无机非金属材料行业的发展趋势

＊尹爱玲

（吉林大学 吉林 130022）

引言

在现代科学领域当中，主要依靠能源、信息和材料实现发展的驱动和提高，而在现代材料学领域的研究与发展过程当中，无机非金属材料是其中重要的组成部分之一，特别是一些高分子、复合化的无机材料在理化性能的表现上更为突出，能够和许多不同行业发展之间形成应用融合。无机非金属材料的类型组成十分广泛，其优势特点也存在着差异化表现，不断加深对无机非金属材料的研究能够更好地为现代化技术的革新发展提供原材料，使其成为促进科研发展的原动力。

1.无机非金属材料概述

由于无机非金属材料包含的种类较多，从材料学的定义范畴上进行分类，除金属材料、有机高分子材料之外的其他类别都可纳入无机非金属材料帮助，包括了常见的氧化物、碳化物、硅酸盐等等。无机非金属的主要应用以研究在18世纪时出现了爆炸式的发展，这与工业革命的兴起之间有密不可分的联系。自20世纪以来，计算机、航空航天等许多新兴领域的兴起对于材料学的性能特点提出了更新的要求，也促使了无机非金属材料的进一步深入发展，诞生出了许多在理化性能上具有优势性的各项材料，如绝缘陶瓷、变色玻璃和光导纤维等，较好地取代了原有金属材料和有机材料。自“九五”后，科研人员对于无机非金属材料的研究不断深入，工业化市场对于这类新材料的应用需求量也在不断攀升，形成了全领域、多产品的应用模式，打破了由于材料性能不佳而产生的技术限制性，更好地促进了生产、科研的现代化发展[1]。

2.无机非金属材料分类

(1)半导体材料

半导体材料的理化性能较为特殊，其在集成电路行业中有十分广泛的应用，其电导率会随着温度变化呈现出反比关系，是一种与金属材料性能相反的材料，也赋予了其更高的研究价值和广泛应用。半导体材料的单质元素外层电子处于充满的状态，如常见的Si、Ge、Se等都具有半导性的特点，前两种在工业中的应用最广泛。一些化合物材料也具有半导体的特点，如闪锌矿、酞菁等。半导体材料在生活当中十分常见，且由于基础材料的生产成本较低，为其广泛应用提供了良好的基础。半导体材料在进行制备处理时根据应用需求的不同可以制备为单晶片、薄膜材料等，其纯度可以达到6个“9”以上，可以作为良好的基体材料进行精细化处理，确保其在电子集成应用当中能够达到最大的衬底直径。碳化硅半导体材料的应用带宽间隙等大，可以在600℃的条件下保证2000h以上的使用寿命，在通信、航空等工程当中有极强的应用优势[2]。纳米级别的半导体材料在研究与发展的过程中可以更好地促进大规模集电技术的良好发展，使芯片内的集成度得到有效提升，利用超晶格的特点优化通信技术进步。

(2)晶体材料BGO

晶体材料根据晶胞的排布差异可以分为单晶和多晶两种类型，如常见的金刚石、硅板等都属于单质材料，在电子电路设计、机械工程设备当中都有广泛的应用，而化合状的陶瓷、玻璃等都属于多晶化合物，其应用的场景十分丰富，包括了日用、建筑、冶金、工业等多方面的内容，是一种和日常生活息息相关的无机非金属材料。在晶体材料中，其中的粒子都是按照一定的规律进行排布分散的，这也使其这类材料的理化性能更加稳定，且可以通过实验室培养的方式诱导晶体的生长，使材料学研究取得到较好的发展。不同类型的晶体材料在功能特性上存在很大差异，包括了导电性、光学特性等，在具体的应用中可以提供更加多样化的选择。BGO材料是一种特殊的晶体材料，其晶格结构和X光中的高能粒子发生碰撞从而实现了晶体发光，属于光致发光的范畴[3]。将BGO晶体加载在探测器的顶部，能够更好地检测环境中的射线信号，再结合光电转化、电路处理等方式延伸出了许多不同行业的应用。根据BGO晶体中的元素组成差异，可以将其分为氧化物、卤化物等，在医疗、物理、工业等方面都有极高的应用价值。

(3)硅酸盐材料

玻璃、微晶玻璃和陶瓷都属于硅酸盐材料的范畴，这类材料的硬度极强，在建筑工程行业有广泛的应用优势。硅酸盐材料中的分子结构为四面体行，其中的硅、氧原子位置分布较为固定，分别对应着体心结构和四角位置，其他元素的不同组合方式能够分别形成不同的硅酸盐材料[4]。硅酸盐材料中的分子结合性更强，其耐压性、抗腐蚀性较金属材料、有机材料更强，在硅酸盐材料进行微晶化处理后可以具备更强的光学性能和导电性能，在市场应用中已经可以逐步替代传统材料。硅酸盐材料作为水泥成山的原材料可以形成硬度更强的胶凝结构，利用硅酸盐熟料替代传统水泥当中的其他熟料，可以有效提升其保温效果。高温陶瓷属于新型硅酸盐材料的一种，其耐磨损的性能更为突出，可以实现耐酸碱腐蚀和耐高温环境，为工业生产提供了较好的应用原材料。

(4)其他新型材料

在无机非金属材料的应用与发展过程中还诞生了一些新型材料，对于工业生产、日常生活等带来了很大改变。如一些特殊的感光材料可以用于制作光电显示的原料，高纯硅材料可以用于制备新型电子通信设备等。在无机非金属材料的不断发展过程中，还诞生出了一批在理化特性上拥有突出特点的新材料，和常见的金属、有机物等存在很大差别。超硬材料在机械产品当中有十分广泛的应用，其耐磨性能更为突出，在长时间的机械作用之下依然能够保证表面的光滑，是一种十分重要的结构性产品，有效替代了传统机械生产过程中使用的金属轴承等。复合化的氧化物陶瓷材料的熔点极高，在高温环境下依然能够保持性能的稳定，其抗折能力也提升至上千兆帕，在一些机械加工刀具、轴承等产品中都有广泛的应用，一些金属材料进行提纯干馏时使用的坩埚等产品也是由极耐高温的无机非金属材料制备而成。在新型无机非金属材料的发展过程中，对于O、Si、C等化合物的深入研究取得了良好的成效，将其制备为机械、工业产品后的使用寿命明显更优。

3.无机非金属材料应用优势分析

无机非金属材料是目前新材料领域当中的重要组成部分之一，由于其包含的种类十分广泛，在性能特点上能够更好地适配不同行业的应用需求。无机非金属材料的整体性能较为稳定，不同类型的材料在某一性能特点上极为突出，如高强度、光电效应、晶体特点等，这使得无机非金属材料的特性化优势得到了更好的保留与发展。

常见的高品质陶瓷材料就属于无机非金属材料的一种，其耐高温性能较其他普通材料更为突出，将其作为发动机当中的某些零件能够更好地克服在长时间运行过程当中产生的高温影响，不再需要引入水冷循环系统对其进行降温处理，整个设备的热传导效率得到了更好的提升，系统结构更为稳定简便，有利于广泛进行复制和生产。

光纤材料是目前通信领域当中应用极为广泛的一种信道传输介质，可以凭借全反射的优势性来减少信号传输过程当中产生的损耗问题。光纤材料从本质上来说，属于无机非金属当中的玻璃材料类别，通过了较为特殊的拉伸工艺将其转变成为极细、覆膜的形式，通过多条结合环绕的方式将其转变为了日常应用当中的光缆线路[5]。这种材料的光导性能是其他金属材料、有机材料所不能比拟的，也是无机非金属材料在现代生产生活当中的重要应用表现之一。

4.无机非金属材料发展中存在的问题

在新型无机材料快速发展的过程中，还存在有一定的问题需要通过科研手段予以克服，也是国内无机非金属材料下一步发展中的重要方向。首先，无机非金属材料和许多工业生产、建筑施工等行业之间有十分密切的联系性，这要求新型材料必须要具备大批量生产的应用需求，并保证产品的等级和品质能够满足现代化应用的需求。如许多玻璃灯类产品的外壳平均强度只能达到50%-60%，较许多西方发达国家的产品还有一定的差距。其次，国内五金非金属材料的研究品类丰富度上还存在有一定的不足，特别是对于一些与生产建设相关的配套性产品还依赖于进口，不能较好的实现全品类的研究和生产。如在一些集成电路的设计与生产过程中，需要使用电磁屏蔽玻璃来提升其运行的稳定性，避免受到环境干扰的影响。目前国内这类屏蔽产品的等级为85dB左右，而西方国家的相关产品已经可以达到110dB，特别是在屏蔽防护等级要求较高的国防、航空等领域内，对这些新型无机非金属材料的质量需求更高，也成为了限制行业发展的影响因素之一。最后，在无机非金属材料的生产过程中，对于能源的消耗量偏大，与绿色发展的理念之间存在一定的违背，特别是水泥材料的用量偏大，在资源应用上缺少科学的规划，导致产生了不必要的浪费问题。

5.无机非金属材料主要应用领域

(1)建筑工程领域

水泥、陶瓷和涂料等无机非金属材料在建筑工程领域当中的应用十分广泛，也是对传统建材进行升级换代的重要研究。第一，传统的水泥材料在生产过程当中需要消耗大量的能量，而新型无机非金属材料研究可以通过工业废渣的回收利用打造生态型的水泥原料，使其在经济效益和应用优势上更为突出。这种新型的水泥材料在性能特点上和传统材料未见较大差异，且由于其透水性能更强，在许多市政工程建设当中应用新型水泥材料更有利于生态海绵城市的打造。 第二，将新型陶瓷材料制备成颗粒作为粗骨料应用在建筑工程施工当中，能够更好地改善砌块材料的保温隔热效果，并优化提升原有材料的荷载能力和配料比例，特别是作为外墙建设的应用可以有效降低室内的能量损耗，更符合建筑工程绿色环保的发展趋势性[6]。第三，高质量的无机非金属材料在建筑涂料的应用当中能够实现形成一层较薄的涂抹，不仅有利于节约涂料应用成本，涂料表面的平整度也有了更好的提升，不会出现大量的流痕滴落问题。将硅藻土和传统涂料进行融合的应用当中，由于其优秀的吸附特性，可以使新型涂料的防霉效果得到更好的提升，在较为潮湿的地区有广泛的应用。

(2)智慧工业领域

无机非金属材料在电子工业、医学研究和航天航空等不同的领域当中都有着广泛的应用，且在实践过程当中取得了良好的应用反馈。第一，传统的微电子生产加工需要通过丝网印刷的方式进行电子线路的刻磨，基底材料的性能特点会直接影响到集成电路的实际应用。在现代技术发展过程当中，应用玻璃陶瓷材料作为电子工业基地可以使其在高温应用的过程当中依旧保持良好的导电性能，对于延长电子产品寿命、稳定产品性能具有积极意义[7]。复合氧化无机材料能够制备为传感探测零件，对于有害气体、光敏变化等能够形成更加精准的捕捉，在工业生产的过程中可以成为警报探测元件。第二，在医学修复的过程当中应用树脂材料可以更好地保持其稳定性和耐磨性，可以更好地排除，当金属材料移植到人体后出现的各种排异现象。无机非金属高分子材料由于高致命性的特点，其应用强度、铸造性能等都可以较好地满足医学修复的应用需求，如LiKO材料在目前医学口腔科室中应用十分广泛[8]，能够更好地代替铸铁材料等传统材料，增加其应用过程中的耐磨性和生物适应性。第三，无机非金属材料的加工性能十分优越，在零件产品的延展性和精细度上可以得到更好地把控，与航空航天这类应用要求较高的行业能够形成良好的适配。无机非金属材料在高温高压的环境之下，依然能够保持较为稳定的理化特征，弹头、外罩等保护材料都会选择使用无机非金属材料进行加工制备。第四，在工业化发展的过程中，不仅要求适应的材料可以具备导电性、耐磨性等，在一些特殊的智慧工业领域内还需要应用具有柔性化特征的新材料，可以更好地提升工业加工设备的密封效果，如柔性石墨材料能够较好地代替传统橡胶材料，就是利用了其高温膨化的独特性质。

6.无机非金属材料行业发展趋势分析

首先，在绿色环保发展理念的影响之下，对于无机非金属材料的生产与加工也必须要落实可持续性的要求，特别是对于在建筑工程和智慧工业领域当中需要大量应用的玻璃和水泥材料，在生产加工过程当中需要消耗一定的能源才能够完成制备，而在科研技术不断提升的过程中，可持续性的发展需求会得到逐步落实，以低能耗、高产出的方式确保在行业应用当中可以使用更加优质的无机非金属材料。如在城市打造过程中广泛使用到的生态水泥就属于可以循环利用的无机非金属材料，许多垃圾焚烧、工业加工后形成的废料残渣都可以通过无机非金属加工生产的方式将其转变为水泥材料，在建筑工程当中能够形成广泛应用，具备阻燃、排湿、降噪等多方面的优势性[9]。

其次，无机非金属材料的应用领域十分广泛，在其发展的过程当中对于基础性能的优化和提升必须要和其应用需求之间形成良好的适配，确保行业和市场的发展更具一致性，不断提升无机非金属材料的经济性价值。在许多建筑工程当中会使用到新型玻璃材料来改善房屋的透光、隔热和降噪等需求，其应用的数量较为巨大，促使了材料研究与发展当中必须要重视生产实践性和产量需求性。在玻璃、陶瓷等无机非金属材料的研究过程中都必须要深入到生产工厂进行实地考察，以大型化和高产量作为材料生产研究的重要方向，更好地满足市场应用需求。纳米化的无机非金属材料在理化性能上会出现一定的改变，包括了光学、力学和地磁特性等，也成为了该材料发展研究的重要方向。

最后，单一类型的材料研究在性能提升的有效性上存在有明显的不足，有更多的研究人员将科研方向投入到了无机非金属材料的复合化发展当中，借助多种材料的优势融合制备出质量更高的新型材料。在复合技术的研究发展过程中，必须要重视不同类型材料性能的融合碰撞，确保对所需求的理化特征进行有效保留，并和材料的生产应用之间形成桥接，确保新型材料可以更好地投入到市场当中[10]。在我国的材料学发展中已经开展了复合高分子无机非金属材料的相关实验和科研，复合材料的类型也十分多样化，包括了层级间、颗粒间和纤维间等不同的合成方法，对于新材料的研究与发展起到了极大的促进作用。

7.结束语

无机非金属材料所包含的种类众多，自18世纪以后在许多行业当中都扮演着极为重要的角色，在建筑工程、智慧工业等多方面的领域中，无机非金属材料都凭借着优秀的高硬度、高耐压和高抗腐等特性有了广泛应用。为更好地加强对无机非金属材料的研究力度，相关科研人员必须要重视对行业发展趋势的有效把握，以环保性、可持续性和复合性的方向继续深入，更好的放大无机非金属材料的性能优势，使其能够在更广泛的领域内带来新材料的技术革新与发展。