先進陶瓷及其應用集錦

1、先進陶瓷及其應用集錦在千姿百態(tài)的物質(zhì)界，大自然所恩賜的天然材料（如礦物、巖石、木材、絲棉等）雖數(shù)量大，品種多，但就其品種遠不能滿足社會發(fā)展的需求?，F(xiàn)代科技和人類生存所應用的材料，絕大多數(shù)品種是以自然資源和傳統(tǒng)材料為基礎(chǔ)，經(jīng)加工改造而成的人工合成材料。正是這些人工材料，支撐著整個社會的科技與文明。故而，對自然資源的開發(fā)、傳統(tǒng)材料的改造和新型材料的研制，已成為當今人們獲取新材料的系統(tǒng)工程。材料工程技術(shù)將為科技進步不斷開發(fā)出形形色色的具有特殊功能的新型材料和先進材料。功能奇異的先進陶瓷便是新材料技術(shù)發(fā)展的典范。陶瓷是用無機化合物粉料經(jīng)高溫燒結(jié)而成的、以多晶聚集體為基本結(jié)構(gòu)的固體物質(zhì)。傳統(tǒng)陶瓷是以天然

2、硅酸鹽礦物（瓷石、粘土、長石、石英砂等）為原料，經(jīng)粉碎、磨細、調(diào)和、塑形、干燥、鍛燒等傳統(tǒng)工藝制作而成。實際上瓷是在陶的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的比陶白凈、細膩、質(zhì)地致密且性能更為優(yōu)良的硅酸鹽材料。先進陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷區(qū)別在于：先進陶瓷是以高純、超細的人工合成的無機化合物（可含或不含硅化物）為原料，采用精密控制的先進工藝燒結(jié)而成的、比傳統(tǒng)陶瓷結(jié)構(gòu)更加精細、性能更加優(yōu)異的新一代陶瓷。先進陶瓷又稱為精細陶瓷或高性能陶瓷。先進陶瓷按使用性能可分為先進結(jié)構(gòu)陶瓷（其使用性能主要指強度、剛度、硬度、彈性、韌性等力學性能）和先進功能陶瓷（其使用性能主要指光、電、磁、熱、聲等功能性能）兩大類；按其化學成分又可分為：氧化物

3、陶瓷、氮化物陶瓷、氟化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷、鋁酸鹽陶瓷等。先進結(jié)構(gòu)陶瓷是指以其優(yōu)異的力學性能而用于各種機械結(jié)構(gòu)部件的新型陶瓷。應用領(lǐng)域如陶瓷質(zhì)密封套管、軸承、缸套、活塞及切削刀具等；先進功能陶瓷則是指利用材料的電、磁、光、聲、熱等直接的性能或其耦合效應來實現(xiàn)某種使用性能的新型陶瓷。如電容器陶瓷以其極高的抗電擊穿性能用來制作高容抗陶瓷電容器；壓電陶瓷以其能利用機械撞擊或機械振蕩產(chǎn)生電效應來制作壓電點火裝置的發(fā)火元件或傳感器元件；熱敏陶瓷可感知微小的溫度變化，用于測溫、控溫；氣敏陶瓷制成的氣敏元件能對易燃、易爆、有害氣體進行監(jiān)測、控制和實現(xiàn)自動報警；而用光敏陶瓷制成的電阻器可

4、用作光電控制，自動曝光和自動記數(shù)；磁性陶瓷是重要的信息記錄材料，在計算機中完成記憶功能。此外，先進陶瓷材料還有高絕緣陶瓷、半導體陶瓷、超導陶瓷、介電陶瓷、耐熱透明陶瓷、發(fā)光陶瓷、濾光陶瓷、吸波陶瓷、激光用陶瓷、核燃料陶瓷、推進劑陶瓷、太陽能光轉(zhuǎn)換陶瓷、貯能陶瓷、陶瓷固體電池、阻尼陶瓷、生物技術(shù)陶瓷、催化陶瓷、特種功能薄膜陶瓷、纖維補強陶瓷、燒蝕陶瓷等。這些特種陶瓷在自動控制裝置、儀器儀表、精密機械、電子、通訊、能源、交通、冶金、化工、航空航天技術(shù)等部門均發(fā)揮著重要作用。隨著材料科學的發(fā)展和制造工藝的改進，陶瓷的內(nèi)部組織構(gòu)造漸趨精細化、致密化而使材料性能大幅度提高，以致出現(xiàn)新的特殊功能。在其發(fā)展

5、過程中，大批的多功能、高性能先進陶瓷應運而生。方興未艾的納米陶瓷陶瓷的性能取決于其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。在顯微鏡下可觀察到陶瓷內(nèi)部組織主要有三種結(jié)構(gòu)晶體相、玻璃相和氣孔。晶體態(tài)組織（即晶體相）是由原子有序排列而形成的組織結(jié)構(gòu)緊湊致密的晶態(tài)結(jié)構(gòu)，這是陶瓷的基本結(jié)構(gòu)，也是陶瓷具有優(yōu)良性能的良種結(jié)構(gòu)；玻璃態(tài)組織（即玻璃相）是原子排列紊亂的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)及其微氣孔是造成陶瓷質(zhì)脆及影響別的性能的劣質(zhì)結(jié)構(gòu)。因玻璃態(tài)組織比晶體態(tài)組織結(jié)構(gòu)疏松，且受熱易軟化從而降低了陶瓷的強度、硬度和抗熱沖擊性能，同時也影響到其它的功能性能?？梢?，減少陶瓷內(nèi)部玻璃態(tài)組織、微氣孔及微裂紋的含量，增大陶瓷內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的精細度和致密性

6、是改善陶瓷使用性能（包含力學性能和功能性能）以獲得先進陶瓷的關(guān)鍵。改善陶瓷結(jié)構(gòu)與性能的主要途徑，一是精選優(yōu)質(zhì)人工合成原料及優(yōu)化配料比；二是提高原料的純度和精細度；三是改進陶瓷的燒結(jié)工藝，精密控制結(jié)晶和晶粒聚結(jié)條件；四是引用高新技術(shù)對產(chǎn)品進行深加工（如高壓電場極化、超聲波照射或表面拋光等），以進一步消除其結(jié)構(gòu)應力或強化使用性能。通過這些途徑若能有效地降低陶瓷內(nèi)部的玻璃相、微氣孔及微裂紋的含量，甚至制造出幾乎不含玻璃相和微氣孔及微裂紋的、晶粒更微細的精密陶瓷，其綜合性能均會大幅度提高，以至可能從根本上消除其脆性這一致命弱點，甚至出現(xiàn)更多的有實用價值的獨特性能。先進陶瓷正是沿這種思路研制發(fā)展而成的。

7、同時也為納米陶瓷的研制從理論上找到了開發(fā)途徑。目前，陶瓷技術(shù)正朝著由先進陶瓷向更微細化的“納米陶瓷”方向發(fā)展。所謂納米陶瓷，是指其顯微結(jié)構(gòu)中的物相均為納米尺度（即100nmnm）的陶瓷材料。它包括晶相粒尺寸、第二相分布、氣孔尺寸等均是在納米量級的水平上。其結(jié)構(gòu)晶?？尚≈翑?shù)納米、晶粒密集到約1019個/cm3。其單位體積內(nèi)晶粒數(shù)比先進陶瓷還要高出約109倍（即高出約十億倍）。這種晶粒粒度微細化和聚集程度密集化雖看起來僅是數(shù)量上的變化，但由于減少或消除了內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷而可能引起陶瓷性能發(fā)生突變。故此，納米陶瓷被認為是陶瓷研究發(fā)展的第三個臺階，也就是說從現(xiàn)在的具有微米（106米）尺度的先進陶瓷步入納米

8、級陶瓷的研究階段。要制備“納米陶瓷”首先必須采用先進工藝技術(shù)制造出顆粒直徑在納米尺度范圍的高純度超細微粉料。第二須借助高新技術(shù)精密控制其燒結(jié)條件，以確保粉料顆粒異相聚結(jié)致密均勻，最大限度降低微氣孔含量并保障微氣孔尺寸控制在納米量級范圍內(nèi)，同時要防止粉料晶粒發(fā)生二次生長和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微裂紋等構(gòu)造缺陷。由于納米陶瓷內(nèi)部的超細微晶相顆粒（這大約是數(shù)十個或者數(shù)百個原子的大小）中原子或離子的個數(shù)有限，相應的電子數(shù)目也有限，而且處于顆粒邊界（晶相界面）上的原子或離子的個數(shù)與處于顆粒內(nèi)部原子或離子的個數(shù)相接近。這將導致納米陶瓷的電磁學性質(zhì)等發(fā)生明顯的變化。由于晶粒微細化引起的表面能的增加，則將引起其他一

9、些物理化學性質(zhì)的變化。顯然，納米陶瓷的出現(xiàn)勢必將引發(fā)出一系列性能優(yōu)異的新材料。然而，由于陶瓷在燒結(jié)過程中會出現(xiàn)晶粒長大和微氣相組織等一系列問題，要真正制備出致密均勻的納米陶瓷材料并非一件易事。但是，隨著材料科學和材料工程技術(shù)的迅速發(fā)展和具有納米量級分辨率工藝的不斷進步，一系列新型納米陶瓷的出現(xiàn)將是為期不遠的事。科學家的研究表明，納米陶瓷具有許多鮮為人知的奇異特性。例如，硅化物納米陶瓷的光吸收系數(shù)比普通硅酸鹽陶瓷大幾十倍。通常情況下，陶瓷是脆性材料，經(jīng)不起熱沖擊和機械沖擊，但納米氧化鋯陶瓷卻變成韌性材料，在室溫下可以彎曲，范性形變高達100。納米陶瓷可顯示出有重大意義的量子效應，可以使本來不發(fā)光

10、、不透光的陶瓷變成發(fā)光陶瓷和透明陶瓷，并且可以大大改善半導體陶瓷材料的電磁特性。納米陶瓷的出現(xiàn)必將引起整個陶瓷研究領(lǐng)域的擴展。無論從陶瓷理論、陶瓷工藝、陶瓷性能和應用方面，都將帶來更多的新變化、新發(fā)展。核能技術(shù)的支柱核反應堆陶瓷社會的發(fā)展離不開能源。隨著化石燃料日趨減少，人類對能源的需求量與日俱增而使世界面臨能源危機的今天，核能以其熱值巨大且無污染之優(yōu)勢在各種能源中所占比重日益增大。人們?yōu)榱税踩煤巳剂?，就必須設(shè)法控制核變鏈式反應的速度，讓核燃料按照人們的要求定時定量釋放能量。能實現(xiàn)人為控制核變鏈式反應的裝置叫做核反應堆。核反應堆是核電站的心臟。你是否知道，陶瓷在核反應堆中的重要作用？核反應

11、堆對所用陶瓷材料有什么特殊要求？在核反應堆中，陶瓷材料要經(jīng)受高能粒子和r射線的考驗。因此，除了耐高溫、耐腐蝕之外，核反應堆用的陶瓷還須具有優(yōu)異的抗輻射特性、大劑量的中子吸收本領(lǐng)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。而這些特殊的性能是傳統(tǒng)陶瓷所不具備的。我們把這種專用于核反應堆的先進陶瓷稱為核反應堆陶瓷。鈾-235原子俘獲中子后發(fā)生裂變是核反應的物理基礎(chǔ)。陶瓷是反應堆的核心材料。在發(fā)生核裂變時，不斷有原子的裂變碎片分裂出來，并伴隨著裂變氣體的釋放。因此，要求反應堆的核心材料具有一定的高溫強度和孔隙度。它既可以對核裂變的碎片有一定的阻擋作用，又可貯存裂變氣體，并可承受高溫沖擊。此外還需要有特殊的化學穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性等特

12、點。例如，高溫氣冷反應堆用的是多層碳包復陶瓷核燃料顆粒，疏松的熱解碳包復層可以貯存裂變氣體，外面再包復熱解碳的致密層，以阻擋裂變碎片的沖擊。除了反應堆用的陶瓷材料外，反應堆的控制也需要特種陶瓷材料。反應堆中的核反應過程必須加以人工控制，使反應有序進行，否則，一旦失控后果不堪設(shè)想。核反應堆的控制是靠特殊的陶瓷控制棒來實施的。對陶瓷控制棒材料的技術(shù)要求是具有大劑量的中子吸收本領(lǐng)和耐高溫、耐輻照能力。如一種碳化硼復合燒結(jié)體陶瓷能夠達到這種技術(shù)要求。核反應堆是一項復雜的系統(tǒng)工程，除了反應堆和控制棒用特種陶瓷外，尚需許多陶瓷隔熱罩、陶瓷隔熱板、陶瓷熱交換器及氦氣嘴襯套等。所有這些新型陶瓷材料，均需要耐輻

13、照、耐腐蝕、耐高溫、高強度等特點?？梢哉f，核發(fā)電技術(shù)也與陶瓷材料息息相關(guān)。航天器的保護神燒蝕材料在晴朗的夜晚，仰望燦爛星空，有時會看到耀眼的隕星，倏忽即逝。它為什么會發(fā)光呢？原來，這是高速飛行的隕星進人大氣層與空氣劇烈摩擦，猛烈燃燒而發(fā)出的光亮。當宇宙航天器完成任務返回地球時，面臨著與隕星同樣的殘酷生存環(huán)境。研究表明，當宇宙飛船在大氣層中飛行速度達到3倍聲速時，其前端溫度可達330；當飛行速度為6倍聲速時，可達1 480。宇宙飛行器邀游太空歸來，到達離地面6070千米時，速度將保持在聲速的20多倍，溫度高達10 000以上，這樣的高溫足以把航天器化作一團烈火。高速導致高溫，這似乎是一道不可逾越

14、的障礙，人們把這種障礙稱為熱障。顯然熱障并沒有阻擋住人類挺進宇宙，那么科學家們是如何克服熱障，使航天器安全回家的呢？隕石穿越太空到達地球的神奇經(jīng)歷給了科學家們以特殊的啟迪。分析隕石的成分和結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，隕石穿越大氣層時表面雖然已經(jīng)熔融，但內(nèi)部的化學成分沒有發(fā)生變化。這說明隕石在下落過程中，表面因摩擦生熱達到幾千度高溫而熔融，但由于穿過大氣層的時間很短，熱量來不及傳到隕石內(nèi)部而熔融物便已脫落。若給宇宙飛行器的頭部戴一頂用燒蝕材料制成的“盔甲”，把摩擦產(chǎn)生的熱量消耗在燒蝕材料的熔觸、氣化等一系列物理和化學變化中，“丟卒保車”，就能達到保護宇宙飛行器的目的。一位宇航員描述了宇宙飛船闖過熱障的壯觀景象：飛

15、船進入大氣層，首先從舷窗中看到煙霧，然后出現(xiàn)五彩繽紛的火焰，同時發(fā)出噼噼啪啪的聲音。這是飛船頭部的燒蝕材料在燃燒，它們犧牲了自己，使飛船內(nèi)的溫度始終維持在常溫范圍，保護飛船平安返回地面。作為航天器“盔甲”所用的燒蝕材料，要求具有高強度、耐燒蝕、耐磨損、抗熱沖擊性好、氣化熱大，熱容量大，絕熱性好，向外界輻射熱量的功能強等綜合優(yōu)良性能。具此特性的燒蝕材料中，陶瓷是其中的佼佼者，而纖維補強陶瓷材料是最佳選擇。纖維補強陶瓷是以耐高溫、高強度、高韌性、高彈性模量的陶瓷纖維為增強體，與陶瓷基體通過采用精密控制的先進復合工藝燒結(jié)而形成的一類新型復合材料?？勺鳛槠湓鰪婓w的陶瓷纖維有：碳纖維、碳化硅纖維、碳化鋯

16、纖維、氧化鋯纖維和氧化鋁纖維等先進陶瓷纖維?？勺鳛樘沾苫w的材料有：碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化物陶瓷、氟化物陶瓷、硅化物陶瓷、氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷等先進陶瓷。所選擇的增強陶瓷纖維和基體陶瓷性能要匹配，且增強纖維的熱膨脹系數(shù)應略大于基體，以使二者能較好地凝結(jié)在一起，通過纖維補強工藝和精密控制陶瓷燒結(jié)工藝的協(xié)作，以極大限度地提高復合體的強度。經(jīng)過纖維補強的陶瓷材料，既能通過材料設(shè)計保留原組分單體（基體和增強體）材料的主要特色，又能通過材料設(shè)計及“復合效應”使各組分的性能相互補充、彼此關(guān)聯(lián)，從而使原組分單體的某些性能得到突破性的強化，甚至具有了一些原組分單體所不具備的特殊性能。無論在抗機械沖擊性

17、和抗熱沖擊性方面，還是在其它功能性能方面都有了很大程度的提高，使陶瓷同時具備了高強度、高韌性、高硬度、高模量、高阻抗、耐高溫、耐燒蝕、耐磨損、耐腐蝕、抗熱沖擊和機械沖擊性好等綜合優(yōu)良性能。近年來，材料工程技術(shù)人員研制成功了多種能滿足航天技術(shù)應用的纖維補強陶瓷材料，如以碳素纖維、硼纖維、碳化鋯纖維和氧化鋁纖維為增強體的碳素基復合陶瓷和氧化鋯陶瓷基復合陶瓷等優(yōu)異的燒蝕材料，可用作導彈頭錐、火箭噴火管、航天飛行器頭錐和頭錐保護罩。新一代無機非金屬材料賽倫賽倫(Sialon)陶瓷, 叫氧氮化硅鋁陶瓷，是“硅鋁氧氮”系統(tǒng)及其相關(guān)物質(zhì)系統(tǒng)的固溶體，化學組成上類似于硅鋁酸鹽，但它并非傳統(tǒng)的硅鋁酸鹽陶瓷，而是

18、以人工合成的高純的精細粉料：Si3N4、Al2O3、AlN經(jīng)先進工藝燒結(jié)而成的高性能陶瓷。賽倫的化學通式可表示為：Si6xAlxOxN8x 。在不同條件下燒結(jié)成的陶瓷材料的化學組成會不同，在1700時，x的極限值為，在1400時，極限值為，制備工藝可以采用常壓燒結(jié)或熱壓燒結(jié)，在氮化硅中添加氧化鋁，用氧原子取代一部分氮，用鋁原子取代一部分硅，燒結(jié)時容易通過液相繞結(jié)達到致密化，生成均勻的固溶體。賽倫陶瓷中晶相組織的基本結(jié)構(gòu)單元是（Si、Al）（O、N）四面體，其構(gòu)成方式和Al2O3·2SiO2中的硅氧四面體構(gòu)成硅酸鹽的方式類似。賽倫以耐高溫、高強度、高韌性、超硬度、耐磨損、抗腐蝕等性能為

19、主要特征，在冶金、機械、汽車、光學、醫(yī)學等領(lǐng)域有重要應用。賽倫具有超高硬度、高韌性、熱穩(wěn)定性和低的熱膨脹系數(shù)(好的抗熱沖擊性)，以及對有色金屬無粘合現(xiàn)象等特點，是新型的刀具材料。這種材料制作的刀具沒有冷卻液也可工作，比起硬質(zhì)合金來具有切削速度高、壽命長等特點，被廣泛用作鉆頭、絲錐和滾刀，用于加工鑄鐵、淬火鋼、鎳基高溫合金和鈦合金等。例如，賽倫刀具以1525米分進行高速切削，刀具壽命為硬質(zhì)合金刀具的1012倍，金屬切除率高于硬質(zhì)合金刀具的18倍。利用賽倫具有非常高的高溫抗氧化性、耐磨損、摩擦系數(shù)小、有自潤滑性(摩擦表面微量分解形成薄的氣膜)的特性，特別當賽倫-賽倫對磨時，能承受很大的機械應力而可

20、在很高速度和壓力下運轉(zhuǎn)，可用做各種機械的耐磨部件。如：用于制作軸承、滾珠，賽倫軸承的工作溫度可達1300，比普通合金軸承的工作溫度提高倍，而工作速度是普通軸承的10倍，還可免除潤滑系統(tǒng)，大大減少了對鉻、鎳、錳等原料的依賴。用于制作水泵、砂漿泵、帶腐蝕性的化工泵及有粉塵風機中的耐磨、耐腐蝕部件和密封墊圈，其性能優(yōu)越于其他材料。用于制作定位梢，焊接定位梢在工作時要承受很大的熱應力和機械應力。賽倫定位梢的使用壽命是普通合金定位梢壽命的七百倍。用于代替金屬制造發(fā)動機部件，用賽倫制的汽車內(nèi)燃機活塞，運行六萬千米，只磨損微米。用于代替特種合金材料制作球磨機的磨球，可研磨多種硬質(zhì)粉料（如陶瓷粉料等）而本身幾

21、乎不會受到磨損。用于制作軋鋼機械的滾軸和拉拔和壓鑄模具，在冷軋和冷撥條件下其使用壽命遠高于其它材料。此外，賽倫還用作金屬連續(xù)澆鑄的分流環(huán)及噴嘴、熱電偶護具、晶體生長器具、高爐底部內(nèi)襯和耐熱坩堝等。在銅鋁等合金冶煉和鑄造上也得到了應用。利用賽倫具有很好的電絕緣性和優(yōu)良的耐熱沖擊性及其它多種綜合性能，可用來制作電熱塞，用它進行汽車點火快速而靈敏，使發(fā)動機起動時間從原來的67秒縮短到12秒，并可不別擔心寒冷天氣汽車啟動的困難。賽倫可制成高透光度的透明陶瓷，用作大功率高壓鈉燈的燈管，它在高溫下與鈉蒸氣不發(fā)生作用，又能把95以上的可見光傳送出來。這種鈉光燈是目前世界上發(fā)光效率最高的燈。相同功率下，一只高

22、壓鈉燈要比兩只水銀燈或十只普通白熾燈發(fā)出的光還要亮，壽命比普通白熾燈高20倍，可使用兩萬小時以上，是目前壽命最長的燈。賽倫可用于人體硬組織的修復，使其功能得以恢復。與其他材料相比，賽倫和骨組織的化學組成比較接近，生物相容性好，在體內(nèi)的化學穩(wěn)定性、生物力學相容性和組織親和性等也較好。在臨床醫(yī)學上，可用來修復體內(nèi)的某些病變硬組織。如，髖骨、膝關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)、牙根、脊椎骨聯(lián)合等。動力機械將從金屬發(fā)動機走向陶瓷發(fā)動機發(fā)動機是車輛、輪船和飛機的“心臟”，誰見過沒有發(fā)動機的汽車和飛機呢？發(fā)動機的主要部分是汽缸，汽缸的好壞是決定發(fā)動機性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。當今的燃汽發(fā)動機汽缸是用合金鋼制造的。這種汽缸的工作溫度只有

23、1000左右，而且還需要用循環(huán)水冷卻，否則汽缸將受熱變形而報廢。汽缸工作溫度低不僅會由于燃料不能充分燃燒而造成能源浪費，而且運轉(zhuǎn)速度的提高受到了很大限制。隨著陶瓷技術(shù)的發(fā)展和先進陶瓷材料在綜多領(lǐng)域的成功應用，科技人員對發(fā)動機制造技術(shù)做了大膽的實驗研究，并也做了一些實用性試驗，其結(jié)果表明：如果用耐高溫的陶瓷代替合金鋼制成陶瓷發(fā)動機，其工作溫度可達13001500，燃料燃燒充分而熱效率提高了30，工作功率比鋼質(zhì)發(fā)動機提高45以上。用先進陶瓷來制造發(fā)動機，已成為當前世界各國奮力追求的目標。陶瓷發(fā)動機的優(yōu)越性表現(xiàn)為：可以有效提高發(fā)動機的工作溫度，從而大大提高發(fā)動機的功率，使發(fā)動機具有了更加強勁的動力。

24、可在高溫條件下工作而使燃料燃燒充分，并能有效降低尾氣中的有害成分，降低了能源消耗的同時減少了環(huán)境污染。陶瓷的熱傳導性比金屬低，使發(fā)動機的保溫性能有效提高，熱量損耗小而提高了熱功轉(zhuǎn)換效率。陶瓷具有優(yōu)良的高溫強度和剛度，不發(fā)生高溫變形而可免除發(fā)動機的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。陶瓷堅硬而耐磨損，抗腐蝕性強，與金屬發(fā)動機相比可有效延長發(fā)動機的使用壽命。陶瓷的密度通常不足合金鋼密度的1/2，這對減小發(fā)動機自身重量也有重要意義。陶瓷材料的生產(chǎn)成本低，用陶瓷代替鎳基、鈷基耐熱合金制造的發(fā)動機零部件，成本可降低到合金材料的130。用陶瓷尤其是具有優(yōu)良的高溫強度、耐蝕性和耐磨損的先進的氮化硅和碳化硅陶瓷代替鎳基、鈷基耐熱

25、合金，首先在高溫燃氣輪機中，用于制造葉片、燃燒筒、套管、主軸軸承等。同時陶瓷也可用于制造內(nèi)燃機的各種零部件，如活塞內(nèi)襯、氣缸、預燃筒、挺桿、閥門、噴嘴、渦輪增壓器轉(zhuǎn)子及軸承等。據(jù)測算，若汽車發(fā)動機的所有零部件都采用陶瓷制造，其重量可比合金發(fā)動機輕23，燃料費用可下降25%左右。1977年美國福特汽車公司用氮化硅和碳化硅陶瓷制造了一臺全陶瓷燃汽輪機，其燃氣入口溫度為1230，轉(zhuǎn)速為5萬轉(zhuǎn)分，成功地運轉(zhuǎn)了25小時。1982年，瑞典沃爾沃公司研制的全陶瓷燃汽輪機，成功地進行了乘用車的實際行駛，在世界上首獲成功，其渦輪工作溫度為l100，轉(zhuǎn)速為5萬轉(zhuǎn)分，運行了10小時。利用陶瓷涂層來提高發(fā)動機性能也是

26、提高發(fā)動機質(zhì)量的可能途徑之一。如果把發(fā)動機的耐高溫部件涂上一層高溫陶瓷，便既能保持金屬材料的固有強度和韌性，又具有陶瓷的耐高溫、耐磨損等特點。也會有效提高發(fā)動機的工作效率和延長發(fā)動機的使用壽命。據(jù)報道，用這種方法可使發(fā)動機進氣孔道表面的耐熱能力從1200提高到1700。阻礙陶瓷發(fā)動機實用化的主要障礙是陶瓷的脆性和由此導致的低可靠性。若能解決這個問題，將會給人類社會的發(fā)展提供強大的推動力。可以預料，在不久的將來，裝有高溫陶瓷發(fā)動機的新一代車、船和飛機，其運行速度將更快，能耗將更低、性能將更好。安全“守護神”的奧秘氣敏陶瓷地球表層埋藏著大量的煤炭資源，勤勞勇敢的煤礦工人夜以繼日地在井下作業(yè)，地下的

27、“烏金”被源源不斷地送往電廠、鋼廠及千家萬戶，給人類送來光明和溫暖。但是，在礦井中有一種危害礦工生命的氣體瓦斯。它不僅會令人窒息，而且一旦爆炸，后果不堪設(shè)想。在寒冷的冬天，居民用煤炭取暖，稍不注意會造成煤氣中毒。城市居民使用的管道煤氣，主要成分是由一氧化碳和氫氣組成的，煤氣給人們的生活帶來了方便，但是這種有毒、易燃、易爆氣體一旦泄漏也會造成巨大的危害。某些化工廠生產(chǎn)車間內(nèi)空氣中的有毒氣體含量按規(guī)定標準須控制在一定范圍，否則將危害工人的身體健康。對空氣中的這些有害氣體若能做到精確監(jiān)測、盡早發(fā)現(xiàn)、準確預報，將會有效防止事故的發(fā)生。為此，科技工作者研制出了專門預報這些有毒、易燃、易爆氣體的“電鼻子”

28、。這種電鼻子學名叫氣敏檢漏儀。它的“鼻子”是一塊“氣敏陶瓷”，亦稱“氣敏半導體”。這種氣敏陶瓷是用二氧化錫等無機材料采用精密的先進工藝壓制燒結(jié)而成的。它的表面和內(nèi)部吸附著氧分子，當遇到易燃易爆的還原性氣體時，就會與其吸附的氧結(jié)合，從而引起陶瓷電阻的變化。在這種情況下，氣敏檢漏儀就會自動報警。這種氣敏陶瓷元件對許多氣體反映十分靈敏，如氫氣濃度的變化量發(fā)生百萬分之一的改變即能被準確顯示。有了這種“電鼻子”，礦井、工廠和家庭便再也不會為這些還原性有害氣體而提心吊膽了。因為只要空氣中的還原性氣體超標，氣敏檢漏儀的指示燈就會閃亮，報警器就會鳴響，人們就可采取通風、檢漏、堵漏等措施，以防事故的發(fā)生。

29、60;此外，氣敏陶瓷元件對氣體濃度的高靈敏檢測，在高度自動化的化工生產(chǎn)中用于測量反應斧中的氣體濃度，可以實現(xiàn)原料氣的自動供給、合成條件穩(wěn)定性的自動控制和連續(xù)化生產(chǎn)。對簡化化工合成操作的控制工序，提高生產(chǎn)效率和降低產(chǎn)品成本具有重要作用。與肌體相容的生物陶瓷制造人體骨骼的替換材料是人類有史以來的夢想。然而，由于臨床醫(yī)學對醫(yī)用骨骼材料有許多苛刻的要求，直到二十世紀60年代以后，隨著材料科學和新材料工程技術(shù)的發(fā)展，生物陶瓷才逐漸成為一個活躍的領(lǐng)域。目前，生物陶瓷已成為醫(yī)學臨床應用的一類重要材料。生物陶瓷是指具有特殊生理行為的一類陶瓷材料，這種材料可用來構(gòu)成人類骨骼和牙齒的某些部分，甚至可望部分或整體地

30、修復或替換人體的某些組織、器官，或增進其功能。所謂生物陶瓷的特殊生理行為是指生物陶瓷必須滿足下述生物學要求：與生物肌體相容，對生物肌體組織無毒、無刺激、無過敏反應、無致畸、致突變和致癌等作用。具有一定的力學要求，不僅要有足夠的強度和剛度，不發(fā)生災難性的脆性破裂、疲勞、蠕變和腐蝕破裂等，而且要求剛?cè)嵯酀?，其彈性形變應當和被替換的組織相匹配。能和人體其他組織相互結(jié)合，有優(yōu)良的組織親和性。根據(jù)生理環(huán)境中所發(fā)生的生物化學反應，生物陶瓷可分為三種類型：接近于生物惰性的生物陶瓷，如氧化鋁、氧化鋯及氧化鈦陶瓷等；表面活性生物陶瓷，如致密羥基磷灰石陶瓷、生物活性微晶玻璃等；可吸收生物陶瓷，如類石膏陶瓷、磷酸鈣

31、陶瓷及鋁酸鈣陶瓷等。臨床醫(yī)學使用最廣泛的惰性生物陶瓷是氧化鋁陶瓷和生物碳素陶瓷。致密、高度拋光的氧化鋁陶瓷在生理環(huán)境中具有高的抗壓強度、低的摩擦系數(shù)和低磨損率，并能長期保持穩(wěn)定，主要用于人造關(guān)節(jié)結(jié)合部的球和臼，也能被用作人造牙根、中耳小骨和心瓣膜。氧化鋁髖關(guān)節(jié)于1970年開始臨床應用，在我國也已應用了多年。作為生物陶瓷使用的磷酸鈣陶瓷主要是羥基磷灰石和磷酸三鈣。磷酸鈣陶瓷主要以結(jié)晶形態(tài)的羥磷灰石構(gòu)成了人體硬組織的主體，因此磷酸鈣生物陶瓷和人體組織有良好的相容性。自上世紀70年代以來，這類陶瓷已臨床用作牙齒和骨胳的種植體。材料科學技術(shù)和生物醫(yī)學工程的進展，雖然正在創(chuàng)造品種越來越多的可供臨床醫(yī)學應

32、用的生物陶瓷，但是從分子水平進行種植材料的設(shè)計，目前還剛剛起步。我們相信，在不久的將來，會有日益繁多的類似于人體組織的生物陶瓷問世而造福于人類。超越經(jīng)典離子導體的電解質(zhì)陶瓷先進材料往往是一材多能的。具有特殊性能的先進材料也常常是在對某些已有材料性能的研究中得到啟示并開發(fā)出來的。在材料技術(shù)已進入飛速發(fā)展的80年代，科技工作者對一些已有先進陶瓷材料性能的測試中發(fā)現(xiàn)，一類先進陶瓷的電導率可與液體電解質(zhì)相比擬，將其稱為陶瓷離子導體，也稱為快離子導體或固體電解質(zhì)陶瓷。這類電解質(zhì)陶瓷的電導率比經(jīng)典離子導體（如堿金屬鹵化物）高十幾個數(shù)量級！理論上講，沒有缺陷的離子晶體是絕緣體。經(jīng)典離子晶體具有不高的導電率來

33、源于由晶格中的雜質(zhì)或熱激活引起的晶格結(jié)點缺陷的遷移。而電解質(zhì)陶瓷具有如此之高的電導率，絕非借助于少量點缺陷的遷移所能達到的。研究結(jié)果表明，和普通的金屬導體不同（金屬導體是靠電子遷移而導電的），快離子導體即固體電解質(zhì)陶瓷在傳輸電荷的同時還伴隨有離子的遷移，這使它們具有了不同于電子導體的特殊用途。首先，在化學電源方面，用作高能燃料電池和高能蓄電池的隔膜材料，固體電解質(zhì)蓄電池能夠突破以水溶液作電解質(zhì)的傳統(tǒng)蓄電池的局限，同時獲得高的比能量和比功率。其次，在化學傳感器方面也已顯示出其獨特的優(yōu)勢。當固體電解質(zhì)陶瓷兩側(cè)存在離子的濃度差時，就會產(chǎn)生濃差電勢。電勢大小取決于陶瓷兩則的濃度差。如果一側(cè)的濃度已知，

34、根據(jù)公式可求出另一側(cè)離子的未知濃度。這種通過電勢測量直接測定氣體、溶液或熔觸體中某一元素或離子濃度的方法具有設(shè)備簡單、操作方便，連續(xù)快速等優(yōu)點，是生產(chǎn)過程自動化的有力幫手。新型光學材料透明陶瓷透明陶瓷也稱為光學陶瓷或玻璃陶瓷，是一種既有良好透光性又有優(yōu)異力學性能的先進陶瓷。它作為一種先進陶瓷材料，以其獨具無比的優(yōu)異性能，已成為航天航空、交通照明、電子儀表等技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)材料和關(guān)鍵材料。透明陶瓷聽來也許有些不可思議。因通常人們接觸的陶瓷均為不透明材料，然而目前先進透明陶瓷已在特種照明燈具制造領(lǐng)域得到了廣泛運用，即已成為照明燈具制造業(yè)的基礎(chǔ)材料，只是你視而不見或見而不識罷了。其實，有些古瓷常識的人

35、就知道，我國古代的一些陶瓷藝人早已制造出了具有半透明性的陶瓷珍品，一些透明性古瓷珍品作為國寶珍藏在國家博物館。但它們也只能算作傳統(tǒng)陶瓷品。屬硅酸鹽類陶瓷。先進的透明陶瓷是以高純、超細的人工合成的無機化合物為原料，采用精密控制的先進工藝燒結(jié)而成的、比傳統(tǒng)陶瓷結(jié)構(gòu)更加精細、性能更加優(yōu)異的新一代陶瓷。它不僅具有優(yōu)良的透光性，且在許多力學性能和功能性能上所具有的特異性能是傳統(tǒng)陶瓷無可比擬的。為什么先進透明陶瓷會具有優(yōu)良的透光度呢？人們在對陶瓷的光學性能研究中認識到：有些陶瓷中的微晶粒本身具有良好的透光性，但陶瓷材料通常不透明的主要原因，是由于陶瓷內(nèi)部存在微氣孔和雜質(zhì)，當光束射向陶瓷并在其中傳播時，陶瓷

36、內(nèi)部微氣孔和雜質(zhì)對光線具有很強的散射作用而使光線分散傳播，光能漸被全部吸收而使陶瓷失去透光性。影響其透光性的因素還有晶粒過大或大小不勻、晶粒中存在結(jié)構(gòu)缺陷等。故制備透明陶瓷的工藝要求非常嚴格，既要選取適宜物種的高純原料并制成顆粒均勻的超微細晶粉料，也要求借助高新技術(shù)精密控制燒結(jié)溫度等工藝過程，使陶瓷內(nèi)部晶粒均勻而最大限度地減少結(jié)構(gòu)缺陷，晶粒聚集致密而最大限度地減少氣孔含量，以確保陶瓷品光線透射時光能幾乎無損耗。在對先進透明陶瓷的光學性能的研究中還發(fā)現(xiàn)：它們不僅具有優(yōu)良的透光性，有些先進透明陶瓷甚至具有光放大功能，如已研制出的一種透明的以亞碲酸鹽(TeO2)為主要原料的稀土摻雜玻璃陶瓷可將成為開

37、發(fā)“光放大器”的優(yōu)良基質(zhì)玻璃陶瓷材料。這種玻璃陶瓷為多晶相陶瓷，與通常的陶瓷制法不同，是通過玻璃體結(jié)晶制備的：首先通過令其熔料驟冷并冷卻到室溫制成玻璃態(tài)。然后根據(jù)玻璃的成分采取精密的工藝條件把它加熱到適當?shù)臏囟?，引起?nèi)部發(fā)生近程結(jié)晶而形成多晶相微晶聚結(jié)體（即形成陶瓷體）。這種透明陶瓷雖仍處于實驗研究階段，可望這種產(chǎn)品會對未來的光學通信產(chǎn)生深遠的影響作用。對這種稀土摻雜玻璃陶瓷的開發(fā)研究遠不止此，研究人員已經(jīng)開始檢驗稀土摻雜匯兌的透明玻璃陶瓷的熒光特性。實際上，實用技術(shù)中已有多種具有發(fā)光性能的普通材料，但這些普通發(fā)光材料的其它力學性能和功能性能遠不具備先進材料的綜合性能指標。研究人員試圖借助先進

38、陶瓷工藝技術(shù)，在制備陶瓷的粉料中摻雜具有熒光性質(zhì)的稀土元素，去研制具有發(fā)光性能的先進透明陶瓷，若開發(fā)成功的話，將會出現(xiàn)一系列新型的“發(fā)光玻璃陶瓷”。這類發(fā)光陶瓷也必將會成為高科技領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。目前已有幾十種先進透明陶瓷投入實用技術(shù)中。如氧化釔、氧化鋁、氟化鈣、鋁酸鎂等透明陶瓷。它們兼有陶瓷的高強、堅硬、耐溫、耐蝕、耐磨等優(yōu)良性能，在特種照明燈具及許多高技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)揮著特殊的應用價值。例如：1用作特種燈具的燈管材料 高壓鈉光燈是一種發(fā)光率極高的電光源（發(fā)光率比白熾燈高出10倍以上）。但由于燈管內(nèi)充有高壓氣體，燈管內(nèi)鈉蒸汽放電時會產(chǎn)生1000以上的高溫，且鈉的腐蝕性很強，普通玻璃燈管均無法承受。

39、而用透明氧化鋁陶瓷制成的燈管在1600時不受鈉蝕，且透光性好、耐壓、使用壽命長。這種透明陶瓷燈管還用在如：鉀燈、高壓汞燈、鹵鎢燈等燈具制造上。2用作導彈制導器的防護罩 導彈頭部的制導器需要有個防護罩，這個防護罩既要能讓欲擊目標所幅射出的光波信號透過，又要有足夠的強度、硬度和耐溫性，以保證導彈高速飛行時抵抗氣流等強沖擊及導彈與氣流摩擦產(chǎn)生的高溫燒蝕，確保制導裝置正常工作。這種防護罩材料唯有透明陶瓷能勝任。故透明陶瓷成為該領(lǐng)域中的關(guān)鍵材料。神奇的能量轉(zhuǎn)換材料壓電陶瓷當您將煤氣灶的按鈕輕輕一撳，迅即燃起藍色火焰，您可曾意識到是什么帶給您的這份便利呢？將一塊看起來平淡無奇的陶瓷接上導線和電流表，用手在

40、上面一摁，電流表的指針也跟著發(fā)生擺動竟然產(chǎn)生了電流，豈非咄咄怪事？其實，這是“壓電陶瓷”所具有的神奇功能，它是一種能夠?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。壓電陶瓷為什么會具有如此神功呢？壓電陶瓷是一種因其內(nèi)部的特殊的晶相結(jié)構(gòu)而能產(chǎn)生壓電效應的先進功能陶瓷。所謂“壓電效應”是指：某些電介質(zhì)材料由于結(jié)晶體的特殊結(jié)構(gòu)，當受到機械力作用而發(fā)生形變時，引起物件的相對兩表面產(chǎn)生異種電荷，且電荷密度與應力成正比，此現(xiàn)象稱之為“正壓電效應”；反之，在這種材料上施加電場時，引起物件發(fā)生機械變形，若施加交變電場，材料則隨電場頻率作伸縮振動，且形變量（或振幅）與施加的電場強度成正比，此稱為“電致伸縮效應（或稱逆壓

41、電效應）”。二者統(tǒng)稱為“壓電效應”（原理如右圖所示）?？梢?，壓電陶瓷具有實現(xiàn)“機械能”與“電能”相互轉(zhuǎn)換的功能，且能量轉(zhuǎn)換（或信號轉(zhuǎn)換）靈敏而精確、頻率穩(wěn)定性好而轉(zhuǎn)換效率高等性能。壓電陶瓷的制備是以一些高純度、超精細的無對稱中心的無機化合物晶體粉料，經(jīng)高溫致密燒結(jié)制成精密陶瓷（如高純的鈦酸鋇陶瓷、鈦酸鉛陶瓷、鋯鈦酸鉛陶瓷等），并在高壓直流電場中進行極化處理（以能形成并強化其特定的功能性能）而成。壓電陶瓷的這種奇特的能量轉(zhuǎn)換（或信號轉(zhuǎn)換）功能有著非常廣泛的實用價值，主要用作精密儀器及電子技術(shù)中的電子元件。 用作壓電點火器的發(fā)火元件 使壓電陶瓷元件接受機械沖擊時，即刻產(chǎn)生高壓脈沖電流（瞬間電壓可達

42、數(shù)千伏，瞬間電流可達數(shù)萬安），并在電極尖端放電而產(chǎn)生電弧。此功能用于電子打火機、燃氣灶、導彈引爆器中的點火器的發(fā)火元件。由于壓電陶瓷具有陶瓷的基本性能，即強度高、硬度大、耐磨損、抗氧化，故用壓電陶瓷制作的火石在電子打火機和燃氣灶的點火器中使用壽命長，打火次數(shù)可達100萬次以上。也由于壓電陶瓷能量轉(zhuǎn)換靈敏精確且轉(zhuǎn)換效率高，故用在導彈引爆裝置中作為點火器元件，其引爆準確率相當高而幾乎無失誤。 用作電話手機的信號轉(zhuǎn)換器元件 壓電陶瓷在電聲信號轉(zhuǎn)換中，無論是受機械振動波的作用還是受到交變電場的影響，均會產(chǎn)生機械形變，其形變量盡管很小，最多不超過本身尺寸的千萬分之一，別小看這微小的變化，它即能夠靈敏而精

43、確地實現(xiàn)聲波和電頻信號的可逆轉(zhuǎn)化，在現(xiàn)代化通信工具中充當著關(guān)鍵性角色。如當手機中的壓電陶瓷傳感元件接受聲波振動沖擊時，會通過正壓電效應將聲音轉(zhuǎn)換成電頻信號經(jīng)調(diào)制成微波信號后向外部發(fā)射；同時，從外部接受來的微波信號經(jīng)解調(diào)成電頻信號后，會通過壓電陶瓷傳感元件的電致伸縮效應將其轉(zhuǎn)換成機械振動波，以實現(xiàn)通話。由于壓電陶瓷信號轉(zhuǎn)換具有極高的靈敏度和精確度，頻率穩(wěn)定性好而適用頻率范圍寬，特別是在多路通信設(shè)備中能提高抗干擾性。故傳話幾乎不失真。 用作傳感探測器的傳感元件 壓電陶瓷傳感性能（即信號轉(zhuǎn)換性能）非常靈敏而精確，可將極微弱的機械振動波（例如在數(shù)十米數(shù)百米以外的小昆蟲拍打翅膀產(chǎn)生的振動波）和超聲波（例

44、如從數(shù)百米數(shù)千米以外發(fā)射或反射回的超聲振動）通過其正壓電效應轉(zhuǎn)換成電信號而在示波儀或聲納探測儀等電子儀表上顯示出來。這種靈敏而高效的傳感元件，可裝在地震儀、聲納換能器等精密儀器上精確遙測目標的方位、距離、大小及振動的強度。例如：用壓電陶瓷制作的“壓電地震儀”，能精確地測出地震強度，地震的方位和距離。需要是創(chuàng)造發(fā)明之母。自從有了飛機，人們就研制出了對付它的雷達。雷達是現(xiàn)代國防的眼睛，利用它可以及時地發(fā)現(xiàn)敵人的飛機和導彈，以能及時采取防御措施。但潛艇的發(fā)明，給科學家出了一道難題。它藏在海水深處神出鬼沒，雷達對它也無能為力。因為雷達發(fā)射的電磁波很快就會被海水吸收，無法用它來探測水下的潛艇。在這種情況

45、下，科學家發(fā)明了“聲納探測器”。聲納是海洋中的“千里眼”和“順風耳”。有了它不僅可探測深海潛艇和遠方的輪船，而且還可用來探測海洋中的魚群、沉船、冰山及水下資源。聲納探測器是利用聲波或超聲波來探測目標的儀器。主要由聲波發(fā)射、接收裝置和聲波分析測算系統(tǒng)組成。聲納的“心臟”是壓電換能器。它既可以把接受到的聲波轉(zhuǎn)換成電頻信號，又可以把電頻信號轉(zhuǎn)換成超聲波向外發(fā)射出去。由于壓電陶瓷易于加工成型，電聲轉(zhuǎn)換靈敏而精確且轉(zhuǎn)換效率高，所以現(xiàn)代聲納換能器多采用壓電陶瓷元件。當壓電陶瓷換能器接受到來至遠方的聲波后，會通過正壓電效應將聲波轉(zhuǎn)換成電頻信號通過聲波分析測算系統(tǒng)準確定位發(fā)聲的目標，也可通過接受和分析由聲納探測器發(fā)射出的超聲波的反射波來定位目標。由于聲波或超聲波在水中傳播時的衰減率