无机非金属

无机非金属材料——陶瓷

(1)传统陶瓷

陶瓷在我国有悠久的历史，是中华民族古老文明的象征。从西安地区出土的

秦始皇陵中大批陶兵马俑，气势宏伟，形象逼真，被认为是世界文化奇迹，人类

的文明宝库。唐代的唐三彩、明清景德镇的瓷器均久负盛名。

传统陶瓷材料的主要成分是硅酸盐，自然界存在大量天然的硅酸盐，如岩石、

土壤等，还有许多矿物如云母、滑石、石棉、高岭石等，它们都属于天然的硅酸

盐。此外，人们为了满足生产和生活的需要，生产了大量人造硅酸盐，主要有玻

璃、水泥、各种陶瓷、砖瓦、耐火砖、水玻璃以及某些分子筛等。硅酸盐制品性

质稳定，熔点较高，难溶于水，有很广泛的用途。

硅酸盐制品一般都是以黏土（高岭土）、石英和长石为原料经高温烧结而成。

黏土的化学组成为Al

2

O

3

2SiO

2

2H

2

O，石英为SiO

2

，长石为K

2

OAl

2

O

3

6SiO

2

（钾长石）或Na

2

OAl

2

O

3

6SiO

2

（钠长石）。这些原料中都含有SiO

2

，因此在

硅酸盐晶体结构中，硅与氧的结合是最重要也是最基本的。

硅酸盐材料是一种多相结构物质，其中含有晶态部分和非晶态部分，但以晶

态为主。硅酸盐晶体中硅氧四面体［SiO

4

］是硅酸盐结构的基本单元。在硅氧四

面体中，硅原子以sp3杂化轨道与氧原子成键，Si—O键键长为162pm，比起Si4+

和O2-的离子半径之和有所缩短，故Si—O键的结合是比较强的。

(2)精细陶瓷

精细陶瓷的化学组成已远远超出了传统硅酸盐的范围。例如，透明的氧化铝

陶瓷、耐高温的二氧化锆（ZrO

2

）陶瓷、高熔点的氮化硅（Si

3

N

4

）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。防疫标语 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一年级日记50字 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：

高温结构陶瓷除了氮化硅外，还有碳化硅感恩的故事 （SiC）、二氧化锆（ZrO

2

）、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，后者使

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（MgF

2

）、氟化钙（CaF

2

）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

Si

3

N

43Si+2N

2

1300℃

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1

200℃，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红酒怎么开瓶 和高级防护眼

镜等。

光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100

m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信。激光的方向性强、频率高，是进行光纤通信

的理想光源。光纤通信与电波通信相比，光纤通信能提供更多的通信通路，可满

足大容量通信系统的需要。

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，否印章效果

则就需要用中继器把衰减的信号放大。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

缆一样的光生活妆 缆，这样既提高了光导纤维的强度，又大大增加了通信容量。

用光缆代替通信电缆，可以节省大量有色金属，每公里可节省铜t、铅2～

3t。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。光纤通信与泰字成语 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，起到部分取代通信卫星的作

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。ZrO

2

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

〔Ca

10

(PO

4

)

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、耳听骨修复和职业规划大赛 人工牙种植等。目前发现用熔融法制得的生物玻璃，

如CaO-Na

2

O-SiO

2

-P

2

O

5

，具有与骨骼键合的能力。

陶瓷材料最大的弱点糖水怎么做 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，必须考虑解决其脆性问题。

（3）纳米陶瓷

从陶瓷材料发展的历史来看，经历了三次飞跃。由陶器进入瓷器这是第一次

飞跃；由传统陶瓷发展到精细陶瓷是第二次飞跃，在这个期间，不论是原材料，

还是制备工艺、产品性能和应用等许多方面都有长足的进展和提高，然而对于陶

瓷材料的致命弱点──脆性问题没有得到根本的解决。精细陶瓷粉体的颗粒较

大，属微米级（10-6m），有人用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级

（10-9m），用这种超细微粉体粒子来制造陶瓷材料，得到新一代纳米陶瓷，这

是陶瓷材料的第三次飞跃。纳米陶瓷具有延性，有的甚至出现超塑性。如室温下

合成的TiO

2

陶瓷，它可以弯曲，其塑性变形高达100%，韧性极好。因此人们寄

希望于发展纳米技术去解决陶瓷材料的脆性问题。纳米陶瓷被称为21世纪陶瓷。