化学材料介绍与应用

碳化硅的晶体结构与金刚石相似，属于原子晶体。其熔点高(2827℃)，硬度与金刚石相近，故又称金刚砂。应时和过量焦炭的混合物可以在电炉中煅烧以生产碳化硅。

纯碳化硅是一种无色、耐热、稳定的高硬度化合物。工业因杂质而呈绿色或黑色。

碳化硅在工业上常用作制造砂轮或磨石的磨料和摩擦表面。常用的碳化硅磨料有两种，一种是绿碳化硅，含有97%以上的SiC，主要用于磨削坚硬的含金工具。另一种是黑色碳化硅，有金属光泽，含95%以上的SiC。其强度高于生碳化硅，但硬度较低。主要用于磨削铸铁和非金属材料。

(2)氮化硼

氮化硼是一种白色、不溶、耐高温的物质。BN可以通过B2O3与NH4Cl共熔或在NH3中燃烧硼来制备。通常，氮化硼是石墨结构，俗称白石墨。另一种是金刚石型，类似于石墨转化为金刚石的原理。石墨型氮化硼在高温(1800℃)和高压(800Mpa)下可以转变为金刚石型氮化硼。这种氮化硼中B-N的键长(156pm)与金刚石中C-C键长(154pm)相近，密度与金刚石相近。其硬度与金刚石相当，但耐热性优于金刚石。它是一种新型的耐高温超硬材料，用于制造钻头、磨具和刀具。

㈢硬质合金

碳化物、氮化物、硼化物等。IVB族、VB族和VIB族金属统称为硬质合金，因为它们具有极高的硬度和熔点。介绍了硬金的结构、特性和应用，重点介绍了碳化物。

在IVB族、VB族和VIB族金属与碳形成的金属碳化物中，由于碳原子半径小，可以填充在金属性质的空隙中，保留金属原有的晶格形式，形成间隙固溶体。在适当的条件下，这种固溶体可以继续溶解其组成元素，直至达到饱和。所以它们的成分可以在一定范围内变化(比如碳化钛的成分在TIC 0.5和TIC之间变化)，化学式不符合化合价规律。当溶解碳的含量超过一定限度(如碳化钛中Ti: C = 1: 1)时，点阵图形会发生变化，原来的金属点阵会转变成另一种金属点阵。此时，间隙固溶体称为间隙化合物。

金属碳化物，尤其是IVB族、VB族和VIB族的熔点都在3273K以上，其中碳化铪和碳化钽分别为4160K和4150K，是已知物质中熔点最高的。绝大多数碳化物的硬度很大，其显微硬度大于1800kg·mm2(显微硬度是硬度表示方法之一，多用于硬质合金和硬质化合物，1800kg·mm2的显微硬度相当于莫氏-金刚石-硬度9)。许多碳化物在高温下不易分解，其抗氧化性比其组成金属强。碳化钛是所有碳化物中热稳定性最好的，是一种非常重要的金属碳化物。但是，在氧化气氛中，所有的碳化物都容易在高温下被氧化，这可以说是碳化物的一大弱点。

除了碳原子，氮原子和硼原子也可以进入金属晶格的间隙，形成间隙固溶体。它们的性质与中间碳化物相似，如导电性和导热性、高熔点、高硬度和脆性。

(4)金属陶瓷

随着火箭、卫星、原子能等先进技术的发展，对耐高温材料提出了新的要求，希望在高温下具有较高的硬度和强度，能承受剧烈的机械振动和温度变化，并具有耐氧化腐蚀、高绝缘等性能。难熔金属和陶瓷很难同时满足这些要求。金属具有良好的机械性能和韧性，但高温下化学稳定性差，易被氧化。陶瓷的特点是耐高温，化学稳定性好，但最大的缺点是脆性大，机械和抗热震性低。金属陶瓷是由Cr、Mo、W、Ti等耐高温金属和Al2O3、ZrO3、TiC等高温陶瓷烧结而成的一种新型高温材料。兼具金属和陶瓷的优点，密度低、硬度高、耐磨、导热性好，不会因急冷急热而变脆。它是一种综合性能优良的新型高温材料，适用于高速切削工具、冲压和冷拔模具、发热元件、轴承、耐腐蚀零件、无线电技术、火箭技术、原子能工业等。

二、新型陶瓷材料

传统陶瓷主要以岩石、矿物、粘土等天然材料为原料。而新型陶瓷是由合成的高纯度无机化合物制成，在严格控制的条件下经过成型、烧结等处理，制成晶体结构精细的无机材料。它具有一系列优异的物理、化学和生物性能，应用范围远非传统陶瓷，也称特种陶瓷或精细陶瓷。

新型陶瓷的化学成分主要分为两类:一类是纯氧化物陶瓷，

例如Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、ThO2等。另一类是非氧化物陶瓷，如碳化物、硼化物、氮化物和硅化物。按其性能和特点可分为高温陶瓷、超硬陶瓷、高韧性陶瓷和半导体陶瓷。电解质陶瓷、磁性陶瓷、导电陶瓷等。随着成分、结构和I: art的不断改进，新的代理陶瓷层出不穷。根据其应用的不同，可分为工程结构陶瓷和功能陶瓷。

工程结构中使用的陶瓷称为工程陶瓷，主要在高温下使用，也称为高温结构陶瓷。这类陶瓷具有高强度、高硬度、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、高温下耐烧蚀等优点，是航天技术、军事技术、原子能、工业和化工设备等领域的重要材料。工程陶瓷的种类很多，但目前是世界上研究最多的，最有前途的材料是氯化硅、碳化硅和增韧氧化物。

精密陶瓷氨化硅可以代替金属制作发动机的耐热零件，可以大大提高工件的温度，从而提高热效率，降低油耗，节约能源，减少发动机的体积和重量，而且还代替了镍、铬、钠等重要的金属材料，因此被认为是对发动机的一次革命。氮化硅的制备方法很多，工业上广泛使用的是在1600K下与纯氮反应后得到高纯硅:

3Si+2N2 Si3N4

也可采用化学气相沉积法，使SiCl4 _ 4和N2在H2气氛保护下发生反应，产物Si3N4在石墨基体上堆积形成致密的Si3N4层。用这种方法得到的氮化硅纯度高，其反应如下:

sicl 4+2 N2+6 H2→si3n 4+12 HCl

氯化硅、碳化硅等新型陶瓷也可用于制造发动机叶片、切削工具、机械密封、轴承、火箭喷管、炉管等。，并且有非常广泛的用途。

利用陶瓷在声、光、电、磁、热等物理性质上的特殊功能而制成的陶瓷材料称为功能陶瓷。功能陶瓷种类繁多，用途各异。例如，根据陶瓷电性能的不同，可制成导电陶瓷、半导体陶瓷、介电陶瓷、绝缘陶瓷等电子材料，可用于制作电子工业中的电容器、电阻器、高温高频器件、变压器等各种电子零件。利用陶瓷的光学性质，可以制造固体激光材料、光纤、光存储材料和各种陶瓷传感器。此外，陶瓷还用作压电材料、磁性材料、基底材料等。总之，新型智能陶瓷材料几乎渗透到现代科技的各个领域，应用前景十分广阔。

第三，磁性材料

磁性材料是一种重要的电子材料。早期的磁性材料主要采用金属和合金体系。随着生产的发展，电力工业、电信工程和高频无线电技术迫切需要一种高电阻率的高性能磁性材料。在重新研究磁铁矿和其他磁性氧化物的基础上，开发了一种新的磁性材料——铁氧体。铁氧体是氧化物系磁性材料，是以氧化铁和其他铁族元素或稀土元素为主要成分的复合氧化物，可用于制造各种能量转换、传输和信息存储的功能器件。

铁氧体磁性材料按其晶体结构可分为尖晶石型(mfe2o 4)；石榴石型(R3 Fe 5 o 12)；磁铅石型(mfe 12o 19)；钙钛矿型(MFeO3)。其中m是指离子半径接近Fe2+的二价金属离子，r是稀土元素。根据铁氧体用途的不同，可以分为软磁、硬磁、磁矩磁和压电磁。

软磁材料是指一种在弱磁场下容易磁化和退磁的铁氧体材料。具有实用价值的软磁铁氧体主要是锰锌铁氧体Mn-Zn Fe2O4和镍锌铁氧体Ni-Zn FeO4。软磁铁氧体的晶体结构一般为立方尖晶石，是目前各种铁氧体中应用广泛、数量大、品种多、产值高的一种材料。它主要用作各种电感元件的磁头，如滤波器、变压器和天线，以及磁带记录和视频记录。

硬磁材料是指一种磁化后不易退磁，但能长时间保持磁性的铁氧体材料。也叫永磁材料或永磁材料。硬磁铁氧体的晶体结构一般为六方磁铅石型，典型代表为钡铁氧体BaFe12O19。这种材料性能好，成本低。它不仅可以用作诸如录音机、电话和各种仪器等电信设备的磁体，还可以用于医学、生物学、印刷和显示。

镁锰铁氧体Mg-Mnfe3o4，Ni-Cu-Fe-2O-4和稀土石榴铁氧体3me 2 o 3·5fe 2 o 3(Me为三价稀土金属离子，如Y3+，Sm3++，Gd3++等。)是主要的旋磁铁氧体材料。磁性材料的旋磁性质是指电磁波在两个相互垂直的DC磁场和电磁波磁场的作用下，在材料中沿某一方向传播的过程中，其偏振面会围绕传播方向保持旋转的现象。旋磁现象实际上是应用在微波波段，所以旋磁铁氧体材料也叫微波铁氧体。主要用于雷达、通信、导航、遥测、遥控等电子设备。

重要的磁矩材料包括锰锌铁氧体、锂镍锌铁氧体和具有稳定温度特性的锂锰锌铁氧体。磁矩材料具有区分物理状态的特性，如电子计算机的“1”和“0”，各种开关和控制系统的“开”和“关”，逻辑系统的“是”和“否”。几乎所有的电子计算机都使用磁矩铁氧体来构成高速存储器。另一种新开发的磁性材料是气泡材料。这是因为当某些石榴石磁性材料的磁场增大到一定大小时，磁畴会形成圆柱形的气泡畴，看起来就像浮在水面上的气泡。气泡的“是”和“否”可以用来表示信息的“1”和“0”状态。气泡的产生、消失、传输和分裂以及气泡之间的相互作用由电路和磁场控制，可以实现信息存储、记录和逻辑运算的功能，在电子计算机、自动控制等科学技术中有重要应用。

压电材料是指铁氧体材料，磁化后可以在磁场方向机械伸长或缩短。目前应用最广泛的是镍锌铁氧体、镍铜铁氧体和镍镁铁氧体。压电材料主要用于超声波器件、磁声器件和电信器件、电子计算机、自动控制器件等。电磁能和机械能相互转换。

第四，超导材料

金属材料的电阻通常会随着温度的降低而降低。当温度降低到一定值时，某些金属和合金的电阻会完全消失。这种现象被称为超导。具有超导性的物质称为超导体或超导材料。超导体电阻突然消失的温度称为临界温度(Tc)。

荷兰物理学家H. K. Onnes成功制备了液氦，获得了4.2K的低温，1911年，他发现水银的电阻在4.2K左右突然下降到零，这是人类第一次发现超导性。随着进一步研究，发现元素周期表中有26种金属具有超导性，单一金属的超导转变温度很低。超导性最高的金属是Nb，Tc-9.2K，因此，人们逐渐转向研究金属合金和化合物的超导性。

1986年4月，瑞士科学家J.G. Bedeneau等人发现钡、镧、铜、氧组成的氧化物可能是具有高Tc的超导材料，并获得了Tc为30K的超导体，这是超导材料研究的第一次重大突破。之后，世界各国的科学家都对这类材料进行了广泛的研究。1987年2月，美国科学家发现钡使铜氧化物材料的超导转变温度高达98K，从而突破液氦温区，进入液氮温区。中科院物理所、化学所、北京大学也分别成功研制出Tc为83.7K的超导导线和超导薄膜。日本研制成功钇钡铜氧陶瓷高温超导材料。其组成为0.6 Ba ~ 0.4Y ~ 1 ICU ~ 3O，在123K时开始表现出超导性，在93 K时电阻为零..目前，新的氧化物系列正在出现，如Bi-Sr-Ca-CuO，TL-Ba-Ca-CuO，它们的超导转变温度超过65438±020K..这些研究成果为超导材料尽快投入实用开辟了一条途径。

值得注意的是，发现碳的第三种同素异形体C60碱金属反应生成AxC60(A代表钾、铷、铯等。)，都是超导体，它们的超导转变温度列于下表。从表中可以看出，大部分AxC60超导体的转变温度高于金属合金超导体。这让人们看到了C60等有机超导体的巨大潜力，同时由于其性能优于金属氧化物(陶瓷)超导体，AxC60超导体将是一种很有前途的超导材料。

AxC60的超导转变温度

K2 C60:19 Tc/K

Rb3C60:28 Tc/K

Cs3C60:30 Tc/K

Rb 2 sc60:30 Tc/K

RbCs2C60:33 Tc/K

超导材料有着广泛的应用。超导材料制成的超导磁体可以产生强大的磁场，并且体积小、重量轻、功耗低，比目前使用的常规电磁铁要好得多。超导材料还可用于制造大功率超导发电机、磁流发电机、超导储能装置、超导电缆等。超导技术最引人注目的应用是超导磁悬浮列车，其速度可高达500 km/h，在海洋航行中使用超导电磁推进器，即无需电机实现高速、高效、无噪音的航行。超导无摩擦轴承可以利用超导的完全抗磁性来制造。无论是在能源、电子、通讯、交通、军事国防技术、空间技术、受控热核反应和医学方面，超导材料都将以其独特的性能发挥神奇的作用。

五、光纤和激光材料

(1)光纤

光纤，简称光纤，是近10年来蓬勃发展的一种新型材料。光纤的中心是由超纯应时或高折射率特种光学玻璃制成的晶体细丝，称为纤芯。纤芯的外皮是由低折射率的玻璃或塑料制成的纤维外皮。光纤具有传输光波的能力。

光纤的纤芯是光密介质，外皮是光疏介质。光进入纤芯后，只能在纤芯内传播(全反射)，经过无数次全反射后，呈之字形向前传播，最终到达纤芯的另一端。这就是光纤传输信号的原理，如下图所示:

目前，高纯度应时纤维、组分玻璃纤维和塑料纤维被广泛使用。应时光纤的主要原料是精制应时(SiO2 ),它是由SiCl4:

SiCl4+2H2O=SiO2+4HCl

在工业上，天然石英砂通常在电炉中用碳还原得到硅含量为95% ~ 99%的粗硅或结晶硅，然后在结晶炉中用氯气和粗硅合成四氯化硅；

SiO2+2C Si+2CO↑ Si+2Cl2 SiCl4

用这种方法制备的SiCl4含有许多杂质，如BCl3、SiHCl3、PCl3等。需要进一步的精馏和提纯。应时光纤原料资源丰富，化学性能极其稳定。除氢氟酸外，对各种化学试剂有很强的耐腐蚀性。因此，它被应用于各种通信线路。除了应时光纤，其他类型的光纤材料也在开发中。

目前光纤最大的应用是在通信方面，也就是光纤通信。光纤通信的信息容量非常大。比如一根铅笔大小的电缆，由20根光纤组成，一天可以通话76200次，而一根直径3英寸(3×2.54cm)，由1800根铜线组成的电缆，一天只能通话900次。另外，光纤通信具有重量轻、抗干扰、耐腐蚀、保密性好、原材料丰富等优点，可以节省大量有色金属。因此，光纤是一种理想的通信材料。

由光纤制成的光学元件，如光纤束、传像光纤束、光纤面板等。，可以起到普通光学元件无法起到的特殊作用。此外，可以制造各种传感器来测量温度、电流、压力、速度、声音等。利用光纤和一些敏感元件的组合或者光纤本身的特性。与现有传感器相比，它具有许多独特的优点，特别适合在电磁干扰严重、空间狭小、易燃易爆等恶劣环境中使用。

(2)激光材料

激光是20世纪的伟大发明之一。自1960年首次以红宝石为工作物质的激光振荡以来，在激光的基础理论、激光的应用以及激光材料和器件的研究方面发展迅速。激光是一种特殊的光，利用受激辐射原理，在谐振腔中振荡。与普通光相比，它具有单色性好、相干性好、亮度高等特点，在科学技术中应用广泛。

用来产生激光的物质叫做激光11。有两种物质:固体、气体和液体。这里主要介绍固体激光材料。内体激光器的工作物质由两部分组成:活性离子(实际产生激光的离子)和基质材料(传播光束的介质)。形成活化离子的元素有三类:第一类是过渡元素，如锰、铬、钴、镍、钒；第二类是大部分稀土元素，如钕、钬、镝、铒、铥、镱、镥、钆、铕、钐、镨等。第三类是个别放射性元素，如铀。目前使用最广泛的激活离子是Cr3 ++和Nd3++。基质材料包括晶体和玻璃，每种激活离子都有其对应的一种或几种基质材料。比如渗入氧化铝晶体中的Cr3+有很好的产生激光的性能，但掺入其他晶体或玻璃中，发光性能就很差，甚至不会产生激光。目前激光工作物质有数百种，但具有实用价值的主要有四种:红宝石(Al2O3:Cr3++)、掺钕钇铝石榴石(Y3L5O12: Nd3+)、掺钕铝酸钇(YAlO3:Nd3++)、钕玻璃。

红宝石是最早振荡激光并输出激光波长为694.2nm红光的材料，红宝石以Al2O3晶体为基础，掺杂质量分数为5× 10-4的Cr2O3，激活离子为Cr3++。制备红宝石单晶的原料必须具有高纯度。通常将铵明矾[NH4Al (SO4) 2.12h2o]和重结晶提纯的重铬酸铝[(NH4)2Cr2O7]按一定比例混合，加热至1050 ~ 1150。

NH4Al(SO4)212H2O Al2(SO4)3+2nh 3 ↑+ SO3 ↑+ 25H2O↑

Al2(SO4)3 Al2O3+3SO3↑

2(NH4)2cr2o 7·4nh 3 ↑+ 2cr2o 3+3 O2 ↑+ 2H2O↑

制备Al2O3和Cr2O3的混合物，然后用火焰法或提拉法制备红宝石单晶。

掺钕钇铝石榴石和掺钕铝酸钇分别以Y3Al5O12和YAlO3为基质材料，掺入不同浓度的Nd3 ++为活性离子的激光工作物质。

钕玻璃的活性离子是Nd3++。当采用K2O-鲍-二氧化硅组成的玻璃作为基质材料时，激光产生性能较好。使用玻璃作为同一激光器的工作材料，最大的优点是可以熔化尺寸大、光学均匀性好的材料，激活离子的质量分数可以提高到0.02 ~ 0.04。在核聚变的研究中，利用钕玻璃激光作为强光源来触发聚变反应已经取得了有效的成果。

不及物动词纳米材料

绝大多数物质都是固体物质，其粒径一般在微米量级。一个粒子包含了无数的原子和分子，然后材料就表现出大量分子的宏观性质。当通过特殊方法将颗粒尺寸加工到纳米尺寸时，包含在纳米颗粒中的分子数量大大减少。这种由粒径为纳米级(1 ~ 100 nm)的超细颗粒组成的中间材料称为纳米材料。纳米材料在结构上与传统的晶体和非晶材料有很大的不同。由于纳米材料的颗粒超细，颗粒数量多，表面积大，颗粒界面处的原子比例极大，一般可占原子总数的50%左右，因此纳米材料具有特殊的表面效应、界面效应、小尺寸效应、量子效应等。，从而表现出一系列独特的物理化学性质，在电子、冶金、化学、生物、医学等领域显示出广阔的应用前景。

纳米材料熔点低，比如金的熔点是1064℃，而纳米金的熔点只有330℃，低了近700℃。再比如纳米银粉的熔点从金属银的962℃降低到100℃。纳米金属熔点的降低不仅使低温烧结制备合金成为可能，也为非互溶金属熔炼成合金创造了条件。

纳米材料表面积大，表面活性高，可用于制造各种高性能催化剂。例如Ni或Cu-Zn化合物的纳米粒子是一些有机化合物加氢的优良催化剂，可以替代昂贵的铂或替代催化剂；纳米铂黑催化剂可将乙烯加氢温度从600℃降至室温；采用纳米镍粉作为火箭固体燃料的反应催化剂，燃烧效率可提高100倍。此外，它的催化反应选择性也表现出特异性。例如，硅负载镍催化剂的内醛氧化反应表明，当镍颗粒直径在5nm以下时，反应选择性急剧变化，醛分解反应得到有效控制，乙醇转化率急剧增加。

由于脆性大、烧结温度高等缺点，限制了陶瓷材料的应用范围。另一方面，纳米陶瓷具有良好的韧性和延展性。结果表明，TiO2和CaF2纳米陶瓷材料在80 ~ 180℃范围内可产生约100%的塑性变形，具有优异的韧性，烧结温度降低，比大晶粒样品低600℃即可达到与普通陶瓷相近的硬度。这些特性使得纳米陶瓷材料可以在室温或亚高温下进行冷加工。如果将纳米陶瓷颗粒在亚高温下加工成型，然后进行表面退火，就可以得到一种表面具有正常陶瓷硬度，内部具有纳米木质材料韧性的高性能陶瓷。

纳米材料还可以广泛应用于生物医学领域，如细胞分离、细胞染色等。因为纳米颗粒比红细胞小得多(6 ~ 9um)，所以可以在血液中自由移动。所以注射各种对人体无害的纳米粒子，可以检查病灶，进行治疗。研究纳米生物学可以帮助我们在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获得生命信息，尤其是细胞内的各种信息。使用纳米传感器，可以获得各种生化反应的生化信息和电化学信息。

纳米材料的出现给物理、化学、生物等许多学科带来了新的活力和挑战。纳米科技必将发展成为21世纪最重要的技术，人们将在纳米尺度上重新认识和改造客观世界。