第1章 走出远古的新材料(1)

——陶瓷

中国和陶瓷

陶瓷是陶器和瓷器的总称。人类自从会使用火以来，知道泥土烧过后会变硬且能保持一定形状。考古证明，中国在八九千年前就会制造陶器。最初人们把涂有粘土的篮子进行火烧，形成不易透水的容器，用来煮东西吃，以后开始用粘土制成各种形状的器具，如盛水的壶、缸、盂；煮食的鼎、釜、罐；储存东西的瓮、坛、尊；洗涤用的盆之类，统称为陶器。我国出土的新石器时代的许多陶器，证明我国是世界上会制造陶器最早的国家之一。

在烧制陶器的过程中，有时发现捏好的陶器坯料在高温下烧结时，其中容易熔化的部分会化成玻璃状的粘液把坯料中的小空穴堵死，烧成后不会再吸收水分，轻轻敲打能发出清脆的声音，这就是最早的瓷器。但在烧瓷器时，如果温度掌握不好，稍稍过一点，瓷器会变形或烧裂。所以烧瓷器在当时是一项很难的技术。中国早在商代就会烧制瓷器。尽管中国的瓷器后来传到西方，但没有一个国家会仿制。“洋人”看到瓷器后非常惊奇，甚至流传这样一种说法：“中国人把石膏、鸡蛋清和贝壳粉混在一起，然后在地下埋80～100年，就变出了瓷器。”把瓷器说得十分神奇。

由于只有中国才会制作瓷器，外国人把它称为“中国器具”，至今，西方仍把瓷器叫作“china”。“china”在英文中就是“中国”的意思。由于中国的瓷器质量优良，曾远销世界各国，70年代未，在韩国木浦湾发现了一艘几百年前的沉船，沉船中就有大量中国元朝时期的古瓷。

陶器和瓷器的主要区别：一是原料不同，二是烧结温度不同。陶器的烧制温度低，在900℃～1200℃就能烧成，有的甚至只在700℃烧制。瓷器则要在1300℃以上。陶器的原料以粘土为主，加入适量的长石和石英。瓷器的原料按坯体中的主熔剂分为：长石质瓷器（即长石、石英和高岭土），绢云母质瓷器（即绢云母、石英和高岭土），骨灰瓷（即磷酸盐、长石、石英和高岭土）和滑石质瓷（即滑石、长石和高岭土）等。陶器的断面粗糙、疏松，气孔率大；而瓷器的断面光洁致密。

普通陶瓷生性脆弱

陶瓷给人的印象总是脆弱得很：一只瓷碗，掉在地上，就会“粉身碎骨”。

近年来，科学家们在对陶瓷进行悉心研究后发现，它之所以如此脆弱，主要有两个原因：

第一，由于陶器的烧成温度比较低，通常为800℃～1000℃，因此气孔率比较高。在陶器碎片的断面上，少年朋友们不难看到许多小孔洞，且组成陶器的颗粒也比较粗大。

瓷器的烧成温度虽然要比陶器高得多（通常为1200℃～1400℃），组成的结构也比陶器细密多了，少年朋友们用肉眼可能看不出有什么细微的缺陷，但是，如果你通过显微镜进行观察，在瓷器碎片的断面上，就可以看到有许许多多细微的伤痕、裂纹、气孔和夹杂物。要是你把瓷器碎片放在倍数更大的电子显微镜下，那么，你还可以发现瓷器在晶体结构方面的缺陷，例如空位、位错等。而所有这些细微的裂纹、气孔、夹杂物、晶体缺陷和表面伤痕，都可能成为陶瓷裂纹的发源地。

第二，由于陶瓷属于脆性材料，一旦出现裂纹，它不像金属那样具有塑性变形能力，所以，只好“打破沙锅纹到底”了。至于在热冲击的条件下，由于陶瓷的导热性较差，热膨胀系数大，热应力由此增加，因此，裂纹的扩展速度更会进一步加剧。在日常生活中，如果我们用沙锅炖（煮）食物，只能用文火慢慢加温，要是一开始就用猛火急烧，就会出现沙锅炸裂事故。即使是烧好后，也不能用水急冷。

新颖陶瓷

所谓新颖陶瓷，必须克服普通陶瓷脆性这一缺点。经过许多科学家的不懈努力，现在人们终于找到了克服陶瓷脆性的药方。

首先，从改善内部结构着手。研究表明，在氧化锆陶瓷的原料中，添加少量的氧化钇、氧化镁、氧化钙等粉未，经高温烧制成氧化锆陶瓷后，其中的氧化锆便生成两种晶体，它们叫立方晶体和四方晶体。当陶瓷受到外力作用时，四方晶体便变成一种单斜晶体，体积迅速“膨胀”。由于晶体的体积急速增大，进而可阻止陶瓷中原先存在的细微裂纹的扩展。这样，陶瓷就不会破裂了。

其次，可在改善陶瓷的表面状态方面下功夫。一般说来，陶瓷的断裂大都从表面的缺陷开始，因此，改善陶瓷的表面状态，犹如为防止陶瓷的破损设下了第一道屏障。具体方法为：通过化学或机械抛光技术消除陶瓷的表面缺陷；对氮化硅、碳化硅等非氧化物，只要通过控制表面氧化技术，便可消除表面缺陷或者使裂纹尖端变钝；通过热处理也可达到表面强化和增韧的目的。

第三，将纤维均匀地分布于陶瓷原料之中，以提高陶瓷的强度和韧性。其原理与我们在石灰中加入纸筋相类似。

这是因为，将纤维加入陶瓷原料之中，具有三大作用：①纤维不易拉断，在工作时可承担大部分外加负荷，从而减轻了陶瓷的负担，进而使裂纹不易产生；②纤维与陶瓷体结合在一起以后、具有很大的摩擦力，于是，陶瓷的韧性可大大提高；③即使陶瓷内出现了细微裂纹，纤维也能将它们紧紧拉住，不至于进一步扩展开来。

新颖陶瓷可以制作成陶瓷榔头、陶瓷菜刀、陶瓷剪刀等工业产品和生活用具。从外观上看，这些陶瓷制品与普通的钢铁制品并没有什么不同，只是毫无钢铁的成分。“新颖陶瓷”又称“韧性陶瓷”。

韧性陶瓷除了不怕撞击不怕摔打的优点以外，还具有强度大、硬度高、不怕化学腐蚀等优点。它除了可以制作榔头和刀剪以外，还可以制造开瓶器、螺丝刀、斧头、锯子等器具。

至于说到这些新产品的长处，那是显而易见的：用陶瓷菜刀切食物，不会在食物上留下令人讨厌的铁腥味，它特别适合于切生吃的食物和熟食；陶瓷剪刀的锋利程度不亚于钢制剪刀，可以用来裁剪纸张、绸布等。由于它不会带磁性，因此特别适宜于剪接录音磁带和录像磁带。

新颖陶瓷产品韧性陶瓷还可以用来制做手表壳，制造加工金属用的切削工具、防弹盔甲、人造骨骼和关节呢。不过，材料科学家对韧性陶瓷最感兴趣的是利用它代替金属材料制造发动机。

去污陶瓷

1988年，欧洲共同体国家为了响应联合国环境规划署的倡议，经过长达六年的协商后，一致同意各国共同努力减少大气污染，其中包括减少有害气体氧化氮的排放。

特别是英国、法国、德国、意大利、西班牙、荷兰、比利时、丹麦、爱尔兰、希腊、卢森堡等十二个国家还签订了保证书，保证到1998年要使氧化氮的排放量比1980年减少33％。

英国是工业发达国家，汽车、飞机和各种火力发电厂在这个面积不大的国家排放出大量有害气体。尤其是飞机排放的氧化氮对大气的影响不可轻视。人们或许奇怪，飞机烧的是汽油，怎么会排放氧化氮呢？这引起了英国剑桥大学材料科学系的研究人员比尔·克莱格的兴趣，并参与了弄清和解决这一问题的研究。首先他和他的同事弄清楚了为什么飞机烧汽油会排放出氧化氮的奥秘。原来它和航空发动机所用的材料有关。一般的航空发动机的涡轮叶片都是用耐热合金制造的，但耐热合金在温度达到1000℃以上时，强度就会降低变软。而驱动涡轮叶片的火焰气体温度却高达2000℃。为了使涡轮叶片不变软，现在采用的方法是吹一层冷空气膜把炽热的火焰和叶片表面隔离开来，同时冷却叶片。但是在冷却空气膜和火焰接触混合后，温度会立即升高到1800～1900℃。在如此高的温度下，空气中的氮和氧就会发生化学反应，形成氧化氮这种有害气体。

克莱格和他的伙伴们想，要去掉氧化氮，首先要废除用空气冷却叶片这种原始方法。但如果不用冷却空气就必须提高叶片的耐热温度。可是现在最好的耐热合金也只能耐1100℃左右的高温。于是他们就想利用能耐1500℃以上高温的陶瓷制造涡轮叶片。但是现在大多数陶瓷都很脆，一碰就碎。怎样才能得到又硬又不脆的陶瓷呢？克莱格想起了蜗牛。他知道，别看蜗牛的肉软乎乎的，可它背上背的那个薄薄的壳却硬而不脆。蜗牛壳为何有此特性呢？克莱格用显微镜观察了蜗牛壳的结构。结果发现蜗牛壳是由许多碳酸钙层和薄薄的蛋白质层交替地组成的，就像千层饼似的结构。那些碳酸钙层虽硬而脆，但它们之间夹着的蛋白质却那么柔韧，即使有一两层碳酸钙碰裂了，但夹在其中的蛋白质层能挡住这些裂纹扩大延伸，因此整个蜗牛壳就又硬又不脆。

于是克莱格在1994年仿照蜗牛壳的结构生产了一种千层饼似的层状材料，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叠加，再加热加压而成的。这种石墨层软而耐热，即使受到碰撞，它能分散碰撞时的应力并防止已开裂的个别碳化硅层的裂纹扩大。现在克莱格已经制成了这种蜗牛壳结构式的材料，并在航空发动机的燃烧室内成功地进行了试验。果然使氧化氮的排放量大大减少。

有“知觉”的陶瓷

大家知道，传感器是检测技术、自动控制、遥感技术必不可少的敏感元件。敏感元件主要依靠一类叫敏感陶瓷材料来制造。敏感陶瓷材料品种繁多，难以数计。有电敏、光敏、声敏、磁敏、热敏、气敏、湿敏陶瓷材料等许多类型。它们是获得各种信息、感知并传递信息的关键材料，是实现自动控制的重要物质基础。敏感陶瓷材料在自动控制仪表中就相当于人的五官，起视觉、嗅觉、味觉、听觉和触觉器官的作用。在防止火灾、煤气中毒、工程事故中有十分重要的作用。

1990年11月4日，《北京晚报》报道了一条消息，说的是原苏联大马戏团来京演出时，住在北京国际饭店，马戏团招募的一名工作人员在客房内吸烟，随手把未熄灭的火柴梗扔进纸篓后离去，结果引着了地毯，幸亏装在室内的烟雾报警器鸣叫，才避免了一起重大的火灾。

烟雾报警器为什么能报警呢？靠的就是烟雾传感器中气敏陶瓷材料。它的特点就是只要它与一氧化碳和烟雾一类的气体一接触，其电阻就立即发生显著变化。人们利用这一特点，把气敏陶瓷材料作的传感器装在室内或厨房内，并和一个报警电路连接起来，当室内的烟雾达到千分之几的时候，电路中的电阻就会发生变化而自动接通报警器。

50年代末，在英国发生了一场特大的暴风雪，一辆在中途抛锚的汽车被困在暴风雪中等待救援时，司机为了取暖就用发动机开动暖气。不料由于发动机内的燃料燃烧不充分，排出的废气中有一氧化碳进入车内，结果司机和乘客全部中毒而死。为了防止类似的事件发生，英国运输部门研究了一种人工鼻。这种人工鼻和汽车上的一个自动报警系统相连，当汽车内一氧化碳等有毒气体的含量一旦达到危险程度时，警铃就会响声大作，告诉司机：危险！

这种人工鼻实际上和烟雾报警器很相似，也是用气敏陶瓷材料制造的。人工鼻约30厘米长，对二氧化碳一类有毒气体的嗅觉灵敏度甚至超过嗅觉非常灵敏的狗和猪。

除在汽车上使用外，也可以安装在住宅、工厂和其他车辆中，以监测有毒气体对人类的危害。气敏陶瓷材料中最敏感的是二氧化锡，它一遇到一氧化碳或烟雾，其电阻率就发生变化。有些气敏陶瓷材料，如氧化锌、氧化铁对液化气中的主要成分丁烷、丙烷及天然气中的主要成分甲烷也很灵敏。在厨房中装上用氧化物陶瓷制成的煤气泄漏报警器，就可以防止因煤气泄漏引起的危险。

压电陶瓷

说到能量转换，少年朋友们大都容易理解。例如，电灯把电能转化成为光能和热能；电动机带动水泵把水抽到山坡的梯田上；大坝下的水轮机带动发电机发电，是把机械能转化为电能……然而，你可知道，有一种压电陶瓷，它能使机械能和电能互相转换，为我们做许许多多有益的事情呢。

压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。

我们在上面提到的压电陶瓷，是一种先进功能陶瓷，它具有压电效应。

那么，什么是压电效应呢？

当你在点燃煤气灶或热水器时，就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压，进而将电能引向燃气的出口放电，于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。

压电效应的原理是，如果对压电陶瓷施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。

压电陶瓷的用途十分广泛。据粗略统计，压电陶瓷至少有20多种用途。让我们仅举几例：

近年来，煤气公司出售的一种新式的电子打火机，就是应用压电陶瓷的压电效应制成的。有些少年朋友假如在中午要自己把饭菜热一下，你一定有这方面的“经验”：只要用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷即产生高电压，形成火花放电，从而点燃煤气。当压电陶瓷把机械能转换成电能放电时，陶瓷本身不会消耗，也几乎没有磨损，可以长久使用下去。所以，压电打火机使用方便，安全可靠，寿命长。据煤气公司销售人员介绍，一把压电打火机可使用30万次以上。以每年使用3000次计算，约可以使用100年。

地震这一自然现象，一直显得异常狰狞可畏。地球每年发生的地震大约有几百万次，其中人能感觉到的约为几万次，约占1％。20世纪以来，已发生10次破坏性大地震，其中有4次发生在中国。

压电打火机大地震一旦发生，对人类造成的灾难是毁灭性的，因此，地震预报十分重要。由于压电陶瓷的压电效应非常灵敏，能精确地测出地壳内细微的变化，甚至可以检测到10多米外昆虫拍打翅膀引起的空气振动，所以，压电地震仪能精确地测出地震强度。由于压电陶瓷能测定声波的传播方向，因此，压电地震仪还能告诉人们地震的方位和距离。有压电地震仪来预报地震，人们可以放心多了。

在军事上，人们在制造穿甲弹的时候，常常把压电陶瓷安装在弹头部位。只要穿甲弹一击中坦克，炸药就会被压电陶瓷产生的高压电点燃而爆炸，把坦克炸得粉碎。