無機非金屬

無機非金屬材料——陶瓷

(1)傳統陶瓷

陶瓷在我國有悠久的歷史，是中華民族古老文明的象征。從西安地區出土的

秦始皇陵中大批陶兵馬俑，氣勢宏偉，形象逼真，被認為是世界文化奇跡，人類

的文明寶庫。唐代的唐三彩、明清景德鎮的瓷器均久負盛名。

傳統陶瓷材料的主要成分是硅酸鹽，自然界存在大量天然的硅酸鹽，如巖石、

土壤等，還有許多礦物如云母、滑石、石棉、高嶺石等，它們都屬于天然的硅酸

鹽。此外，人們為了滿足生產和生活的需要，生產了大量人造硅酸鹽，主要有玻

璃、水泥、各種陶瓷、磚瓦、耐火磚、水玻璃以及某些分子篩等。硅酸鹽制品性

質穩定，熔點較高，難溶于水，有很廣泛的用途。

硅酸鹽制品一般都是以黏土（高嶺土）、石英和長石為原料經高溫燒結而成。

黏土的化學組成為Al

2

O

3

2SiO

2

2H

2

O，石英為SiO

2

，長石為K

2

OAl

2

O

3

6SiO

2

（鉀長石）或Na

2

OAl

2

O

3

6SiO

2

（鈉長石）。這些原料中都含有SiO

2

，因此在

硅酸鹽晶體結構中，硅與氧的結合是最重要也是最基本的。

硅酸鹽材料是一種多相結構物質，其中含有晶態部分和非晶態部分，但以晶

態為主。硅酸鹽晶體中硅氧四面體［SiO

4

］是硅酸鹽結構的基本單元。在硅氧四

面體中，硅原子以sp3雜化軌道與氧原子成鍵，Si—O鍵鍵長為162pm，比起Si4+

和O2-的離子半徑之和有所縮短，故Si—O鍵的結合是比較強的。

(2)精細陶瓷

精細陶瓷的化學組成已遠遠超出了傳統硅酸鹽的范圍。例如，透明的氧化鋁

陶瓷、耐高溫的二氧化鋯（ZrO

2

）陶瓷、高熔點的氮化硅（Si

3

N

4

）和碳化硅（SiC）

陶瓷等，它們都是無機非金屬材料，是傳統陶瓷材料的發展。精細陶瓷是適應社

會經濟和科學技術發展而發展起來的，信息科學、能源技術、宇航技術、生物工

程、超導技術、海洋技術等現代科學技術需要大量特殊性能的新材料，促使人們

研制精細陶瓷，并在超硬陶瓷、高溫結構陶瓷、電子陶瓷、磁性陶瓷、光學陶瓷、

超導陶瓷和生物陶瓷等方面取得了很好的進展，下面選擇一些實例做簡要的介

紹。

高溫結構陶瓷汽車發動機一般用鑄鐵鑄造，耐熱性能有一定限度。由于需

要用冷卻水冷卻，熱能散失嚴重，熱效率只有30%左右。防疫標語 如果用高溫結構陶瓷制

造陶瓷發動機，發動機的工作溫度能穩定在1300℃左右，由于燃料充分燃燒

而又不需要水冷系統，使熱效率大幅度提高。用陶瓷材料做發動機，還可減輕汽

車的質量，這對航天航空事業更具吸引力，用高溫陶瓷取代高溫合金來制造飛機

上的渦輪發動機效果會更好。

目前已有多個國家的大的汽車公司試制無冷卻式陶瓷發一年級日記50字 動機汽車。我國也在

1990年裝配了一輛并完成了試車。陶瓷發動機的材料選用氮化硅，它的機械強

度高、硬度高、熱膨脹系數低、導熱性好、化學穩定性高，是很好的高溫陶瓷材

料。氮化硅可用多種方法合成，工業上普遍采用高純硅與純氮在1300℃反應

后獲得：

高溫結構陶瓷除了氮化硅外，還有碳化硅感恩的故事 （SiC）、二氧化鋯（ZrO

2

）、氧

化鋁等。

透明陶瓷一般陶瓷是不透明的，但光學陶瓷像玻璃一樣透明，故稱透明陶

瓷。一般陶瓷不透明的原因是其內部存在有雜質和氣孔，前者能吸收光，后者使

光產生散射，所以就不透明了。因此如果選用高純原料，并通過工藝手段排除氣

孔就可能獲得透明陶瓷。早期就是采用這樣的辦法得到透明的氧化鋁陶瓷，后來

陸續研究出如燒結白剛玉、氧化鎂、氧化鈹、氧化釔、氧化釔-二氧化鋯等多種

氧化物系列透明陶瓷。近期又研制出非氧化物透明陶瓷，如砷化鎵（GaAs）、硫

化鋅（ZnS）、硒化鋅（ZnSe）、氟化鎂（MgF

2

）、氟化鈣（CaF

2

）等。這些透明

陶瓷不僅有優異的光學性能，而且耐高溫，一般它們的熔點都在2000℃以上。

如氧化釷-氧化釔透明陶瓷的熔點高達3100℃，比普通硼酸鹽玻璃高1500℃。

透明陶瓷的重要用途是制造高壓鈉燈，它的發光效率比高壓汞燈提高一倍，使用

Si

3

N

43Si+2N

2

1300℃

壽命達2萬小時，是使用壽命最長的高效電光源。高壓鈉燈的工作溫度高達1

200℃，壓力大、腐蝕性強，選用氧化鋁透明陶瓷為材料成功地制造出高壓鈉燈。

透明陶瓷的透明度、強度、硬度都高于普通玻璃，它們耐磨損、耐劃傷，用透明

陶瓷可以制造防彈汽車的窗、坦克的觀察窗、轟炸機的轟炸瞄準器紅酒怎么開瓶 和高級防護眼

鏡等。

光導纖維從高純度的二氧化硅或稱石英玻璃熔融體中，拉出直徑約100

m的細絲，稱為石英玻璃纖維。玻璃可以透光，但在傳輸過程中光損耗很大，

用石英玻璃纖維光損耗大為降低，故這種纖維稱為光導纖維，是精細陶瓷中的一

種。

利用光導纖維可進行光纖通信。激光的方向性強、頻率高，是進行光纖通信

的理想光源。光纖通信與電波通信相比，光纖通信能提供更多的通信通路，可滿

足大容量通信系統的需要。

光導纖維一般由兩層組成，里面一層稱為內芯，直徑幾十微米，但折射率較

高；外面一層稱包層，折射率較低。從光導纖維一端入射的光線，經內芯反復折

射而傳到末端，由于兩層折射率的差別，使進入內芯的光始終保持在內芯中傳輸

著。光的傳輸距離與光導纖維的光損耗大小有關，光損耗小，傳輸距離就長，否印章效果

則就需要用中繼器把衰減的信號放大。用最新的氟玻璃制成的光導纖維，可以把

光信號傳輸到太平洋彼岸而不需任何中繼站。

在實際使用時，常把千百根光導纖維組合在一起并加以增強處理，制成像電

纜一樣的光生活妝 纜，這樣既提高了光導纖維的強度，又大大增加了通信容量。

用光纜代替通信電纜，可以節省大量有色金屬，每公里可節省銅t、鉛2～

3t。光纜有質量輕、體積小、結構緊湊、絕緣性能好、壽命長、輸送距離長、

保密性好、成本低等優點。光纖通信與泰字成語 數字技術及計算機結合起來，可以用于傳

送電話、圖像、數據、控制電子設備和智能終端等，起到部分取代通信衛星的作

用。

光損耗大的光導纖維可在短距離使用，特別適合制作各種人體內窺鏡，如胃

鏡、膀胱鏡、直腸鏡、子宮鏡等，對診斷、醫治各種疾病極為有利。

生物陶瓷人體器官和組織由于種種原因需要修復或再造時，選用的材料要

求生物相容性好，對肌體無免疫排異反應；血液相容性好，無溶血、凝血反應；

不會引起代謝作用異常現象；對人體無毒，不會致癌。目前已發展起來的生物合

金、生物高分子和生物陶瓷基本上能滿足這些要求。利用這些材料制造了許多人

工器官，在臨床上得到廣泛的應用。但是這類人工器官一旦植入體內，要經受體

內復雜的生理環境的長期考驗。例如，不銹鋼在常溫下是非常穩定的材料，但把

它做成人工關節植入體內，三五年后便會出現腐蝕斑，并且還會有微量金屬離子

析出，這是生物合金的缺點。有機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，耐腐蝕，更適合植入體內。

氧化鋁陶瓷做成的假牙與天然齒十分接近，它還可以做人工關節用于很多部

位，如膝關節、肘關節、肩關節、指關節、髖關節等。ZrO

2

陶瓷的強度、斷裂韌

性和耐磨性比氧化鋁陶瓷好，也可用以制造牙根、骨和股關節等。羥基磷灰石

〔Ca

10

(PO

4

)

6

(OH)

2

〕是骨組織的主要成分，人工合成的與骨的生物相容性非常好，

可用于頜骨、耳聽骨修復和職業規劃大賽 人工牙種植等。目前發現用熔融法制得的生物玻璃，

如CaO-Na

2

O-SiO

2

-P

2

O

5

，具有與骨骼鍵合的能力。

陶瓷材料最大的弱點糖水怎么做 是性脆，韌性不足，這就嚴重影響了它作為人工人體器

官的推廣應用。陶瓷材料要在生物工程中占有地位，必須考慮解決其脆性問題。

（3）納米陶瓷

從陶瓷材料發展的歷史來看，經歷了三次飛躍。由陶器進入瓷器這是第一次

飛躍；由傳統陶瓷發展到精細陶瓷是第二次飛躍，在這個期間，不論是原材料，

還是制備工藝、產品性能和應用等許多方面都有長足的進展和提高，然而對于陶

瓷材料的致命弱點──脆性問題沒有得到根本的解決。精細陶瓷粉體的顆粒較

大，屬微米級（10-6m），有人用新的制備方法把陶瓷粉體的顆粒加工到納米級

（10-9m），用這種超細微粉體粒子來制造陶瓷材料，得到新一代納米陶瓷，這

是陶瓷材料的第三次飛躍。納米陶瓷具有延性，有的甚至出現超塑性。如室溫下

合成的TiO

2

陶瓷，它可以彎曲，其塑性變形高達100%，韌性極好。因此人們寄

希望于發展納米技術去解決陶瓷材料的脆性問題。納米陶瓷被稱為21世紀陶瓷。