无机非金属材料又称陶瓷材料，它包括的范围非常广泛。陶瓷材料可分为传统陶瓷材料和精细陶瓷材料，前者主要成分是各种氧化物；后者的成分除了氧化物外，还有氮化物、碳化物、硅化物和硼化物等。传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥、耐火材料、建筑材料和搪瓷等，主要是烧结体，而精细陶瓷产品可以是烧结体，还可以做成单晶、纤维、薄膜和粉末，具有强度高、耐高温、耐腐蚀，并可有声、电、光、热、磁等多方面的特殊功能，是新一代的特种陶瓷，所以它们的用途极为广泛，遍及现代科技的各个领域。

7.3.1 传统陶瓷

陶瓷在我国有悠久的历史，是中华民族古老文明的象征。从西安地区出土的秦始皇陵中大批陶兵马俑，气势宏伟，形象逼真，被认为是世界文化奇迹，人类的文明宝库。唐代的唐三彩，明清景德镇的瓷器均久负盛名。

传统陶瓷材料的主要成分是硅酸盐，自然界存在大量天然的硅酸盐，如岩石、砂子、粘土、土壤等，还有许多矿物如云母、滑石、石棉、高岭石、锆英石、绿柱石、石英等，它们都属于天然的硅酸盐。此外，人们为了满足生产和生活的需要，生产了大量人造硅酸盐，主要有玻璃、水泥、各种陶瓷、砖瓦、耐火砖、水玻璃以及某些分子筛等。硅酸盐制品性质稳定，熔点较高，难溶于水，有很广泛的用途。

硅酸盐制品一般都是以粘土（高岭土）、石英和长石为原料。粘土的化学组成为Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O，石英为SiO₂，长石为K₂O·Al₂O₃· 6SiO₂（钾长石）或Na₂O·Al₂O₃· 6SiO₂（钠长石）。这些原料中都含有SiO₂，因此在硅酸盐晶体结构中，硅与氧的结合是最重要的。

硅氧四面体[SiO₄]  硅酸盐材料是一种多相结构物质，其中含有晶态部分和非晶态部分，但以晶态为主。硅酸盐晶体中硅氧四面体[SiO₄]是硅酸盐结构的基本单元。在硅氧四面体中，硅原子以sp³杂化轨道与氧原子成键，Si－O键键长为162pm，比起Si⁴⁺和O^2-的离子半径之和有所缩短，故Si－O键的结合是比较强的。

[SiO₄]四面体的每个顶点上的O^2-只能为两个[SiO₄]四面体所公用，按照[SiO₄]四面体公用顶点的不同，可将硅酸盐分为四大类：分立型、链型、层型和骨架型，列于表7－5中。图7－12示出了一些分立型、链型（单链和双链）、层型和骨架型的硅酸盐骨架。

硅酸盐中除了SiO₂外，还含有Al₂O₃。由于Al³⁺的半径与Si²⁺相近，所以Al³⁺可以置换硅氧四面体中的Si⁴⁺，形成铝氧四面体[AlO₄]。由于铝是+3价的，因此置换后必然要引进其他阳离子以保持电荷平衡。

硅酸盐都需要高温烧结。粘土在高温下先脱水，然后转化为莫来石（3Al₂O₃·2SiO₂），耐火材料基本上由石英、莫来石和玻璃构成。

7.3.2 精细陶瓷

精细陶瓷的化学组成已远远超出了硅酸盐的范围。例如透明的氧化铝陶瓷、耐高温的二氧化锆（ZrO₂）陶瓷、高熔点的氮化硅（Si₃N₄）和碳化硅（SiC）陶瓷等，它们都是无机非金属材料，是传统陶瓷材料的发展。精细陶瓷是适应社会经济和科学技术发展而发展起来的，信息科学、能源技术、宇航技术、生物工程、超导技术、海洋技术等现代科学技术需要大量特殊性能的新材料，促使人们研制精细陶瓷，并在超硬陶瓷、高温结构陶瓷、电子陶瓷、磁性陶瓷、光学陶瓷、超导陶瓷和生物陶瓷等各方面取得了很好的进展，下面选择一些实例做简要的介绍。

高温结构陶瓷  汽车发动机一般用铸铁铸造，耐热性能有一定限度。由于需要用冷却水冷却，热能散失严重，热效率只有30%左右。如果用高温结构陶瓷制造陶瓷发动机，发动机的工作温度能稳定在1300℃左右，由于燃料充分燃烧而又不需要水冷系统，使热效率大幅度提高。用陶瓷材料做发动机，还可减轻汽车的质量，这对航天航空事业更具吸引力，用高温陶瓷取代高温合金来制造飞机上的涡轮发动机其效果会更好。

目前已有多个国家的大的汽车公司试制无冷却式陶瓷发动机汽车。我国也在1990年装配了一辆并完成了试车。陶瓷发动机的材料选用氮化硅，它的机械强度高、硬度高、热膨胀系数低、导热性好、化学稳定性高，是很好的高温陶瓷材料。氮化硅可用多种方法合成，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1300℃反应后获得：

也可用化学气相沉积法，使SiCl₄和N₂在H₂气氛保护下反应，产物Si₃N₄沉积在石墨基体上，形成一层致密的Si₃N₄层。此法得到的氮化硅纯度较高，其反应如下：

3SiCl₄+2N₂+6H₂→Si₃N₄+12HCl

高温结构陶瓷除了氮化硅外，还有碳化硅（SiC）、二氧化锆（ZrO₂）、氧化铝等。

透明陶瓷 一般陶瓷是不透明的，但光学陶瓷像玻璃一样透明，故称透明陶瓷。一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者令光产生散射，所以就不透明了。因此如果选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。早期就是采用这样的办法得到透明的氧化铝陶瓷，后来陆续研究出如烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇－二氧化锆等多种氧化物系列透明陶瓷。近期又研制出非氧化物透明陶瓷，如砷化镓（GaAs）、硫化锌（ZnS）、硒化锌（ZnSe）、氟化镁（MgF₂）、氟化钙（CaF₂）等。

这些透明陶瓷不仅有优异的光学性能，而且耐高温，一般它们的熔点都在2000℃以上。如氧化钍－氧化钇透明陶瓷的熔点高达3100℃，比普通硼酸盐玻璃高1500℃。透明陶瓷的重要用途是制造高压钠灯，它的发光效率比高压汞灯提高一倍，使用寿命达2万小时，是使用寿命最长的高效电光源。高压钠灯的工作温度高达1200℃，压力大、腐蚀性强，选用氧化铝透明陶瓷为材料成功地制造出高压钠灯。透明陶瓷的透明度、强度、硬度都高于普通玻璃，它们耐磨损、耐划伤，用透明陶瓷可以制造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器和高级防护眼镜等。

先导纤维  从高纯度的二氧化硅或称石英玻璃熔融体中，拉出直径约100μm的细丝，称为石英玻璃纤维。玻璃可以透光，但在传输过程中光损耗很大，用石英玻璃纤维光损耗大为降低，故这种纤维称为光导纤维，是精细陶瓷中的一种。

利用光导纤维可进行光纤通讯。激光的方向性强、频率高，是进行光纤通讯的理想光源。光纤通讯与电波通讯相比，光纤通讯能提供更多的通讯通路，可满足大容量通讯系统的需要。

光导纤维一般由两层组成，里面一层称为内芯，直径几十微米，但折射率较高；外面一层称包层，折射率较低。从光导纤维一端入射的光线，经内芯反复折射而传到末端，由于两层折射率的差别，使进入内芯的光始终保持在内芯中传输着。光的传输距离与光导纤维的光损耗大小有关，光损耗小，传输距离就长，否则就需要用中继器把衰减的信号放大。如果光导纤维的光损耗为0.15dB·km^-1，传输距离可达500km；如降到10^-4 dB·km^-1时，则可传输 2500km。用最新的氟玻璃制成的光导纤维，可以把光信号传输到太平洋彼岸而不需任何中继站。

在实际使用时，常把千百根光导纤维组合在一起并加以增强处理，制成像电缆一样的光缆，这样既提高了光导纤维的强度，又大大增加了通讯容量。

用光缆代替通讯电缆，可以节省大量有色金属，每公里可节省铜1.1吨、铅2～3吨。光缆有质量轻、体积小、结构紧凑、绝缘性能好、寿命长、输送距离长、保密性好、成本低等优点。光纤通讯与数字技术及计算机结合起来，可以用于传送电话、图像、数据、控制电子设备和智能终端等，起到部分取代通讯卫星的作用。

光损耗大的光导纤维可在短距离使用，特别适合制作各种人体内窥镜，如胃镜、膀胱镜、直肠镜、子宫镜等，对诊断医治各种疾病极为有利。

生物陶瓷  人体器官和组织由于种种原因需要修复或再造时，选用的材料要求生物相容性好，对肌体无免疫排异反应；血液相容性好，无溶血、凝血反应；不会引起代谢作用异常现象；对人体无毒，不会致癌。目前已发展起来的生物合金、生物高分子和生物陶瓷基本上能满足这些要求。利用这些材料制造了许多人工器官，在临床上得到广泛的应用。但是这类人工器官一旦植入体内，要经受体内复杂的生理环境的长期考验。例如不锈钢在常温下是非常稳定的材料，但把它做成人工关节植入体内，三五年后便会出现腐蚀斑，并且还会有微量金属离子析出，这是生物合金的缺点。有机高分子材料做成的人工器官容易老化，相比之下，生物陶瓷是惰性材料，耐腐蚀，更适合植入体内。

氧化铝陶瓷做成的假牙与天然齿十分接近，它还可以做人工关节用于很多部位，如膝关节、肘关节、肩关节、指关节、髋关节等。ZrO₂陶瓷的强度、断裂韧性和耐磨性比氧化铝陶瓷好，也可用以制造牙根、骨和股关节等。羟基磷灰石[Ca₁₀（PO₄）₆（OH）₂]是骨组织的主要成分，人工合成的与骨的生物相容性非常好，可用于颌骨、耳听骨修复和人工牙种植等。目前发现用熔融法制得的生物玻璃，如 CaO－Na₂O－SiO₂－P₂O₅，具有与骨骼键合的能力。生物玻璃在和骨结合时，先在植入体表面形成富硅凝胶，然后转化成磷灰石晶体，这时在结合面形成有机和无机的复合层，保持很高的结合强度。

陶瓷材料最大的弱点是性脆，韧性不足，这就严重影响了它作为人工人体器官的推广应用。陶瓷材料要在生物工程中占有地位，必须考虑解决其性脆问题。

超导陶瓷  1911年荷兰物理学家Onnes发现汞（水银）在4.2K附近电阻突然下降为零，他把这种零电阻现象称为超导电性。图7－13示出了汞的电阻随温度变化的关系。汞的电阻突然消失时的温度称为转变温度或临界温度，常用T_c表示。

在一定温度下具有超导电性的物体称为超导体。金属汞是超导体。进一步研究发现元素周期表中共有26种金属具有超导电性，它们的转变温度T_c列于表7－6。从表中可以看到，单个金属的超导转变温度都很低，没有应用价值。因此，人们逐渐转向研究金属合金的超导电性。表7－7列出一些超导合金的转变温度，其中Nb₃Ge的转变温度为23.2K，这在70年代算是最高转变温度的超导体了。当超导体显示出超导电性时，表示它处于超导态，否则它处于正常态。金属及其合金作为超导材料都是在极低温下才能进入超导态，假如没有低温技术发展作为后盾，就发现不了超导电性，无法设想超导材料。这里又一次看到材料发展与科学技术互相促进的关系。

低温超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因此在应用上受到很大的限制。人们迫切希望找到高温超导体，在徘徊了几十年后，终于在1986年有了突破。瑞士Bednorz和Müller发现他们研制的La－Ba－CuO混合金属氧化物具有超导电性，转变温度为35K。这是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。接着中、美科学家发现Y－Ba－CuO混合金属氧化物在90K具有超导电性，这类超导氧化物的转变温度已高于液氮温度（77K），高温超导材料研究获得重大进展。一连串激动人心的发现在世界上掀起了“超导热”。目前新的超导氧化物系列不断踊现，如Bi－Sr－Ca－CuO，TI－Ba－Ca－CuO等，它们的超导转变温度超过了120K。高温超导体的研究方兴未艾，人们殷切地期待着室温超导材料的出现。

关于C₆₀前面已做了简单的介绍。它是碳的第三种单质结构形式。人们发现C₆₀与碱金属作用能形成A_xC₆₀（A代表钾、铷、铯等），它们都是超导体，超导转变温度列于表7－8。从表中数据看到，大多数A_xC₆₀。超导体的转变温度比金属合金超导体高。金属氧化物超导体是无机超导体，它们都是层状结构，属二维超导。而A_xC₆₀则是有机超导体，它们是球状结构，属三维超导。因此A_xC₆₀这类超导体是很有发展前途的超导材料。

超导研究引起各国的重视，一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。下面简单介绍超导体的一些应用。

（1）用超导材料输电 发电站通过漫长的输电线向用户送电。由于电线存在电阻，使电流通过输电线时电能被消耗一部分，如果用超导材料做成超导电缆用于输电，那么在输电线路上的损耗将降为零。

（2）超导发电机 制造大容量发电机，关键部件是线圈和磁体。由于导线存在电阻，造成线圈严重发热，如何使线圈冷却成为难题。如果用超导材料制造超导发电机，线圈是由无电阻的超导材料绕制的，根本不会发热，冷却难题迎刃而解，而且功率损失可减少50%。

（3）磁力悬浮高速列车 要使列车速度达到500km·h^-1，普通列车是绝对办不到的。如果把超导磁体装在列车内，在地面轨道上敷设铝环，利用它们之间发生相对运动，使铝环中产生感应电流，从而产生磁排斥作用，把列车托起离地面约10cm，使列车能悬浮在地面上而高速前进。

（4）可控热核聚变 核聚变时能释放出大量的能量。为了使核聚变反应持续不断，必须在10⁸℃下将等离子约束起来，这就需要一个强大的磁场，而超导磁体能产生约束等离子所需要的磁场。人类只有掌握了超导技术，才有可能把可控热核聚变变为现实，为人类提供无穷的能源。

7.3.3 纳米陶瓷

从陶瓷材料发展的历史来看，经历了三次飞跃。由陶器进入瓷器这是第一次飞跃；由传统陶瓷发展到精细陶瓷是第二次飞跃，在这个期间，不论是原材料，还是制备工艺、产品性能和应用等许多方面都有长足的进展和提高，然而对于陶瓷材料的致命弱点－－脆性问题－－没有得到根本的解决。精细陶瓷粉体的颗粒较大，属微米级（10^-6m），有人用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级（10^-9m），用这种所谓超细微粉体粒子来制造陶瓷材料，得到新一代纳米陶瓷，这是陶瓷材料的第三次飞跃。纳米陶瓷具有延性，有的甚至出现超塑性。如室温下合成的TiO₂陶瓷，它可以弯曲，其塑性变形高达100%，韧性极好。因此人们寄希望于发展纳米技术去解决陶瓷材料的脆性问题。纳米陶瓷被称为是21世纪陶瓷。

纳米陶瓷是纳米材料中的一种，纳米材料是当今材料科学研究中的热点之一。什么是纳米材料呢？材料绝大多数是固体物质，它的颗粒大小一般在微米极，一个颗粒包含着无数原子和分子，这时材料显示的是大量分子的宏观性质。后来人们发现，若用特殊的方法把颗粒加工到纳米级大小，这时一个纳米级颗粒所含的分子数大为减少，用它做成的材料称为纳米材料。纳米材料具有奇特的光、电、磁、热、力和化学等性质，和宏观材料迥然不同。究竟是什么原因使纳米材料具有如此独特的性质，目前还研究得不深入。总的来说，纳米材料的粒子是超细微的，粒子数多，表面积大，而且处于粒子界面上的原子比例甚高，一般可达总原子数一半左右。这就使纳米材料具有不寻常的表面效应、界面效应和量子效应等，因此而呈现出一系列独特的性质。例如金的熔点是1063℃，而纳米金只有330℃，熔点降低近700℃；银的熔点由金属银的960.8℃降为纳米银的100℃。纳米金属熔点的降低不仅使低温烧结制备合金成为现实，还可使不互溶的金属冶炼成合金。又如纳米铂黑催化剂，由于表面积大，表面活性高，可使乙烯氢化反应的温度从600℃降至室温；纳米铁的抗断裂应力比普通铁高12倍，等等。纳米材料的问世引起人们的浓厚兴趣和关注，纳米技术与化学的一些传统领域结合，给这些传统领域注入新的活力，得以推陈出新。例如把纳米技术用于沸石分子筛，利用沸石分子筛的纳米微孔做模板，制造光电材料和分子器件取得了进展。面临21世纪，纳米材料的发展方兴未艾。