先进陶瓷及其应用集锦

先进陶瓷及其应用集锦

在千姿百态的物质界，大自然所恩赐的天然材料（如矿物、岩石、木材、丝棉等）虽数量大，品种多，但就其品种远不能满足社会发展的需求。现代科技和人类生存所应用的材料，绝大多数品种是以自然资源和传统材料为基础，经加工改造而成的人工合成材料。正是这些人工材料，支撑着整个社会的科技与文明。故而，对自然资源的开发、传统材料的改造和新型材料的研制，已成为当今人们获取新材料的系统工程。材料工程技术将为科技进步不断开发出形形色色的具有特殊功能的新型材料和先进材料。功能奇异的先进陶瓷便是新材料技术发展的典范。

陶瓷是用无机化合物粉料经高温烧结而成的、以多晶聚集体为基本结构的固体物质。传统陶瓷是以天然硅酸盐矿物（瓷石、粘土、长石、石英砂等）为原料，经粉碎、磨细、调和、塑形、干燥、锻烧等传统工艺制作而成。实际上瓷是在陶的基础上发展而成的比陶白净、细腻、质地致密且性能更为优良的硅酸盐材料。先进陶瓷与传统陶瓷区别在于：先进陶瓷是以高纯、超细的人工合成的无机化合物（可含或不含硅化物）为原料，采用精密控制的先进工艺烧结而成的、比传统陶瓷结构更加精细、性能更加优异的新一代陶瓷。先进陶瓷又称为精细陶瓷或高性能陶瓷。

先进陶瓷按使用性能可分为先进结构陶瓷（其使用性能主要指强度、刚度、硬度、弹性、韧性等力学性能）和先进功能陶瓷（其使用性能主要指光、电、磁、热、声等功能性能）两大类；按其化学成分又可分为：氧化物陶瓷、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、铝酸盐陶瓷等。

先进结构陶瓷是指以其优异的力学性能而用于各种机械结构部件的新型陶瓷。应用领域如陶瓷质密封套管、轴承、缸套、活塞及切削刀具等；先进功能陶瓷则是指利用材料的电、磁、光、声、热等直接的性能或其耦合效应来实现某种使用性能的新型陶瓷。如电容器陶瓷以其极高的抗电击穿性能用来制作高容抗陶瓷电容器；压电陶瓷以其能利用机械撞击或机械振荡产生电效应来制作压电点火装置的发火元件或传感器元件；热敏陶瓷可感知微小的温度变化，用于测温、控温；气敏陶瓷制成的气敏元件能对易燃、易爆、有害气体进行监测、控制和实现自动报警；而用光敏陶瓷制成的电阻器可用作光电控制，自动曝光和自动记数；磁性陶瓷是重要的信息记录材料，在计算机中完成记忆功能。

此外，先进陶瓷材料还有高绝缘陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、介电陶瓷、耐热透明陶瓷、发光陶瓷、滤光陶瓷、吸波陶瓷、激光用陶瓷、核燃料陶瓷、推进剂陶瓷、太阳能光转换陶瓷、贮能陶瓷、陶瓷固体电池、阻尼陶瓷、生物技术陶瓷、催化陶瓷、特种功能薄膜陶瓷、纤维补强陶瓷、烧蚀陶瓷等。这些特种陶瓷在自动控制装置、仪器仪表、精密机械、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、航空航天技术等部门均发挥着重要作用。

随着材料科学的发展和制造工艺的改进，陶瓷的内部组织构造渐趋精细化、致密化而使材料性能大幅度提高，以致出现新的特殊功能。在其发展过程中，大批的多功能、高性能先进陶瓷应运而生。

1 方兴未艾的纳米陶瓷

陶瓷的性能取决于其内部组织结构。在显微镜下可观察到陶瓷内部组织主要有三种结构——晶体相、玻璃相和气孔。晶体态组织（即晶体相）是由原子有序排列而形成的组织结构紧凑致密的晶态结构，这是陶瓷的基本结构，也是陶瓷具有优良性能的良种结构；玻璃态组织（即玻璃相）是原子排列紊乱的非晶态结构，此种结构及其微气孔是造成陶瓷质脆及影响

别的性能的劣质结构。因玻璃态组织比晶体态组织结构疏松，且受热易软化从而降低了陶瓷的强度、硬度和抗热冲击性能，同时也影响到其它的功能性能。可见，减少陶瓷内部玻璃态组织、微气孔及微裂纹的含量，增大陶瓷内部组织结构的精细度和致密性是改善陶瓷使用性能（包含力学性能和功能性能）以获得先进陶瓷的关键。

改善陶瓷结构与性能的主要途径，一是精选优质人工合成原料及优化配料比；二是提高原料的纯度和精细度；三是改进陶瓷的烧结工艺，精密控制结晶和晶粒聚结条件；四是引用高新技术对产品进行深加工（如高压电场极化、超声波照射或表面抛光等），以进一步消除其结构应力或强化使用性能。通过这些途径若能有效地降低陶瓷内部的玻璃相、微气孔及微裂纹的含量，甚至制造出几乎不含玻璃相和微气孔及微裂纹的、晶粒更微细的精密陶瓷，其综合性能均会大幅度提高，以至可能从根本上消除其脆性这一致命弱点，甚至出现更多的有实用价值的独特性能。先进陶瓷正是沿这种思路研制发展而成的。同时也为纳米陶瓷的研制从理论上找到了开发途径。

目前，陶瓷技术正朝着由先进陶瓷向更微细化的“纳米陶瓷”方向发展。所谓纳米陶瓷，是指其显微结构中的物相均为纳米尺度（即100nm至0.1nm）的陶瓷材料。它包括晶相粒尺寸、第二相分布、气孔尺寸等均是在纳米量级的水平上。其结构晶粒可小至数纳米、晶粒密集到约1019个/cm3。其单位体积内晶粒数比先进陶瓷还要高出约109倍（即高出约十亿倍）。这种晶粒粒度微细化和聚集程度密集化虽看起来仅是数量上的变化，但由于减少或消除了内部结构缺陷而可能引起陶瓷性能发生突变。故此，纳米陶瓷被认为是陶瓷研究发展的第三个台阶，也就是说从现在的具有微米（10－6米）尺度的先进陶瓷步入纳米级陶瓷的研究阶段。

要制备“纳米陶瓷”首先必须采用先进工艺技术制造出颗粒直径在纳米尺度范围的高纯度超细微粉料。第二须借助高新技术精密控制其烧结条件，以确保粉料颗粒异相聚结致密均匀，最大限度降低微气孔含量并保障微气孔尺寸控制在纳米量级范围内，同时要防止粉料晶粒发生二次生长和内部组织结构出现微裂纹等构造缺陷。由于纳米陶瓷内部的超细微晶相颗粒（这大约是数十个或者数百个原子的大小）中原子或离子的个数有限，相应的电子数目也有限，而且处于颗粒边界（晶相界面）上的原子或离子的个数与处于颗粒内部原子或离子的个数相接近。这将导致纳米陶瓷的电磁学性质等发生明显的变化。由于晶粒微细化引起的表面能的增加，则将引起其他一些物理化学性质的变化。显然，纳米陶瓷的出现势必将引发出一系列性能优异的新材料。

然而，由于陶瓷在烧结过程中会出现晶粒长大和微气相组织等一系列问题，要真正制备出致密均匀的纳米陶瓷材料并非一件易事。但是，随着材料科学和材料工程技术的迅速发展和具有纳米量级分辨率工艺的不断进步，一系列新型纳米陶瓷的出现将是为期不远的事。

科学家的研究表明，纳米陶瓷具有许多鲜为人知的奇异特性。例如，硅化物纳米陶瓷的光吸收系数比普通硅酸盐陶瓷大几十倍。通常情况下，陶瓷是脆性材料，经不起热冲击和机械冲击，但纳米氧化锆陶瓷却变成韧性材料，在室温下可以弯曲，范性形变高达100％。纳米陶瓷可显示出有重大意义的量子效应，可以使本来不发光、不透光的陶瓷变成发光陶瓷和透明陶瓷，并且可以大大改善半导体陶瓷材料的电磁特性。

纳米陶瓷的出现必将引起整个陶瓷研究领域的扩展。无论从陶瓷理论、陶瓷工艺、陶瓷性能和应用方面，都将带来更多的新变化、新发展。

2 核能技术的支柱——核反应堆陶瓷

社会的发展离不开能源。随着化石燃料日趋减少，人类对能源的需求量与日俱增而使世界面临能源危机的今天，核能以其热值巨大且无污染之优势在各种能源中所占比重日益增

大。

人们为了安全利用核燃料，就必须设法控制核变链式反应的速度，让核燃料按照人们的要求定时定量释放能量。能实现人为控制核变链式反应的装置叫做核反应堆。核反应堆是核电站的心脏。你是否知道，陶瓷在核反应堆中的重要作用？核反应堆对所用陶瓷材料有什么特殊要求？在核反应堆中，陶瓷材料要经受高能粒子和r射线的考验。因此，除了耐高温、耐腐蚀之外，核反应堆用的陶瓷还须具有优异的抗辐射特性、大剂量的中子吸收本领和结构稳定性。而这些特殊的性能是传统陶瓷所不具备的。我们把这种专用于核反应堆的先进陶瓷称为核反应堆陶瓷。

铀-235原子俘获中子后发生裂变是核反应的物理基础。陶瓷是反应堆的核心材料。在发生核裂变时，不断有原子的裂变碎片分裂出来，并伴随着裂变气体的释放。因此，要求反应堆的核心材料具有一定的高温强度和孔隙度。它既可以对核裂变的碎片有一定的阻挡作用，又可贮存裂变气体，并可承受高温冲击。此外还需要有特殊的化学稳定性和尺寸稳定性等特点。例如，高温气冷反应堆用的是多层碳包复陶瓷核燃料颗粒，疏松的热解碳包复层可以贮存裂变气体，外面再包复热解碳的致密层，以阻挡裂变碎片的冲击。

除了反应堆用的陶瓷材料外，反应堆的控制也需要特种陶瓷材料。反应堆中的核反应过程必须加以人工控制，使反应有序进行，否则，一旦失控后果不堪设想。核反应堆的控制是靠特殊的陶瓷控制棒来实施的。对陶瓷控制棒材料的技术要求是具有大剂量的中子吸收本领和耐高温、耐辐照能力。如一种碳化硼复合烧结体陶瓷能够达到这种技术要求。

核反应堆是一项复杂的系统工程，除了反应堆和控制棒用特种陶瓷外，尚需许多陶瓷隔热罩、陶瓷隔热板、陶瓷热交换器及氦气嘴衬套等。所有这些新型陶瓷材料，均需要耐辐照、耐腐蚀、耐高温、高强度等特点。可以说，核发电技术也与陶瓷材料息息相关。

3 航天器的保护神——烧蚀材料

在晴朗的夜晚，仰望灿烂星空，有时会看到耀眼的陨星，倏忽即逝。它为什么会发光呢？原来，这是高速飞行的陨星进人大气层与空气剧烈摩擦，猛烈燃烧而发出的光亮。当宇宙航天器完成任务返回地球时，面临着与陨星同样的残酷生存环境。研究表明，当宇宙飞船在大气层中飞行速度达到3倍声速时，其前端温度可达330℃；当飞行速度为6倍声速时，可达1 480℃。宇宙飞行器邀游太空归来，到达离地面60～70千米时，速度将保持在声速的20多倍，温度高达10 000℃以上，这样的高温足以把航天器化作一团烈火。高速导致高温，这似乎是一道不可逾越的障碍，人们把这种障碍称为热障。显然热障并没有阻挡住人类挺进宇宙，那么科学家们是如何克服热障，使航天器安全回家的呢？

陨石穿越太空到达地球的神奇经历给了科学家们以特殊的启迪。分析陨石的成分和结构发现，陨石穿越大气层时表面虽然已经熔融，但内部的化学成分没有发生变化。这说明陨石在下落过程中，表面因摩擦生热达到几千度高温而熔融，但由于穿过大气层的时间很短，热量来不及传到陨石内部而熔融物便已脱落。若给宇宙飞行器的头部戴一顶用烧蚀材料制成的“盔甲”，把摩擦产生的热量消耗在烧蚀材料的熔触、气化等一系列物理和化学变化中，“丢卒保车”，就能达到保护宇宙飞行器的目的。

一位宇航员描述了宇宙飞船闯过热障的壮观景象：飞船进入大气层，首先从舷窗中看到烟雾，然后出现五彩缤纷的火焰，同时发出噼噼啪啪的声音。这是飞船头部的烧蚀材料在燃烧，它们牺牲了自己，使飞船内的温度始终维持在常温范围，保护飞船平安返回地面。

作为航天器“盔甲”所用的烧蚀材料，要求具有高强度、耐烧蚀、耐磨损、抗热冲击性好、气化热大，热容量大，绝热性好，向外界辐射热量的功能强等综合优良性能。具此特性的烧蚀材料中，陶瓷是其中的佼佼者，而纤维补强陶瓷材料是最佳选择。

纤维补强陶瓷是以耐高温、高强度、高韧性、高弹性模量的陶瓷纤维为增强体，与陶瓷基体通过采用精密控制的先进复合工艺烧结而形成的一类新型复合材料。可作为其增强体的陶瓷纤维有：碳纤维、碳化硅纤维、碳化锆纤维、氧化锆纤维和氧化铝纤维等先进陶瓷纤维。可作为陶瓷基体的材料有：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、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等先进陶瓷。所选择的增强陶瓷纤维和基体陶瓷性能要匹配，且增强纤维的热膨胀系数应略大于基体，以使二者能较好地凝结在一起，通过纤维补强工艺和精密控制陶瓷烧结工艺的协作，以极大限度地提高复合体的强度。

经过纤维补强的陶瓷材料，既能通过材料设计保留原组分单体（基体和增强体）材料的主要特色，又能通过材料设计及“复合效应”使各组分的性能相互补充、彼此关联，从而使原组分单体的某些性能得到突破性的强化，甚至具有了一些原组分单体所不具备的特殊性能。无论在抗机械冲击性和抗热冲击性方面，还是在其它功能性能方面都有了很大程度的提高，使陶瓷同时具备了高强度、高韧性、高硬度、高模量、高阻抗、耐高温、耐烧蚀、耐磨损、耐腐蚀、抗热冲击和机械冲击性好等综合优良性能。

近年来，材料工程技术人员研制成功了多种能满足航天技术应用的纤维补强陶瓷材料，如以碳素纤维、硼纤维、碳化锆纤维和氧化铝纤维为增强体的碳素基复合陶瓷和氧化锆陶瓷基复合陶瓷等优异的烧蚀材料，可用作导弹头锥、火箭喷火管、航天飞行器头锥和头锥保护罩。

4 新一代无机非金属材料——赛伦

赛伦(Sialon)陶瓷, 叫氧氮化硅铝陶瓷，是“硅－铝－氧－氮”系统及其相关物质系统的固溶体，化学组成上类似于硅铝酸盐，但它并非传统的硅铝酸盐陶瓷，而是以人工合成的高纯的精细粉料：Si3N4、Al2O3、AlN经先进工艺烧结而成的高性能陶瓷。

赛伦的化学通式可表示为：Si6－xAlxOxN8－x 。在不同条件下烧结成的陶瓷材料的化学组成会不同，在1700℃时，x的极限值为4.2，在1400℃时，极限值为2.0，制备工艺可以采用常压烧结或热压烧结，在氮化硅中添加氧化铝，用氧原子取代一部分氮，用铝原子取代一部分硅，烧结时容易通过液相绕结达到致密化，生成均匀的固溶体。赛伦陶瓷中晶相组织的基本结构单元是（Si、Al）（O、N）四面体，其构成方式和Al2O3·2SiO2中的硅氧四面体构成硅酸盐的方式类似。

赛伦以耐高温、高强度、高韧性、超硬度、耐磨损、抗腐蚀等性能为主要特征，在冶金、机械、汽车、光学、医学等领域有重要应用。

赛伦具有超高硬度、高韧性、热稳定性和低的热膨胀系数(好的抗热冲击性)，以及对有色金属无粘合现象等特点，是新型的刀具材料。这种材料制作的刀具没有冷却液也可工作，比起硬质合金来具有切削速度高、寿命长等特点，被广泛用作钻头、丝锥和滚刀，用于加工铸铁、淬火钢、镍基高温合金和钛合金等。例如，赛伦刀具以1525米／分进行高速切削，刀具寿命为硬质合金刀具的10～12倍，金属切除率高于硬质合金刀具的18倍。

利用赛伦具有非常高的高温抗氧化性、耐磨损、摩擦系数小、有自润滑性(摩擦表面微量分解形成薄的气膜)的特性，特别当赛伦---赛伦对磨时，能承受很大的机械应力而可在很高速度和压力下运转，可用做各种机械的耐磨部件。如：①用于制作轴承、滚珠，赛伦轴承的工作温度可达1300℃，比普通合金轴承的工作温度提高2.5倍，而工作速度是普通轴承的10倍，还可免除润滑系统，大大减少了对铬、镍、锰等原料的依赖。②用于制作水泵、砂浆泵、带腐蚀性的化工泵及有粉尘风机中的耐磨、耐腐蚀部件和密封垫圈，其性能优越于其他材料。③用于制作定位梢，焊接定位梢在工作时要承受很大的热应力和机械应力。赛伦定位梢的使用寿命是普通合金定位梢寿命的七百倍。④用于代替金属制造发动机部件，用赛伦

制的汽车内燃机活塞，运行六万千米，只磨损0.76微米。⑤用于代替特种合金材料制作球磨机的磨球，可研磨多种硬质粉料（如陶瓷粉料等）而本身几乎不会受到磨损。⑥用于制作轧钢机械的滚轴和拉拔和压铸模具，在冷轧和冷拨条件下其使用寿命远高于其它材料。

此外，赛伦还用作金属连续浇铸的分流环及喷嘴、热电偶护具、晶体生长器具、高炉底部内衬和耐热坩埚等。在铜铝等合金冶炼和铸造上也得到了应用。

利用赛伦具有很好的电绝缘性和优良的耐热冲击性及其它多种综合性能，可用来制作电热塞，用它进行汽车点火快速而灵敏，使发动机起动时间从原来的6～7秒缩短到1～2秒，并可不别担心寒冷天气汽车启动的困难。

赛伦可制成高透光度的透明陶瓷，用作大功率高压钠灯的灯管，它在高温下与钠蒸气不发生作用，又能把95％以上的可见光传送出来。这种钠光灯是目前世界上发光效率最高的灯。相同功率下，一只高压钠灯要比两只水银灯或十只普通白炽灯发出的光还要亮，寿命比普通白炽灯高20倍，可使用两万小时以上，是目前寿命最长的灯。

赛伦可用于人体硬组织的修复，使其功能得以恢复。与其他材料相比，赛伦和骨组织的化学组成比较接近，生物相容性好，在体内的化学稳定性、生物力学相容性和组织亲和性等也较好。在临床医学上，可用来修复体内的某些病变硬组织。如，髋骨、膝关节、指关节、牙根、脊椎骨联合等。

5 动力机械将从金属发动机走向陶瓷发动机

发动机是车辆、轮船和飞机的“心脏”，谁见过没有发动机的汽车和飞机呢？发动机的主要部分是汽缸，汽缸的好坏是决定发动机性能优劣的关键。

当今的燃汽发动机汽缸是用合金钢制造的。这种汽缸的工作温度只有1000℃左右，而且还需要用循环水冷却，否则汽缸将受热变形而报废。汽缸工作温度低不仅会由于燃料不能充分燃烧而造成能源浪费，而且运转速度的提高受到了很大限制。随着陶瓷技术的发展和先进陶瓷材料在综多领域的成功应用，科技人员对发动机制造技术做了大胆的实验研究，并也做了一些实用性试验，其结果表明：如果用耐高温的陶瓷代替合金钢制成陶瓷发动机，其工作温度可达1300℃～1500℃，燃料燃烧充分而热效率提高了30％，工作功率比钢质发动机提高45％以上。

用先进陶瓷来制造发动机，已成为当前世界各国奋力追求的目标。陶瓷发动机的优越性表现为：①可以有效提高发动机的工作温度，从而大大提高发动机的功率，使发动机具有了更加强劲的动力。②可在高温条件下工作而使燃料燃烧充分，并能有效降低尾气中的有害成分，降低了能源消耗的同时减少了环境污染。③陶瓷的热传导性比金属低，使发动机的保温性能有效提高，热量损耗小而提高了热功转换效率。④陶瓷具有优良的高温强度和刚度，不发生高温变形而可免除发动机的循环水冷却系统。⑤陶瓷坚硬而耐磨损，抗腐蚀性强，与金属发动机相比可有效延长发动机的使用寿命。⑥陶瓷的密度通常不足合金钢密度的1/2，这对减小发动机自身重量也有重要意义。⑦陶瓷材料的生产成本低，用陶瓷代替镍基、钴基耐热合金制造的发动机零部件，成本可降低到合金材料的1／30。

用陶瓷——尤其是具有优良的高温强度、耐蚀性和耐磨损的先进的氮化硅和碳化硅陶瓷代替镍基、钴基耐热合金，首先在高温燃气轮机中，用于制造叶片、燃烧筒、套管、主轴轴承等。同时陶瓷也可用于制造内燃机的各种零部件，如活塞内衬、气缸、预燃筒、挺杆、阀门、喷嘴、涡轮增压器转子及轴承等。据测算，若汽车发动机的所有零部件都采用陶瓷制造，其重量可比合金发动机轻2／3，燃料费用可下降25%左右。1977年美国福特汽车公司用氮化硅和碳化硅陶瓷制造了一台全陶瓷燃汽轮机，其燃气入口温度为1230℃，转速为5万转／分，成功地运转了25小时。1982年，瑞典沃尔沃公司研制的全陶瓷燃汽轮机，成功地进

行了乘用车的实际行驶，在世界上首获成功，其涡轮工作温度为l100℃，转速为5万转／分，运行了10小时。

利用陶瓷涂层来提高发动机性能也是提高发动机质量的可能途径之一。如果把发动机的耐高温部件涂上一层高温陶瓷，便既能保持金属材料的固有强度和韧性，又具有陶瓷的耐高温、耐磨损等特点。也会有效提高发动机的工作效率和延长发动机的使用寿命。据报道，用这种方法可使发动机进气孔道表面的耐热能力从1200℃提高到1700℃。

阻碍陶瓷发动机实用化的主要障碍是陶瓷的脆性和由此导致的低可靠性。若能解决这个问题，将会给人类社会的发展提供强大的推动力。可以预料，在不久的将来，装有高温陶瓷发动机的新一代车、船和飞机，其运行速度将更快，能耗将更低、性能将更好。

6 安全“守护神”的奥秘——气敏陶瓷

地球表层埋藏着大量的煤炭资源，勤劳勇敢的煤矿工人夜以继日地在井下作业，地下的“乌金”被源源不断地送往电厂、钢厂及千家万户，给人类送来光明和温暖。但是，在矿井中有一种危害矿工生命的气体——瓦斯。它不仅会令人窒息，而且一旦爆炸，后果不堪设想。在寒冷的冬天，居民用煤炭取暖，稍不注意会造成煤气中毒。城市居民使用的管道煤气，主要成分是由一氧化碳和氢气组成的，煤气给人们的生活带来了方便，但是这种有毒、易燃、易爆气体一旦泄漏也会造成巨大的危害。某些化工厂生产车间内空气中的有毒气体含量按规定标准须控制在一定范围，否则将危害工人的身体健康。

对空气中的这些有害气体若能做到精确监测、尽早发现、准确预报，将会有效防止事故的发生。为此，科技工作者研制出了专门预报这些有毒、易燃、易爆气体的“电鼻子”。

这种电鼻子学名叫气敏检漏仪。它的“鼻子”是一块“气敏陶瓷”，亦称“气敏半导体”。这种气敏陶瓷是用二氧化锡等无机材料采用精密的先进工艺压制烧结而成的。它的表面和内部吸附着氧分子，当遇到易燃易爆的还原性气体时，就会与其吸附的氧结合，从而引起陶瓷电阻的变化。在这种情况下，气敏检漏仪就会自动报警。这种气敏陶瓷元件对许多气体反映十分灵敏，如氢气浓度的变化量发生百万分之一的改变即能被准确显示。

有了这种“电鼻子”，矿井、工厂和家庭便再也不会为这些还原性有害气体而提心吊胆了。因为只要空气中的还原性气体超标，气敏检漏仪的指示灯就会闪亮，报警器就会鸣响，人们就可采取通风、检漏、堵漏等措施，以防事故的发生。

此外，气敏陶瓷元件对气体浓度的高灵敏检测，在高度自动化的化工生产中用于测量反应斧中的气体浓度，可以实现原料气的自动供给、合成条件稳定性的自动控制和连续化生产。对简化化工合成操作的控制工序，提高生产效率和降低产品成本具有重要作用。

7 与肌体相容的生物陶瓷

制造人体骨骼的替换材料是人类有史以来的梦想。然而，由于临床医学对医用骨骼材料有许多苛刻的要求，直到二十世纪60年代以后，随着材料科学和新材料工程技术的发展，生物陶瓷才逐渐成为一个活跃的领域。目前，生物陶瓷已成为医学临床应用的一类重要材料。

生物陶瓷是指具有特殊生理行为的一类陶瓷材料，这种材料可用来构成人类骨骼和牙齿的某些部分，甚至可望部分或整体地修复或替换人体的某些组织、器官，或增进其功能。

所谓生物陶瓷的特殊生理行为是指生物陶瓷必须满足下述生物学要求：①与生物肌体相容，对生物肌体组织无毒、无刺激、无过敏反应、无致畸、致突变和致癌等作用。②具有一定的力学要求，不仅要有足够的强度和刚度，不发生灾难性的脆性破裂、疲劳、蠕变和腐蚀破裂等，而且要求刚柔相济，其弹性形变应当和被替换的组织相匹配。③能和人体其他组织

相互结合，有优良的组织亲和性。

根据生理环境中所发生的生物化学反应，生物陶瓷可分为三种类型：①接近于生物惰性的生物陶瓷，如氧化铝、氧化锆及氧化钛陶瓷等；②表面活性生物陶瓷，如致密羟基磷灰石陶瓷、生物活性微晶玻璃等；③可吸收生物陶瓷，如类石膏陶瓷、磷酸钙陶瓷及铝酸钙陶瓷等。

临床医学使用最广泛的惰性生物陶瓷是氧化铝陶瓷和生物碳素陶瓷。致密、高度抛光的氧化铝陶瓷在生理环境中具有高的抗压强度、低的摩擦系数和低磨损率，并能长期保持稳定，主要用于人造关节结合部的球和臼，也能被用作人造牙根、中耳小骨和心瓣膜。氧化铝髋关节于1970年开始临床应用，在我国也已应用了多年。

作为生物陶瓷使用的磷酸钙陶瓷主要是羟基磷灰石和磷酸三钙。磷酸钙陶瓷主要以结晶形态的羟磷灰石构成了人体硬组织的主体，因此磷酸钙生物陶瓷和人体组织有良好的相容性。自上世纪70年代以来，这类陶瓷已临床用作牙齿和骨胳的种植体。

材料科学技术和生物医学工程的进展，虽然正在创造品种越来越多的可供临床医学应用的生物陶瓷，但是从分子水平进行种植材料的设计，目前还刚刚起步。我们相信，在不久的将来，会有日益繁多的类似于人体组织的生物陶瓷问世而造福于人类。

8 超越经典离子导体的电解质陶瓷

先进材料往往是一材多能的。具有特殊性能的先进材料也常常是在对某些已有材料性能的研究中得到启示并开发出来的。在材料技术已进入飞速发展的80年代，科技工作者对一些已有先进陶瓷材料性能的测试中发现，一类先进陶瓷的电导率可与液体电解质相比拟，将其称为陶瓷离子导体，也称为快离子导体或固体电解质陶瓷。这类电解质陶瓷的电导率比经典离子导体（如碱金属卤化物）高十几个数量级！

理论上讲，没有缺陷的离子晶体是绝缘体。经典离子晶体具有不高的导电率来源于由晶格中的杂质或热激活引起的晶格结点缺陷的迁移。而电解质陶瓷具有如此之高的电导率，绝非借助于少量点缺陷的迁移所能达到的。

研究结果表明，和普通的金属导体不同（金属导体是靠电子迁移而导电的），快离子导体——即固体电解质陶瓷在传输电荷的同时还伴随有离子的迁移，这使它们具有了不同于电子导体的特殊用途。

首先，在化学电源方面，用作高能燃料电池和高能蓄电池的隔膜材料，固体电解质蓄电池能够突破以水溶液作电解质的传统蓄电池的局限，同时获得高的比能量和比功率。

其次，在化学传感器方面也已显示出其独特的优势。当固体电解质陶瓷两侧存在离子的浓度差时，就会产生浓差电势。电势大小取决于陶瓷两则的浓度差。如果一侧的浓度已知，根据公式可求出另一侧离子的未知浓度。这种通过电势测量直接测定气体、溶液或熔触体中某一元素或离子浓度的方法具有设备简单、操作方便，连续快速等优点，是生产过程自动化的有力帮手。

9 新型光学材料——透明陶瓷

透明陶瓷也称为光学陶瓷或玻璃陶瓷，是一种既有良好透光性又有优异力学性能的先进陶瓷。它作为一种先进陶瓷材料，以其独具无比的优异性能，已成为航天航空、交通照明、电子仪表等技术领域的基础材料和关键材料。

透明陶瓷听来也许有些不可思议。因通常人们接触的陶瓷均为不透明材料，然而目前先进透明陶瓷已在特种照明灯具制造领域得到了广泛运用，即已成为照明灯具制造业的基础材

料，只是你视而不见或见而不识罢了。

其实，有些古瓷常识的人就知道，我国古代的一些陶瓷艺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为国宝珍藏在国家博物馆。但它们也只能算作传统陶瓷品。属硅酸盐类陶瓷。先进的透明陶瓷是以高纯、超细的人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制的先进工艺烧结而成的、比传统陶瓷结构更加精细、性能更加优异的新一代陶瓷。它不仅具有优良的透光性，且在许多力学性能和功能性能上所具有的特异性能是传统陶瓷无可比拟的。为什么先进透明陶瓷会具有优良的透光度呢？

人们在对陶瓷的光学性能研究中认识到：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，是由于陶瓷内部存在微气孔和杂质，当光束射向陶瓷并在其中传播时，陶瓷内部微气孔和杂质对光线具有很强的散射作用而使光线分散传播，光能渐被全部吸收而使陶瓷失去透光性。影响其透光性的因素还有晶粒过大或大小不匀、晶粒中存在结构缺陷等。故制备透明陶瓷的工艺要求非常严格，既要选取适宜物种的高纯原料并制成颗粒均匀的超微细晶粉料，也要求借助高新技术精密控制烧结温度等工艺过程，使陶瓷内部晶粒均匀而最大限度地减少结构缺陷，晶粒聚集致密而最大限度地减少气孔含量，以确保陶瓷品光线透射时光能几乎无损耗。

在对先进透明陶瓷的光学性能的研究中还发现：它们不仅具有优良的透光性，有些先进透明陶瓷甚至具有光放大功能，如已研制出的一种透明的以亚碲酸盐(TeO2)为主要原料的稀土掺杂玻璃陶瓷可将成为开发“光放大器”的优良基质玻璃陶瓷材料。这种玻璃陶瓷为多晶相陶瓷，与通常的陶瓷制法不同，是通过玻璃体结晶制备的：首先通过令其熔料骤冷并冷却到室温制成玻璃态。然后根据玻璃的成分采取精密的工艺条件把它加热到适当的温度，引起内部发生近程结晶而形成多晶相微晶聚结体（即形成陶瓷体）。这种透明陶瓷虽仍处于实验研究阶段，可望这种产品会对未来的光学通信产生深远的影响作用。

对这种稀土掺杂玻璃陶瓷的开发研究远不止此，研究人员已经开始检验稀土掺杂汇兑的透明玻璃陶瓷的荧光特性。实际上，实用技术中已有多种具有发光性能的普通材料，但这些普通发光材料的其它力学性能和功能性能远不具备先进材料的综合性能指标。研究人员试图借助先进陶瓷工艺技术，在制备陶瓷的粉料中掺杂具有荧光性质的稀土元素，去研制具有发光性能的先进透明陶瓷，若开发成功的话，将会出现一系列新型的“发光玻璃陶瓷”。这类发光陶瓷也必将会成为高科技领域的关键材料。

目前已有几十种先进透明陶瓷投入实用技术中。如氧化钇、氧化铝、氟化钙、铝酸镁等透明陶瓷。它们兼有陶瓷的高强、坚硬、耐温、耐蚀、耐磨等优良性能，在特种照明灯具及许多高技术领域中发挥着特殊的应用价值。例如：

（1）用作特种灯具的灯管材料 高压钠光灯是一种发光率极高的电光源（发光率比白炽灯高出10倍以上）。但由于灯管内充有高压气体，灯管内钠蒸汽放电时会产生1000℃以上的高温，且钠的腐蚀性很强，普通玻璃灯管均无法承受。而用透明氧化铝陶瓷制成的灯管在1600℃时不受钠蚀，且透光性好、耐压、使用寿命长。这种透明陶瓷灯管还用在如：钾灯、高压汞灯、卤钨灯等灯具制造上。

（2）用作导弹制导器的防护罩 导弹头部的制导器需要有个防护罩，这个防护罩既要能让欲击目标所幅射出的光波信号透过，又要有足够的强度、硬度和耐温性，以保证导弹高速飞行时抵抗气流等强冲击及导弹与气流摩擦产生的高温烧蚀，确保制导装置正常工作。这种防护罩材料唯有透明陶瓷能胜任。故透明陶瓷成为该领域中的关键材料。

10 神奇的能量转换材料——压电陶瓷

当您将煤气灶的按钮轻轻一揿，迅即燃起蓝色火焰，您可曾意识到是什么带给您的这份

便利呢？将一块看起来平淡无奇的陶瓷接上导线和电流表，用手在上面一摁，电流表的指针也跟着发生摆动－－竟然产生了电流，岂非咄咄怪事？其实，这是“压电陶瓷”所具有的神奇功能，它是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。

压电陶瓷为什么会具有如此神功呢？压电陶瓷是一种因其内部的特殊的晶相结构而能产生压电效应的先进功能陶瓷。所谓“压电效应”是指：某些电介质材料由于结晶体的特殊结构，当受到机械力作用 而发生形变时，引起物件的相对两表面产生异种电荷，且电荷密度与应力成正比，此现象称之为“正压电效应”；反之，在这种材料上施加电场时，引起物件发生机械变形，若施加交变电场，材料则随电场频率作伸缩振动，且形变量（或振幅）与施加的电场强度成正比，此称为“电致伸缩效应（或称逆压电效应）”。二者统称为“压电效应”（原理如右图所示）。可见，压电陶瓷具有实现“机械能”与“电能”相互转换的功能，且能量转换（或信号转换）灵敏而精确、频率稳定性好而转换效率高等性能。

压电陶瓷的制备是以一些高纯度、超精细的无对称中心的无机化合物晶体粉料，经高温致密烧结制成精密陶瓷（如高纯的钛酸钡陶瓷、钛酸铅陶瓷、锆钛酸铅陶瓷等），并在高压直流电场中进行极化处理（以能形成并强化其特定的功能性能）而成。

压电陶瓷的这种奇特的能量转换（或信号转换）功能有着非常广泛的实用价值，主要用作精密仪器及电子技术中的电子元件。

⑴ 用作压电点火器的发火元件 使压电陶瓷元件接受机械冲击时，即刻产生高压脉冲电流（瞬间电压可达数千伏，瞬间电流可达数万安），并在电极尖端放电而产生电弧。此功能用于电子打火机、燃气灶、导弹引爆器中的点火器的发火元件。由于压电陶瓷具有陶瓷的基本性能，即强度高、硬度大、耐磨损、抗氧化，故用压电陶瓷制作的火石在电子打火机和燃气灶的点火器中使用寿命长，打火次数可达100万次以上。也由于压电陶瓷能量转换灵敏精确且转换效率高，故用在导弹引爆装置中作为点火器元件，其引爆准确率相当高而几乎无失误。

⑵ 用作电话手机的信号转换器元件 压电陶瓷在电声信号转换中，无论是受机械振动波的作用还是受到交变电场的影响，均会产生机械形变，其形变量尽管很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，它即能够灵敏而精确地实现声波和电频信号的可逆转化，在现代化通信工具中充当着关键性角色。如当手机中的压电陶瓷传感元件接受声波振动冲击时，会通过正压电效应将声音转换成电频信号经调制成微波信号后向外部发射；同时，从外部接受来的微波信号经解调成电频信号后，会通过压电陶瓷传感元件的电致伸缩效应将其转换成机械振动波，以实现通话。由于压电陶瓷信号转换具有极高的灵敏度和精确度，频率稳定性好而适用频率范围宽，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性。故传话几乎不失真。

⑶ 用作传感探测器的传感元件 压电陶瓷传感性能（即信号转换性能）非常灵敏而精确，可将极微弱的机械振动波（例如在数十米～数百米以外的小昆虫拍打翅膀产生的振动波）和超声波（例如从数百米～数千米以外发射或反射回的超声振动）通过其正压电效应转换成电信号而在示波仪或声纳探测仪等电子仪表上显示出来。这种灵敏而高效的传感元件，可装在地震仪、声纳换能器等精密仪器上精确遥测目标的方位、距离、大小及振动的强度。例如：用压电陶瓷制作的“压电地震仪”，能精确地测出地震强度，地震的方位和距离。

需要是创造发明之母。自从有了飞机，人们就研制出了对付它的雷达。雷达是现代国防的眼睛，利用它可以及时地发现敌人的飞机和导弹，以能及时采取防御措施。但潜艇的发明，给科学家出了一道难题。它藏在海水深处神出鬼没，雷达对它也无能为力。因为雷达发射的电磁波很快就会被海水吸收，无法用它来探测水下的潜艇。在这种情况下，科学家发明了“声纳探测器”。声纳是海洋中的“千里眼”和“顺风耳”。有了它不仅可探测深海潜艇和远方的轮船，而且还可用来探测海洋中的鱼群、沉船、冰山及水下资源。

声纳探测器是利用声波或超声波来探测目标的仪器。主要由声波发射、接收装置和声波分析测算系统组成。声纳的“心脏”是压电换能器。它既可以把接受到的声波转换成电频信号，又可以把电频信号转换成超声波向外发射出去。由于压电陶瓷易于加工成型，电声转换灵敏而精确且转换效率高，所以现代声纳换能器多采用压电陶瓷元件。当压电陶瓷换能器接受到来至远方的声波后，会通过正压电效应将声波转换成电频信号通过声波分析测算系统准确定位发声的目标，也可通过接受和分析由声纳探测器发射出的超声波的反射波来定位目标。由于声波或超声波在水中传播时的衰减率很小，所以声纳探测器特别适用于水下目标的探测定位。

用压电陶瓷制作的“声纳探测仪”具有很重要的实用性：①可以准确确定深海中的潜艇、鱼雷、水雷、冰山和暗礁的方位，同时还能区别前方目标是鲸鱼还是潜艇，是敌方潜艇还是我方潜艇呢，是冰山还是暗礁。②能精确地测出深海中鱼群的位置、鱼种和鱼群的状态，告诉渔民哪儿有可捕的鱼群；③可以用来研究海洋地质，查找深海矿产资源、搜寻海下沉船，进行水下通信联系等。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。

可以说，压电陶瓷虽然是新材料，但也颇具平民性。它用于高科技领域，但更多地是在生活中为人们眼务，创造美好的生活。

11 功能独特的新型无机涂料

说起涂料，我们自然会想到油漆、刮墙料等。其实诸如陶搪器皿表面的“釉”也属于涂料。涂料不仅仅是在物品的外表起装饰作用，更主要地是对物品起保护作用和提高物品的表面性能作用。在某些情况下，涂料的功能是非常奇特的。这里介绍两种功能独特的“新型无机非金属涂料”。

（1）高温陶瓷涂料

普通导线的电绝缘层通常多采用有机合成高分子材料（如塑料、聚酯类或聚酰胺类材料等）作套管，其绝缘皮层厚，不宜用作电动机和变压器等电器设备的绕组线圈，为此而开发出漆包线（涂有绝缘漆的导线）。漆包线的应用使线圈体积缩小而提高了单位体积内线圈的绕线匝数，从而有效提高了电机的功率。但由于其绝缘漆仍属有机高聚物涂料（树脂），其耐热性能差而使线圈的工作温度受到限制，常因机内绕组线圈被烧焦而使电器报废。因而电器工程对用作线圈导线的绝缘层质量提出了“超薄型、高阻抗、耐强热”的高技术指标，高温陶瓷涂料的研制成功向这一高技术指标迈上了一个新台阶。

高温陶瓷涂料，实际上是一种能在导线表面形成一层“瓷质薄涂层”的先进无机非金属涂料。这种涂有陶瓷绝缘层的“瓷包线”的制作，是将导线表面先均匀地敷着一薄层高纯超细的无机化合物粉料调制成的浆料，采用精密控制的先进烧结工艺使表面形成结构致密而精细的超薄型陶瓷涂层。目前采用的高温陶瓷涂料及其形成陶瓷涂层后的电绝缘工作温度为：氟化铝涂层（工作温度：～400℃），搪瓷涂层（工作温度：～700℃），等离子喷涂氧化铝涂层（工作温度：～1300℃）。

这类陶瓷涂层能在其工作温度范围内保持极高的电绝缘性能，且敷着致密而牢固，抗高温氧化性能极强，涂层极薄而耐磨，导线任意弯曲时也不会脱落。这种敷有高温陶瓷涂层的瓷化导线，其各项力学性能和功能性能远优于漆包线。用这种导线绕制的线圈可承受高电压、强电流冲击，能更有效地提高单位体积内线圈的绕线匝数，从而提高了电机的工作效率，并使电机的使用寿命得到大幅度提高。目前此类陶瓷涂层材料已在电力机械、电子技术、原子能技术、航空航天技术等领域得到广泛应用。在日常生活中用作编织毛衣的“瓷化棒针”的表面也是这类涂层材料。

（2）微波吸收涂料

微波是一种波长短、频率高的无线电波。在空间，同时传播着无数种微波。雷达可借助微波进行远程遥控监测，电台（电视台）和电信通信网可借助微波实现无线通讯。微波在现代化信息技术中为信息传输创造了极大的方便，但也会对某些高科技设施、精密仪表产生电磁干扰而使其不能正常工作。因而对微波进行反干扰便成为现代技术中急需解决的重大课题。“微波吸收涂料”即是一种可反微波干扰的新兴无机涂料。

微波吸收涂料由微波吸收剂、粘结剂和添加剂组成。其中微波吸收剂对微波具有极强的吸收功能，能将微波转化成别的能量而消耗掉。可做微波吸收剂的材料有铁氧体瓷粉（由Fe2O3和一种或几种别的金属氧化物组成的瓷粉）和碳化硅瓷粉等。

将微波吸收涂料喷涂在反干扰物表面，会起到防止微波干扰的作用。这种涂料还可用于军事伪装，如侦察机、导弹表面涂上这种涂料层，便会使雷达找不到目标。

11