——陶瓷

中國和陶瓷

陶瓷是陶器和瓷器的總稱。人類自從會使用火以來，知道泥土燒過后會變硬且能保持一定形狀。考古證明，中國在八九千年前就會制造陶器。最初人們把涂有粘土的籃子進行火燒，形成不易透水的容器，用來煮東西吃，以后開始用粘土制成各種形狀的器具，如盛水的壺、缸、盂；煮食的鼎、釜、罐；儲存東西的甕、壇、尊；洗滌用的盆之類，統稱為陶器。我國出土的新石器時代的許多陶器，證明我國是世界上會制造陶器最早的國家之一。

在燒制陶器的過程中，有時發現捏好的陶器坯料在高溫下燒結時，其中容易熔化的部分會化成玻璃狀的粘液把坯料中的小空穴堵死，燒成后不會再吸收水分，輕輕敲打能發出清脆的聲音，這就是最早的瓷器。但在燒瓷器時，如果溫度掌握不好，稍稍過一點，瓷器會變形或燒裂。所以燒瓷器在當時是一項很難的技術。中國早在商代就會燒制瓷器。盡管中國的瓷器后來傳到西方，但沒有一個國家會仿制。“洋人”看到瓷器后非常驚奇，甚至流傳這樣一種說法：“中國人把石膏、雞蛋清和貝殼粉混在一起，然后在地下埋80～100年，就變出了瓷器。”把瓷器說得十分神奇。

由于只有中國才會制作瓷器，外國人把它稱為“中國器具”，至今，西方仍把瓷器叫作“china”。“china”在英文中就是“中國”的意思。由于中國的瓷器質量優良，曾遠銷世界各國，70年代未，在韓國木浦灣發現了一艘幾百年前的沉船，沉船中就有大量中國元朝時期的古瓷。

陶器和瓷器的主要區別：一是原料不同，二是燒結溫度不同。陶器的燒制溫度低，在900℃～1200℃就能燒成，有的甚至只在700℃燒制。瓷器則要在1300℃以上。陶器的原料以粘土為主，加入適量的長石和石英。瓷器的原料按坯體中的主熔劑分為：長石質瓷器（即長石、石英和高嶺土），絹云母質瓷器（即絹云母、石英和高嶺土），骨灰瓷（即磷酸鹽、長石、石英和高嶺土）和滑石質瓷（即滑石、長石和高嶺土）等。陶器的斷面粗糙、疏松，氣孔率大；而瓷器的斷面光潔致密。

普通陶瓷生性脆弱

陶瓷給人的印象總是脆弱得很：一只瓷碗，掉在地上，就會“粉身碎骨”。

近年來，科學家們在對陶瓷進行悉心研究后發現，它之所以如此脆弱，主要有兩個原因：

第一，由于陶器的燒成溫度比較低，通常為800℃～1000℃，因此氣孔率比較高。在陶器碎片的斷面上，少年朋友們不難看到許多小孔洞，且組成陶器的顆粒也比較粗大。

瓷器的燒成溫度雖然要比陶器高得多（通常為1200℃～1400℃），組成的結構也比陶器細密多了，少年朋友們用肉眼可能看不出有什么細微的缺陷，但是，如果你通過顯微鏡進行觀察，在瓷器碎片的斷面上，就可以看到有許許多多細微的傷痕、裂紋、氣孔和夾雜物。要是你把瓷器碎片放在倍數更大的電子顯微鏡下，那么，你還可以發現瓷器在晶體結構方面的缺陷，例如空位、位錯等。而所有這些細微的裂紋、氣孔、夾雜物、晶體缺陷和表面傷痕，都可能成為陶瓷裂紋的發源地。

第二，由于陶瓷屬于脆性材料，一旦出現裂紋，它不像金屬那樣具有塑性變形能力，所以，只好“打破沙鍋紋到底”了。至于在熱沖擊的條件下，由于陶瓷的導熱性較差，熱膨脹系數大，熱應力由此增加，因此，裂紋的擴展速度更會進一步加劇。在日常生活中，如果我們用沙鍋燉（煮）食物，只能用文火慢慢加溫，要是一開始就用猛火急燒，就會出現沙鍋炸裂事故。即使是燒好后，也不能用水急冷。

新穎陶瓷

所謂新穎陶瓷，必須克服普通陶瓷脆性這一缺點。經過許多科學家的不懈努力，現在人們終于找到了克服陶瓷脆性的藥方。

首先，從改善內部結構著手。研究表明，在氧化鋯陶瓷的原料中，添加少量的氧化釔、氧化鎂、氧化鈣等粉未，經高溫燒制成氧化鋯陶瓷后，其中的氧化鋯便生成兩種晶體，它們叫立方晶體和四方晶體。當陶瓷受到外力作用時，四方晶體便變成一種單斜晶體，體積迅速“膨脹”。由于晶體的體積急速增大，進而可阻止陶瓷中原先存在的細微裂紋的擴展。這樣，陶瓷就不會破裂了。

其次，可在改善陶瓷的表面狀態方面下功夫。一般說來，陶瓷的斷裂大都從表面的缺陷開始，因此，改善陶瓷的表面狀態，猶如為防止陶瓷的破損設下了第一道屏障。具體方法為：通過化學或機械拋光技術消除陶瓷的表面缺陷；對氮化硅、碳化硅等非氧化物，只要通過控制表面氧化技術，便可消除表面缺陷或者使裂紋尖端變鈍；通過熱處理也可達到表面強化和增韌的目的。

第三，將纖維均勻地分布于陶瓷原料之中，以提高陶瓷的強度和韌性。其原理與我們在石灰中加入紙筋相類似。

這是因為，將纖維加入陶瓷原料之中，具有三大作用：①纖維不易拉斷，在工作時可承擔大部分外加負荷，從而減輕了陶瓷的負擔，進而使裂紋不易產生；②纖維與陶瓷體結合在一起以后、具有很大的摩擦力，于是，陶瓷的韌性可大大提高；③即使陶瓷內出現了細微裂紋，纖維也能將它們緊緊拉住，不至于進一步擴展開來。

新穎陶瓷可以制作成陶瓷榔頭、陶瓷菜刀、陶瓷剪刀等工業產品和生活用具。從外觀上看，這些陶瓷制品與普通的鋼鐵制品并沒有什么不同，只是毫無鋼鐵的成分。“新穎陶瓷”又稱“韌性陶瓷”。

韌性陶瓷除了不怕撞擊不怕摔打的優點以外，還具有強度大、硬度高、不怕化學腐蝕等優點。它除了可以制作榔頭和刀剪以外，還可以制造開瓶器、螺絲刀、斧頭、鋸子等器具。

至于說到這些新產品的長處，那是顯而易見的：用陶瓷菜刀切食物，不會在食物上留下令人討厭的鐵腥味，它特別適合于切生吃的食物和熟食；陶瓷剪刀的鋒利程度不亞于鋼制剪刀，可以用來裁剪紙張、綢布等。由于它不會帶磁性，因此特別適宜于剪接錄音磁帶和錄像磁帶。

新穎陶瓷產品韌性陶瓷還可以用來制做手表殼，制造加工金屬用的切削工具、防彈盔甲、人造骨骼和關節呢。不過，材料科學家對韌性陶瓷最感興趣的是利用它代替金屬材料制造發動機。

去污陶瓷

1988年，歐洲共同體國家為了響應聯合國環境規劃署的倡議，經過長達六年的協商后，一致同意各國共同努力減少大氣污染，其中包括減少有害氣體氧化氮的排放。

特別是英國、法國、德國、意大利、西班牙、荷蘭、比利時、丹麥、愛爾蘭、希臘、盧森堡等十二個國家還簽訂了保證書，保證到1998年要使氧化氮的排放量比1980年減少33％。

英國是工業發達國家，汽車、飛機和各種火力發電廠在這個面積不大的國家排放出大量有害氣體。尤其是飛機排放的氧化氮對大氣的影響不可輕視。人們或許奇怪，飛機燒的是汽油，怎么會排放氧化氮呢？這引起了英國劍橋大學材料科學系的研究人員比爾·克萊格的興趣，并參與了弄清和解決這一問題的研究。首先他和他的同事弄清楚了為什么飛機燒汽油會排放出氧化氮的奧秘。原來它和航空發動機所用的材料有關。一般的航空發動機的渦輪葉片都是用耐熱合金制造的，但耐熱合金在溫度達到1000℃以上時，強度就會降低變軟。而驅動渦輪葉片的火焰氣體溫度卻高達2000℃。為了使渦輪葉片不變軟，現在采用的方法是吹一層冷空氣膜把熾熱的火焰和葉片表面隔離開來，同時冷卻葉片。但是在冷卻空氣膜和火焰接觸混合后，溫度會立即升高到1800～1900℃。在如此高的溫度下，空氣中的氮和氧就會發生化學反應，形成氧化氮這種有害氣體。

克萊格和他的伙伴們想，要去掉氧化氮，首先要廢除用空氣冷卻葉片這種原始方法。但如果不用冷卻空氣就必須提高葉片的耐熱溫度。可是現在最好的耐熱合金也只能耐1100℃左右的高溫。于是他們就想利用能耐1500℃以上高溫的陶瓷制造渦輪葉片。但是現在大多數陶瓷都很脆，一碰就碎。怎樣才能得到又硬又不脆的陶瓷呢？克萊格想起了蝸牛。他知道，別看蝸牛的肉軟乎乎的，可它背上背的那個薄薄的殼卻硬而不脆。蝸牛殼為何有此特性呢？克萊格用顯微鏡觀察了蝸牛殼的結構。結果發現蝸牛殼是由許多碳酸鈣層和薄薄的蛋白質層交替地組成的，就像千層餅似的結構。那些碳酸鈣層雖硬而脆，但它們之間夾著的蛋白質卻那么柔韌，即使有一兩層碳酸鈣碰裂了，但夾在其中的蛋白質層能擋住這些裂紋擴大延伸，因此整個蝸牛殼就又硬又不脆。

于是克萊格在1994年仿照蝸牛殼的結構生產了一種千層餅似的層狀材料，是用150微米厚的碳化硅陶瓷片和5微米厚的石墨片交替地疊加，再加熱加壓而成的。這種石墨層軟而耐熱，即使受到碰撞，它能分散碰撞時的應力并防止已開裂的個別碳化硅層的裂紋擴大。現在克萊格已經制成了這種蝸牛殼結構式的材料，并在航空發動機的燃燒室內成功地進行了試驗。果然使氧化氮的排放量大大減少。

有“知覺”的陶瓷

大家知道，傳感器是檢測技術、自動控制、遙感技術必不可少的敏感元件。敏感元件主要依靠一類叫敏感陶瓷材料來制造。敏感陶瓷材料品種繁多，難以數計。有電敏、光敏、聲敏、磁敏、熱敏、氣敏、濕敏陶瓷材料等許多類型。它們是獲得各種信息、感知并傳遞信息的關鍵材料，是實現自動控制的重要物質基礎。敏感陶瓷材料在自動控制儀表中就相當于人的五官，起視覺、嗅覺、味覺、聽覺和觸覺器官的作用。在防止火災、煤氣中毒、工程事故中有十分重要的作用。

1990年11月4日，《北京晚報》報道了一條消息，說的是原蘇聯大馬戲團來京演出時，住在北京國際飯店，馬戲團招募的一名工作人員在客房內吸煙，隨手把未熄滅的火柴梗扔進紙簍后離去，結果引著了地毯，幸虧裝在室內的煙霧報警器鳴叫，才避免了一起重大的火災。

煙霧報警器為什么能報警呢？靠的就是煙霧傳感器中氣敏陶瓷材料。它的特點就是只要它與一氧化碳和煙霧一類的氣體一接觸，其電阻就立即發生顯著變化。人們利用這一特點，把氣敏陶瓷材料作的傳感器裝在室內或廚房內，并和一個報警電路連接起來，當室內的煙霧達到千分之幾的時候，電路中的電阻就會發生變化而自動接通報警器。

50年代末，在英國發生了一場特大的暴風雪，一輛在中途拋錨的汽車被困在暴風雪中等待救援時，司機為了取暖就用發動機開動暖氣。不料由于發動機內的燃料燃燒不充分，排出的廢氣中有一氧化碳進入車內，結果司機和乘客全部中毒而死。為了防止類似的事件發生，英國運輸部門研究了一種人工鼻。這種人工鼻和汽車上的一個自動報警系統相連，當汽車內一氧化碳等有毒氣體的含量一旦達到危險程度時，警鈴就會響聲大作，告訴司機：危險！

這種人工鼻實際上和煙霧報警器很相似，也是用氣敏陶瓷材料制造的。人工鼻約30厘米長，對二氧化碳一類有毒氣體的嗅覺靈敏度甚至超過嗅覺非常靈敏的狗和豬。

除在汽車上使用外，也可以安裝在住宅、工廠和其他車輛中，以監測有毒氣體對人類的危害。氣敏陶瓷材料中最敏感的是二氧化錫，它一遇到一氧化碳或煙霧，其電阻率就發生變化。有些氣敏陶瓷材料，如氧化鋅、氧化鐵對液化氣中的主要成分丁烷、丙烷及天然氣中的主要成分甲烷也很靈敏。在廚房中裝上用氧化物陶瓷制成的煤氣泄漏報警器，就可以防止因煤氣泄漏引起的危險。

壓電陶瓷

說到能量轉換，少年朋友們大都容易理解。例如，電燈把電能轉化成為光能和熱能；電動機帶動水泵把水抽到山坡的梯田上；大壩下的水輪機帶動發電機發電，是把機械能轉化為電能……然而，你可知道，有一種壓電陶瓷，它能使機械能和電能互相轉換，為我們做許許多多有益的事情呢。

壓電現象是100多年前居里兄弟研究石英時發現的。

我們在上面提到的壓電陶瓷，是一種先進功能陶瓷，它具有壓電效應。

那么，什么是壓電效應呢？

當你在點燃煤氣灶或熱水器時，就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務了一次。生產廠家在這類壓電點火裝置內，藏著一塊壓電陶瓷，當用戶按下點火裝置的彈簧時，傳動裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產生很高的電壓，進而將電能引向燃氣的出口放電，于是，燃氣就被電火花點燃了。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應。

壓電效應的原理是，如果對壓電陶瓷施加壓力，它便會產生電位差（稱之為正壓電效應），反之施加電壓，則產生機械應力（稱為逆壓電效應）。如果壓力是一種高頻震動，則產生的就是高頻電流。而高頻電信號加在壓電陶瓷上時，則產生高頻聲信號（機械震動），這就是我們平常所說的超聲波信號。也就是說，壓電陶瓷具有機械能與電能之間的轉換和逆轉換的功能，這種相互對應的關系確實非常有意思。

壓電陶瓷的用途十分廣泛。據粗略統計，壓電陶瓷至少有20多種用途。讓我們僅舉幾例：

近年來，煤氣公司出售的一種新式的電子打火機，就是應用壓電陶瓷的壓電效應制成的。有些少年朋友假如在中午要自己把飯菜熱一下，你一定有這方面的“經驗”：只要用大拇指壓一下打火機上的按鈕，壓電陶瓷即產生高電壓，形成火花放電，從而點燃煤氣。當壓電陶瓷把機械能轉換成電能放電時，陶瓷本身不會消耗，也幾乎沒有磨損，可以長久使用下去。所以，壓電打火機使用方便，安全可靠，壽命長。據煤氣公司銷售人員介紹，一把壓電打火機可使用30萬次以上。以每年使用3000次計算，約可以使用100年。

地震這一自然現象，一直顯得異常猙獰可畏。地球每年發生的地震大約有幾百萬次，其中人能感覺到的約為幾萬次，約占1％。20世紀以來，已發生10次破壞性大地震，其中有4次發生在中國。

壓電打火機大地震一旦發生，對人類造成的災難是毀滅性的，因此，地震預報十分重要。由于壓電陶瓷的壓電效應非常靈敏，能精確地測出地殼內細微的變化，甚至可以檢測到10多米外昆蟲拍打翅膀引起的空氣振動，所以，壓電地震儀能精確地測出地震強度。由于壓電陶瓷能測定聲波的傳播方向，因此，壓電地震儀還能告訴人們地震的方位和距離。有壓電地震儀來預報地震，人們可以放心多了。

在軍事上，人們在制造穿甲彈的時候，常常把壓電陶瓷安裝在彈頭部位。只要穿甲彈一擊中坦克，炸藥就會被壓電陶瓷產生的高壓電點燃而爆炸，把坦克炸得粉碎。