四、陶瓷取代钢铁

一提起陶瓷，一般人很快会想起碗、碟、瓷壶等家用陶瓷。这些陶瓷谈不上节能。和能源有关的陶瓷指的是发动机和内燃机中使用的现代结构陶瓷。它们是以节约能源为目的而研究出来的。现在，中、日、英、美、德等国家都已用高温结构陶瓷制成发动机在汽车上使用，可以使燃料的消耗减少20～30％，提高热效率 30～40％，因此把节能陶瓷称为能源材料。

节能陶瓷的研究也是受 70 年代石油危机的促进。当时，能源科学家设想，如果一辆汽车能节省 20～30％的汽油，就等于在全世界多开发了 1/5～ 1/3 的大油田，这一数字对汽车工业的吸引力真像磁铁一般。

原来，现在大多数汽车发动机都是金属材料制成的，它的一个致命弱点就是难以在 900℃以上的温度下工作，而且要配一个冷却系统，所以汽车发电机又笨又长，光拉着它行走就要多费好些汽油。如果采用陶瓷来制造发动机呢，因为它重量轻，又耐高温，不需要冷却系统，在 1000℃以上的高温也能工作。这样，用同样多的汽油可以拉更多的人和货。等于大大节省了汽油

（计算结果可节省 20～30％）。

但是陶瓷有一个“要命”的缺点，就是太脆，在汽车上一颤筛就容易碎。由于遇上这么个“拦路虎”，使陶瓷“上汽车”的美好理想很难实现。不过， 世上无难事，只要肯登攀。经过各国科学家的不断探索，到 80 年代末，中、日、德、英、美等国终于先后用不同的方法攻克了这个难关。其中，以英国帝国化学工业公司 1990 年制造的一台陶瓷汽车发动机最具有传奇色彩。

这家公司的威廉·克莱格博士领导的研究小组从 80 年代起就致力于如何解决陶瓷易脆碎的难题，但一直进展缓慢。一天，威廉·克莱格发现，贝壳这东西虽然很硬，但掉在地上很难摔碎。如果陶瓷也能像贝壳一样，既硬而不脆，不就解决问题了吗？

于是，克莱格收集了许多贝壳，磨成试片在显微镜下观察。结果发现， 贝壳是由许多层状碳酸钙组成的，而在每层碳酸钙之间夹着一层有机质，是它们把层层碳酸钙钻在一起。原来，贝壳不易摔裂，是因为中间那层有机质

能阻止脆性碳酸钙中产生的裂纹扩展到另一层碳酸钙中。克莱格从贝壳的结构中得到启示。他选择了碳化硅陶瓷烧成薄片，然后在每片碳化硅陶瓷上涂上石墨层，再把涂有石墨层的碳化硅片层层叠起来，加热并挤压，石墨层起粘结剂的作用，把这种“千层饼”式的碳化硅片粘结得很牢固。即使碳化硅片遇到撞击，顶多只有表皮的几层会破裂，而表层很薄的几层脱落时能把大部分冲击力吸收，从而避免了整个零件碎裂。经过试验证明，想折断涂有石墨层的碳化硅陶瓷所用的力量比折断纯碳化硅陶瓷的要大 100 倍左右。

1990 年，克莱格就是用这种仿贝壳结构的碳化硅陶瓷制造了第一台耐高温不需要冷却水系统的汽车发动机。

我国的科学家用类似的思想方法和陶瓷复合材料也解决了陶瓷易碎的问题。我们知道，泥土干了后，一捏就碎，但用稻草拌黄泥压成的土坯要坚韧得多；水泥很脆，但里面埋入钢筋就成了坚不可摧的钢筋混凝土。两种不同的材料合在一起，取长补短，就会具有新的性能。我国的材料专家就用在陶瓷中加入有韧性的纤维的方法制成陶瓷复合材料，增加了陶瓷的抗冲击能力。1991 年 3 月 22 日，《光明日报》在第一版显著位置报道了我国第一辆使用不需要冷却水的陶瓷汽车发动机作动力的大客车，往返于上海和北京之间，行程 3500 公里。由于这种陶瓷发动机不需要冷却装置，大大减轻了发动机重量，工作温度可以超过 1000℃，热效率大大增加，因此可以节省大量汽油（20～30％）。

目前，世界上只有中、日、英、美、德等少数国家制造出陶瓷汽车发动机，但还不能大批生产。原因是多方面的，其中一个重要原因是陶瓷零件的质量如何检测，尤其是无损检验还没有过关。因此，尽管陶瓷汽车发动机的节能效果极有诱惑力，但要使耐高温结构陶瓷这种能源材料达到普遍应用， 还有许多工作要做。当陶瓷汽车发动机得到普及推广时。这种能源材料将在能源史上树立一块值得纪念的里程碑。