无机非金属材料的科普

供稿|王玲，韩素梅，鲁启鹏，陈俊红

无机非金属材料

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，如果你搜索“无机非金属材料”这个词的概念，搜索引擎会告诉你：“无机非金属材料是指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。”这个概念虽然准确，但大家看了之后是不是会想，生活中到底哪些是无机非金属材料？无机非金属材料专业学些什么？学了又有什么用呢？

事实上，无机非金属材料最先被人类应用的材料。早在石器时代，人类将石头制作成工具和武器，石头就是一种无机非金属材料；在新石器时代，我国的先祖发明了彩陶和黑陶；到了魏晋时期，已完成了用高温烧结制成致密的瓷器这一重大发明；到了唐代，中国的陶瓷更是远销海外，我国也因精湛的陶瓷制作技术与艺术创造而博得了“瓷国”之称；除了陶瓷以外，日常生活中常用的水泥、玻璃等无机非金属材料也被广泛应用。由于这些材料以二氧化硅为主要成分，因此我们把传统的无机非金属材料称为“硅酸盐材料”。这些传统的材料的应用虽然已有很长的历史，但仍在日常生活中占据了很高的地位，也广泛地使用在工业、农业、国防中，成为国民经济的支柱产业之一[1]。随着新材料、新工艺、新技术的出现，传统的无机非金属材料获得了迅速的发展，同时又研发了一系列用于高新技术和现代工业的新型无机非金属材料，如压电、铁电、半导体、磁性、超硬、耐高温、生物工程材料以及无机复合材料等。新型无机非金属材料由于其耐高温、耐腐蚀、高强度、高硬度、多功能等优越性能，其中一些已在各工业部门及近几十年迅速发展起来的空间技术、电子技术、激光技术、光电子技术、红外技术、能源开发和环境科学等新技术领域中得到广泛应用[2]。

图1 载人航天飞机发射和宇航员太空行走的景象

图2 近两个世纪对锂离子电池的需求量[4]

可以肯定，无机非金属材料的发展必将大大地促进现代科学技术的进步和人类文明程度的提高。载人航天飞机拖着长长的尾烟钻入蓝天，宇航员们穿着厚厚的宇航服在太空行走，多么美好的景象，但若不是飞机和宇航服上耐高温抗辐射的无机涂层，宇航员会被高能粒子流击穿，航天器在返航时会被摩擦产生的热烧成灰[3]。2019年诺贝尔化学奖授予来自美国的科学家约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆和日本科学家吉野彰，以表彰他们在锂离子电池研发领域作出的贡献。锂离子电池由于其重量轻、可充电，已被应用于生活中的各个领域[5]。如果没有锂离子电池，在这次疫情期间大家可能就不能坐在自己的房间里，用手机、平板电脑听网课、听报告，说不定还要抱着固定电话和远在他方的朋友联系。你是否记得在读书的教室里，调皮的学生扔一个石子砸中窗户，玻璃就会瞬间碎满地，尖锐而锋利的碎玻璃甚至会伤到人，你再可以拿起手机看一下屏幕上的钢化膜，结实耐用，即使碎掉后也会形成蜂窝状的钝角颗粒，十分安全。快速冷却法制备的钢化玻璃表面形成均匀压应力，内部形成均匀张应力，玻璃受外力时会首先抵消表层应力，从而提高了承载能力，增强玻璃自身的抗冲击性[6]。巴黎圣母院经历大火时，建筑的大部分石材架构被大火烧塌，而耐火砖砌起来的钢铁厂的高炉，却在炼铁温度1500 ℃下使用多年不倒塌，这是因为耐火砖选择最优的矿材料、颗粒级配、添加剂比例、合成方法和工艺制备致密胚体，使之具有优异的结构性能如吸水率、密度；优异的热学性能，如热膨胀系数、导热性；优异的力学性能，如强度、蠕变性；优异的使用性能，如耐火度、抗侵蚀性[7-10]。这样的例子数不胜数，无机非金属材料对于人类的发展、社会的进步以及人类生活水平的提高起到了重要的作用。

无机非金属材料工程专业

北京科技大学开设了无机非金属材料工程专业，旨在培养具备无机非金属材料及其复合材料科学与工程方面的知识，能在无机非金属材料结构与分析、材料的制备、材料成形与加工等领域从事科学研究、技术开发、工艺和设备设计，生产及经营管理等方面的高级工程技术人才。目前我校在无机非金属材料方面的研究包括以下几个方向：

1) 新能源材料的研究，包括太阳能电池、锂电池和氢燃料电池等[11]。由于化石燃料的使用对环境的污染，新能源的利用是当今世界研究的前沿问题。近年来以电动汽车为代表的新能源汽车在全球范围实现了迅猛发展，国家也积极出台一系列政策。随着电动汽车充电桩等基础设施建设的日益完善，我国电动汽车规模迅速扩张，逐渐成为大众购车的优先选择之一。然而，目前电动汽车所用的锂离子动力电池仍具有充电时间长、续航里程短、电池寿命差等缺点，是限制电动汽车发展的主要瓶颈之一。随着新能源行业的大力推进，很多军工企业研发的设备也开始引入新能源材料，比如导弹的制导系统采用氢燃料电池。

在美术史发展样式繁多并且观念错综复杂的今天，选择“具象表现绘画”这样一个限定性很强的概念，首先符合我们自身的文化传统（现实主义传统）和艺术理想（艺术最终对人的教育作用和艺术所体现对自我心灵的净化功能），其次在于它具备审美上的客观性和表达方式的个体性特点，再次，“具象表现性绘画”的语言探索本身有助于创造精神的开发。艺术来源于生活，又高于生活。我认为我们美术教育应建立在客观现实和主观表达的双重基础上，对于具体的教学来说就是具象与表现的折衷，具象与表现的统一。它们是互为前提，共同依存的。

图3 用于高频电磁波吸收的碳纳米结构及其复合材料量[14]

2) 无机功能材料，广泛应用于催化、吸波、压电和热电器件、非线性光学薄膜、太阳能电池薄膜材料及器件等领域。光催化材料可以利用光能，分解环境中的污染物，净化人居环境[12]；吸波材料可以吸收转换雷达电磁波，给导弹、战斗机穿上隐身衣[13]。氮化硅、氮化铝这两类材料可用作电路板基板，提升电路板散热性能、介电性能和耐磨性，因此该方向的研究也必将随着5G时代的到来不断深化与创新；此外加入氮化硅材料的轴承具备自润滑性好，耐高温等特性，目前已经应用于航空航天设备，比如飞机起落架的承重轴承，该类材料的发动机轴承也正在进行相关研究与试验。压电材料可以实现压力和电信号转换的信息功能材料，广泛用作声传感器、医学成像、陶瓷变压器、超声换能器等。热电材料就是实现热能和电能的转换，可以用作储能材料，还能用于制作高温环境下的测温仪器，比如航空航天发动机燃烧室、燃烧炉等的测温。

3) 无机结构材料。北京科技大学无机结构材料研究团队研发的耐火材料已经广泛用于石油化工行业、发电厂、水泥厂、钢铁厂等。该团队研发的陶瓷材料也已用作火箭、飞机的表面涂层，实现飞行器高速运行时的快速散热降温；用作发动机缸体的表面涂层，可耐受1300～1500℃高温，大幅提升了发动机的性能和质量。

结束语

无机非金属材料的发展机遇与挑战并存。比如在能源方面，为了应对化石能源危机，减轻环境污染压力，人们致力于新能源的开发，能源的储存以及能源的运输方面的研究。科学家们希望设计、制造更高效、更绿色的能源形式，比如设计太阳能电池，提高氢能的产率等。在能源存储领域，过去的几十年间我们经历了铅酸电池、干电池、镍锰电池、镍氢电池到锂离子电池的快速变迁，为了追求更高能、更安全、造价更低廉的储能技术，化学家们仍然在孜孜不倦地开发氢燃料电池、液流电池、锂硫电池、金属-空气电池等。同时，为了更好地利用地球上有限的资源、更好地保护环境，发展环境友好的催化剂也越来越受到重视。另外，在这个知识爆炸的时代，学科与学科之间的界限正逐渐变得模糊，学科交叉和融合已经成为一个重要的发展趋势。无机非金属材料与其他学科结合，可以充分发挥各学科的优势，对促进材料性能的提升，加快在实际生活中的应用有着重要的作用。