬材料。 21世紀(jì)，航天、航空、能源、信息、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護(hù)等技術(shù)的發(fā)展，又對(duì)無(wú)機(jī)非金屬材料的性能和功能提出了新的要求，同時(shí)，無(wú)機(jī)非金屬材料的技術(shù)水平對(duì)這些技術(shù)的發(fā)展也具有決定性的影響。與有機(jī)高分子材料和金屬材料相比，無(wú)機(jī)非金屬材料在耐高溫、耐磨損、高硬度、抗氧化、光學(xué)與電學(xué)性能、高溫穩(wěn)定性等方面具有優(yōu)勢(shì)，是高性能發(fā)動(dòng)機(jī)、高速飛行器、大功率集成電路、高功率微波器件、大功率激光器、儲(chǔ)能電池、核反應(yīng)堆、新型光源、高溫凈化器、輕量化透明防彈、紅外窗口等材料的發(fā)展基礎(chǔ)和制約瓶頸。材料科學(xué)的發(fā)展已經(jīng)從宏觀走進(jìn)微觀，從定性描述走進(jìn)定量描述。隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)、人工智能的普及，大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)機(jī)非金屬材料的研究和制備方式也將發(fā)生革命性的變化。數(shù)字化技術(shù)將貫穿于材料的分子結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)、工程放大和生產(chǎn)的全部過(guò)程，材料的研制速度顯著加快，復(fù)雜部件制造、個(gè)性化制造、材料制備的可控性水平大幅提升。材料基因組工程、自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)、三維打印技術(shù)等正是圍繞這一技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)而開(kāi)展的研究和探索。隨著石墨烯、納米碳管、介孔材料、超材料等新結(jié)構(gòu)、新材料不斷涌現(xiàn)，材料性能也將發(fā)生革命性的提升。

在晶體結(jié)構(gòu)上，無(wú)機(jī)非金屬材料的元素間結(jié)合主要通過(guò)離子鍵、共價(jià)鍵或離子-共價(jià)混合鍵相連接。這些化學(xué)鍵的特點(diǎn)是高的鍵能、鍵強(qiáng)，它們賦予這一大類材料以高熔點(diǎn)、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強(qiáng)度和良好的抗氧化性等基本屬性，以及透光性、鐵電性、鐵磁性和壓電性。水泥在膠凝性能上，玻璃在光學(xué)性能上，結(jié)構(gòu)陶瓷在耐磨損耐蝕性能上，功能材料在電學(xué)性能上，耐火材料在防熱隔熱性能上都有其優(yōu)異的特性，為金屬材料和高分子材料所不及。但與金屬材料相比，斷裂韌性低、缺少延展性，屬于脆性材料。與高分子材料相比，密度較大，制造工藝較復(fù)雜。 無(wú)機(jī)非金屬材料科學(xué)與工程學(xué)科主要研究無(wú)機(jī)非金屬材料的合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)、性能和使用效能之間的關(guān)系與規(guī)律。材料的使用效能是材料科學(xué)與工程所追求的最終目標(biāo)，而且在很大程度上代表這一學(xué)科的發(fā)展水平。