無機非金屬材料

通常包括人工晶體、陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料等。其中，陶瓷一詞隨著制備工藝相近的新型無機非金屬材料的不斷出現，其基本概念和科學內容不斷得到擴大和延伸。廣義的陶瓷概念已與無機非金屬材料的含義相同。無機非金屬材料與金屬材料和有機高分子材料共同構成了完整的人工材料體系（區別于天然材料）。

公元前6000～前5000年，中國發明了原始陶器。中國商代（約前17世紀初至前11世紀）有了原始瓷器，并出現了上釉陶器。公元200年（東漢時期）的青瓷是已知發現最早的瓷器。陶器的出現促進了人類進入金屬時代。中國夏代煉銅用的陶質煉堝是已知最早的耐火材料。鐵的熔煉溫度遠高于銅，故鐵器時代的耐火材料相應地也有很大發展。18世紀以后，鋼鐵工業的興起，促進耐火材料向多品種、耐高溫、耐腐蝕方向發展。玻璃制品亦有非常悠久的歷史。距今5000～6000年前的古埃及文物中即發現有綠色玻璃珠飾品，中國白色玻璃珠亦有近3000年的歷史。公元初期羅馬已能生產多種形狀的玻璃制品。1000～1200年間，玻璃制造技術趨于成熟，意大利的威尼斯成為玻璃工業中心。17世紀以來，由于用工業純堿代替天然草木灰與硅石、石灰石等礦物原料生產鈉鈣硅酸鹽玻璃，各種日用玻璃和技術玻璃迅速進入普通家庭、建筑物和工業領域。在距今5000～6000年的古代建筑中已使用石灰和石膏等氣硬性膠凝材料。公元初期有了水硬性石灰和火山灰膠凝材料。1700年以后制成水硬性石灰和羅馬水泥。但是用人工方法合成硅酸鹽水泥制品還只有100多年的歷史。1824年，英國人J.阿斯普丁（Aspdin）發明用硅酸鹽礦物和石灰原料經高溫煅燒制成波特蘭水泥（又稱硅酸鹽水泥），從而開始了高強度水硬性膠凝材料的新紀元。上述陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均為硅酸鹽，因而長期以來，在學術界和工業界將其稱為硅酸鹽材料。18世紀工業革命以后，隨著建筑、機械、鋼鐵等近代工業的興起，無機非金屬材料發展迅猛，出現了電瓷、化工陶瓷、金屬陶瓷、平板玻璃、化學儀器玻璃、光學玻璃、平爐和轉爐用的耐火材料和快硬早強等性能優異的水泥。發展了研磨材料、碳素及石墨制品、鑄石等。20世紀中期以后，隨著微電子、航天、能源、計算機、激光、通信、光電子、傳感、紅外、生物醫學和環境保護等新技術的興起，促進了先進無機非金屬材料的發展。其在化學組成上遠遠超出了硅酸鹽材料范圍，擴展到了其他氧化物、氮化物、硼化物、碳化物、硫系化合物和鈦酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽等無機化合物。已有相當一些在其組成中已完全不含氧化硅，如剛玉瓷、鎂質耐火材料、磷酸鹽和硼酸鹽光學玻璃等。而且在一些制品（如氧化鋯陶瓷）的組成中，氧化硅反倒成為有害的雜質而必須嚴格控制。

在國際上因陶瓷歷史悠久，且應用廣泛，內部顯微結構涵蓋了各種無機非金屬材料結構，因此常用廣義的陶瓷表示無機非金屬材料。 21世紀，航天、航空、能源、信息、生物醫學和環境保護等技術的發展，又對無機非金屬材料的性能和功能提出了新的要求，同時，無機非金屬材料的技術水平對這些技術的發展也具有決定性的影響。與有機高分子材料和金屬材料相比，無機非金屬材料在耐高溫、耐磨損、高硬度、抗氧化、光學與電學性能、高溫穩定性等方面具有優勢，是高性能發動機、高速飛行器、大功率集成電路、高功率微波器件、大功率激光器、儲能電池、核反應堆、新型光源、高溫凈化器、輕量化透明防彈、紅外窗口等材料的發展基礎和制約瓶頸。材料科學的發展已經從宏觀走進微觀，從定性描述走進定量描述。隨著超級計算機、人工智能的普及，大數據技術的發展，無機非金屬材料的研究和制備方式也將發生革命性的變化。數字化技術將貫穿于材料的分子結構、微觀結構的設計，實驗、工程放大和生產的全部過程，材料的研制速度顯著加快，復雜部件制造、個性化制造、材料制備的可控性水平大幅提升。材料基因組工程、自動化實驗、三維打印技術等正是圍繞這一技術發展趨勢而開展的研究和探索。隨著石墨烯、納米碳管、介孔材料、超材料等新結構、新材料不斷涌現，材料性能也將發生革命性的提升。

在晶體結構上，無機非金屬材料的元素間結合主要通過離子鍵、共價鍵或離子-共價混合鍵相連接。這些化學鍵的特點是高的鍵能、鍵強，它們賦予這一大類材料以高熔點、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強度和良好的抗氧化性等基本屬性，以及透光性、鐵電性、鐵磁性和壓電性。水泥在膠凝性能上，玻璃在光學性能上，結構陶瓷在耐磨損耐蝕性能上，功能材料在電學性能上，耐火材料在防熱隔熱性能上都有其優異的特性，為金屬材料和高分子材料所不及。但與金屬材料相比，斷裂韌性低、缺少延展性，屬于脆性材料。與高分子材料相比，密度較大，制造工藝較復雜。 無機非金屬材料科學與工程學科主要研究無機非金屬材料的合成與制備、組成與結構、性能和使用效能之間的關系與規律。材料的使用效能是材料科學與工程所追求的最終目標，而且在很大程度上代表這一學科的發展水平。