精细陶瓷

精细陶瓷的化学组成已远远超出了硅酸盐的范围。例如透明的氧化铝陶瓷、耐高温的二氧化锆（ZrO2）陶瓷、高熔点的氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC）陶瓷等，它们都是无机非金属材料，是传统陶瓷材料的发展。精细陶瓷是适应社会经济和科学技术发展而发展起来的，信息科学、能源技术、宇航技术、生物工程、超导技术、海洋技术等现代科学技术需要大量特殊性能的新材料， 促使人们研制精细陶瓷，并在超硬陶瓷、高温结构陶瓷、电子陶瓷、磁性陶瓷、光学陶瓷、超导陶瓷和生物陶瓷等各方面取得了很好的进展，下面选择一些实例做简要的介绍。

高温结构陶瓷 汽车发动机一般用铸铁铸造，耐热性能有一定限度。由于需要用冷却水冷却，热能散失严重，热效率只有 30%左右。如果用高温结

构陶瓷制造陶瓷发动机，发动机的工作温度能稳定在 1300℃左右，由于燃料充分燃烧而又不需要水冷系统，使热效率大幅度提高。用陶瓷材料做发动机， 还可减轻汽车的质量，这对航天航空事业更具吸引力，用高温陶瓷取代高温合金来制造飞机上的涡轮发动机其效果会更好。

目前已有多个国家的大的汽车公司试制无冷却式陶瓷发动机汽车。我国也在 1990 年装配了一辆并完成了试车。陶瓷发动机的材料选用氮化硅，它的机械强度高、硬度高、热膨胀系数低、导热性好、化学稳定性高，是很好的高温陶瓷材料。氮化硅可用多种方法合成，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1300℃反应后获得：

3Si + 2N ¹³⁰⁰^℃→Si N

也可用化学气相沉积法，使 SiCl4 和 N2 在 H2 气氛保护下反应，产物 Si3N4 沉积在石墨基体上，形成一层致密的 Si3N4 层。此法得到的氮化硅纯度较高， 其反应如下：

3SiCl4+2N2+6H2→Si3N4+12HCl

高温结构陶瓷除了氮化硅外，还有碳化硅（SiC）、二氧化锆（ZrO2）、氧化铝等。

透明陶瓷 一般陶瓷是不透明的，但光学陶瓷像玻璃一样透明，故称透明

陶瓷。一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光， 后者令光产生散射，所以就不透明了。因此如果选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。早期就是采用这样的办法得到透明的氧化铝陶瓷，后来陆续研究出如烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇－二氧化锆等多种氧化物系列透明陶瓷。近期又研制出非氧化物透明陶瓷，如砷化镓（GaAs）、硫化锌（ZnS）、硒化锌（ZnSe）、氟化镁（MgF2）、氟化钙（CaF2）等。

这些透明陶瓷不仅有优异的光学性能，而且耐高温，一般它们的熔点都在 2000℃以上。如氧化钍－氧化钇透明陶瓷的熔点高达 3100℃，比普通硼酸盐玻璃高 1500℃。透明陶瓷的重要用途是制造高压钠灯，它的发光效率比高压汞灯提高一倍，使用寿命达 2 万小时，是使用寿命最长的高效电光源。高压钠灯的工作温度高达 1200℃，压力大、腐蚀性强，选用氧化铝透明陶瓷为材料成功地制造出高压钠灯。透明陶瓷的透明度、强度、硬度都高于普通玻璃，它们耐磨损、耐划伤，用透明陶瓷可以制造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器和高级防护眼镜等。

先导纤维 从高纯度的二氧化硅或称石英玻璃熔融体中，拉出直径约100μm 的细丝，称为石英玻璃纤维。玻璃可以透光，但在传输过程中光损耗很大，用石英玻璃纤维光损耗大为降低，故这种纤维称为光导纤维，是精细陶瓷中的一种。

利用光导纤维可进行光纤通讯。激光的方向性强、频率高，是进行光纤通讯的理想光源。光纤通讯与电波通讯相比，光纤通讯能提供更多的通讯通路，可满足大容量通讯系统的需要。

光导纤维一般由两层组成，里面一层称为内芯，直径几十微米，但折射率较高；外面一层称包层，折射率较低。从光导纤维一端入射的光线，经内芯反复折射而传到末端，由于两层折射率的差别，使进入内芯的光始终保持在内芯中传输着。光的传输距离与光导纤维的光损耗大小有关，光损耗小，

传输距离就长，否则就需要用中继器把衰减的信号放大。如果光导纤维的光损耗为 0.15dB·km-1，传输距离可达 500km；如降到 10-4 dB·km-1 时，则可传输 2500km。用最新的氟玻璃制成的光导纤维，可以把光信号传输到太平洋彼岸而不需任何中继站。

在实际使用时，常把千百根光导纤维组合在一起并加以增强处理，制成像电缆一样的光缆，这样既提高了光导纤维的强度，又大大增加了通讯容量。

用光缆代替通讯电缆，可以节省大量有色金属，每公里可节省铜 1.1 吨、铅 2～3 吨。光缆有质量轻、体积小、结构紧凑、绝缘性能好、寿命长、输送距离长、保密性好、成本低等优点。光纤通讯与数字技术及计算机结合起来， 可以用于传送电话、图像、数据、控制电子设备和智能终端等，起到部分取代通讯卫星的作用。

光损耗大的光导纤维可在短距离使用，特别适合制作各种人体内窥镜， 如胃镜、膀胱镜、直肠镜、子宫镜等，对诊断医治各种疾病极为有利。

生物陶瓷 人体器官和组织由于种种原因需要修复或再造时，选用的材料要求生物相容性好，对肌体无免疫排异反应；血液相容性好，无溶血、凝血反应；不会引起代谢作用异常现象；对人体无毒，不会致癌。目前已发展起来的生物合金、生物高分子和生物陶瓷基本上能满足这些要求。利用这些材料制造了许多人工器官，在临床上得到广泛的应用。但是这类人工器官一旦植入体内，要经受体内复杂的生理环境的长期考验。例如不锈钢在常温下是非常稳定的材料，但把它做成人工关节植入体内，三五年后便会出现腐蚀斑，并且还会有微量金属离子析出，这是生物合金的缺点。有机高分子材料做成的人工器官容易老化，相比之下，生物陶瓷是惰性材料，耐腐蚀，更适合植入体内。

氧化铝陶瓷做成的假牙与天然齿十分接近，它还可以做人工关节用于很多部位，如膝关节、肘关节、肩关节、指关节、髋关节等。ZrO2 陶瓷的强度、断裂韧性和耐磨性比氧化铝陶瓷好，也可用以制造牙根、骨和股关节等。羟基磷灰石[Ca10（PO4）6（OH）2]是骨组织的主要成分，人工合成的与骨的生物相容性非常好，可用于颌骨、耳听骨修复和人工牙种植等。目前发现用熔融法制得的生物玻璃，如 CaO－Na2O－SiO2－P2O5，具有与骨骼键合的能力。生物玻璃在和骨结合时，先在植入体表面形成富硅凝胶，然后转化成磷灰石晶体，这时在结合面形成有机和无机的复合层，保持很高的结合强度。

陶瓷材料最大的弱点是性脆，韧性不足，这就严重影响了它作为人工人体器官的推广应用。陶瓷材料要在生物工程中占有地位，必须考虑解决其性脆问题。

超导陶瓷 1911 年荷兰物理学家 Onnes 发现汞（水银）在 4.2K 附近电阻突然下降为零，他把这种零电阻现象称为超导电性。图 7－13 示出了汞的电阻随温度变化的关系。汞的电阻突然消失时的温度称为转变温度或临界温度，常用 Tc 表示。

在一定温度下具有超导电性的物体称为超导体。金属汞是超导体。进一步研究发现元素周期表中共有 26 种金属具有超导电性，它们的转变温度 Tc 列于表 7－6。从表中可以看到，单个金属的超导转变温度都很低，没有应用价值。因此，人们逐渐转向研究金属合金的超导电性。表 7－7 列出一些超导合金的转变温度，其中 Nb3Ge 的转变温度为 23.2K，这在 70 年代算是最高转变温度的超导体了。当超导体显示出超导电性时，表示它处于超导态，否则它处于正常态。金属及其合金作为超导材料都是在极低温下才能进入超导态，假如没有低温技术发展作为后盾，就发现不了超导电性，无法设想超导材料。这里又一次看到材料发展与科学技术互相促进的关系。

低温超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因此在应用上受到很大的限制。人们迫切希望找到高温超导体，在徘徊了几十年后，终于在 1986 年有了突破。瑞士 Bednorz 和 Müller 发现他们研制的 La－Ba－CuO 混合金属氧化物具有超导电性，转变温度为 35K。这是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。接着中、美科学家发现 Y－ Ba－CuO 混合金属氧化物在 90K 具有超导电性，这类超导氧化物的转变温度已高于液氮温度（77K），高温超导材料研究获得重大进展。一连串激动人心的发现在世界上掀起了“超导热”。目前新的超导氧化物系列不断踊现，如Bi－Sr－Ca－CuO，TI－Ba－Ca－CuO 等，它们的超导转变温度超过了 120K。高温超导体的研究方兴未艾，人们殷切地期待着室温超导材料的出现。

关于 C60 前面已做了简单的介绍。它是碳的第三种单质结构形式。人们发现 C60 与碱金属作用能形成 AxC60（A 代表钾、铷、铯等），它们都是超导体，超导转变温度列于表 7－8。从表中数据看到，大多数 AxC60。超导体的转变温度比金属合金超导体高。金属氧化物超导体是无机超导体，它们都是层状结构，属二维 超导。而 AxC60 则是有机超导体，它们是球状结构，属三维超导。因此 AxC60 这类超导体是很有发展前途的超导材料。

表 7 － 8AxC60 的超导转变温度

超导研究引起各国的重视，一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。下面简单介绍超导体的一些应用。

1. 用超导材料输电 发电站通过漫长的输电线向用户送电。由于电线存在电阻，使电流通过输电线时电能被消耗一部分，如果用超导材料做成超导电缆用于输电，那么在输电线路上的损耗将降为零。

2. 超导发电机 制造大容量发电机，关键部件是线圈和磁体。由于导

线存在电阻，造成线圈严重发热，如何使线圈冷却成为难题。如果用超导材料制造超导发电机，线圈是由无电阻的超导材料绕制的，根本不会发热，冷却难题迎刃而解，而且功率损失可减少 50%。

1. 磁力悬浮高速列车 要使列车速度达到 500km·h-1，普通列车是绝对办不到的。如果把超导磁体装在列车内，在地面轨道上敷设铝环，利用它们之间发生相对运动，使铝环中产生感应电流，从而产生磁排斥作用，把列车托起离地面约 10cm，使列车能悬浮在地面上而高速前进。

2. 可控热核聚变 核聚变时能释放出大量的能量。为了使核聚变反应持续不断，必须在 108℃下将等离子约束起来，这就需要一个强大的磁场， 而超导磁体能产生约束等离子所需要的磁场。人类只有掌握了超导技术，才有可能把可控热核聚变变为现实，为人类提供无穷的能源。