改变世界的新型陶瓷

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几个世纪以来，陶瓷材料专门用于餐具和建材。19世纪中叶，耐火材料和磨料磨具技术的发展促成了现代冶金、玻璃等行业的发展，并成为陶瓷的第一个工业应用。“先进陶瓷”或“新型陶瓷”出现于20世纪70年代，用以指定一个能让新技术走向成熟的新的具有特殊物理性能的工程材料世界。

尤其是近几十年来，纳米技术的发展，已经在广泛的行业领域改变了技术和材料。通过使制造商能够在纳米级微调和修改材料结构，纳米技术使陶瓷实现特定的最终性能成为可能。陶瓷工业也受益于纳米技术产生的材料革命，由纳米结构陶瓷粉生产的元件、设备或涂层更强、更轻、更耐用，或者具有更好的导电性。

可以说，具有良好隔热性、重量轻、熔点高、有弹性、有拉伸强度和化学惰性等新型陶瓷现在几乎应用于各个行业，从医疗、电子、汽车、工业，甚至是体育方面，无一不见新型陶瓷的踪影。

生物医学应用

大量的陶瓷材料被用于生物医学应用中。尤其在过去的二十年里，陶瓷材料在植入设备中的使用一直在大量增加。而在未来，陶瓷将可能会应用到基因治疗和组织工程中。

陶瓷一直被牙科使用，因为陶瓷牙齿可以与患者的天然牙齿匹配。传统上，牙套包括金属支架和金属丝。但是，有很多人由于担心“金属嘴”而拒绝戴牙套，并因而错失了展现自己美丽笑容的机会。为此，正畸研究着力于较不可见的材料选项，比如陶瓷。陶瓷牙套与金属牙套同样有效，但在正常距离几乎看不到，从而对佩戴者更有吸引力。好莱坞著名影星汤姆·克鲁斯的微笑就得益于陶瓷牙套。

在关节置换方面，强度和韧性的完美结合，加之生物惰性属性和低磨损率，一种被称为氧化锆的特殊类型的陶瓷氧化物现在已经取代了氧化铝在诸如股骨头全髋关节置换中的应用。氧化锆头的强度是氧化铝头的两倍，因此股骨头的直径可以降至小于26毫米，从而减少人工全髋关节置换手术中病人的创伤。其他可以受益于氧化锆植入物的应用包括膝关节、肩、指骨关节和脊柱植入。另外，该材料也正在应用于内窥镜组件和起搏器盖。

陶瓷在植入设备方面的最新应用，可能是2013年9月由美国加利福尼亚大学河滨分校的研究团队新开发的陶瓷透明头骨植入物。这种陶瓷透明头骨植入物使用的是与目前用于髋关节植入和牙冠体一样的陶瓷材料——钇安定化氧化锆（yttria-stabilised zirconia ，YSZ），并经过处理使之透明。基于激光的治疗方法承诺能治疗多种脑疾病，但要实现这一承诺一直受制于需要部分颅骨切除来进入大脑这一事实，因为大多数医疗激光无法穿透头骨。

由加州大学河滨分校的团队开发的这一透明YSZ植入物通过在头骨上提供一个永久的植入视窗解决了这一问题。通过它医生可以对大脑进行基于激光的治疗，并且无需像以前那样，要反复地进行部分颅骨切除来进入大脑。这是通向创新的新概念的关键的第一步，它为视觉上长期经常性地按需求、在大片区域进入大脑提供了临床上的可行手段。该校工程学院的机械工程教授Guillermo Aguilar说，这是将科幻小说中的想法付诸于事实的例子。虽然该团队的YSZ视窗不是第一个被报道过的透明头骨植入物，但是它却是第一个可能能在人体使用的，并且很有可能对患者有积极的影响。它的使用增强了安全性，也可以让病人减少面临尴尬的局面，因为它降低了植入物的易受攻击性，从而可以尽量减少对显眼的防护头盔的需求。这一新材料的使用，有可能最终改善患有威胁生命的神经系统疾病的患者，如脑肿瘤和脑外伤患者的治疗方案选择。

电子陶瓷材料

如果没有陶瓷，全球近2兆美元的电子产业将不复存在。陶瓷材料广泛的电气性能包括绝缘、半导电、超导、压电和磁等，这是手机、电脑、电视和其他消费类电子产品的关键。目前，全球电子陶瓷材料市场估计约为90亿美元。

使用手机对健康影响是个持续的争论。国际安全法规界定特定能量吸收率（specific energy absorption rate，SAR），以鼓励优化辐射功率与用户大脑吸收的能量的比率。美国摩根高级陶瓷公司（Morgan Advanced Ceramics）为领先的微型天线专门制造商Sarantel开发了一种特种陶瓷，为下一代手机天线铺平了道路。这一天线设计专利被称为PowerHelix。PowerHelix天线设计降低了可能会对用户的皮肤造成入射磁场的电流损失，天线产生的辐射是其他系统的5%。

陶瓷的耐高温能力是其已被开发使用的属性中最众所周知的属性之一。2013年8月，美国海军研究实验室和波士顿学院的科学家们确定了一种新型陶瓷（立方硼砷化物），其性能甚至可以优于目前电子设备中的热传导冠军——钻石。随着微电子设备变得更小、更快、功能更强大，热管理越来越变成一项重大的挑战。该团队的研究人员通过应用无参数计算技术来计算立方III-V族硼化合物的热导率，该方法在预测电子性质中更常用。团队的工作在定量水平上为热传导的性质提供了新见解，并且预测了一种新材料，它具有超高的热导性，或许可以被应用在被动冷却系统中。如果这些令人振奋的结果能通过实验验证，它将会为具有硼砷化物的被动冷却应用开启新的机会，同时，它也将表明，这种理论上的工作可以在确定新高导热材料中发挥重要的指导作用。

压电陶瓷应用广泛，例如近期最成功的商业飞机之一波音777在位于每架飞机的60个超声波油箱探头内均使用了压电陶瓷材料。由于不论飞行器在什么方向都能提供高精度的读数，类似的超声波燃料探头也被用在战斗机和其他遥感应用中。压电陶瓷使用的广泛性促使了这方面的研发持续不断。

2014年2月，英国利兹大学（Leeds University）的衍生公司创造出一种压电材料，能够在高温、高压、极端冲击和高应力环境中工作。这种新型陶瓷材料（由Ionix Advanced Technologies公司开发的铋、铁、钛、钾氧化物的组合）将被纳入状态监测设备，提供使用当前设备无法获取的功能。初始应用有望使用在必须承受高达500oC的系统中。Ioni x公司的CTO Tim Comyn博士说，现在美国也有一些耐高温材料，比如钪（Scandium），但它比铂还要贵，而且只能在世界上的某些地方提取，所以有安全供应的问题。另外还有一些其它类别的可用材料，但由于制造方法新颖复杂，通常它们都相当昂贵。而他们的新材料与现有的压电陶瓷制造方法兼容，可以用与当前材料（如锆钛酸铅PZT）类似的成本进行大批量生产。该材料的潜在市场包括航空航天、石油、天然气及核电等，估计每年会超过5亿英镑。

汽车

陶瓷从一开始在汽车中就很重要，早在20世纪20年代就用于火花插绝缘子和玻璃窗户。汽车中的计算机控制和其他电子产品中也使用大量的陶瓷基板和组件，它们对设备的性能至关重要。此外，许多电机在现代汽车中用于自动调节座椅和车窗等，而多数这种马达中都使用陶磁铁。同时，陶瓷组件也被引入重型柴油发动机的燃油系统和气阀构件。

现代汽油发动机技术的发展趋势包括维持或提高性能，同时降低二氧化碳的排放。发动机设计师一直在寻找替代办法，以降低成本和排放，同时提高燃油经济性和性能。改进汽车设计的方法之一是材料替代。由于其独特的耐热、耐磨损和耐腐蚀性，以及重量轻、隔热和电绝缘等特性，陶瓷可能会成为未来汽车发动机中许多关键组件的使用技术。未来的汽车中也可能会在燃油系统的耐磨损应用中、气阀的额外组件阀门和阀座中使用陶瓷。另外，未来派汽车或许会使用陶瓷燃料电池实现近零排放的操作。

2013年8月，由英国国家物理实验室（National Physical Laboratory，NPL）带领的研究人员创造出一种新陶瓷材料，并使用这一材料建立了一个电容器原型。团队声称，与传统的使用液体电解质或聚合物材料制成的设备相比，新电容器可以在温度超过 200oC时仍然接近正常工作效率，而且能存储更多的能量。尤其是，它能够在标准的制造方法下用相对廉价的原材料通过传统的多层设计制成。

总部位于密歇根州Southfield的Federal-Mogul Corp公司于2013年9月推出了一种新的高性能火花塞SureFire Plus，能提供更高的电压、延长插头寿命，并且设计成可以高效融入到日益拥挤的发动机汽缸头中，以应对现代高输出汽油发动机日益增加的热、电压和其他要求。在新火花塞中，陶瓷绝缘体是电极之间的唯一障碍，它迫使火花跳转过间隙，启动燃烧。在SureFire Plus火花塞上获得的空前水平的陶瓷性能可以让新一代点火系统封装更小，却能提供更大的能量，且更耐用。该公司目前正在试生产新插头，预计从2014年5月开始进行大批量制造。

从2014年9月开始，所有被欧盟委员会的规则所覆盖的新客运和许多轻量商用车将需要使用“Euro 6”认证的发动机。为响应这一举措，汽车制造商和各种研究小组都在加紧其过滤研发。

过滤

全球水资源的匮乏，加之人口的不断增长，使人们越来越认识到更有效地进行水的生产和再利用的重要性和必要性。使用大量水的工业，包括食品和能源行业等，都越来越多地在寻找可持续的过滤解决方案，以提高工业用水的重复利用效率。

聚合物或陶瓷管状膜目前在多种工业和公共污水处理应用中被用于清洁、保护和再利用水，包括污水处理厂、建筑，甚至是游船。目前，聚合物膜约占膜过滤市场的75%，在其余的25%中，陶瓷占绝大多数，另外还包括少量的其它材料，如金属膜。陶瓷膜在乳品生产和果汁的澄清中很常见，而聚合物膜目前主导污水处理行业。由于陶瓷材料优异的化学性和耐磨损性，在某些应用中它们优于聚合物膜。陶瓷能承受的pH值范围为0～14，而聚合物膜只能承受一个更窄的pH范围：聚合物膜可以承受抗中性、酸性或碱性的pH值腐蚀，但一般来说，同一种材料不能在所有的三个范围内起作用。

陶瓷和聚合物都不可避免地会结垢，但当涉及有就地清洁（clean-in-place，CIP）过程的系统时，陶瓷可以提供更广泛的选择。在过滤含有油或脂肪酸（例如表面活性剂）的水时，高品质的陶瓷膜更能抵抗结垢，而且无需添加分散剂。并且在一些应用中，膜必须要使用苛刻的化学品进行清洁，同时要能承受来自于两个方向的高压力。这在反冲洗时尤其必要，因为它需要防止在膜的表面上或在孔隙中形成污垢层而降低膜的过滤能力。陶瓷可以承受过氧化化学清洁剂或高温蒸汽清洗，但这对聚合物就成问题。燃烧、高温的空气清洁处理可用于陶瓷，但很可能会熔化聚合物膜。因此，在需要特殊消毒的医疗行业，陶瓷膜应用广泛。

行业在采用中水回用和保护方法的同时，也正试图减少设施中这类活动的碳足迹。这时，膜的选择和设计正发挥着重要作用。陶瓷具有更高的强度和刚性，使得它们在压力下有比聚合物更好的尺寸稳定性。

2013年9月，丹麦LiqTech国际公司的碳化硅新型陶瓷过滤技术已经通过了NSF国际（一家总部位于密歇根州安阿伯市的公共健康和安全组织）的饮用水认证。该公司表示，现在可以用碳化硅过滤器元件替代砂过滤器、筒式过滤器和传统的聚合物，应用于去除地下水中的沉淀盐、去除地表水中的有机悬浮物和腐殖酸，或者在淡化前过滤海水。该过滤膜完全由碳化硅生成，可以耐整个PH值范围的化学腐蚀，耐高温达800oC，大约有45%的孔隙率，在所有过滤材料中可过滤流量最高。除饮用水外，单片碳化硅单元的应用还包括过滤含油污水和工业生产用水、化工、制药和生物技术过滤以及食品和饮料行业。另外，作为新型陶瓷，碳化硅的化学性和耐温性使得它可以应用在其他聚合物过滤器无法应用的地方，且过滤器可以经受化学清洗，甚至是蒸汽灭菌。

未来，企业可能需要适应开发自己的水过滤系统，这甚至可以包括使用模块化的或本地的过滤系统，而不是将废水排放到中央系统中。这类过滤系统将需要更具有可持续性的膜，这意味着，在不久的将来，需要更多的创新，尤其是新型陶瓷方面的创新，以提高效率，而且应对更严密的审查。

能源

核能发电的每个层面都需要陶瓷，从燃料到反应堆设计，再到废物控制。有人说，核电走向了末路，至少在德国和瑞士，以及其他一些国家是这样。但是，在世界上许多其他地区，核电仍相当具有生命力，尤其是在中国、越南和印度等高耗电国家。根据世界核协会（World Nuclear Association）网站上的报告，在欧洲，芬兰和法国的核电都处于建设中；英国政府大力支持在未来10年建造12座新反应堆，以取代其老化设备；即使是遭受了毁灭性的海啸，并且其福岛第一核电站的核设施惨遭破坏的日本，也在缓慢而精心地重新激活在2011年3月灾难发生后被关闭的一些核电站。因此，虽然少数几个国家采取鸵鸟的方式对待核电，其他国家的研究人员正在开发新技术，以确保核能发电仍然是能源组合中强有力的贡献者。

2013年7月，麻省理工学院（MIT）的科学家们正在测试一种陶瓷覆层材料，以保护核电站燃料棒，这将有助于防止它们在发生危机时释放爆炸性氢气。另外，美国能源部橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）、英国伦敦帝国学院和其他地方的一些研究人员预期陶瓷材料对燃料设计和反应器设计都很重要。2013年8月，橡树岭国家实验室的团队正在研究一种称为“全陶瓷微囊燃料”的新的包覆燃料设计。新的燃料设计打开了重新设计反应堆本身的机会，陶瓷正在被研究应用于若干个反应堆组件，比如分散的金属基体或陶瓷基体燃料可能会最终取代传统的铀芯块系统。

但需要认识到的是，要将陶瓷纳入到新兴的核技术的所有方面，陶瓷加工工艺将至关重要。

另外，氢被很多人认为是最清洁的能源，但朝着氢能经济迈进的一个主要障碍是如何能生产足够多的气体，以对世界的能源需求产生重大影响。而要更有效地从生物质中或用光学电解法生产氢，陶瓷是技术进展的核心。2013年5月，杜克大学的工程师们正在研究一种新方法，从生物质中用新的催化方法生产清洁的氢，它将纳米金与铁氧化结合，使得生产的一氧化碳接近零。改进的催化剂在80°C的时候，以小于20ppm的一氧化碳生产氢，这比以前的方法所需的温度要低。研究人员已经运行了超过200小时的反应，发现黄金/氧化铁催化剂的有效性并没有减少。

体育

陶瓷被广泛应用于体育运动中，而运动器材制造商正在利用陶瓷的独特性能优势，让竞技者更容易取胜。比如高性能陶瓷是高尔夫球杆推杆头的理想材料，因为它比钢更轻、更软，能增强感觉和控制。一体式结构的陶瓷推杆具有更好的一致性，并转化为更成功的推杆结果。而高级陶瓷纤维还被用于Head公司的网球拍，能将一次击球的力量增加15%，并已经被临床证实能消除网球肘。

在赛车中，陶瓷的应用更为广泛，碳或陶瓷转子已经在竞赛车刹车中使用超过15年。这些转子的优点是重量轻，并具有耐久性和抗褪色性，从而能提高转向精度和控制。同时，制动盘和衬垫的持续时间也更长。除了改善汽车的性能，陶瓷也帮助NASCAR车手在驾驶舱保持凉爽。要知道，在比赛期间，驾驶舱的温度可以高达115oF，足以融化车手的鞋。

陶瓷在冰雪运动中也一直发挥着重要作用，例如由诺顿工业开发的革命性的陶瓷片技术正在被著名滑雪制造商使用，用以生产具有最尖锐、最流畅的边缘，同时有接近镜面光洁度的滑雪板。具有这种特别的雪橇和滑雪板在斜坡上的转动和抓地力更好，因此提高了性能和安全性。同时，材料特性能使边缘维持锋利的时间更长。

最近的应用就是2014年年初举行的索契冬季奥运会。有没有想过，那些为我们的娱乐和奥运荣耀而心甘情愿地将自己掷向冰冷的斜面的高空飞行运动员身下面是什么？答案很简单——陶瓷。索契的“RusSki Gorki”跳台中心的标准和大跳跃跳台均配备由德国 CeramTec公司开发的ALOSLIDE 陶瓷斜台轨道。该系统基于“陶瓷小块”，并配有独特的灌溉和冷却系统，以确保像索契这类的滑雪跳台活动可以不受天气条件制约而常年举行，并且提供几乎完全相同的功能。当陶瓷小块被水浸湿后，滑动特性至少与雪是等同的。同时，在这一高科技轨道上，滑雪者可以有更长的跳转。

新型陶瓷的其他应用

新型陶瓷的应用举不胜举，比如在建筑方面，在陶瓷颗粒的帮助下，窗户会变得更智能。例如一种申请专利的悬浮颗粒设备技术可以让用户控制通过玻璃或塑料制品的光量、眩光和热量，比如窗户、天窗、门、遮阳板、护目镜和眼镜等。

在航空航天业，工程陶瓷已经在航天飞机及其设备中使用多年，包括火箭排气锥体中的热防护系统、航空飞机的绝缘瓦片、发动机组件，以及许多嵌入到飞机的挡风玻璃中的陶瓷涂层等。这些透明涂层具有导电性，从而让玻璃在雾和冰中保持透明。而陶瓷纤维由于其隔热性好、重量轻且不会腐蚀而被用作飞机和航天飞机的防火隔热屏。另外，先进陶瓷在太空旅行中的高效率、高性价比的新技术发展中发挥着重要作用。位于德国埃尔兰根（Erlangen）的摩根技术陶瓷公司的分公司已与欧洲太空发展计划合作数年，支持其离子推进系统的研究。作为传统化学推进器的轻量替代，陶瓷离子发动机有潜力在相同的燃料消耗下，推动航天器的速度可以快十倍，从而显著降低飞行器尺寸并增加行驶距离，从而可能会让太空旅行成为可能。

目前，全球陶瓷涂料市场稳健增长。在线市场研究报告ReportsnReports.com的数据显示，预计在2014～2018年期间，全球陶瓷涂层市场的年复合增长率将达7.24%，一些具体的应用将推动航空航天、汽车和工业领域对陶瓷涂层的整体需求。国际航空运输协会的数字显示，在过去十年，总燃料成本几乎翻了两番，吞噬了航空公司总成本的近三分之一。因此能够更高效地运行喷气发动机并因此使用较少的燃料，将可以大大推动降低空中旅行的成本及其对环境的影响。喷气发动机的效率是越热越好，但为了不被烧焦，引擎需要高性能的热障涂层，以保护它们免受剧烈温度波动带来的压力。2014年3月，瑞典西部大学（University West）的科学家们已经开发出一种用于飞机引擎的先进陶瓷纳米热障涂层，以保护飞机发动机免受过热伤害。

新型陶瓷材料的应用相当普遍，而且多数应用属于一些快节奏和渐进的行业，如航空航天、生物医药和光伏等。这些行业都在不断地寻求为先进应用和领先的技术开发而提高材料性能。因此，陶瓷材料必须按照日益严格的规范而被制造，并且研究必须继续推动，应对由于现有陶瓷材料所限而带来的挑战。

创新的制造技术使纳米结构被“设计”到陶瓷粉末中；反过来，这些粉末促成了先进的陶瓷涂料组分的研发，使得涂层在硬度、弯曲强度、断裂韧性、导热性、耐腐蚀性，甚至是其他一些如透明性和生物相容性方面都有增强。未来，纳米陶瓷可能会在一些方面扮演重要角色，如新的功能梯度涂层，耐刮、耐磨和耐冲击的透明结构，和复合材料（聚合物陶瓷和陶瓷金属）等。纳米陶瓷粉末所能产生的应用无法估量，其可能性只会被行业的想象力所限。

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