1博物馆

中华文明，从考古学的角度，有很多观点，至少8000年。

作为中国人，我们要继续传承几千年的文明。

千百年来，中华文化影响深远，我们在各个方面的成就举世瞩目。

博物馆、科技馆是了解我国文化、科技历史和现状的好地方。我去过的博物馆，如2016年暑假期间去过的，陈列面积达12000平方米的上海博物馆；2019年暑假去过的，陈列面积达6000平方米的楚文化特色的武汉博物馆；在广州工作的我经常带孩子去的、陈列面积达67000平方米的广东省博物馆；2014年自由行去过的中国台北故宫。

博物馆里面，我们可以看到从夏商周开始就使用的硅酸盐材料，各类木制器具、丝绸等有机材料，当然还有司母戊鼎、冷兵器等金属材料。

而到了科技馆，当我们看到我国在国防、太空等领域的各种陈列，肯定会感到非常自豪。

今天的另外几篇推送，我将精选一些照片，来自于我参观的各个博物馆。

2传统无机非金属材料-硅酸盐材料

先来了解一下硅酸盐材料的基本骨架，硅氧四面体，Si原子的最外层有4个电子，价层电子表示式为图片，以图片杂化方式与四个氧原子形成正四面体结构。每一个氧原子再与另外一个四面体中心的硅原子成建，如此下去，我们可以看作金刚石的晶体里面，每两个硅原子之间插入了一个氧原子。这样的价键结构，使硅酸盐材料显现出硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。

传统的无机非金属材料主要是指三类硅酸盐，陶瓷、玻璃和水泥。

这三种硅酸盐材料的使用历史各不相同，性质有区别，原材料和制作工艺也不同。

2.1陶瓷/Ceramics

陶和瓷是有区别的，陶是由粘性较高、可塑性较强的粘土高温烧制而成，粘土的主要成分为水和铝硅酸盐，制得的陶器不透明，有微孔，具有微弱的吸水性，如果敲击，声音比较浑厚；瓷的制作工艺中，除了粘土，还加入了石英和长石，高温烧结后，得到半透明、不吸水、抗腐蚀的成品，敲击的时候，发出清脆的声音。

江西的景德镇是世界文明的陶瓷之都，有一个中国陶瓷博物馆，陈列有自新石器时代以来的各种陶瓷工艺品20000有余，五代的青瓷和白瓷，宋代的青白瓷，元代的青花瓷，明代的青花瓷和五彩瓷，清代以及现代的各类陶瓷都有收录。感兴趣的同学一定要去看看。另有江苏宜兴为瓷都。

陶瓷的用途，大致分为三类，日用陶瓷，艺术陶瓷和工业陶瓷。

日用陶瓷，比方说餐具、茶具、缸、罐子等；艺术陶瓷，顾名思义，与艺术有关，例如花瓶、相框、陈列品等；工业陶瓷，不一定都是传统的硅酸盐材料，还有一些是特种陶瓷，我们可以在专门介绍陶瓷的书本和网站上了解详细的分类，像高压线路上的绝缘子，浴室里面的浴盆，这些都是工业陶瓷。

2.2玻璃/Glass

古埃及人最早制造了玻璃。普通玻璃的主要成分为硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅，是以纯碱、石灰石和石英砂为原料，经过混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生一系列的变化制得。

冶炼过程中，有两个重要的反应。根据高沸点制备低沸点的原理，由二氧化硅在高温下分别和碳酸钠、碳酸钙反应，生成硅酸钠和硅酸钙，同时释放出二氧化碳。类似的，也可以用氧化铝和碳酸钠或碳酸钙反应，制得偏铝酸钠或偏铝酸钙，释放出二氧化碳。

最开始的玻璃通常为绿色，是因为含有亚铁离子，后来改进了工艺，加入二氧化锰，将亚铁氧化为三价铁，颜色发生了改变。

通常，加入不同的着色剂，就可以制得彩色玻璃。例如，加入二氧化锰，制得的是紫色玻璃，加入氧化亚铁和重铬酸钾则可以制得绿色玻璃，等等。

根据工艺的不同，有普通的平板玻璃和深加工玻璃。

比方说，钢化玻璃，原材料和普通玻璃是一样的，只不过降温速率比普通玻璃快，钢化玻璃相比于普通玻璃，强度、抗拉度、抗冲击力都提高了，还有碎裂后没有尖锐的棱角，这也是一个优点。

磨砂玻璃，防弹玻璃，LED光电玻璃，隔热玻璃等等，各有其优点。

玻璃的用途也比较广泛，在生活中也比较常见，用于建筑物的防风和透光等。

2.3水泥/cement

中国基建，举世无双，水泥的使用量也是巨大的。

以粘土和石灰石为原料，在水泥回转窑中煅烧，发生一系列变化，再加入适量的石膏调节硬化速率，再磨成细粉就得到了普通水泥。将水泥、沙子和碎石与水按照一定的比例混合就可以得到混凝土，用于土木建筑、水利工程和国防。

硅酸盐水泥的主要化学成分包括氧化钙、氧化铝、氧化铁、二氧化硅等，具有水硬性，与胶体关系不大，主要是水泥中的成分和水反应，形成难溶于水的硅酸钙和微溶于水的氢氧化钙，随着反应的进行，晶体骨架建立之后，强度逐渐增大，完全硬化后，外界的水对其影响不大。

3新型无机非金属材料

现代科技的发展非常迅猛，传统的硅酸盐材料已经不足以满足现代科技的需求，于是，以硅元素和碳、氮等元素为载体的新型无机非金属材料应运而生。

3.1高纯硅

不同的地区，不同的工厂，制备晶体硅的方法可能有区别，有一个比较通用的工艺，是：

首先，将焦炭和石英砂（含有杂质）在1800-2000℃的高温下进行反应，焦炭将二氧化硅还原为粗硅（纯度98%），只需要300℃，硅可以被氯化氢氧化为三氯甲硅烷，同时产生氢气，将产物加热到1100℃，可以重新反应回来，得到晶体硅。

也可以使用碳化硅和二氧化硅反应，用-4价的碳将硅还原为硅单质。也有使用铝在高温下还原二氧化硅为硅的。

根据USGS的数据，2021年全球850万吨的硅产量，中国排名第一，产量为600万吨，俄罗斯58万吨，巴西39万吨，挪威35万吨，美国31万吨。从这组数据看，中国的太阳能光伏产业全球第一，实至名归。

高纯硅的用途，主要在半导体领域，如制作芯片，太阳能电池等。

3.2二氧化硅

二氧化硅有结晶形和无定形两类，石英、水晶、玛瑙主要成分均为二氧化硅。

石英坚硬、耐磨、化学性质稳定，可以制作石英钟，精密轴承、光学玻璃等。

水晶，无色透明的晶体，是宝石的一种，含有铝、铁等元素时，呈现粉色、紫色、黄色、茶色等颜色。《山海经》中就有关于“水碧”的描述：“又南三百里，日耿山，无草木，多水碧。”用作艺术品较多。

玛瑙，经常含有蛋白质，其内部结构和水晶很相似，常用作观赏的艺术品。

二氧化硅比较重要的用途是制作光导纤维，低耗、带宽，主要用于有线电视和通讯系统。因为其对光线的折射，抗电磁干扰，一次可以传输的线路非常多，价格低廉，使用量非常大。

二氧化硅的化学性质，比较低调。可以和氢氟酸反应，因此，刻蚀石英玻璃的时候，可以使用氢氟酸，但是氢氟酸对人体的呼吸道有伤害，所以，使用的时候，要特别小心，做好防护。

二氧化硅属于酸性氧化物，难溶于水，但是可以溶于氢氧化钠溶液，得到水玻璃，即硅酸钠的水溶液。该物质具有粘性，碱性溶液不用玻璃塞，正因如此。

3.3新型陶瓷

将金刚石中的一个碳原子周围距离最近的四个碳原子换成硅原子，如此交替，形成的晶体就是碳化硅，也就是金刚砂，硬度很大，可以做砂纸和砂轮的磨料，即使温度达到1600℃也可以使用。

高温结构陶瓷，原材料是碳化硅和氮化硅，其名称来自于其功能，具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等性能，用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料。

还有压电陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷等特种功能陶瓷。

3.4碳纳米陶瓷

碳纳米材料，主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。

富勒烯，完全由碳原子组成的中空分子，形状呈球形、椭球形、柱形或者管状。结构中不止有六元碳环，还有五元环，七元环。有C20、C60、C70、C72、C74、C76、C78、C80、C82、C84、C86、C88、C90、C3996等。

同学们在电视上看到过一个特比的比赛，叫做纳米汽车竞赛，即“Nanocar Race”.

2017年4月28日，在美国举行了第一届世界竞标赛，瑞士巴塞尔大学代表队获得冠军，时速达到133nm，奥地利-美国队以95nm/每小时获得银牌。

2022年还举行了第二届世界锦标赛。来自美国、日本、奥地利、法国和瑞典的研究团队参加了比赛。

如果你了解石墨，知道石墨的层状结构，是碳原子组成的六元碳环不断延伸形成的，层内是共价键，层间具有分子间作用力。将石墨的层状结构剥离开来，卷成管状，就是碳纳米管。比表面积大，高强度，具有优良的电化学性能，用于生产复合材料、电池和传感器。

石墨烯则是只有一个单层碳原子直径的单层石墨，电阻率低、热导率高，用于超级电容器、电池和复合材料等光电器件。

这一节的内容，可以作为化学史和化学前沿的知识进行了解。感兴趣的同学，可以在大学选择相关的专业继续研究。无极非金属材料的发展仍然在路上。