什么叫石墨化

石墨化影响因素：

有温度、合金元素、钢中缺陷和焊接等。碳钢450℃以上，0.5%Mo钢在480℃以上产生石墨化。温度愈高，石墨化进程愈快。但到700℃时，已生成的石墨反会与铁结合成渗碳体。合金元素中铝、镍、硅等促进石墨化，其中铝影响最大。铝是炼钢时脱氧加入的，为此规定低碳和低碳钼钢锅炉钢冶炼脱氧时不用铝，或铝加入量每吨钢不超过0.25kg。铬、钛、铌等元素阻止石墨化，其中以铬最有效。在低碳钢中加入0.3%～0.5%铬就可有效地阻止石墨化。运行经验证明，含铬的珠光体耐热钢在运行中不产生石墨化。金属中裂纹、重皮等缺陷处和应力集中处最易产生石墨化，另外冷变形区域和焊接热影响区域也易产生石墨化。

在低碳钢和低碳钼钢等珠光体耐热钢中，可以同时发生珠光体球化和石墨化过程，这是由于两过程有相同的影响因素(如温度等)作用的缘故。但是，由于两过程又有不同的影响因素，如铝的影响等，并非球化进程同时一定发生石墨化进程。

为评定石墨化的影响制定的石墨化级别，是一组具有不同程度石墨化的金相图片，以便在电厂金相检验时对照用。一般按析出石墨量的多少分成四个等级：1级为石墨化现象不明显，2级为已明显石墨化，3级为已严重石墨化，4级为已很严重的石墨化。通常在石墨化3～3.5级时，钢中60%左右的碳均已成为石墨。

不能。三氯氢硅一般指三氯硅烷是一种无机化合物，化学式为SiHCl3。为无色液体，溶于苯、乙醚、庚烷等多数有机溶剂，主要用于制造硅酮化合物。

中文名

三氯硅烷

外文名

trichlorosilaneSilicochloroform

化学式

SiHCl3

分子量

135.452

CAS登录号

10025-78-2

基本信息

化学式：SiHCl3

分子量：135.452

CAS号：10025-78-2

EINECS号：233-042-5

理化性质

密度：1.342g/mLat 25°C(lit.)

熔点：-127 °C

沸点：32-34°C

闪点：-28℃（OC）[2]

临界压力（MPa）：4.17

引燃温度：185℃

饱和蒸气压：65.8kPa（20℃）

爆炸上限（V/V）：90.5%

爆炸下限（V/V）：1.2%

外观：无色液体

溶解性：溶于苯、乙醚、庚烷等多数有机溶剂[1]

计算化学数据

疏水参数计算参考值（XlogP）：无

氢键供体数量：0

氢键受体数量：0

可旋转化学键数量：0

互变异构体数量：0

拓扑分子极性表面积：0

重原子数量：4

表面电荷：0

复杂度：8

同位素原子数量：0

确定原子立构中心数量：0

不确定原子立构中心数量：0

确定化学键立构中心数量：0

不确定化学键立构中心数量：0

共价键单元数量：1[1]

毒理学数据

急性毒性

LD50：1030mg/kg（大鼠经口）

LC50：1500mg/m3（小鼠吸入，2h）[1]

用途

主要用于制造硅酮化合物。

应急处理

泄漏应急处理

迅速撤离泄漏污染区人员至安全区，并进行隔离，严格限制出入。切断火源。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿消防防护服。从上风处进入现场。尽可能切断泄漏源，防止进入下水道、排洪沟等限制性空间。

小量泄漏：用砂土或其他不燃材料吸附或吸收。

大量泄漏：构筑围堤或挖坑收容；用泡沫覆盖，降低蒸气灾害。在专家指导下清除。

防护措施

呼吸系统防护：空气中浓度超标时，应该佩戴自吸过滤式防毒面具（全面罩）。紧急事态抢救或撤离时，建议佩戴自给式呼吸器。

眼睛防护：呼吸系统防护中已作防护。

身体防护：穿胶布防毒衣。

手防护：戴橡胶手套。

其他：工作现场禁止吸烟、进食和饮水。工作毕，淋浴更衣。保持良好的卫生习惯。

急救措施

皮肤接触：立即脱去被污染的衣着，用大量流动清水冲洗，至少15分钟。就医。

眼睛接触：立即提起眼睑，用大量流动清水或生理盐水彻底冲洗至少15分钟。就医。

吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难，给输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸。就医。

食入：误服者用水漱口，给饮牛奶或蛋清。就医。

安全信息

安全术语

S7/9：Keep container tightly closed and in a well-ventilated place.

保持容器严格密闭，置于通风良好的场所。

S16：Keep away from sources of ignition - No smoking.

远离火源，禁止吸烟。

S26：In case of contact with eyes, rinse immediately with plenty of water and seek medical advice.

眼睛接触后，立即用大量水冲洗并征求医生意见。

S36/37/39：Wear suitable protective clothing, gloves and eye/face protection.

穿戴适当的防护服、手套和眼睛/面保护。

S43：In case of fire, use ... (if water increases the risk, add - never use water).

着火时使用（指明具体的消防器材种类，如果用水增加危险，注明“禁止用水”。

S45：In case of accident or if you feel unwell, seek medical advice immediately (show the lable where possible).

发生事故时或感觉不适时，立即求医（可能时出示标签）。

风险术语

R12：Extremely flammable.

极易燃的。

R14：Reacts violently with water.

与水猛烈反应。

R17：Spontaneously flammable in air.

在空气中易自燃。

R20/22：Harmful by inhalation and if swallowed.

吸入和吞食是有害的。

R29：Contact with water liberates toxic gas.

与水接触释放出有毒气体。

R35：Causes severe burns.

引起严重灼伤。

三氯氢硅在常温常压下为具有刺激性恶臭、易流动、易挥发的无色透明液体。分子量:135.43，熔点(101.325kPa)：-134℃；沸点(101.325kPa)：31.8℃；液体密度(0℃)：1350kg/m3；相对密度(气体，空气=1)：4.7；蒸气压(-16.4℃)：13.3kPa；(14.5℃)：53.3kPa；燃点：-27.8℃；自燃点：104.4℃；闪点：-14℃；爆炸极限：6.9～70%；在空气中极易燃烧，在-18℃以下也有着火的危险，遇明火则强烈燃烧，三氯氢硅燃

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烧时发出红色火焰和白色烟；三氯氢硅的蒸气能与空气形成浓度范围很宽的爆炸性混合气，受热时引起猛烈的爆炸。它的热稳定性比二氯硅烷好，三氯氢硅在900℃时分解产生氯化物有毒烟雾；遇潮气时发烟，与水激烈反应；在碱液中分解放出氢气；三氯氢硅与氧化性物质接触时产生爆炸性反应。与乙炔、烃等碳氢化合物反应产生有机氯硅烷；在氢化铝锂、氢化硼锂存在条件下，三氯氢硅可被还原为硅烷。容器中的液态三氯氢硅当容器受到强烈撞击时会着火。可溶解于苯、醚等。无水状态下三氯硅烷对铁和不锈钢不腐蚀，但是在有水分存在时腐蚀大部分金属。

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二、三氯氢硅的用途

用于有机硅烷和烷基、芳基以及有机官能团氯硅烷的合成，是有机硅偶联剂中最基本的单体，同时也是制备多晶硅的主要原料。将三氯硅烷与氯乙烯或氯丙烯进行合成反应，再经精馏提纯，得到乙烯基或丙烯基系列硅烷偶联剂产品。硅烷偶联剂几乎可以与任何一种材料交联，包括热固性材料、热塑性材料、密封剂、橡胶、亲水性聚合物以及无机材料等，在太阳能电池、玻璃纤维、增强树脂、精密陶瓷纤维和光纤保护膜等方面扮演着重要的角色，并在这些行业中发挥着不可或缺的重要作用。

三、三氯氢硅生产工艺

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1、主要化学反应方程式为：

Si + 3HCl = SiHCl3 + H2

Si + 4HCl = SiHCl4 + 2H2

2、生产装置主要由氯化氢干燥、三氯氢硅合成、三氯氢硅提纯和分离工序组成。生产工艺流程简述如下：

用管道送来的氯化氢气体，经冷却除水干燥、加压后依次进入氯化氢缓冲罐、-35℃石墨冷却器，酸雾脱水后，进入硫酸液环泵加压。加压后的氯化氢先经酸雾捕集器、氯化氢缓冲罐、再分别经流量调节阀、流量计、止逆阀进入三氯氢硅合成炉。外购袋装硅粉倒入硅

池，用胶管借水环真空泵的抽力吸至硅粉干燥器，干燥后的硅粉经计量罐计量后由给料阀加入三氯氢硅合成炉，与来自氯化氢缓冲罐氯化氢在合成炉反应生成三氯氢硅和四氯化硅。

氯化氢与硅粉在三氯氢硅合成炉内反应生成三氯氢硅、四氯化硅、氢气。混合气体经沉降器、旋涡分离器、袋式过滤器、一级水冷器、二级水冷器、-35℃冷凝器，大部分三氯硅烷在膜压机前先冷凝下来，进入机前计量罐中，未冷凝的少量三氯硅烷、氯化氢和氢气进入隔膜压缩机加压，再经机后水冷凝器、-35℃盐水冷凝器冷凝，液体经机后产品计量罐计量后进入中间产品贮罐，不凝气送。

石墨是碳的一种同素异形体，为灰黑色、不透明固体，化学性质稳定，耐腐蚀，同酸、碱等药剂不易发生反应。天然石墨来自石墨矿藏，也可以以石油焦、沥青焦等为原料，经过一系列工序处理而制成人造石墨。石墨在氧气中燃烧生成二氧化碳，可被强氧化剂如浓硝酸、高锰酸钾等氧化。可用作抗磨剂、润滑剂，高纯度石墨用作原子反应堆中的中子减速剂，还可用于制造坩埚、电极、电刷、干电池、石墨纤维、换热器、冷却器、电弧炉、弧光灯、铅笔的笔芯等。[1]

中文名

石墨

外文名

graphite

别名

石涅、石黑、石螺、石黛、画眉石

化学式

C

分子量

12.01

石墨是原子晶体、金属晶体和分子晶体之间的一种过渡型晶体。在晶体中同层碳原子间以sp2杂化形成共价键，每个碳原子与另外三个碳原子相联，六个碳原子在同一平面上形成正六边形的环，伸展形成片层结构。在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道，它们互相重叠，形成离域π键电子在晶格中能自由移动，可以被激发，所以石墨有金属光泽，能导电、传热。由于层与层间距离大，结合力（范德华力）小，各层可以滑动，所以石墨的密度比金刚石小，质软并有滑腻感。[1]

石墨每一网层间的距离为3.40Å，是以范德华力结合起来的，即层与层之间属于分子晶体，同一网层中碳原子的间距为1.42Å，由于同一平面层上的碳原子间结合很强，极难破坏，所以石墨的熔点也很高，化学性质也稳定。鉴于它的特殊的成键方式，不能单一的认为是单晶体或者是多晶体，现在普遍认为石墨是一种混合晶体。

分子结构

石墨属六方晶系，具完整的层状解理。解理面以分子键为主，对分子吸引力较弱，故其天然可浮性很好。

理化性质

石墨质软，为黑灰色，有油腻感，可污染纸张。硬度为1～2，沿垂直方向随杂质的增加其硬度可增至3～5。比重为1.9～2.3。比表面积范围集中在1-20m2/g，在隔绝氧气条件下，其熔点在3000℃以上，是最耐温的矿物之一。它能导电、导热。

自然界中纯净的石墨是没有的，其中往往含有SiO2、Al2O3、FeO、CaO、P2O5、CuO等杂质。这些杂质常以石英、黄铁矿、碳酸盐等矿物形式出现。此外，还有水、沥青、CO2、H2、CH4、N2等气体部分。因此对石墨的分析，除测定固定碳含量外，还必须同时测定挥发分和灰分的含量。

石墨与金刚石、碳60、碳纳米管、石墨烯等都是碳元素的单质，它们互为同素异形体。

特殊性质

石墨由于其特殊结构，而具有如下特殊性质：

（1）耐高温性

石墨的熔点为3850±50℃，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。

（2）导电、导热性

石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键，每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。

石墨

（3）润滑性

石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。

（4）化学稳定性

石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。

（5）可塑性

石墨的韧性好，可碾成很薄的薄片。

（6）抗热震性

石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。

其他

石墨又可分为天然石墨和人造石墨两大类，天然石墨来自石墨矿藏，天然石墨还可分成鳞片石墨、土状石墨及块状石墨。天然开采得到的石墨含杂质较多，因而需要选矿，降低其杂质含量后才能使用，天然石墨的主要用途是生产耐火材料、电刷、柔性石墨制品、润滑剂、锂离子电池负极材料等，生产部分炭素制品有时也加入一定数量的天然石墨。[2]

在炭素工业中生产量最大的是各种人造石墨制品，人造石墨制品一般用易石墨化的石油焦、沥青焦为原料，经过配料、混捏、成型、焙烧、石墨化（高温热处理）和机械加工等一系列工序而制成，生产周期长达数十天。[2]

人造石墨的种类也很多，如单晶石墨、多晶石墨、热解石墨、高定向热解石墨、聚酰亚胺合成的石墨、石墨纤维等，多数人造石墨制品属于多晶石墨一类。人造石墨中的主要产品是电弧炼钢炉及矿热电炉使用的石墨电极，石墨电极是一种耐高温、耐腐蚀的导电材料。人造石墨在其他许多工业部门也有广泛的用途，如机械工业中电机用电刷、精密铸造模具、电火花加工的模具及耐磨部件，化学工业中的电解槽使用的导电体或耐腐蚀器材，高纯度及高强度人造石墨是核工业部门的反应堆结构材料和用作导弹火箭的部件等。[2]

共12张

石墨

石墨还可制取散热材料、密封材料、隔热材料、和防辐射材料等，石墨功能材料广泛应用于冶金、化工、机械设备、新能源汽车、核电、电子信息、航空航天和国防等行业。欧盟委员会发布的《对欧盟生死攸关的原料》报告中，将石墨列入14 种紧缺矿产原料。[3]

矿产分布与分类

矿产分布

世界上已发现的大中型石墨矿床主要分布在中国、印度、巴西、捷克、加拿大、墨西哥等国。根据美国地质勘探局资料，世界石墨储量为7100万吨，中国石墨储量为5500万吨，占世界的77%。巴西石墨矿分布在米纳斯吉拉斯（Minas Gerais）、塞阿腊（Ceara）和巴伊亚（Bahia），最好的石墨分布在米纳斯吉拉斯州派德拉亚朱尔（Pedra Azul），探明矿石储量2.5亿吨。印度石墨矿主要分布在奥瑞萨邦和拉贾斯坦邦，根据《印度矿业年报》，印度石墨储量为1075万吨，资源量为15802.5 万吨。加拿大石墨矿床分布在安大略省、不列颠哥伦比亚省和魁北克省，比塞特克里克（Bissett Creek）石墨矿是北美洲最大的石墨矿床。斯里兰卡脉状石墨矿床世界闻名，是世界上唯一的高度石墨化的脉状石墨矿床，位于斯里兰卡岛的西部和西南部。[3]

中国的石墨矿产有晶质石墨和隐晶质石墨两种类型。根据国土资源部统计资料，截至2009年底，中国晶质石墨矿物储量为3041万吨，基础储量为5432万吨，资源量为13054万吨。近20年，我国晶质石墨储量呈增加态势，但是大鳞片优质石墨储量减少到不足500万吨。晶质石墨分布在黑龙江、山东和内蒙古等20个省（自治区）。[3]

资源分类

石墨矿床以中、小型为主，矿床类型大致分为以下5种：①结晶片岩中的似层状石墨矿床；②变质煤层中的石墨矿床；③霞石正长岩中的石墨矿床；④矽卡岩中的石墨矿床；⑤结晶片岩中的脉状石墨矿床。[4]

天然石墨资源有3类，它们分别是块状石墨、鳞片石墨和土状石墨（隐晶质石墨）。[4]

（1）致密结晶状石墨

致密结晶状石墨又叫块状石墨。此类石墨结晶明显晶体肉眼可见。颗粒直径大于0.1毫米，比表面积范围集中在0.1-1m/g，晶体排列杂乱无章，呈致密块状构造。这种石墨的特点是品位很高，一般含碳量为60～65%，有时达80～98%，但其可塑性和滑腻性不如鳞片石墨好。

块状石墨是最罕见、价值最高的石墨矿，主要在斯里兰卡发现。[4]

（2）鳞片石墨

鳞片石墨是由许多单层的石墨结合而成，在变质岩中以单独的片状存在，储量少、价值高，晶体呈鳞片状，这是在高强度的压力下变质而成的，有大鳞片和细鳞片之分。此类石墨矿石的特点是品位不高，一般在2～3%，或10～25%之间。是自然界中可浮性最好的矿石之一，经过多磨多选可得高品位石墨精矿。这类石墨的可浮性、润滑性、可塑性均比其他类型石墨优越，因此它的工业价值最大。

鳞片石墨主要分布在澳大利亚、巴西、加拿大、中国、德国和马达加斯加。[4]近几年，非洲坦桑尼亚和莫桑比克等地也发现大量的鳞片石墨资源。有学者对莫桑比克Ancuaba及坦桑尼亚Chilalo地区的鳞片石墨矿石进行研究，结果表明Ancuaba、Chilalo地区石墨矿中矿物组成相似，且均为优质大鳞片石墨资源。

应该没有毒性，PI膜石墨化一般都是在惰性气体中进行，惰性气体都是无毒的，而石墨本身也无毒。所以PI膜石墨化排出的气体应该是无毒的。

我们通常说的毒性大多与化学有关，而一些物理性的危害并不算做毒性，比如人如果长期处于充满石墨粉尘的环境中，大量吸入石墨粉尘会造成石墨肺，也是一种尘肺病，会危害人的健康。所以在这样的环境中工作人员应该采取必要的防护措施。

石墨化炉 石墨化炉是我公司在其已有的卧式超高温石墨化炉的基础上开发的一种新型高温石墨化炉，主要用于石墨粉料提纯等高温处理。它的使用温度高达2800℃，并可长时间的连续工作。生产效率高，节能省电。带有在线测温及控温系统，可实时监控炉内的温度，并进行自动的调节。 主要用途 硬质合金材料高温烧结； 电池负极材料高温处理； 石墨粉高温处理； 碳纤维碳化、石墨化处理； 触头材料、精密陶瓷、高温元件高温烧结； 粉末冶金材料、碳化钨等产品的高温烧结； 产品在N2保护气氛下经预热区、高温区、冷却区，完成产品的烧成。 主要特点 使用温度高达2800度，温度均匀性好，恒温区长，设备运行故障率低。 炉管使用寿命长，连续生产20-30天不停炉。 带有红外测温及控温系统，可实时显示并PID自动控制炉内的温度，生产的产品质量稳定。同时保障产品的要求。 采用三相电供电方式，三相电力平衡，性能稳定。不象碳管炉采用单相供电，相电压不平衡，对电网冲击大，影响其他设备运转。 使用温度高，最高温度可达3000℃，可长期工作在2600-2800℃ 采用自动送料装置，时间控制进出料，自动化程度高，工人劳动强度低，产品高温处理时间一致。 采用碳毡做保温材料，没有使用碳黑，更换碳管方便，同时干净卫生。 采用推舟生产方式，可不停炉连续性生产。不象间隙式（立式炉）炉，没有每烧一炉就要停炉，并等其冷却后才能取出材料，生产效率低，能耗高。 材料处在舟皿中，材料不会出现二次污染。 每舟产品量为1.5公斤左右，可及时抽样跟踪检测产品质量，并根据检测结果对工艺进行修正，不用停炉，材料的浪费也少。 升温时间短，可达200℃/小时。 炉体密封性好，保护气体损耗小。所有法兰和炉盖都采用密封条进行密封。 炉体内胆和法兰采用不锈钢制作，不生锈，使用寿命长。 配有真空泵用于炉内气体的置换，换气时间短，用气量少。 技术参数 额定功率：120KW； 输入电压：三相380V； 使用温度：2800℃； 最高温度：3000℃； 保护气体：氩气； 控温方式：PID自动控制； 测温方式：红外测温； 进出料方式：PLC程序自动送料； 工作方式：推舟式间断送料，连续工作； 舟皿尺寸：Φ126X320mm； 冷却方式：循环水冷却。

（一）碳化硅（SiC）

碳化硅的晶体结构和金刚石相近，属于原子晶体，它的熔点高（2827℃），硬度近似于金刚石，故又称为金刚砂。将石英和过量焦炭的混合物在电炉中锻烧可制得碳化硅。

纯碳化硅是无色、耐热、稳定性好的高硬度化合物。工业上因含杂质而呈绿色或黑色。

工业上碳化硅常用作磨料和制造砂轮或磨石的摩擦表面。常用的碳化硅磨料有两种不同的晶体，一种是绿碳化硅，含SiC 97%以上，主要用于磨硬质含金工具。另一种是黑碳化硅，有金属光泽，含SiC 95%以上，强度比绿碳化硅大，但硬度较低，主要用于磨铸铁和非金属材料。

（二）氮化硼（BN）

氮化硼是白色、难溶、耐高温的物质。将B2O3与NH4Cl共熔，或将单质硼在NH3中燃烧均可制得BN。通常制得的氮化硼是石墨型结构，俗称为白色石墨。另一种是金刚石型，和石墨转变为金刚石的原理类似，石墨型氮化硼在高温（1800℃）、高压（800Mpa）下可转变为金刚型氮化硼。这种氮化硼中B－N键长（156pm）与金刚石在C－C键长（154pm）相似，密度也和金刚石相近，它的硬度和金刚石不相上下，而耐热性比金刚石好，是新型耐高温的超硬材料，用于制作钻头、磨具和切割工具。

（三）硬质合金

IVB、VB、VIB族金属的碳化物、氮化物、硼化物等，由于硬度和熔点特别高，统称为硬质合金。下面以碳化物为重点来说明硬质含金的结构、特征和应用。

IVB、VB、VIB族金属与碳形成的金属型碳化物中，由于碳原子半径小，能填充于金属品格的空隙中并保留金属原有的晶格形式，形成间充固溶体。在适当条件下，这类固溶体还能继续溶解它的组成元素，直到达到饱和为止。因此，它们的组成可以在一定范围内变动（例如碳化钛的组成就在TiC0.5～TiC之间变动），化学式不符合化合价规则。当溶解的碳含量超过某个极限时（例如碳化钛中Ti:C＝1:1），晶格型式将发生变化，使原金属晶格转变成另一种形式的金属晶格，这时的间充固溶体叫做间充化合物。

金属型碳化物，尤其是IVB、VB、VIB族金属碳化物的熔点都在3273K以上，其中碳化铪、碳化钽分别为4160K和4150K，是当前所知道的物质中熔点最高的。大多数碳化物的硬度很大，它们的显微硬度大于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，显微硬度1800kg·mm2相当于莫氏一金刚石一硬度9）。许多碳化物高温下不易分解，抗氧化能力比其组分金属强。碳化钛在所有碳化物中热稳定性最好，是一种非常重要的金属型碳化物。然而，在氧化气氛中，所有碳化物高温下都容易被氧化，可以说这是碳化物的一大弱点。

除碳原子外，氮原子、硼原子也能进入金属晶格的空隙中，形成间充固溶体。它们与间充型碳化物的性质相似，能导电、导热、熔点高、硬度大，同时脆性也大。

（四）金属陶瓷

随着火箭、人造卫星及原子能等尖端技术的发展，对耐高温材料提出了新的要求，希望既能在高温时有很高的硬度、强度，经得起激烈的机械震动和温度变化，又有耐氧化腐蚀、高绝缘等性能。无论高熔点金属或陶瓷都很难同时满足这些。金属具有良好的机械性能和韧性，但高温化学稳定性较差，易于氧化。陶瓷的特点是耐高温，化学稳定性好，但最大的缺点是脆性，抗机械冲击和热冲击能力低。金属陶瓷是由耐高温金属如Cr、Mo、W、Ti等和高温陶瓷如Al2O3、ZrO3、TiC等经过烧结而形成的一种新型高温材料，它兼有金属和陶瓷的优点，密度小，硬度大，耐磨，导热性好，不会由于骤冷骤热而脆裂。是具有综合性能的新型高温材料，适用于高速切削刀具、冲压冷拉模具、加热元件、轴承、耐蚀制件、无线电技术、火箭技术、原子能工业等。

二、新型陶瓷材料

传统陶瓷主要采用天然的岩石、矿物、粘土等材料做原料。而新型陶瓷则采用人工合成的高纯度无机化合物为原料，在严格控制的条件下经成型、烧结和其他处理而制成具有微细结晶组织的无机材料。它具有一系列优越的物理、化学和生物性能，其应用范围是传统陶瓷远远不能相比的，这类陶瓷又称为特种陶瓷或精细陶瓷。

新型陶瓷控化学成分主要分为两类：一类是纯氧化物陶瓷，

如Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、ThO2等；另一类是非氧化物系陶瓷，如碳化物、硼化物、氮化物和硅化物等。按照其性能与特征又可分为：高温陶瓷、超硬质陶瓷、高韧陶瓷、半导体陶瓷。电解质陶瓷、磁性陶瓷、导电性陶瓷等。随着成分、结构和I：艺的不断改进，新剂陶瓷层出不穷。按其应用不同又可将它们分为工程结构陶瓷和功能陶瓷两类。

在工程结构上使用的陶瓷称为工程陶瓷，它主要在高温下使用，也称高温结构陶瓷。这类陶瓷具有在高温下强度高、硬度大、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、耐烧蚀等优点，是空间技术、军事技术、原子能、业及化工设备等领域中的重要材料。工程陶瓷有许多种类，但目前世界上研究最多，认为最有发展前途的是氯化硅、碳化硅和增韧氧化物三类材料。

精密陶瓷氨化硅代替金属制造发动机的耐热部件，能大幅度提高工件温度，从而提高热效率，降低燃料消耗，节约能源，减少发动机的体积和重量，而且又代替了如镍、铬、钠等重要金属材料，所以，被人们认为是对发动机的一场革命。氮化硅可用多种方法制备，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1600K反应后获得：

3Si＋2N2 Si3N4

也可用化学气相沉积法，使SiCl4和N2在H2气氛保护下反应，产物Si3N4积在石墨基体上，形成一层致密的Si3N4层。此法得到的氮化硅纯度较高，其反应如下：

SiCl4＋2N2＋6H2→Si3N4＋12HCl

氯化硅、碳化硅等新型陶瓷还可用来制造发动机的叶片、切削刀具、机械密封件、轴承、火箭喷嘴、炉子管道等，具有非常广泛的用途。

利用陶瓷对声、光、电、磁、热等物理性能所具有的特殊功能而制造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，根据陶瓷电学性质的差异可制成导电陶瓷、半导体陶瓷、介电陶瓷、绝缘陶瓷等电子材料，用于制作电容器、电阻器、电子工业中的高温高频器件，变压器等形形色色的电子零件。利用陶瓷的光学性能可制造固体激光材料、光导纤维、光储存材料及各种陶瓷传感器。此外，陶瓷还用作压电材料、磁性材料、基底材料等。总之，新剂陶瓷材料几乎遍及现代科技的每一个领域，应用前景十分广阔。

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及合金系统，随着生产的发展，在电力工业、电讯工程及高频无线电技术等方面，迫切要求提供一种具有很高电阻率的高效能磁性材料。在重新研究磁铁矿及其他具有磁性的氧化物的基础上，研制出了一种新型磁性材料——铁氧体。铁氧体属于氧化物系统的磁性材料，是以氧化铁和其他铁族元素或稀土元素氧化物为主要成分的复合氧化物，可用于制造能量转换、传输和信息存储的各种功能器件。

铁氧体磁性材料按其晶体结构可分为：尖晶石型（MFe2O4）；石榴石型（R3Fe5O12）；磁铅石型（MFe12O19）；钙钛矿型（MFeO3）。其中M指离子半径与Fe2＋相近的二价金属离子，R为稀土元素。按铁氧体的用途不同，又可分为软磁、硬磁、矩磁和压磁等几类。

软磁材料是指在较弱的磁场下，易磁化也易退磁的一种铁氧体材料。有实用价值的软磁铁氧体主要是锰锌铁氧体Mn－ZnFe2O4和镍锌铁氧体Ni－ZnFeO4。软磁铁氧体的晶体结构一般都是立方晶系尖晶石型，这是目前各种铁氧体中用途较广，数量较大，品种较多，产值较高的一种材料。主要用作各种电感元件，如滤波器、变压器及天线的磁性和磁带录音、录像的磁头。

硬磁材料是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料，也称为永磁材料或恒磁材料。硬磁铁氧体的晶体结构大致是六角晶系磁铅石型，其典型代表是钡铁氧体BaFe12O19。这种材料性能较好，成本较低，不仅可用作电讯器件如录音器、电话机及各种仪表的磁铁，而已在医学、生物和印刷显示等方面也得到了应用。

镁锰铁氧体Mg－MnFe3O4，镍钢铁氧体Ni－CuFe2O4及稀土石榴型铁氧体3Me2O3·5Fe2O3（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。磁性材料的旋磁性是指在两个互相垂直的直流磁场和电磁波磁场的作用下，电磁波在材料内部按一定方向的传播过程中，其偏振面会不断绕传播方向旋转的现象。旋磁现象实际应用在微波波段，因此，旋磁铁氧体材料也称为微波铁氧体。主要用于雷达、通讯、导航、遥测、遥控等电子设备中。

重要的矩磁材料有锰锌铁氧体和温度特性稳定的Li－Ni－Zn铁氧体、Li－Mn－Zn铁氧体。矩磁材料具有辨别物理状态的特性，如电子计算机的"1"和"0"两种状态，各种开关和控制系统的"开"和"关"两种状态及逻辑系统的"是"和"否"两种状态等。几乎所有的电子计算机都使用矩磁铁氧体组成高速存贮器。另一种新近发展的磁性材料是磁泡材料。这是因为某些石榴石型磁性材料的薄膜在磁场加到一定大小时，磁畴会形成圆柱状的泡畴，貌似浮在水面上的水泡，泡的"有"和"无"可用来表示信息的"1"和"0"两种状态。由电路和磁场来控制磁泡的产生、消失、传输、分裂以及磁泡间的相互作用，即可实现信息的存储记录和逻辑运算等功能，在电子计算机、自动控制等科学技术中有着重要的应用。

压磁材料是指磁化时能在磁场方向作机械伸长或缩短的铁氧体材料。目前应用最多的是镍锌铁氧体，镍铜铁氧体和镍镁铁氧体等。压磁材料主要用于电磁能和机械能相互转换的超声器件、磁声器件及电讯器件、电子计算机、自动控制器件等。

四、超导材料

金属材料的电阻通常随着温度的降低而减小，当温度降低到一定数值的时候，某些金属及合金的电阻会完全消失，这种现象称为超导现象。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时的温度称为临界温度（Tc）。

荷兰物理学家H·K昂尼斯（Onnes）成功地制取了液体氦，获得了4.2K的低温。1911年他发现水银的电阻在4.2K附近突然下降到零，这就是人类第一次发现了超导现象。随着进一步的研究发现周期表中有26种金属具有超导性，单个金属的超导转变温度都很低，最高的超导金属是Nb，Tc一9.2K。因此，人们逐渐转向研究金属合金及化合物的超导性。

1986年4月瑞士科学家J．G贝德诺兹等发现由钡、镧、铜、氧组成的氧化物可能是高Tc的超导材料，并获得了Tc为30K的超导体，这是对超导材料的研究取得的第一次重大突破。在这之后，各国科学家对这一类材料进行了广泛研究。1987年2月美同科学家发现钡把铜氧材料的超导转变温度高达98K，从而突破了液氦温区而进入液氮温区。中国科学院物理所、化学所、北京大学等也都分别研制成功Tc为83.7K的超导线材和超导薄膜。日本研制成功钇一钡一铜一氧陶瓷高温超导材料，其成分为0.6Ba～0.4Y～1ICu～3O，在123K开始显示超导电性，在93K时出现零电阻。目前新的氧化物系列不断出现，如Bi－Sr-Ca－CuO，Tl－Ba－Ca－CuO等，它们的超导转变温度超过了120K。这些研究成果为超导材料早日付诸实用开辟了途径。

值得注意的是，人们发现碳的第三种同素异形体——C60碱金属作用形成AxC60（A代表钾、铷、铯等），它们都是超导体，其超导转变温度列于下表。从表中可看到，大多数AxC60超导体的转变温度比金属合金超导体高。这使人们看到C60这类有机超导体的巨大潜力，同时因其加上性能优于金属氧化物（陶瓷）超导体，因此AxC60类超导体将是很有发展前途的超导材料。

AxC60的超导转变温度

K2 C60：19 Tc／K

Rb3C60：28 Tc／K

Cs3C60：30 Tc／K

Rb2CsC60：30 Tc／K

RbCs2C60：33 Tc／K

超导材料的应用范围极为广泛，用超导材料制造的超导磁体，可产生很强的磁场，且体积小，重量轻，损耗电能小，比目前使用的常规电磁铁优异得多。应用超导材料还可以制造大功率超导发电机、磁流发电机、超导储能器、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，其车速可高达500km/h。在海洋航行中利用超导电磁推进器，即不用电动机而实现高速、高效、无噪音航行。利用超导的完全抗磁性可制造超导无摩擦轴承。无论是在能源、电子、通讯、交通，还是由防军事技术、空间技术、受控热核反应以及医学等各个领域中，超导材料将以其特有的性能发挥出神奇的作用。

五、光导纤维与激光材料

（一）光导纤维

光导纤维简称光纤，是近10年来蓬勃发展起来的新型材料。光纤的中心是用高折射率的超纯石英或特种光学玻璃拉制成的晶莹细丝，称纤维芯。纤维芯的外皮是一层低折射率的玻璃或塑料制成的纤维皮。光纤具有传导光波的能力。

光纤的纤维芯是一种光密介质，外皮是一种光疏介质。当光线进入纤维芯，就只能在纤维芯内传播（全反射），经无数次全反射，呈锯齿形向前传播，最后到达纤维芯的另一端。这就是光纤传递信号的原理，如下图所示：

目前应用较多的有高纯石英光纤、组分玻璃光纤和塑料光纤。石英光纤所需的主要原料是经过精制的石英（SiO2），它由SiCl4水解而得到：

SiCl4＋2H2O＝SiO2＋4HCl

工业上通常将天然石英砂在电炉中以碳还原得到粗硅或结晶硅，其硅含量为95%～99%，然后再在结晶炉中用氯气与粗硅合成四氯化硅：

SiO2＋2C Si＋2CO↑ Si＋2Cl2 SiCl4

此法制得的SiCl4含有许多杂质，如BCl3、SiHCl3、PCl3等。需进一步精馏提纯。由于石英光纤原材料资源丰富，化学性能极其稳定，除氢氟酸外，对各种化学试剂有强的耐蚀性。因此，已实际应用在各种通讯线路上。除石英光纤外，其他类型的光纤材料也在大力开发之中。

目前光纤最大的应用是在通讯上，即光纤通讯，光纤通讯信息容量很大，如20根光纤组成的像铅笔一样大小的一支电缆每天可通话76200人次，而直径3英寸（3×2.54cm），由1800根铜线组成的电缆每天可只能通话900人次。此外，光纤通讯具有重量轻、抗干扰、耐腐蚀等优点，而且保密性好，原材料丰富，可大量节约有色金属。因此光纤是一种极为理想的通讯材料。

光纤制成的光学元器件，如传光纤维束，传像纤维束，纤维面板等，能发挥一般光学元件所不能起的特殊作用。此外，利用光导纤维与某些敏感元件组合或利用光导纤维本身的特性，可以做成各种传感器，用来测量温度、电流、压力、速度、声音等。它与现有的传感器相比，有许多独特的优点，特别适宜于在电磁干扰严重、空间狭小、易燃易爆等苛刻环境下使用。

（二）激光材料

激光是20世纪的重大发明之一，自1960年用红宝石作工作物质首次振荡出了激光之后，在激光的基础理论，激光的应用、激光材料和器件的研究等各个方面都有了迅速的发展。激光是利用受激辐射原理，在谐振腔内振荡出的一种特殊光。它同普通光相比，具有良好的单色性、相干性和高亮度的特点，在科学技术上有着广泛的用途。

用于生产激光的材料叫做激光11作物质，有固体、气体和液体二种，这里着重介绍固体激光材料。内体激光工作物质包括两个组成部分：激活离子（真正产生激光的离子）和基质材料（传播光束的介质）。形成激活离子的元素有三类：第一类是过渡元素如锰、铬、钴、镍、钒等；第二类是大多数稀土元素如钕、钬、镝、铒、铥、镱、镥、钆、铕、钐、镨等；第三类是个别的放射性元素如铀。目前应用最多的激活离子是Cr3＋和Nd3＋。基质材料有晶体和玻璃，每一种激活离子都有其对应的一种或几种基质材料。例如，Cr3＋渗入氧化铝晶体中有很好的发生激光的性能，但掺入到其他晶体或玻璃中发光性能就很差，甚至不会产生激光。目前已研制出的同体激光工作物质有上百种之多，但有实际使用价值的主要有：红宝石（Al2O3：Cr3＋），掺钕钇铝石榴石（Y3Al5O12：Nd3＋），掺钕铝酸钇（YAlO3：Nd3＋）和钕玻璃四种。

红宝石是最早振荡出激光的材料，输出激光波长为694.2nm的红色光。红宝石是以Al2O3晶体为基质材料，掺入质量分数为5×10－4的Cr2O3，激活离子是Cr3＋。制备红宝石单晶用的原料必须有很高的纯度，通常用重结晶法提纯后的铵明矾[NH4Al(SO4)2·12H2O]和重 铬酸铝[(NH4)2Cr2O7]，将它们以一定比例混合，加热到1050～1150℃，这时发生下列反应：

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红宝石单晶。

掺钕钇铝石榴石和掺钕铝酸钇是分别以Y3Al5O12和YAlO3为基质材料，掺入不同浓度的Nd3＋的作为激活离子的激光工作物质。

钕玻璃的激活离子是Nd3＋，以K2O－BaO－SiO2成分的玻璃为基质材料时，产生激光的性能较好。用玻璃作同体激光工作物质的最大优点是，可以熔制出尺寸大、光学均匀性良好的材料，而且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，用钕玻璃激光器作为引发聚变反应的强光源取得了有效的成果。

六、纳米材料

材料绝大多数是固体物质，它的颗粒大小一般在微米数量级，一个颗粒包含着无数原子和分子，这时材料显示的是大量分子的宏观性质。当用特殊的方法把颗粒尺度加工到纳米数量级大小，则一个纳米级颗粒所含的分子数大为减小，这种由颗粒尺度为纳米数量级（1～100nm）的超细微颗粒组成的间体材料称为纳米材料。纳米材料在结构上与常规的晶态和非晶态材料有很大的差别。由于纳米材料的粒子是超细微的，粒子数多，表面积大，而且处于粒子界面上的原子比例极大，一般可占总原子数的50%左右，这就使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，因而呈现出一系列独特的物理、化学性质，在电子、冶金、化学、生物和医学等领域展示了广泛的应用前景。

纳米材料熔点低，例如金的熔点是1064℃，而纳米金的熔点只有330℃，降低了近700℃；又如纳米级银粉的熔点由金属银的962℃降低为100℃。纳米金属熔点的降低不仅使低温烧结制备合金成为现实，还将为不互熔金属冶炼成合金创造条件。

纳米材料的表面积大，表面活性高，可制造各种高性能催化剂。例如，Ni或Cu－Zn化合物的纳米颗粒对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可替代昂贵的铂或把催化剂；纳米铂黑催化剂可使乙烯氢化反应的温度从600℃降至室温；利用纳米镍粉作火箭固体燃料反应触媒，燃烧效率可提高100倍。此外，其催化的反应选择性还表现出特异性。如用硅载体镍催化剂对内醛的氧化反应表明，镍粒直径在5nm以下时，反应选择性发生急剧变化，醛分解反应得到有效控制，生成酒精的转化率急剧增大。

陶瓷材料由于性脆、烧结温度高等缺点，限制了其应用范围。而纳米陶瓷则具有很好的韧性和延展性能。研究表明：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，韧性极好，而且烧结温度降低，能在比大晶粒样品低600℃的温度下达到类似于普通陶瓷的硬度。这些特性使纳米陶瓷材料在常温或次高温下进行冷加工成为可能。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成型，然后作表面退火处理，就可以得一种表面保持常规陶瓷硬度，而内部仍具有纳木材料延展性的高性能陶瓷。

纳米材料还可以广泛应用于生物医药领域，如进行细胞分离、细胞染色等。由于纳米粒子比红血球（6～9um）小得多，可以在血液里自由运动，因此，注入各种对机体无害的纳米粒子到人体的各部位，可检查病变和进行治疗。研究纳米生物学可以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，获取生命信息，特别是细胞内的各种信息。利用纳米传感器，可获取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，纳米科学技术必将发展成为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。

锂离子电池主要优点：

1、能量比比较高.具有高储存能量密度,目前已达到460-600Wh/kg,是铅酸电池的约6-7倍；

2、使用寿命长,使用寿命可达到6年以上,磷酸亚铁锂为正极的电池用1CDOD充放,有可以使用10,000次的记录；

3、额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V）,约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压,便于组成电池电源组；

4、具备高功率承受力,其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力,便于高强度的启动加速；

5、自放电率很低,这是该电池最突出的优越性之一,目前一般可做到1%/月以下,不到镍氢电池的1/20；

6、重量轻,相同体积下重量约为铅酸产品的1/5-6；

7、高低温适应性强,可以在-20℃--60℃的环境下使用,经过工艺上的处理,可以在-45℃环境下使用；

8、绿色环保,不论生产、使用和报废,都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质.

9、生产基本不消耗水,对缺水的我国来说,十分有利.