古往今来话陶瓷
提起陶瓷许多人会想到钵、壶、缸、罐等日用器皿，它们被用来当餐具、厨房用具、卫生设施或艺术饰品。我国从1万年前就开始有陶瓷出现了。陶器的产生是人类发展史上的一块里程碑。恩格斯把陶器的出现称为新石器时代开始的标志。
实际上陶瓷是陶和瓷“两兄弟”的总称。瓷是陶的“弟弟”，但年龄要小好几千岁。比起“哥哥”来，“弟弟”身材轻盈，肌肤光泽细腻，玲珑剔透，性格刚强，不渗水，不透气，抗腐蚀，耐高温，人见人爱，可谓“天之骄子”。
瓷器是中华文明的象征。在许多拉丁语系国家，“瓷器”和“中国”都以CHINA这同一种字母拼音表示。汉代以后，我国的制瓷技术已发展到非常高的水平，出现了许多名窑和名瓷。古人用这样的诗句来赞扬越窑出产的美丽青瓷：“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来。”素有“瓷都”美称的江西景德镇所烧制的薄胎瓷器，更被誉为：明如镜，洁如玉，声如磬，薄如纸。以上这些称为传统陶瓷，也就是利用长石、石英、瓷石、粘土等无机非金属天然矿物为原料，经粉碎、混和、磨细、成形、干燥、烧成等传统工艺制成的产品，现在人们主要用作日用器皿和建筑、卫生制品。
20世纪20～30年代以来，传统陶瓷面临了严重的挑战。首先是科学技术的发展，对陶瓷提出了越来越高的要求。比如，电力工业远距离输电线的建立，要求有耐几十万伏高压的绝缘性能良好的陶瓷材料；汽车工业要求有耐高压、高温、高电压的供气缸点火用的火花塞及其他高性能的汽车零件材料；电子工业要求有大功率集成电路用的陶瓷基片以及其他功能元件所需的材料；火箭、宇宙飞船、导弹等空间技术产品要求提供耐极端高温的高强结构材料和各种功能陶瓷。其次是传统陶瓷在性能上的致命弱点——脆，使它在工程应用面前不得不让位于金属材料。
对陶瓷性能的挑战孕育了陶瓷新的生命。经过大量的试验研究，特别是对陶瓷结构进行显微分析，科学家认识到如果能降低陶瓷中玻璃相的含量，甚至制造出几乎不含玻璃相、由许多微小晶粒结合而成的结晶态陶瓷，其性能将会大幅度提高。为此，人们不断提高原材料中氧化铝的含量，加入许多高纯度的人工合成化合物去代替天然原料，并对制备工艺作了许多改进。后来发现，完全不用含硅酸盐的天然原料，也可以制成性能很好的陶瓷。于是，20世纪40～50年代，陶瓷世家中一类新型陶瓷——“先进陶瓷”诞生了。这类陶瓷到目前还在不断发展之中，可谓“万年古树”上生长出的茂盛枝叶。
超级抗压的陶瓷
传统陶瓷制品具有较大的脆性，韧性差，抗拉强度低，这是传统陶瓷不容置疑的缺点。为了克服这个缺点，科学家研制出一种氧化锆陶瓷。氧化锆在大自然中存在于锆英砂中，澳大利亚和我国海南岛均有高质量的锆英砂。在不同的温度范围内，氧化锆呈现出不同的晶体结构：从室温到1170℃为单斜结构，1170～2370℃为四方结构，2370～2706℃为立方结构。这三种结构的氧化锆，比重分别为5．68、6．10和6．27。可见温度越高，比重越大。因此，在同样重量下，温度越低，体积越大。
从四方结构冷却到单斜结构时的氧化锆有8％的体积膨胀。为避免氧化锆陶瓷在烧成时因体积变化引起开裂，须加入适量的氧化钇、氧化钙、氧化镁、等氧化物作为稳定剂，以形成较稳定的立方或四方结构氧化锆。这种稳定的氧化锆陶瓷具有高耐火性（能耐2000℃高温）、较小的比热和导热系数、良好的化学稳定性（高温时能抗酸性腐蚀），因此是理想的高温绝热材料。它适合于制造冶炼金属与合金用的坩埚、连续铸锭用的耐火材料、耐2000℃左右高温的电炉发热体和炉膛耐火材料，它还可用来作为氧浓差电池和磁流体发电机组中的高温电极材料。
在征服陶瓷脆性的进程中，氧化锆相变增韧陶瓷非常令人瞩目，它改变着人们对陶瓷力学性能的传统看法，促进了先进陶瓷的进一步发展。氧化锆相变增韧陶瓷利用氧化锆由四方结构向单斜结构转变时的效应来克服陶瓷的脆性。
氧化锆相变增韧陶瓷有多种类型。其中有一种叫做部分稳定氧化锆陶瓷，是在氧化锆中加入适当稳定剂而形成的。它由稳定的立方结构氧化锆和亚稳定的四方结构氧化锆所组成。在外应力作用下，亚稳定的四方结构转变为单斜结构，伴随有体积膨胀，从而起到增韧作用。
目前运用有机溶剂蒸馏法获取氧化锆超微颗粒（其直径仅几十纳米），可在较低温度下烧结成具有微细结构的四方结构氧化锆陶瓷（晶粒尺寸在1微米以下）。这种陶瓷具有高强度和高断裂韧性，适用于制造拉丝模、刀具、耐磨部件、导辊、工夹具等。
还有一种氧化锆增韧陶瓷，把氧化锆引入到其他陶瓷中，从而达到增韧效果。如氧化锆增韧氮化硅陶瓷，它可用于制造发动机、刀具、热机零部件等；又如氧化锆增韧氧化铝陶瓷，它可用于制造绝热发动机的某些部件、刀具等。
纤维补强陶瓷基复合材料用纤维作为增强体，是通过一定的复合工艺把纤维同陶瓷基体结合在一起而组成的材料的总称。这类复合材料具有高韧性、高强度、优异的热稳定性和化学稳定性，是一类新型结构材料。作为增强用的纤维有金属纤维（如钨丝、钽丝、钼丝等）、玻璃纤维和陶瓷纤维（如碳化硅、碳、氧化铝、氧化锆等纤维）；而陶瓷基体有氧化物基（如氧化锆、氧化铝等）和非氧化物基（如硼化物、氮化物、碳、碳化物等）。
经过纤维补强的陶瓷，不管在抗机械冲击性，还是在抗热冲击性方面，都有了极大的提高，这在很大程度上克服了陶瓷的脆性，同时又保持了陶瓷原有的许多优异性能。这种打不破的陶瓷目前虽只是初露端倪，但肯定有着美好的发展前景。
透光陶瓷的应用
你看到这个标题是否会诧异：写错了吧？只有透明的玻璃，陶瓷哪能透光？日常生活中使用的传统陶瓷确实是不透光的。但是，经过科学家的长期研究，已经开发出一批能透光的先进陶瓷，并在生产中获得应用。
作为理想的绝缘材料的陶器，被广泛地应用在电器行业中。与玻璃比较，陶瓷的强度高，耐火性好，能抵抗化学腐蚀，能经受放射性物质的强烈辐照。但陶瓷不透明，以致许多场合，特别是在照明电器上无法应用。因此，在20世纪50年代，科学家开始致力于这方面的研究。
他们了解陶瓷不透明的主要因素是陶瓷中存在许多微小的气孔。当一束光线照射到陶瓷表面时，微气孔由于具有对光线很强的散射能力，把大部分光线分散到四面八方，最后被陶瓷所吸收。微气孔成了光线前进路上的“拦路虎”，所以，不把这只“拦路虎”赶跑，休想让光线从陶瓷中通过。
为此，陶瓷专家们实验了几项技术措施。首先，烧制陶瓷所用的原材料要有很高的纯度和细度，而且颗粒要均匀，不能有的粗有的细，故他们用了纯度为99．99％、平均颗粒尺寸只有0．3微米的氧化铝粉末作原料。其次，要减慢陶瓷结晶过程中晶粒长大的速度，这样便可依靠晶粒边界的缓慢移动，把微气孔赶跑，所以他们在原料中加入了极少量的氧化镁作为阻碍晶粒长大的添加剂。第三，要减少加热炉中的气体，最好能抽成真空，但由于受到设备的限制，结果他们在炉中通入氢气。这是因为氢气分子的体积比空气中氮气分子的体积来得小，氢气分子容易通过晶格扩散到晶界，最后被排除出去。
一天，陶瓷专家科布尔和他的助手们正在实验室里研制透明陶瓷，他们从炉内取出一块烧好的陶瓷小圆片试样，不知怎么一来，小圆片落到了实验桌上正翻开的一本书上，奇妙的事情发生了：透过陶瓷片，书上的文字清晰地映入人们的眼帘。就这样世界上第一块透明陶瓷诞生了。自从透明氧化铝陶瓷诞生以后，透明陶瓷家族真是人丁兴旺，成员已经有几十个，而且还在不断扩大。在氧化物陶瓷方面有氧化镁、氧化钇、氧化铍、氧化钍等透明陶瓷。还有一些由几种氧化物组成的透明陶瓷，如铝镁尖晶石（由氧化铝、氧化镁组成）、锆钛酸铅镧透明铁电陶瓷（由氧化锆、氧化钛、氧化铅、氧化镧组成）。在非氧化物陶瓷方面有氟化镁、氟化钙、氟化镧等透明陶瓷，还有能透过波长较长的红外线的陶瓷，如硫化锌、硒化锌、碲化镉、砷化镓等透红外陶瓷。
早在30年代初，人们就已经知道运用钠蒸气放电能取得一种高效率的光源。但是钠蒸气放电会产生超过1000℃的高温，而且钠是一种非常活泼的金属，有很强的腐蚀性，用玻璃制成的灯管无法耐受，而一时又找不到能在高温下抵抗钠蒸气腐蚀的合适灯管材料。经过了二十几个年头，一直到1957年，人们盼来了透明陶瓷。透明氧化铝陶瓷的熔点高达2050℃，能在1600℃的环境里不受钠蒸气的腐蚀，而且可以通过95％的光线。有了它，高压钠灯才在1960年呱呱坠地，并经过不断改进，得到了实际应用。
有一种锆钛酸铅镧透明铁电陶瓷，可以透光，耐高温，耐腐蚀，强度高，还能把电、光、机械变形等作用结合起来，具有电控光特征，故用它可制作存储、显示或开关用的光电器件。用这种铁电陶瓷和两块偏振片可组成具有夹层结构的护目镜，这种护目镜带有控制电路、电源和开关，用光敏二极管作为强闪光的接收元件。当接收元件测出周围的光强度超过危险值时，立即发出信号给控制电路，使镜片关闭，护目镜就自动迅速变暗；当危险光消失后，控制电路又自动加压到铁电陶瓷薄片上，使镜片达到最大的开启状态，即又回复到原来的明亮状态。有了这种护目镜，电焊工人就不必把面罩举上拿下了，核试验工作人员也可以一直戴着这种护目镜进行核爆炸前的准备工作。1976年，美国制成了PLZT核闪光护目镜，1977年正式装备部队，作为飞行员头盔上的护目镜。
透明世界的新成员
名副其实的安全玻璃
玻璃可说是我们熟悉的老朋友了，在我们周围到处都有玻璃：房间内的门窗玻璃、电视机的显像管玻璃、汽车驾驶室的挡风玻璃、各种光学仪器玻璃和琳琅满目的器皿玻璃等等。你一定了解玻璃的“性格”：“啪！”一块玻璃落地，跌得粉身碎骨，它那短暂的生命就此结束。难道玻璃本性难移，脆性果真是它的“不治之症”吗？人类在长期的生产实践中，已经研制出许多新型玻璃，如夹丝玻璃、夹丝防盗玻璃、夹层玻璃、钢化玻璃等。这些玻璃有个共同的特点：经剧烈振动或撞击，仍不易破碎，即使破碎，也不会产生尖锐的碎屑伤人，故统称为“安全玻璃”。
100多年前，的英国有一位吉姆斯·牛敦的绅士，开了一家玻璃制造厂。这位牛敦厂长总是不放过任何机会宣传使用玻璃的好处。他别墅中通向阳台的那扇门是用玻璃做的，他逢人就说：“看啊！我的别墅中阳光多么充足！”可是，不久发生了一件糟糕透顶的事情。小偷似乎并不理会玻璃的优点，专挑玻璃的弱点。在一个漆黑的夜晚，一个小偷悄悄地爬上厂长别墅的阳台，用金刚石划破了那扇玻璃门，伸进手去拉开了插销，潜入屋内，把财物洗劫一空。
在懊恼之余的牛敦先生，对玻璃的易碎性和毫无防御能力深为遗憾，苦思冥想怎样才能防止被窃。应该换一扇结实的铁门？不！铁门无法透过阳光。再说他是玻璃厂厂长，玻璃毕竟有许多公认的优点啊！在铁门上挖洞再镶上玻璃？在玻璃门外再加一层保护铁丝网？……方案一个个提出，又一个个被否定。最后，牛敦先生请来了玻璃制造专家，终于找到了为玻璃增添“筋骨”的好主意：在玻璃制造过程中，趁温度较高，玻璃还很软的时候，夹进一层金属网。这层金属网平行于玻璃表面，每个网格的形状可以做成六角形，也可做成方格形等。这样，一种新型的夹丝玻璃便诞生了。
夹丝玻璃中的金属网对玻璃有加强作用，有效地克服了玻璃的脆性，即使很大的冲击或振动使它破碎，玻璃碎片仍藕断丝连地粘在一起，不会飞出伤人。由于夹丝玻璃可靠、安全，后来一些国家特别规定，在高层建筑中必须使用夹丝玻璃。
一次大型的古代名画展览正在某滨海城市举行。这次展出的古代名画具有极高的收藏价值，它们都是几经周折，闯过了战争的烽火，经历了动乱的洗礼，才得以保存下来的，故甚为珍稀。经鉴赏家鉴定，均为前人名迹，绝非赝品。为便于保存，所有名画都经过防霉防蛀处理，并装置在精美的玻璃框中，让每位参观者尽情欣赏。
这次展出引来了海内外知名画家、鉴赏家、收藏家和广大爱好艺术的平民百姓，迎来了一批批流连忘返的参观者。第一天展览顺利结束了，工作人员进行了仔细清点和打扫后陆续离去，整个展览馆静悄悄，一片肃穆安谧。深夜，漆黑的夜空像浸透着墨汁，万籁无声。突然，展览馆值班室亮起红灯，紧接着一阵阵警铃声揪人心肺，警卫人员闻声而起，立即冲向展览厅出事地点，正在作案的窃贼束手就擒。
