陶瓷器

陶瓷材料的种类

对于方便陶瓷产品通常分为四个部门，下面以一些例子来说明。

• 结构性的，包括砖头、管道、地板和屋顶瓦片。
• 耐火材料，如窑炉内衬、气体火辐射器、钢制和玻璃制造坩埚。
• 洁具，包括餐具、墙砖、装饰艺术品和卫生洁具。
• 技术陶瓷也被称为工程陶瓷、高级陶瓷、特殊陶瓷，在日本称为精细陶瓷。如航天飞机计划中使用的瓷砖、燃气燃烧器喷嘴、防弹衣、核燃料氧化铀颗粒、生物医学植入物、喷气发动机涡轮叶片、导弹鼻锥等。原材料往往不包括粘土。

陶瓷的例子

• 瓷器
• '硬贴'瓷器，烧制温度较高。
• '软膏'瓷，烧制温度较低。骨瓷
• 陶器，通常由粘土、石英和长石制成。
• 瓷器

技术陶瓷的分类

技术陶瓷也可分为三种不同的材料类别。

• 氧化物：氧化铝、氧化锆。
• 非氧化物：碳化物、硼化物、氮化物、硅化物；
• 复合材料：颗粒增强，氧化物和非氧化物的组合。

每一类都可以发展出独特的材料特性。

模拟航天飞机在重返地球大气层时加热到1,500℃以上的外部情况

陶瓷的特性

机械性能

陶瓷材料通常是离子或共价键材料，可以是晶体或非晶体。通过任何一种类型的键结合在一起的材料将倾向于在发生任何塑性变形之前断裂（断裂），这导致这些材料的韧性差。此外，由于这些材料往往有很多孔隙，孔隙和其他微观缺陷作为应力集中器，进一步降低韧性，并降低拉伸强度。这些因素结合在一起，就会产生灾难性的失效，而金属的失效模式通常要温和得多。

这些材料确实出现了塑性变形。但是，由于晶体材料的结构僵硬，可供位错移动的滑移系统很少，所以它们的变形非常缓慢。对于非晶体（玻璃质）材料，粘性流动是塑性变形的主要来源，而且速度也很慢。正因为如此，在陶瓷材料的许多应用中，它被忽略了。

电性能

半导体产品

有一些陶瓷是半导体。其中大部分是属于II-VI半导体的过渡金属氧化物，如氧化锌。

虽然有人在谈论用氧化锌制造蓝色LED，但陶瓷学家最感兴趣的是显示晶界效应的电气特性。其中应用最广泛的是变阻器。

半导体陶瓷也被用作气体传感器。当各种气体通过多晶陶瓷时，其电阻会发生变化。随着对可能的气体混合物的调整，可以生产出非常便宜的设备。

超导性

在某些条件下，如极低的温度下，一些陶瓷表现出超导性。确切的原因尚不清楚，但有两大类超导陶瓷。

铁电及其亲属

压电，是电反应和机械反应之间的一种联系，大量的陶瓷材料都表现出了这种特性，包括手表和其他电子产品中用来测量时间的石英。这类器件将电转为机械运动，再转回来，形成稳定的振荡器。

压电效应一般在同时表现出热释电的材料中更强，所有的热释电材料也都是压电材料。这些材料可用于热能、机械能和/或电能之间的相互转换，例如，在炉中合成后，在不施加应力的情况下让热释电晶体冷却，一般会建立起数千伏的静电荷。这种材料被用于运动传感器中，在这种情况下，一个温暖的身体进入房间所产生的微小温度上升就足以在晶体中产生一个可测量的电压。

反过来，热释电性在同时显示铁电效应的材料中表现得最为强烈，在这种材料中，稳定的电偶极子可以通过施加静电场而定向或反向。热电性也是铁电性的必然结果。这可以用来存储信息的铁电电容器、铁电RAM的元件。

最常见的此类材料是锆钛酸铅和钛酸钡。除了上述用途外，它们的强压电响应还被用于设计高频扬声器、声纳用的传感器、原子力和扫描隧道显微镜的执行器。

正热系数

温度的升高会使一些半导体陶瓷材料（多为重金属钛酸盐的混合物）的晶界突然变得绝缘。临界转变温度可以通过化学成分的变化在很大范围内进行调整。在这种材料中，电流将通过材料，直到焦耳加热使其达到过渡温度，此时电路将被破坏，电流将停止流动。这种陶瓷被用作自控的加热元件，例如汽车的后窗除霜电路。

在过渡温度下，材料的介电响应在理论上变得无限大。虽然由于缺乏温度控制，该材料在临界温度附近的任何实际用途都会被排除，但即使在更高的温度下，介电效应仍然异常强大。临界温度远低于室温的钛酸盐已经成为陶瓷电容器中"陶瓷"的代名词，就是因为这个原因。

陶瓷的分类

非晶体陶瓷。非晶体陶瓷是玻璃，往往由熔体形成。当玻璃完全熔化时，通过铸造，或当处于太妃糖般的粘稠状态时，通过吹制模具等方法成型。如果后来的热处理使该类材料成为部分结晶，则所得到的材料称为玻璃陶瓷。

晶体陶瓷。结晶陶瓷材料的加工范围不大。处理它们的方法往往分为两类--要么通过原地反应使陶瓷形成所需形状，要么将粉末"成型"成所需形状，然后烧结形成实体。陶瓷成型技术包括用手成型（有时包括称为"抛"的旋转过程）、滑铸、磁带浇铸（用于制造非常薄的陶瓷电容器等）、注射成型、干压和其他变化。参见陶瓷成型技术。这些工艺的细节在下面列出的两本书中有所描述）。)少数方法采用两种方法之间的混合。

原位制造

这种方法最常见的用途是生产水泥和混凝土。在这里，脱水粉末与水混合。这就开始了水化反应，结果在骨料周围形成了长长的、连锁的晶体。随着时间的推移，这些晶体会形成固体陶瓷。

这种方法最大的问题是，大多数反应速度太快，无法实现良好的混合，这往往会妨碍大规模的构建。但是，可以通过沉积技术制作小规模的系统，将各种材料引入基板之上，在基板上反应并形成陶瓷。这借鉴了半导体工业的技术，如化学蒸气沉积，对涂层非常有用。

这些往往会产生非常致密的陶瓷，但做得很慢。

基于烧结的方法

基于烧结的方法原理很简单。一旦一个粗略地固定在一起的物体（称为"绿体"）被制成，它就在窑中被烘烤，在那里扩散过程使绿体收缩。物体中的孔隙闭合，从而使产品更致密、更坚固。烧制时的温度低于陶瓷的熔点。实际上总是会留下一些孔隙，但这种方法的真正优点是，绿体可以用任何可以想象的方式生产，而且还是烧结。这使它成为一种非常通用的途径。

这个过程有成千上万种可能的改进。一些最常见的方法是对绿体进行压制，以使致密化提前开始并减少所需的烧结时间。有时添加有机粘合剂，如聚乙烯醇，以保持绿体在一起；这些粘合剂在烧制过程中（200-350℃）会烧坏。有时在压制过程中加入有机润滑剂以增加致密性。将这些结合起来，在粉料中加入粘结剂和润滑剂，然后再压制，也是很常见的。(这些有机化学添加剂的配方本身就是一门艺术。这一点在制造高性能陶瓷时尤其重要，如电子行业中数以亿计的电容器、电感器、传感器等所使用的陶瓷。最常用于电子领域的专用配方在R.E.Mistler等人所著的《带状铸造》一书中有详细介绍，Amer.Ceramic Soc.[Westerville，Ohio]，2000)。一本关于这一主题的综合书籍，适用于机械和电子应用，是D.J.Shanefield所著的"有机添加剂和陶瓷加工"，Kluwer出版公司[波士顿]，1996年。

可以用浆料代替粉末，然后铸成所需的形状，干燥后再烧结。事实上，传统的陶器就是用这种方法，用塑料混合物用手加工而成的。

如果将不同材料的混合物一起用于陶瓷中，烧结温度有时会高于某个次要成分的熔点--这就是液相烧结。这与固态烧结相比，烧结时间较短。

陶瓷的其他应用

• 有些刀是陶瓷的。陶瓷刀刃保持锋利的时间要比钢刀长得多，不过它比较脆，掉在硬的表面上就会被折断。

• 氧化铝和碳化硼等陶瓷已被用于防弹衣，以抵御子弹。类似的材料被用于保护一些军用飞机的驾驶舱，因为这种材料的重量很轻。

• 陶瓷球可用于替代钢球轴承。其较高的硬度使其使用寿命长达三倍。它们在负载下的变形也较小，这意味着它们与轴承挡圈壁的接触较少，可以更快地滚动。在非常高速的应用中，滚动过程中摩擦产生的热量会给金属轴承带来问题；而使用陶瓷可以减少这些问题。陶瓷还具有更强的耐化学性，可以在潮湿的环境中使用，而钢制轴承会生锈。使用陶瓷的主要缺点是成本高。

• 20世纪80年代初，丰田公司研究出一种绝热陶瓷发动机，它可以在超过6000°F（3300°C）的温度下运行。陶瓷发动机不需要冷却系统，因此可以大大减轻重量，从而提高燃油效率。根据卡诺定理，高温发动机的燃油效率也更高。在金属发动机中，燃料释放的大部分能量必须以余热的形式散失，所以不会熔化金属部件。尽管有这些理想的性能，但这种发动机并没有投入生产，因为陶瓷部件的制造很难达到必要的精度和耐久性。陶瓷的不完美会导致裂缝，而裂缝会破坏发动机，可能会引起爆炸。以目前的技术，大规模生产是不可行的。

• 燃气轮机发动机的陶瓷部件可能是实用的。目前，即使是发动机热段使用的先进金属合金制成的叶片，也需要冷却和仔细限制工作温度。用陶瓷制造的涡轮发动机可以更有效地运行，使飞机在一定数量的燃料下获得更大的航程和有效载荷。

• 生物陶瓷包括牙科植入物和合成骨。羟基磷灰石是骨骼的天然矿物成分，已从一些生物和化学来源合成，并可形成陶瓷材料。由这些材料制成的骨科植入物很容易与骨骼和体内其他组织结合，不会产生排斥或炎症反应。正因为如此，它们对基因传递和组织工程支架非常感兴趣。大多数羟基磷灰石陶瓷非常多孔，缺乏机械强度，用于涂覆金属矫形器，以帮助形成与骨的结合或作为骨填充物。它们还被用作骨科塑料螺钉的填充物，以帮助减少炎症和增加这些塑料材料的吸收。目前正在进行的工作是制造用于骨科负重装置的高强度、全致密的纳米结晶羟基磷灰石陶瓷材料，用一种合成的、但天然存在的骨矿物质代替外来的金属和塑料骨科材料。最终这些陶瓷材料可作为骨替代物，或加入蛋白质胶原蛋白，合成骨骼。

• 高科技陶瓷被用于手表表壳。这种材料因其重量轻、耐刮擦、经久耐用、触感光滑而备受重视。IWC万国表是率先在制表业使用陶瓷的品牌之一。