化學材料簡介和應用
碳化矽的晶體結構和金剛石相近，屬於原子晶體，它的熔點高（2827℃），硬度近似於金剛石，故又稱為金剛砂。將石英和過量焦炭的混合物在電爐中鍛燒可制得碳化矽。
純碳化矽是無色、耐熱、穩定性好的高硬度化合物。工業上因含雜質而呈綠色或黑色。
工業上碳化矽常用作磨料和制造砂輪或磨石的摩擦表面。常用的碳化矽磨料有兩種不同的晶體，壹種是綠碳化矽，含SiC 97%以上，主要用於磨硬質含金工具。另壹種是黑碳化矽，有金屬光澤，含SiC 95%以上，強度比綠碳化矽大，但硬度較低，主要用於磨鑄鐵和非金屬材料。
（二）氮化硼（BN）
氮化硼是白色、難溶、耐高溫的物質。將B2O3與NH4Cl***熔，或將單質硼在NH3中燃燒均可制得BN。通常制得的氮化硼是石墨型結構，俗稱為白色石墨。另壹種是金剛石型，和石墨轉變為金剛石的原理類似，石墨型氮化硼在高溫（1800℃）、高壓（800Mpa）下可轉變為金剛型氮化硼。這種氮化硼中B－N鍵長（156pm）與金剛石在C－C鍵長（154pm）相似，密度也和金剛石相近，它的硬度和金剛石不相上下，而耐熱性比金剛石好，是新型耐高溫的超硬材料，用於制作鉆頭、磨具和切割工具。
（三）硬質合金
IVB、VB、VIB族金屬的碳化物、氮化物、硼化物等，由於硬度和熔點特別高，統稱為硬質合金。下面以碳化物為重點來說明硬質含金的結構、特征和應用。
IVB、VB、VIB族金屬與碳形成的金屬型碳化物中，由於碳原子半徑小，能填充於金屬品格的空隙中並保留金屬原有的晶格形式，形成間充固溶體。在適當條件下，這類固溶體還能繼續溶解它的組成元素，直到達到飽和為止。因此，它們的組成可以在壹定範圍內變動（例如碳化鈦的組成就在TiC0.5～TiC之間變動），化學式不符合化合價規則。當溶解的碳含量超過某個極限時（例如碳化鈦中Ti:C＝1:1），晶格型式將發生變化，使原金屬晶格轉變成另壹種形式的金屬晶格，這時的間充固溶體叫做間充化合物。
金屬型碳化物，尤其是IVB、VB、VIB族金屬碳化物的熔點都在3273K以上，其中碳化鉿、碳化鉭分別為4160K和4150K，是當前所知道的物質中熔點最高的。大多數碳化物的硬度很大，它們的顯微硬度大於1800kg·mm2（顯微硬度是硬度表示方法之壹，多用於硬質合金和硬質化合物，顯微硬度1800kg·mm2相當於莫氏壹金剛石壹硬度9）。許多碳化物高溫下不易分解，抗氧化能力比其組分金屬強。碳化鈦在所有碳化物中熱穩定性最好，是壹種非常重要的金屬型碳化物。然而，在氧化氣氛中，所有碳化物高溫下都容易被氧化，可以說這是碳化物的壹大弱點。
除碳原子外，氮原子、硼原子也能進入金屬晶格的空隙中，形成間充固溶體。它們與間充型碳化物的性質相似，能導電、導熱、熔點高、硬度大，同時脆性也大。
（四）金屬陶瓷
隨著火箭、人造衛星及原子能等尖端技術的發展，對耐高溫材料提出了新的要求，希望既能在高溫時有很高的硬度、強度，經得起激烈的機械震動和溫度變化，又有耐氧化腐蝕、高絕緣等性能。無論高熔點金屬或陶瓷都很難同時滿足這些。金屬具有良好的機械性能和韌性，但高溫化學穩定性較差，易於氧化。陶瓷的特點是耐高溫，化學穩定性好，但最大的缺點是脆性，抗機械沖擊和熱沖擊能力低。金屬陶瓷是由耐高溫金屬如Cr、Mo、W、Ti等和高溫陶瓷如Al2O3、ZrO3、TiC等經過燒結而形成的壹種新型高溫材料，它兼有金屬和陶瓷的優點，密度小，硬度大，耐磨，導熱性好，不會由於驟冷驟熱而脆裂。是具有綜合性能的新型高溫材料，適用於高速切削刀具、沖壓冷拉模具、加熱元件、軸承、耐蝕制件、無線電技術、火箭技術、原子能工業等。
二、新型陶瓷材料
傳統陶瓷主要采用天然的巖石、礦物、粘土等材料做原料。而新型陶瓷則采用人工合成的高純度無機化合物為原料，在嚴格控制的條件下經成型、燒結和其他處理而制成具有微細結晶組織的無機材料。它具有壹系列優越的物理、化學和生物性能，其應用範圍是傳統陶瓷遠遠不能相比的，這類陶瓷又稱為特種陶瓷或精細陶瓷。
新型陶瓷控化學成分主要分為兩類：壹類是純氧化物陶瓷，
如Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、ThO2等；另壹類是非氧化物系陶瓷，如碳化物、硼化物、氮化物和矽化物等。按照其性能與特征又可分為：高溫陶瓷、超硬質陶瓷、高韌陶瓷、半導體陶瓷。電解質陶瓷、磁性陶瓷、導電性陶瓷等。隨著成分、結構和I：藝的不斷改進，新劑陶瓷層出不窮。按其應用不同又可將它們分為工程結構陶瓷和功能陶瓷兩類。
在工程結構上使用的陶瓷稱為工程陶瓷，它主要在高溫下使用，也稱高溫結構陶瓷。這類陶瓷具有在高溫下強度高、硬度大、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、耐燒蝕等優點，是空間技術、軍事技術、原子能、業及化工設備等領域中的重要材料。工程陶瓷有許多種類，但目前世界上研究最多，認為最有發展前途的是氯化矽、碳化矽和增韌氧化物三類材料。
精密陶瓷氨化矽代替金屬制造發動機的耐熱部件，能大幅度提高工件溫度，從而提高熱效率，降低燃料消耗，節約能源，減少發動機的體積和重量，而且又代替了如鎳、鉻、鈉等重要金屬材料，所以，被人們認為是對發動機的壹場革命。氮化矽可用多種方法制備，工業上普遍采用高純矽與純氮在1600K反應後獲得：
3Si＋2N2 Si3N4
也可用化學氣相沈積法，使SiCl4和N2在H2氣氛保護下反應，產物Si3N4積在石墨基體上，形成壹層致密的Si3N4層。此法得到的氮化矽純度較高，其反應如下：
SiCl4＋2N2＋6H2→Si3N4＋12HCl
氯化矽、碳化矽等新型陶瓷還可用來制造發動機的葉片、切削刀具、機械密封件、軸承、火箭噴嘴、爐子管道等，具有非常廣泛的用途。
利用陶瓷對聲、光、電、磁、熱等物理性能所具有的特殊功能而制造的陶瓷材料稱為功能陶瓷。功能陶瓷種類繁多，用途各異。例如，根據陶瓷電學性質的差異可制成導電陶瓷、半導體陶瓷、介電陶瓷、絕緣陶瓷等電子材料，用於制作電容器、電阻器、電子工業中的高溫高頻器件，變壓器等形形色色的電子零件。利用陶瓷的光學性能可制造固體激光材料、光導纖維、光儲存材料及各種陶瓷傳感器。此外，陶瓷還用作壓電材料、磁性材料、基底材料等。總之，新劑陶瓷材料幾乎遍及現代科技的每壹個領域，應用前景十分廣闊。
三、磁性材料
磁性材料是壹種重要的電子材料。早期的磁性材料主要采用金屬及合金系統，隨著生產的發展，在電力工業、電訊工程及高頻無線電技術等方面，迫切要求提供壹種具有很高電阻率的高效能磁性材料。在重新研究磁鐵礦及其他具有磁性的氧化物的基礎上，研制出了壹種新型磁性材料——鐵氧體。鐵氧體屬於氧化物系統的磁性材料，是以氧化鐵和其他鐵族元素或稀土元素氧化物為主要成分的復合氧化物，可用於制造能量轉換、傳輸和信息存儲的各種功能器件。
鐵氧體磁性材料按其晶體結構可分為：尖晶石型（MFe2O4）；石榴石型（R3Fe5O12）；磁鉛石型（MFe12O19）；鈣鈦礦型（MFeO3）。其中M指離子半徑與Fe2＋相近的二價金屬離子，R為稀土元素。按鐵氧體的用途不同，又可分為軟磁、硬磁、矩磁和壓磁等幾類。
軟磁材料是指在較弱的磁場下，易磁化也易退磁的壹種鐵氧體材料。有實用價值的軟磁鐵氧體主要是錳鋅鐵氧體Mn－ZnFe2O4和鎳鋅鐵氧體Ni－ZnFeO4。軟磁鐵氧體的晶體結構壹般都是立方晶系尖晶石型，這是目前各種鐵氧體中用途較廣，數量較大，品種較多，產值較高的壹種材料。主要用作各種電感元件，如濾波器、變壓器及天線的磁性和磁帶錄音、錄像的磁頭。
硬磁材料是指磁化後不易退磁而能長期保留磁性的壹種鐵氧體材料，也稱為永磁材料或恒磁材料。硬磁鐵氧體的晶體結構大致是六角晶系磁鉛石型，其典型代表是鋇鐵氧體BaFe12O19。這種材料性能較好，成本較低，不僅可用作電訊器件如錄音器、電話機及各種儀表的磁鐵，而已在醫學、生物和印刷顯示等方面也得到了應用。
鎂錳鐵氧體Mg－MnFe3O4，鎳鋼鐵氧體Ni－CuFe2O4及稀土石榴型鐵氧體3Me2O3·5Fe2O3（Me為三價稀土金屬離子，如Y3＋、Sm3＋、Gd3＋等）是主要的旋磁鐵氧體材料。磁性材料的旋磁性是指在兩個互相垂直的直流磁場和電磁波磁場的作用下，電磁波在材料內部按壹定方向的傳播過程中，其偏振面會不斷繞傳播方向旋轉的現象。旋磁現象實際應用在微波波段，因此，旋磁鐵氧體材料也稱為微波鐵氧體。主要用於雷達、通訊、導航、遙測、遙控等電子設備中。
重要的矩磁材料有錳鋅鐵氧體和溫度特性穩定的Li－Ni－Zn鐵氧體、Li－Mn－Zn鐵氧體。矩磁材料具有辨別物理狀態的特性，如電子計算機的"1"和"0"兩種狀態，各種開關和控制系統的"開"和"關"兩種狀態及邏輯系統的"是"和"否"兩種狀態等。幾乎所有的電子計算機都使用矩磁鐵氧體組成高速存貯器。另壹種新近發展的磁性材料是磁泡材料。這是因為某些石榴石型磁性材料的薄膜在磁場加到壹定大小時，磁疇會形成圓柱狀的泡疇，貌似浮在水面上的水泡，泡的"有"和"無"可用來表示信息的"1"和"0"兩種狀態。由電路和磁場來控制磁泡的產生、消失、傳輸、分裂以及磁泡間的相互作用，即可實現信息的存儲記錄和邏輯運算等功能，在電子計算機、自動控制等科學技術中有著重要的應用。
壓磁材料是指磁化時能在磁場方向作機械伸長或縮短的鐵氧體材料。目前應用最多的是鎳鋅鐵氧體，鎳銅鐵氧體和鎳鎂鐵氧體等。壓磁材料主要用於電磁能和機械能相互轉換的超聲器件、磁聲器件及電訊器件、電子計算機、自動控制器件等。
四、超導材料
金屬材料的電阻通常隨著溫度的降低而減小，當溫度降低到壹定數值的時候，某些金屬及合金的電阻會完全消失，這種現象稱為超導現象。具有超導性的物質稱為超導體或超導材料。超導體電阻突然消失時的溫度稱為臨界溫度（Tc）。
荷蘭物理學家H·K昂尼斯（Onnes）成功地制取了液體氦，獲得了4.2K的低溫。1911年他發現水銀的電阻在4.2K附近突然下降到零，這就是人類第壹次發現了超導現象。隨著進壹步的研究發現周期表中有26種金屬具有超導性，單個金屬的超導轉變溫度都很低，最高的超導金屬是Nb，Tc壹9.2K。因此，人們逐漸轉向研究金屬合金及化合物的超導性。
1986年4月瑞士科學家J．G貝德諾茲等發現由鋇、鑭、銅、氧組成的氧化物可能是高Tc的超導材料，並獲得了Tc為30K的超導體，這是對超導材料的研究取得的第壹次重大突破。在這之後，各國科學家對這壹類材料進行了廣泛研究。1987年2月美同科學家發現鋇把銅氧材料的超導轉變溫度高達98K，從而突破了液氦溫區而進入液氮溫區。中國科學院物理所、化學所、北京大學等也都分別研制成功Tc為83.7K的超導線材和超導薄膜。日本研制成功釔壹鋇壹銅壹氧陶瓷高溫超導材料，其成分為0.6Ba～0.4Y～1ICu～3O，在123K開始顯示超導電性，在93K時出現零電阻。目前新的氧化物系列不斷出現，如Bi－Sr-Ca－CuO，Tl－Ba－Ca－CuO等，它們的超導轉變溫度超過了120K。這些研究成果為超導材料早日付諸實用開辟了途徑。
值得註意的是，人們發現碳的第三種同素異形體——C60堿金屬作用形成AxC60（A代表鉀、銣、銫等），它們都是超導體，其超導轉變溫度列於下表。從表中可看到，大多數AxC60超導體的轉變溫度比金屬合金超導體高。這使人們看到C60這類有機超導體的巨大潛力，同時因其加上性能優於金屬氧化物（陶瓷）超導體，因此AxC60類超導體將是很有發展前途的超導材料。
AxC60的超導轉變溫度
K2 C60：19 Tc／K
Rb3C60：28 Tc／K
Cs3C60：30 Tc／K
Rb2CsC60：30 Tc／K
RbCs2C60：33 Tc／K
超導材料的應用範圍極為廣泛，用超導材料制造的超導磁體，可產生很強的磁場，且體積小，重量輕，損耗電能小，比目前使用的常規電磁鐵優異得多。應用超導材料還可以制造大功率超導發電機、磁流發電機、超導儲能器、超導電纜等。超導技術最引人註目的應用是超導磁懸浮列車，其車速可高達500km/h。在海洋航行中利用超導電磁推進器，即不用電動機而實現高速、高效、無噪音航行。利用超導的完全抗磁性可制造超導無摩擦軸承。無論是在能源、電子、通訊、交通，還是由防軍事技術、空間技術、受控熱核反應以及醫學等各個領域中，超導材料將以其特有的性能發揮出神奇的作用。
五、光導纖維與激光材料
（壹）光導纖維
光導纖維簡稱光纖，是近10年來蓬勃發展起來的新型材料。光纖的中心是用高折射率的超純石英或特種光學玻璃拉制成的晶瑩細絲，稱纖維芯。纖維芯的外皮是壹層低折射率的玻璃或塑料制成的纖維皮。光纖具有傳導光波的能力。
光纖的纖維芯是壹種光密介質，外皮是壹種光疏介質。當光線進入纖維芯，就只能在纖維芯內傳播（全反射），經無數次全反射，呈鋸齒形向前傳播，最後到達纖維芯的另壹端。這就是光纖傳遞信號的原理，如下圖所示：
目前應用較多的有高純石英光纖、組分玻璃光纖和塑料光纖。石英光纖所需的主要原料是經過精制的石英（SiO2），它由SiCl4水解而得到：
SiCl4＋2H2O＝SiO2＋4HCl
工業上通常將天然石英砂在電爐中以碳還原得到粗矽或結晶矽，其矽含量為95%～99%，然後再在結晶爐中用氯氣與粗矽合成四氯化矽：
SiO2＋2C Si＋2CO↑ Si＋2Cl2 SiCl4
此法制得的SiCl4含有許多雜質，如BCl3、SiHCl3、PCl3等。需進壹步精餾提純。由於石英光纖原材料資源豐富，化學性能極其穩定，除氫氟酸外，對各種化學試劑有強的耐蝕性。因此，已實際應用在各種通訊線路上。除石英光纖外，其他類型的光纖材料也在大力開發之中。
目前光纖最大的應用是在通訊上，即光纖通訊，光纖通訊信息容量很大，如20根光纖組成的像鉛筆壹樣大小的壹支電纜每天可通話76200人次，而直徑3英寸（3×2.54cm），由1800根銅線組成的電纜每天可只能通話900人次。此外，光纖通訊具有重量輕、抗幹擾、耐腐蝕等優點，而且保密性好，原材料豐富，可大量節約有色金屬。因此光纖是壹種極為理想的通訊材料。
光纖制成的光學元器件，如傳光纖維束，傳像纖維束，纖維面板等，能發揮壹般光學元件所不能起的特殊作用。此外，利用光導纖維與某些敏感元件組合或利用光導纖維本身的特性，可以做成各種傳感器，用來測量溫度、電流、壓力、速度、聲音等。它與現有的傳感器相比，有許多獨特的優點，特別適宜於在電磁幹擾嚴重、空間狹小、易燃易爆等苛刻環境下使用。
（二）激光材料
激光是20世紀的重大發明之壹，自1960年用紅寶石作工作物質首次振蕩出了激光之後，在激光的基礎理論，激光的應用、激光材料和器件的研究等各個方面都有了迅速的發展。激光是利用受激輻射原理，在諧振腔內振蕩出的壹種特殊光。它同普通光相比，具有良好的單色性、相幹性和高亮度的特點，在科學技術上有著廣泛的用途。
用於生產激光的材料叫做激光11作物質，有固體、氣體和液體二種，這裏著重介紹固體激光材料。內體激光工作物質包括兩個組成部分：激活離子（真正產生激光的離子）和基質材料（傳播光束的介質）。形成激活離子的元素有三類：第壹類是過渡元素如錳、鉻、鈷、鎳、釩等；第二類是大多數稀土元素如釹、鈥、鏑、鉺、銩、鐿、鑥、釓、銪、釤、鐠等；第三類是個別的放射性元素如鈾。目前應用最多的激活離子是Cr3＋和Nd3＋。基質材料有晶體和玻璃，每壹種激活離子都有其對應的壹種或幾種基質材料。例如，Cr3＋滲入氧化鋁晶體中有很好的發生激光的性能，但摻入到其他晶體或玻璃中發光性能就很差，甚至不會產生激光。目前已研制出的同體激光工作物質有上百種之多，但有實際使用價值的主要有：紅寶石（Al2O3：Cr3＋），摻釹釔鋁石榴石（Y3Al5O12：Nd3＋），摻釹鋁酸釔（YAlO3：Nd3＋）和釹玻璃四種。
紅寶石是最早振蕩出激光的材料，輸出激光波長為694.2nm的紅色光。紅寶石是以Al2O3晶體為基質材料，摻入質量分數為5×10－4的Cr2O3，激活離子是Cr3＋。制備紅寶石單晶用的原料必須有很高的純度，通常用重結晶法提純後的銨明礬[NH4Al(SO4)2·12H2O]和重 鉻酸鋁[(NH4)2Cr2O7]，將它們以壹定比例混合，加熱到1050～1150℃，這時發生下列反應：
NH4Al(SO4)2·12H2O Al2(SO4)3＋2NH3↑＋SO3↑＋25H2O↑
Al2(SO4)3 Al2O3＋3SO3↑
2(NH4)2Cr2O7 4NH3↑＋2Cr2O3＋3O2↑＋2H2O↑
制得的Al2O3和Cr2O3的混合物，再用火焰法或引上法制成紅寶石單晶。
摻釹釔鋁石榴石和摻釹鋁酸釔是分別以Y3Al5O12和YAlO3為基質材料，摻入不同濃度的Nd3＋的作為激活離子的激光工作物質。
釹玻璃的激活離子是Nd3＋，以K2O－BaO－SiO2成分的玻璃為基質材料時，產生激光的性能較好。用玻璃作同體激光工作物質的最大優點是，可以熔制出尺寸大、光學均勻性良好的材料，而且激活離子的質量分數可以提高到0.02～0.04。在核聚變的研究中，用釹玻璃激光器作為引發聚變反應的強光源取得了有效的成果。
六、納米材料
材料絕大多數是固體物質，它的顆粒大小壹般在微米數量級，壹個顆粒包含著無數原子和分子，這時材料顯示的是大量分子的宏觀性質。當用特殊的方法把顆粒尺度加工到納米數量級大小，則壹個納米級顆粒所含的分子數大為減小，這種由顆粒尺度為納米數量級（1～100nm）的超細微顆粒組成的間體材料稱為納米材料。納米材料在結構上與常規的晶態和非晶態材料有很大的差別。由於納米材料的粒子是超細微的，粒子數多，表面積大，而且處於粒子界面上的原子比例極大，壹般可占總原子數的50%左右，這就使納米材料具有特殊的表面效應、界面效應、小尺寸效應、量子效應等，因而呈現出壹系列獨特的物理、化學性質，在電子、冶金、化學、生物和醫學等領域展示了廣泛的應用前景。
納米材料熔點低，例如金的熔點是1064℃，而納米金的熔點只有330℃，降低了近700℃；又如納米級銀粉的熔點由金屬銀的962℃降低為100℃。納米金屬熔點的降低不僅使低溫燒結制備合金成為現實，還將為不互熔金屬冶煉成合金創造條件。
納米材料的表面積大，表面活性高，可制造各種高性能催化劑。例如，Ni或Cu－Zn化合物的納米顆粒對某些有機化合物的氫化反應是極好的催化劑，可替代昂貴的鉑或把催化劑；納米鉑黑催化劑可使乙烯氫化反應的溫度從600℃降至室溫；利用納米鎳粉作火箭固體燃料反應觸媒，燃燒效率可提高100倍。此外，其催化的反應選擇性還表現出特異性。如用矽載體鎳催化劑對內醛的氧化反應表明，鎳粒直徑在5nm以下時，反應選擇性發生急劇變化，醛分解反應得到有效控制，生成酒精的轉化率急劇增大。
陶瓷材料由於性脆、燒結溫度高等缺點，限制了其應用範圍。而納米陶瓷則具有很好的韌性和延展性能。研究表明：TiO2和CaF2納米陶瓷材料在80～180℃範圍內可產生約100%的塑性變形，韌性極好，而且燒結溫度降低，能在比大晶粒樣品低600℃的溫度下達到類似於普通陶瓷的硬度。這些特性使納米陶瓷材料在常溫或次高溫下進行冷加工成為可能。如果在次高溫下將納米陶瓷顆粒加工成型，然後作表面退火處理，就可以得壹種表面保持常規陶瓷硬度，而內部仍具有納木材料延展性的高性能陶瓷。
納米材料還可以廣泛應用於生物醫藥領域，如進行細胞分離、細胞染色等。由於納米粒子比紅血球（6～9um）小得多，可以在血液裏自由運動，因此，註入各種對機體無害的納米粒子到人體的各部位，可檢查病變和進行治療。研究納米生物學可以在納米尺度上了解生物大分子的精細結構及其與功能的關系，獲取生命信息，特別是細胞內的各種信息。利用納米傳感器，可獲取各種生化反應的生化信息和電化學信息。
納米材料的出現給物理、化學、生物等許多學科帶來了新的活力和挑戰，納米科學技術必將發展成為21世紀最重要的技術，人們將在納米尺度上重新認識和改造客觀世界。