无机非金属材料

通常包括人工晶体、陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料等。其中，陶瓷一词随着制备工艺相近的新型无机非金属材料的不断出现，其基本概念和科学内容不断得到扩大和延伸。广义的陶瓷概念已与无机非金属材料的含义相同。无机非金属材料与金属材料和有机高分子材料共同构成了完整的人工材料体系（区别于天然材料）。

公元前6000～前5000年，中国发明了原始陶器。中国商代（约前17世纪初至前11世纪）有了原始瓷器，并出现了上釉陶器。公元200年（东汉时期）的青瓷是已知发现最早的瓷器。陶器的出现促进了人类进入金属时代。中国夏代炼铜用的陶质炼埚是已知最早的耐火材料。铁的熔炼温度远高于铜，故铁器时代的耐火材料相应地也有很大发展。18世纪以后，钢铁工业的兴起，促进耐火材料向多品种、耐高温、耐腐蚀方向发展。玻璃制品亦有非常悠久的历史。距今5000～6000年前的古埃及文物中即发现有绿色玻璃珠饰品，中国白色玻璃珠亦有近3000年的历史。公元初期罗马已能生产多种形状的玻璃制品。1000～1200年间，玻璃制造技术趋于成熟，意大利的威尼斯成为玻璃工业中心。17世纪以来，由于用工业纯碱代替天然草木灰与硅石、石灰石等矿物原料生产钠钙硅酸盐玻璃，各种日用玻璃和技术玻璃迅速进入普通家庭、建筑物和工业领域。在距今5000～6000年的古代建筑中已使用石灰和石膏等气硬性胶凝材料。公元初期有了水硬性石灰和火山灰胶凝材料。1700年以后制成水硬性石灰和罗马水泥。但是用人工方法合成硅酸盐水泥制品还只有100多年的历史。1824年，英国人J.阿斯普丁（Aspdin）发明用硅酸盐矿物和石灰原料经高温煅烧制成波特兰水泥（又称硅酸盐水泥），从而开始了高强度水硬性胶凝材料的新纪元。上述陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均为硅酸盐，因而长期以来，在学术界和工业界将其称为硅酸盐材料。18世纪工业革命以后，随着建筑、机械、钢铁等近代工业的兴起，无机非金属材料发展迅猛，出现了电瓷、化工陶瓷、金属陶瓷、平板玻璃、化学仪器玻璃、光学玻璃、平炉和转炉用的耐火材料和快硬早强等性能优异的水泥。发展了研磨材料、碳素及石墨制品、铸石等。20世纪中期以后，随着微电子、航天、能源、计算机、激光、通信、光电子、传感、红外、生物医学和环境保护等新技术的兴起，促进了先进无机非金属材料的发展。其在化学组成上远远超出了硅酸盐材料范围，扩展到了其他氧化物、氮化物、硼化物、碳化物、硫系化合物和钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等无机化合物。已有相当一些在其组成中已完全不含氧化硅，如刚玉瓷、镁质耐火材料、磷酸盐和硼酸盐光学玻璃等。而且在一些制品（如氧化锆陶瓷）的组成中，氧化硅反倒成为有害的杂质而必须严格控制。

在国际上因陶瓷历史悠久，且应用广泛，内部显微结构涵盖了各种无机非金属材料结构，因此常用广义的陶瓷表示无机非金属材料。 21世纪，航天、航空、能源、信息、生物医学和环境保护等技术的发展，又对无机非金属材料的性能和功能提出了新的要求，同时，无机非金属材料的技术水平对这些技术的发展也具有决定性的影响。与有机高分子材料和金属材料相比，无机非金属材料在耐高温、耐磨损、高硬度、抗氧化、光学与电学性能、高温稳定性等方面具有优势，是高性能发动机、高速飞行器、大功率集成电路、高功率微波器件、大功率激光器、储能电池、核反应堆、新型光源、高温净化器、轻量化透明防弹、红外窗口等材料的发展基础和制约瓶颈。材料科学的发展已经从宏观走进微观，从定性描述走进定量描述。随着超级计算机、人工智能的普及，大数据技术的发展，无机非金属材料的研究和制备方式也将发生革命性的变化。数字化技术将贯穿于材料的分子结构、微观结构的设计，实验、工程放大和生产的全部过程，材料的研制速度显著加快，复杂部件制造、个性化制造、材料制备的可控性水平大幅提升。材料基因组工程、自动化实验、三维打印技术等正是围绕这一技术发展趋势而开展的研究和探索。随着石墨烯、纳米碳管、介孔材料、超材料等新结构、新材料不断涌现，材料性能也将发生革命性的提升。

在晶体结构上，无机非金属材料的元素间结合主要通过离子键、共价键或离子-共价混合键相连接。这些化学键的特点是高的键能、键强，它们赋予这一大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性，以及透光性、铁电性、铁磁性和压电性。水泥在胶凝性能上，玻璃在光学性能上，结构陶瓷在耐磨损耐蚀性能上，功能材料在电学性能上，耐火材料在防热隔热性能上都有其优异的特性，为金属材料和高分子材料所不及。但与金属材料相比，断裂韧性低、缺少延展性，属于脆性材料。与高分子材料相比，密度较大，制造工艺较复杂。 无机非金属材料科学与工程学科主要研究无机非金属材料的合成与制备、组成与结构、性能和使用效能之间的关系与规律。材料的使用效能是材料科学与工程所追求的最终目标，而且在很大程度上代表这一学科的发展水平。