科普-中华学生百科全书-第558部分

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廉价高效的光电电池，我们才能充分利用清洁的太阳能。有些半导体材料的
温差电动势很大，能直接把热能转换为电能。这种温差发电机适用于缺电的
边远地区。在宇宙飞行器、导航设备上也用到它。
半导体材料还用于制造激光器。激光方向性好，能量集中，在现代各个
行业都得到广泛应用。大功率的激光武器为各国所重视。用半导体制成的发
光二极管，在光纤通讯方面有重要用途。光纤通讯比微波通讯效果更好，一
条光缆可载上亿门电话。人们预计，光计算机将比电子计算机运算速度快几
十倍。
半导体材料经过几十年的发展，已历经三代，最早人们用锗，但锗元件
的寿命和效果都不大理想，人们转而重视开发硅，目前硅已成为应用最广泛
的半导体材料。为了在高温、高频领域取得进展，人们又看重砷化镓。它是
砷在高温下和镓结合生成的化合物，是高频、高温电子元件的理想材料，它
必将在巨型计算机、高效机器人、激光、光纤通讯等方面发挥重要作用。

无机非金属材料

无机非金属材料以前主要指含有二氧化硅酸性氧化物的硅酸盐材料。陶
瓷、玻璃、砖瓦、耐火材料、水泥等都是人们所熟悉的硅酸盐材料。经过几
十年的发展，无机非金属材料早已超出硅酸盐的范围而日趋多样化。
无机非金属材料有广泛的用途：
化学工业需要不怕腐蚀、耐高温的陶瓷、玻璃设备；电力工业需要绝缘
材料，而不导电的陶瓷是理想的绝缘材料；照明器具需要大量的玻璃；建筑
行业需要大量的砖瓦水泥；而冶金工业则离不开耐火材料。虽然金属材料和
有机材料发展迅速，但却取代不了无机材料，因为在耐高温性能上，无机材
料几乎是不可替代的。
硅酸盐材料本身存在不少缺点。如陶瓷、玻璃都易碎，高温下会软化等，
使它的应用受到限制。近十几年来，人们对硅酸盐材料进行了深入细致的研
究，采用新技术新方法制成的硅酸盐材料与往日已不可同日而语。它们性能
不同，异彩纷呈，为无机非金属材料带来了革命性的变化。下面我们就分别
介绍这些材料。

陶瓷

在远古时代，我们的祖先就开始用粘土作成器皿盛装食物，后来人们发
现这些器皿经火烧后，更加坚固耐用，这就是最初的陶瓷。在我国的半坡村
氏族遗址中已有了精美的彩陶盆。我们的祖先对制陶技术不断加以完善，生
产出图案精美、色泽鲜艳的陶器，出口世界，深受各国人民喜爱。我们中国
的英文名字　China，就是瓷器的意思。
陶瓷的主要原料是粘土、长石、石英石等。先把它们磨成粉，再按一定
配方混匀，加工成型，然后送入窑内高温烧结即可得到陶瓷。如果在毛坯上
涂上各种釉质，刻上花纹，就可烧得精美的花瓶、盆、碗等日用品。
陶瓷硬度高、耐高温、抗腐蚀，因而在工业上有广泛用途。1924　年德国
科学家以纯氧化铝为原料烧结出坚硬非凡的氧化铝陶瓷。这种陶瓷作成的刀
具，甚至能切削硬度较高的合金钢。第二次世界大战以来，人们普遍用氧化
铝陶瓷做火花塞。发动机的火花塞每秒引爆　20～30　次，瞬时温度高达　2500
℃，最大工作压力达　100　个大气压。在如此恶劣的条件下，氧化铝陶瓷仍能
正常地长期工作。1957　年，美国通用电气公司的工程师选用纯度达　99．99％
的氧化铝细粉作原料，烧制出半透明的陶瓷。用它制成的高压钠灯，亮度高、
寿命长、清晰度高，能透过浓雾。
导弹飞行的速度是声速的　5～6　倍，由于空气摩擦会使导弹头部温度高达
1000℃。为了准确命中目标，导弹头部装有自动跟踪系统，能根据目标所发
出的红外射线而自动调整飞行方向。什么材料既能耐　1000℃以上的高温，又
能透射红外射线呢？这就是著名的红外陶瓷。用纯净的原料通过真空热压或
高温烧结，使陶瓷小晶粒迅速扩散而融合成晶莹透明的整体，就可得到能透
射红外射线的透明陶瓷。
氮化硅新型陶瓷是近十几年来发展起来的一种精密陶瓷。其制作方法
是：把硅粉在　1200℃高温的环境中氮化，使氮钻入硅粉坯体中，然后加工成
型，再在　1400℃高温下第二次氮化，即得氮化硅陶瓷。这种陶瓷具有足够高

的强度和硬度，又有惊人的耐高温、耐腐蚀性能和抗急冷急热性能，是一种
用途广泛的工程陶瓷。
碳化硅陶瓷是另一种新型精密陶瓷。它质地坚硬，可作金刚石的代用品。
人们采用热压烧结法得到的碳化硅陶瓷，在　1400℃的高温下，其抗弯强度每
平方厘米仍达　5000～6000　公斤以上，是制造高温燃气涡轮发动机的理想材
料。
1880　年，法国科学家发现了某些晶体的压电效应，即沿晶体的某一方向
施加压力，晶体表面会出现电荷，电荷大小与压力成正比。1944　年，人们首
次制得钛酸钡压电陶瓷，但性能不太理想。1955　年，人们制得了性能较高的
锆钛酸铅压电陶瓷。用这种压电陶瓷可生产大功率的超声和水声的换能器，
也可作为高灵敏度的压电测量装置，在高频通讯技术、导弹技术、地震预报
和医疗上都有广泛用途。这种陶瓷也是一种透明陶瓷，加上电场后具有双折
射效应，去掉电场后又变成各向同性。用它可制成立体电视眼镜，戴上这种
眼镜，你就可以看到立体电视或电影，医生用这种眼镜可以通过电视看到病
人体内的立体图像，便于诊断治疗。
目前陶瓷研究的方向是研制高温陶瓷，以便它能在　1500℃以上的条件下
工作，这在空间技术和军事技术上都有广泛用途。陶瓷研究的另一个方向是
提高陶瓷的韧性，主要是陶瓷基复合材料。在现代科技的催化下，古老的陶
瓷技术又开新花。

玻璃

一队远行的商人在野外露宿，他们用几块石头垒成灶，生火做饭。在烈
焰的烧烤下石头熔化了，锅里的水倒下来浇灭了火，人们只好重新生火做饭。
第二天早晨，有人在浇灭的火堆里发现了透明的小球，这就是第一颗玻璃球。
原来那些石头的主要成分是硅酸钠和硅酸钙，在高温下熔化后又被迅速冷
却，原子还来不及结晶处于液体状态就凝固，形成了一种新的材料——玻璃。
人类认识玻璃、制造玻璃已有　5000　多年的历史，但要生产精美的玻璃制
品很困难，因此几千年来，它一直是一种奢侈品，供少数人作为炫耀的资本。
玻璃真正成为大众化的材料是从本世纪初开始的。1908　年，美国人发明
了平拉法，1910　年，比利时人发明了有槽垂直上拉法，才使平板玻璃的生产
摆脱了手工的吹制法而迅速发展。1959　年，英国的皮尔金格兄弟公司花了　7
年时间，耗资　400　万英镑，终于研制出浮法玻璃生产工艺，大大提高了生产
率并且降低了生产成本。1971　年，日本人研制出对辊法，又使玻璃生产大大
前进了一步。
早期生产的玻璃主要是钠钙玻璃，常用作窗玻璃。这种玻璃受热不均时
易破裂，不能作化学仪器。1915　年美国研制出硼玻璃，把它加热到　200℃后
立即投入　20℃的冷水中也不会破裂。因此它很快成为一种重要的化学用玻
璃。用碳酸钾代替纯碱作原料生产出来的钾玻璃，熔点高，也是一种优秀的
化学玻璃。
玻璃易碎，但如果在玻璃型材制成后进行特殊的淬火处理：即把玻璃加
热到　600～650℃以上，用油或其他介质使玻璃骤冷，就可使玻璃的抗弯强度
提高　7～8　倍，这种玻璃打碎后成为小钝角形的碎粒，没有刺伤人的危验，这
就是钢化玻璃，很适合作汽车等的车窗。

在一般玻璃中加入少量的澄清剂，如硝酸钠、氧化砷等，就可使玻璃更
加晶莹透明，这种玻璃又叫玻晶。用它作成的器皿精美华丽，深受人们喜爱。
如果在玻璃配料中加入少量金、银、铜等金属盐类作晶核，诱使玻璃形
成很小的晶胞，就可获得晶体颗粒在　0．05～1　微米（1　微米＝1×10…6　米）的
微晶玻璃。它晶格致密，强度高，抗弯强度是普通玻璃的　7～12　倍。微晶玻
璃耐高温性能好，在　1300℃时才会软化；耐热冲击，在　900℃时投入冷水中
也不会破裂；耐磨、耐腐蚀并且能透过微波用作导弹的雷达罩，也可用于生
产特殊轴承。
在微晶玻璃中加入感光金属盐类，就制成光敏微晶玻璃。它具有跟照相
底片一样的功能，一经加热就会显示出图像来。这种玻璃在光刻、光蚀技术
以及集成电路生产中非常有用。
玻璃晶莹透明，是生产光学仪器的重要材料。13　世纪时，威尼斯人用玻
璃制成了眼镜，16　世纪时，人们又发明了望远镜和显微镜，光学玻璃的高性
能是这些仪器发挥作用的关键。1886　年，德国科学家阿贝和肖特系统地研究
了氧化钡、硼酸盐等对玻璃性能的影响，研制出高性能的光学玻璃，在生产
和生活中得到了广泛应用。随着光学和化学的发展，人们又研制出性能更高，
用途更广的光学玻璃。如在原子能工业中，在作为观察窗和观察镜的玻璃中
就加入硼和镉的氧化物以吸收中子流，加入氧化钡、氧化铝以吸收γ射线。
有色玻璃是一种常见的光学玻璃。古代人凭经验开始少量研制，到了　20
世纪，光学的发展揭开了有色玻璃滤色的机理，人们据此制成了各种光色玻
璃，具有选择某些特定光线的能力。例如：为了保护珍贵书籍，应当避免紫
外线的长期照射，人们采用含有氧化铬、氧化钒的玻璃作图书馆的窗玻璃，
就可阻止紫外线进入书库。近年来人们根据光色互变原理制成了变色玻璃，
它是在玻璃中加入卤化银并经适当热处理，使卤化银部分沉淀为微晶，当强
光照射时，卤化银分解为卤素和银，使玻璃变暗，减少光线透过；当无光照
时，卤素与银又结合为卤化银，形成无色晶体。这种变色玻璃作成变色眼镜
和汽车前窗玻璃，对保护视力很有好处。最近人们又研制成功了单透玻璃，
它只允许光线单向通过，从玻璃一侧看过去，一切清晰；而从另一侧看过来，
则什么也看不见，这种玻璃作汽车车窗和办公楼窗户都很棒。
玻璃纤维是　20　世纪　30　年代问世的新产品。用先进的技术把熔化的玻璃
拉成细丝，就成为玻璃纤维。随着技术水平的提高，玻璃丝越拉越细，已超
过羊毛和棉纱，从此玻璃制品告别了脆性而成为抗拉强度很高的纤维。用玻
璃纤维制成的绳子、缆等比钢绳轻，在建筑、航海上有广泛用途；用玻璃纤
维制成的布，既耐高温又不怕腐蚀，并且具有绝缘隔热性能，因而在电机、
化工、冶金、交通、国防等部门都受到青睐。
光导纤维也是一种玻璃纤维，它用一种折射率较高的玻璃作芯子，用另
一种折射率较低的玻璃作包皮，套制而成。由于玻璃的光学特性，光可以通
过光导纤维向远方传递，就像电线传递电信号一样。光导纤维愈细愈纯，在
传输中光能的损耗就愈少。光导纤维传递信号的能力很大，一根比头发丝还
细的光导纤维能传递上千路电话；光缆根本不受电杂音干扰，可以和电线捆
在一起而不失真，并且重量轻，占地少，特别适合作高效的通讯交流使用。
光纤通讯技术将是通讯史上的一次重大变革，目前各国都在努力研究。

水泥

水泥是一种水硬性材料，普通建筑材料遇水会松垮，而水泥着水后却逐
渐结硬而生成坚硬的人造石，在水泥中掺入砂子后用水调成砂浆，对砖瓦、
石头等有良好的粘着力，用来砌墙，是一种很好的粘合剂。水泥和砂子、碎
石掺在一起加水搅拌就成为混凝土，它具有很好的抗压性能，但抗拉强度差。
用水泥包着钢筋后生成的钢筋混凝土，则具有优异的性能，它开辟了建筑史
上的一个新纪元。多少巍峨矗立的高楼，多少凌空飞架的桥梁，都是钢筋混
凝土结构。
普通水泥的主要成分是硅酸盐，是用粘土和石灰石在回转窑内烧制成
的，是普通建筑的常用材料。按国家标准，普通水泥分六个标号，即　200，
250，300，400，500，600。水泥标号越高，强度越高，可根据需要选用。
普通水泥的耐磨和耐高温性能尚不能令人满意，于是人们又开发了各种
高性能水泥。在普通水泥中掺入　20％～50％的火山灰，得到的火山灰水泥非
常耐冲刷，是建筑水库、水电站的好材料；在普通水泥中掺入　20％～85％的
高炉矿渣，制得的矿渣水泥可耐高温；在普通水泥中加入石膏和膨胀剂，可
制得膨胀水泥，在隧道、涵洞修补上极为有用。
目前每年全