高中化学 14 无机非金属材料

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一、传统无机非金属材料

水泥：

主要成分：水泥的主要成分是硅酸三钙\((3CaO\cdot SiO_{2})\)、硅酸二钙\((2CaO\cdot SiO_{2})\)、铝酸三钙\((3CaO\cdot Al_{2}O_{3})\)等。

生产原料：以黏土和石灰石为主要原料，经研磨、混合后在水泥回转窑中煅烧，再加入适量石膏磨细而成。

应用：水泥具有水硬性，与水混合后能在空气中硬化，也能在水中继续硬化，因此广泛应用于建筑工程中，如制作混凝土、砂浆等。

玻璃：

主要成分：普通玻璃的主要成分是硅酸钠\((Na_{2}SiO_{3})\)、硅酸钙\((CaSiO_{3})\)和二氧化硅\((SiO_{2})\)。

生产原料：以纯碱、石灰石和石英砂为主要原料，在高温下发生复杂的化学反应而制成。主要反应方程式为\(Na_{2}CO_{3}+SiO_{2}\stackrel{高温}{=\!=\!=}Na_{2}SiO_{3}+CO_{2}\uparrow\)，\(CaCO_{3}+SiO_{2}\stackrel{高温}{=\!=\!=}CaSiO_{3}+CO_{2}\uparrow\)。

应用：玻璃具有透明、坚硬、耐腐蚀等特性，广泛应用于建筑、装饰、光学仪器、化学仪器等领域。例如，平板玻璃用于门窗、幕墙等；光学玻璃用于制造眼镜、显微镜、望远镜等光学仪器；石英玻璃可用于制造耐高温、化学稳定性好的实验仪器等。

陶瓷：

主要成分：陶瓷的主要成分是硅酸盐，不同种类的陶瓷其具体成分有所不同。传统陶瓷一般以黏土为主要原料，经高温烧结而成。

生产工艺：包括原料的选取、粉碎、混合、成型、干燥、烧结等多个环节。在烧结过程中，黏土中的矿物质发生复杂的物理化学变化，使陶瓷具有较高的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。

应用：陶瓷具有耐高温、耐磨损、绝缘性好等特点，广泛应用于日常生活、建筑、电子、航空航天等领域。例如，日用陶瓷如餐具、茶具等；建筑陶瓷如瓷砖、卫生洁具等；电子陶瓷用于制造电子元件、绝缘材料等；陶瓷基复合材料在航空航天领域可用于制造发动机叶片、机身结构件等高温部件。

二、新型无机非金属材料

高温结构陶瓷：

主要类型：包括氮化硅\((Si_{3}N_{4})\)陶瓷、碳化硅\((SiC)\)陶瓷等。

性能特点：具有耐高温、高强度、高硬度、耐磨损、抗氧化等优良性能。例如，氮化硅陶瓷的硬度仅次于金刚石，具有良好的热稳定性和化学稳定性，可在高温、强腐蚀等恶劣环境下长期使用。

应用：在航空航天、汽车发动机、机械制造等领域有着重要应用。如氮化硅陶瓷可用于制造发动机的涡轮叶片、轴承等高温部件，提高发动机的性能和可靠性；碳化硅陶瓷可用于制造高温炉具、切削刀具等。

光导纤维：

主要成分：光导纤维的主要成分是二氧化硅\((SiO_{2})\)。

工作原理：光导纤维利用了光的全反射原理，将携带信息的光在内芯中传播，通过在包层与内芯之间的界面上发生全反射，使光信号在光纤中低损耗地传输。

应用：光导纤维具有通信容量大、抗干扰能力强、保密性好等优点，广泛应用于通信领域，是现代通信网络的重要组成部分。同时，也可用于医疗、传感器等领域，如制造医用内窥镜，用于人体内部器官的检查和诊断。

生物陶瓷：

主要类型：根据其在生物体内的活性，可分为惰性生物陶瓷、活性生物陶瓷和可吸收生物陶瓷等。常见的有氧化铝陶瓷、羟基磷灰石陶瓷等。

性能特点：具有良好的生物相容性、化学稳定性和机械性能，与人体组织有较好的亲和性，不会引起人体的免疫反应。

应用：在医学领域有着广泛的应用，如制造人工关节、种植牙、骨修复材料等，用于替代或修复人体受损的组织和器官。

三、无机非金属材料的发展趋势

高性能化：不断提高材料的性能，以满足航空航天、国防等高精尖领域对材料的极端要求。例如，研发更高强度、更高硬度、更耐高温、更耐腐蚀的新型陶瓷材料和复合材料。

多功能化：开发具有多种功能的无机非金属材料，如同时具备光、电、磁、热等功能的复合材料，以满足现代科技对材料多功能性的需求。例如，研发具有自感知、自诊断、自修复等智能功能的无机非金属材料。

绿色环保化：在材料的生产、使用和废弃过程中更加注重环境友好性。一方面，开发更加节能、低碳的生产工艺，减少能源消耗和污染物排放；另一方面，研发可降解、可回收利用的无机非金属材料，降低对环境的影响。

复合化：通过复合技术将不同性能的材料组合在一起，形成性能更优异的复合材料。例如，将陶瓷与金属、高分子材料等复合，可综合各材料的优点，获得具有特殊性能的复合材料，拓宽无机非金属材料的应用范围。

无机非金属材料在人类社会的发展中起着重要作用，随着科技的不断进步，其性能将不断提升，应用领域也将不断拓展，为人类的生产生活带来更多的便利和创新。

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