《【精品】无机非金属材料与人类文明0》

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1、无机非金属材料与人类文明卢安贤中南大学材料科学与工程学院世界是由物质组成的，对人类有用的物质即材料，按其组成和化学键性质可将材料分成四大类：金属材料（包括纯金属及其合金）：由金属原子组成，原子与原子之间靠共价键而键合，描述键合的理论为自由电子理论；有机高分子材料：以C原子为主要成分，原子与原子之间靠共价键而键合，描述键合的理论有价键理论和分子轨道理论；无机非金属材料：以金属元素或非金属元素的化合物或非金属元素单质为组元，原子与原子之间通过离子键和共价键而键合，描述键合的理论有静电吸引理论、价键理论与分子轨道理论；复合材料：金属基

2、，非金属基，树脂基，以混合键结合，物理与化合键可能均存在。无机非金属材料是材料科学与工程领域中的重要组成部分，它在工业、农业、人们日常生活、国防及现代科技中都有着非常重要的作用，用途极为广泛，为人类文明作出了重要的贡献。本次课从几个方面谈谈无机非金属材料在推进人类文明中所起的重要作用。一．无机非金属材料的发展历程发展天然材料：原始人用天然岩石制作工具和武器，这些材料是最先使用的材料，属无机非金属材料的范围传统无机非金属材料：也称为硅酸盐材料，因构成材料的主要物质为硅酸盐，包括用陶土制作粗陶制品，花盆，彩陶等；采用更高级的材料制作

3、的精陶。粗陶与精陶都是不很致密的物质，气孔较多；烁器：提高烧成温度而获得致密的瓷器-----烁器；瓷器：从烁起出发，通过提高质量而获得致密的烧结构白色胚体。陶瓷和瓷器合称为陶瓷；在陶瓷的发展过程中，硅瓦，玻璃，水泥，耐火材料也在慢慢发展起来，都已经形成产业。新型无机非金属材料：随着生产技术的向前发展，特别是自四十年代以来，在原有硅酸盐材料的基础上，开发出了许多新型材料，这些材料的成分已不含硅酸盐，将这些材料叫做新型无机非金属材料。复合材料：单一材料的性能和功能是不能完全满足社会经济发展和现代科技的要求的；需要将多种材料复合起来，

4、以赋予其特殊性能和功能；复合材料将是21世纪新的经济增长点。二．无机非金属材料与人类文明(一）建筑材料建筑物是人类生存，学习和工作的主要场所，构筑建筑物的材料相当一部分是无机非金属材料。过去现在将来1．人类居所为窑洞，就是在高坡上掘洞，利用天然土地资源构筑居所；或者用泥土砌筑居所。2．高级一点的建筑用岩石加泥土构筑居所。3．采光用挡风避雨的建筑用的是塑料。1．人类居所为房屋，由砖瓦，林木、钢铁等构筑而成，砖与砖之间由水泥固合。2．采光，挡风避雨的是玻璃，白色玻璃，蓝色玻璃，黄色玻璃等。3．室内墙壁用碳酸钙类物质粉刷，地板用天然或

5、人造装饰板，这些都是无机非金属材料。1．轻质，高强，隔音隔热材料替代现有的砖材，减少土地承重，增加隔热、保温、隔音效果。2．采光用智能玻璃，人民可根据自己的意愿随意地调节进入室内的光照度和进出入室内的热量。确保冬暖夏凉，这些材料正在开发中。3．建材向环保化方向发展。材料因表面存在的各种键力与自界反应作用，吸附了大量微生物，许多是对人类有害的。因此，将来的材料应有杀菌和自洁净功能。（二）生物材料人体器官，骨骼等因疾病、缺损或机械损伤等原因，致使其失去应有的功能，需要替换。生物材料主要有三种功能：(1)替代人体内有病或损伤的部分；(

6、2)作为人体先天性缺损部分的替代品；(3)有助于人体内组织恢复的功能生物材料。早在公元前，人们就不断地探索、利用天然材料来修补人体创伤，但存在两个问题：(1)天然材料是有限的；(2)人道问题或心理问题。到19世纪中期，开始大量利用金属板针固定骨折，存在的主要问题是与生体组织力学不相容、人感到不舒服、且金属材料易溶出对人体有害的金属离子。六十年代初期是生物材料蓬勃发展的时期，当时主要是高分子材料，但高分子材料易老化、变化，易溶出对人体有害的有机单体。七十年代以来，随着氧化铝多晶和单晶陶瓷的引入和广泛应用，开创了崭新的生物陶瓷时代。

7、继氧化铝陶瓷之后，人类又发现了许多生物性能优良的陶瓷材料。许多材料已应用于临床，如做牙齿冠（根）、人工骨、人工关节、固定骨折用的器具、人工心瓣膜、人工眼等。生物材料（无机非金属材料）种类及临床应用人工骨人工关节人工齿根人工齿冠髋填材料骨置换材料人造心瓣膜人工肌腱人工血管人工气管经皮引线纤维组织羟基磷灰石√√√√√√氧化铝√√√√炭√√√√√√√磷酸钙√√√√磷酸盐玻璃√√氟磷酸盐玻璃√微晶玻璃√√√zro2√三大类材料性能的比较金属生物材料有机生物材料无机非金属生物材料生物相容性中等中等良好化学稳定性低中等高耐热性中等差好热膨胀

8、系数中等大小热传导系数好差中等硬度中等小高压缩系数中等大小拉伸系数大中等中等可成型性中等容易难从上表可以看出，无机非金属材料用作生物材料具有许多优点，如生物相容性。一些材料可用作惰性生物材料，即不与人体组织发生化学键合，但又能确保材料在生命体中不引起血栓、不致癌