改變世界的新型陶瓷

編譯/辛妍

幾個世紀以來，陶瓷材料專門用于餐具和建材。19世紀中葉，耐火材料和磨料磨具技術(shù)的發(fā)展促成了現(xiàn)代冶金、玻璃等行業(yè)的發(fā)展，并成為陶瓷的第一個工業(yè)應用?！跋冗M陶瓷”或“新型陶瓷”出現(xiàn)于20世紀70年代，用以指定一個能讓新技術(shù)走向成熟的新的具有特殊物理性能的工程材料世界。

尤其是近幾十年來，納米技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)在廣泛的行業(yè)領域改變了技術(shù)和材料。通過使制造商能夠在納米級微調(diào)和修改材料結(jié)構(gòu)，納米技術(shù)使陶瓷實現(xiàn)特定的最終性能成為可能。陶瓷工業(yè)也受益于納米技術(shù)產(chǎn)生的材料革命，由納米結(jié)構(gòu)陶瓷粉生產(chǎn)的元件、設備或涂層更強、更輕、更耐用，或者具有更好的導電性。

可以說，具有良好隔熱性、重量輕、熔點高、有彈性、有拉伸強度和化學惰性等新型陶瓷現(xiàn)在幾乎應用于各個行業(yè)，從醫(yī)療、電子、汽車、工業(yè)，甚至是體育方面，無一不見新型陶瓷的蹤影。

生物醫(yī)學應用

大量的陶瓷材料被用于生物醫(yī)學應用中。尤其在過去的二十年里，陶瓷材料在植入設備中的使用一直在大量增加。而在未來，陶瓷將可能會應用到基因治療和組織工程中。

陶瓷一直被牙科使用，因為陶瓷牙齒可以與患者的天然牙齒匹配。傳統(tǒng)上，牙套包括金屬支架和金屬絲。但是，有很多人由于擔心“金屬嘴”而拒絕戴牙套，并因而錯失了展現(xiàn)自己美麗笑容的機會。為此，正畸研究著力于較不可見的材料選項，比如陶瓷。陶瓷牙套與金屬牙套同樣有效，但在正常距離幾乎看不到，從而對佩戴者更有吸引力。好萊塢著名影星湯姆·克魯斯的微笑就得益于陶瓷牙套。

在關節(jié)置換方面，強度和韌性的完美結(jié)合，加之生物惰性屬性和低磨損率，一種被稱為氧化鋯的特殊類型的陶瓷氧化物現(xiàn)在已經(jīng)取代了氧化鋁在諸如股骨頭全髖關節(jié)置換中的應用。氧化鋯頭的強度是氧化鋁頭的兩倍，因此股骨頭的直徑可以降至小于26毫米，從而減少人工全髖關節(jié)置換手術(shù)中病人的創(chuàng)傷。其他可以受益于氧化鋯植入物的應用包括膝關節(jié)、肩、指骨關節(jié)和脊柱植入。另外，該材料也正在應用于內(nèi)窺鏡組件和起搏器蓋。

陶瓷在植入設備方面的最新應用，可能是2013年9月由美國加利福尼亞大學河濱分校的研究團隊新開發(fā)的陶瓷透明頭骨植入物。這種陶瓷透明頭骨植入物使用的是與目前用于髖關節(jié)植入和牙冠體一樣的陶瓷材料——釔安定化氧化鋯（yttria-stabilised zirconia ，YSZ），并經(jīng)過處理使之透明。基于激光的治療方法承諾能治療多種腦疾病，但要實現(xiàn)這一承諾一直受制于需要部分顱骨切除來進入大腦這一事實，因為大多數(shù)醫(yī)療激光無法穿透頭骨。

由加州大學河濱分校的團隊開發(fā)的這一透明YSZ植入物通過在頭骨上提供一個永久的植入視窗解決了這一問題。通過它醫(yī)生可以對大腦進行基于激光的治療，并且無需像以前那樣，要反復地進行部分顱骨切除來進入大腦。這是通向創(chuàng)新的新概念的關鍵的第一步，它為視覺上長期經(jīng)常性地按需求、在大片區(qū)域進入大腦提供了臨床上的可行手段。該校工程學院的機械工程教授Guillermo Aguilar說，這是將科幻小說中的想法付諸于事實的例子。雖然該團隊的YSZ視窗不是第一個被報道過的透明頭骨植入物，但是它卻是第一個可能能在人體使用的，并且很有可能對患者有積極的影響。它的使用增強了安全性，也可以讓病人減少面臨尷尬的局面，因為它降低了植入物的易受攻擊性，從而可以盡量減少對顯眼的防護頭盔的需求。這一新材料的使用，有可能最終改善患有威脅生命的神經(jīng)系統(tǒng)疾病的患者，如腦腫瘤和腦外傷患者的治療方案選擇。

電子陶瓷材料

如果沒有陶瓷，全球近2兆美元的電子產(chǎn)業(yè)將不復存在。陶瓷材料廣泛的電氣性能包括絕緣、半導電、超導、壓電和磁等，這是手機、電腦、電視和其他消費類電子產(chǎn)品的關鍵。目前，全球電子陶瓷材料市場估計約為90億美元。

使用手機對健康影響是個持續(xù)的爭論。國際安全法規(guī)界定特定能量吸收率（specific energy absorption rate，SAR），以鼓勵優(yōu)化輻射功率與用戶大腦吸收的能量的比率。美國摩根高級陶瓷公司（Morgan Advanced Ceramics）為領先的微型天線專門制造商Sarantel開發(fā)了一種特種陶瓷，為下一代手機天線鋪平了道路。這一天線設計專利被稱為PowerHelix。PowerHelix天線設計降低了可能會對用戶的皮膚造成入射磁場的電流損失，天線產(chǎn)生的輻射是其他系統(tǒng)的5%。

陶瓷的耐高溫能力是其已被開發(fā)使用的屬性中最眾所周知的屬性之一。2013年8月，美國海軍研究實驗室和波士頓學院的科學家們確定了一種新型陶瓷（立方硼砷化物），其性能甚至可以優(yōu)于目前電子設備中的熱傳導冠軍——鉆石。隨著微電子設備變得更小、更快、功能更強大，熱管理越來越變成一項重大的挑戰(zhàn)。該團隊的研究人員通過應用無參數(shù)計算技術(shù)來計算立方III-V族硼化合物的熱導率，該方法在預測電子性質(zhì)中更常用。團隊的工作在定量水平上為熱傳導的性質(zhì)提供了新見解，并且預測了一種新材料，它具有超高的熱導性，或許可以被應用在被動冷卻系統(tǒng)中。如果這些令人振奮的結(jié)果能通過實驗驗證，它將會為具有硼砷化物的被動冷卻應用開啟新的機會，同時，它也將表明，這種理論上的工作可以在確定新高導熱材料中發(fā)揮重要的指導作用。

壓電陶瓷應用廣泛，例如近期最成功的商業(yè)飛機之一波音777在位于每架飛機的60個超聲波油箱探頭內(nèi)均使用了壓電陶瓷材料。由于不論飛行器在什么方向都能提供高精度的讀數(shù)，類似的超聲波燃料探頭也被用在戰(zhàn)斗機和其他遙感應用中。壓電陶瓷使用的廣泛性促使了這方面的研發(fā)持續(xù)不斷。

2014年2月，英國利茲大學（Leeds University）的衍生公司創(chuàng)造出一種壓電材料，能夠在高溫、高壓、極端沖擊和高應力環(huán)境中工作。這種新型陶瓷材料（由Ionix Advanced Technologies公司開發(fā)的鉍、鐵、鈦、鉀氧化物的組合）將被納入狀態(tài)監(jiān)測設備，提供使用當前設備無法獲取的功能。初始應用有望使用在必須承受高達500oC的系統(tǒng)中。Ioni x公司的CTO Tim Comyn博士說，現(xiàn)在美國也有一些耐高溫材料，比如鈧（Scandium），但它比鉑還要貴，而且只能在世界上的某些地方提取，所以有安全供應的問題。另外還有一些其它類別的可用材料，但由于制造方法新穎復雜，通常它們都相當昂貴。而他們的新材料與現(xiàn)有的壓電陶瓷制造方法兼容，可以用與當前材料（如鋯鈦酸鉛PZT）類似的成本進行大批量生產(chǎn)。該材料的潛在市場包括航空航天、石油、天然氣及核電等，估計每年會超過5億英鎊。

汽車

陶瓷從一開始在汽車中就很重要，早在20世紀20年代就用于火花插絕緣子和玻璃窗戶。汽車中的計算機控制和其他電子產(chǎn)品中也使用大量的陶瓷基板和組件，它們對設備的性能至關重要。此外，許多電機在現(xiàn)代汽車中用于自動調(diào)節(jié)座椅和車窗等，而多數(shù)這種馬達中都使用陶磁鐵。同時，陶瓷組件也被引入重型柴油發(fā)動機的燃油系統(tǒng)和氣閥構(gòu)件。

現(xiàn)代汽油發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展趨勢包括維持或提高性能，同時降低二氧化碳的排放。發(fā)動機設計師一直在尋找替代辦法，以降低成本和排放，同時提高燃油經(jīng)濟性和性能。改進汽車設計的方法之一是材料替代。由于其獨特的耐熱、耐磨損和耐腐蝕性，以及重量輕、隔熱和電絕緣等特性，陶瓷可能會成為未來汽車發(fā)動機中許多關鍵組件的使用技術(shù)。未來的汽車中也可能會在燃油系統(tǒng)的耐磨損應用中、氣閥的額外組件閥門和閥座中使用陶瓷。另外，未來派汽車或許會使用陶瓷燃料電池實現(xiàn)近零排放的操作。

2013年8月，由英國國家物理實驗室（National Physical Laboratory，NPL）帶領的研究人員創(chuàng)造出一種新陶瓷材料，并使用這一材料建立了一個電容器原型。團隊聲稱，與傳統(tǒng)的使用液體電解質(zhì)或聚合物材料制成的設備相比，新電容器可以在溫度超過 200oC時仍然接近正常工作效率，而且能存儲更多的能量。尤其是，它能夠在標準的制造方法下用相對廉價的原材料通過傳統(tǒng)的多層設計制成。

總部位于密歇根州Southfield的Federal-Mogul Corp公司于2013年9月推出了一種新的高性能火花塞SureFire Plus，能提供更高的電壓、延長插頭壽命，并且設計成可以高效融入到日益擁擠的發(fā)動機汽缸頭中，以應對現(xiàn)代高輸出汽油發(fā)動機日益增加的熱、電壓和其他要求。在新火花塞中，陶瓷絕緣體是電極之間的唯一障礙，它迫使火花跳轉(zhuǎn)過間隙，啟動燃燒。在SureFire Plus火花塞上獲得的空前水平的陶瓷性能可以讓新一代點火系統(tǒng)封裝更小，卻能提供更大的能量，且更耐用。該公司目前正在試生產(chǎn)新插頭，預計從2014年5月開始進行大批量制造。

從2014年9月開始，所有被歐盟委員會的規(guī)則所覆蓋的新客運和許多輕量商用車將需要使用“Euro 6”認證的發(fā)動機。為響應這一舉措，汽車制造商和各種研究小組都在加緊其過濾研發(fā)。

過濾

全球水資源的匱乏，加之人口的不斷增長，使人們越來越認識到更有效地進行水的生產(chǎn)和再利用的重要性和必要性。使用大量水的工業(yè)，包括食品和能源行業(yè)等，都越來越多地在尋找可持續(xù)的過濾解決方案，以提高工業(yè)用水的重復利用效率。

聚合物或陶瓷管狀膜目前在多種工業(yè)和公共污水處理應用中被用于清潔、保護和再利用水，包括污水處理廠、建筑，甚至是游船。目前，聚合物膜約占膜過濾市場的75%，在其余的25%中，陶瓷占絕大多數(shù)，另外還包括少量的其它材料，如金屬膜。陶瓷膜在乳品生產(chǎn)和果汁的澄清中很常見，而聚合物膜目前主導污水處理行業(yè)。由于陶瓷材料優(yōu)異的化學性和耐磨損性，在某些應用中它們優(yōu)于聚合物膜。陶瓷能承受的pH值范圍為0～14，而聚合物膜只能承受一個更窄的pH范圍：聚合物膜可以承受抗中性、酸性或堿性的pH值腐蝕，但一般來說，同一種材料不能在所有的三個范圍內(nèi)起作用。

陶瓷和聚合物都不可避免地會結(jié)垢，但當涉及有就地清潔（clean-in-place，CIP）過程的系統(tǒng)時，陶瓷可以提供更廣泛的選擇。在過濾含有油或脂肪酸（例如表面活性劑）的水時，高品質(zhì)的陶瓷膜更能抵抗結(jié)垢，而且無需添加分散劑。并且在一些應用中，膜必須要使用苛刻的化學品進行清潔，同時要能承受來自于兩個方向的高壓力。這在反沖洗時尤其必要，因為它需要防止在膜的表面上或在孔隙中形成污垢層而降低膜的過濾能力。陶瓷可以承受過氧化化學清潔劑或高溫蒸汽清洗，但這對聚合物就成問題。燃燒、高溫的空氣清潔處理可用于陶瓷，但很可能會熔化聚合物膜。因此，在需要特殊消毒的醫(yī)療行業(yè)，陶瓷膜應用廣泛。

行業(yè)在采用中水回用和保護方法的同時，也正試圖減少設施中這類活動的碳足跡。這時，膜的選擇和設計正發(fā)揮著重要作用。陶瓷具有更高的強度和剛性，使得它們在壓力下有比聚合物更好的尺寸穩(wěn)定性。

2013年9月，丹麥LiqTech國際公司的碳化硅新型陶瓷過濾技術(shù)已經(jīng)通過了NSF國際（一家總部位于密歇根州安阿伯市的公共健康和安全組織）的飲用水認證。該公司表示，現(xiàn)在可以用碳化硅過濾器元件替代砂過濾器、筒式過濾器和傳統(tǒng)的聚合物，應用于去除地下水中的沉淀鹽、去除地表水中的有機懸浮物和腐殖酸，或者在淡化前過濾海水。該過濾膜完全由碳化硅生成，可以耐整個PH值范圍的化學腐蝕，耐高溫達800oC，大約有45%的孔隙率，在所有過濾材料中可過濾流量最高。除飲用水外，單片碳化硅單元的應用還包括過濾含油污水和工業(yè)生產(chǎn)用水、化工、制藥和生物技術(shù)過濾以及食品和飲料行業(yè)。另外，作為新型陶瓷，碳化硅的化學性和耐溫性使得它可以應用在其他聚合物過濾器無法應用的地方，且過濾器可以經(jīng)受化學清洗，甚至是蒸汽滅菌。

未來，企業(yè)可能需要適應開發(fā)自己的水過濾系統(tǒng)，這甚至可以包括使用模塊化的或本地的過濾系統(tǒng)，而不是將廢水排放到中央系統(tǒng)中。這類過濾系統(tǒng)將需要更具有可持續(xù)性的膜，這意味著，在不久的將來，需要更多的創(chuàng)新，尤其是新型陶瓷方面的創(chuàng)新，以提高效率，而且應對更嚴密的審查。

能源

核能發(fā)電的每個層面都需要陶瓷，從燃料到反應堆設計，再到廢物控制。有人說，核電走向了末路，至少在德國和瑞士，以及其他一些國家是這樣。但是，在世界上許多其他地區(qū)，核電仍相當具有生命力，尤其是在中國、越南和印度等高耗電國家。根據(jù)世界核協(xié)會（World Nuclear Association）網(wǎng)站上的報告，在歐洲，芬蘭和法國的核電都處于建設中；英國政府大力支持在未來10年建造12座新反應堆，以取代其老化設備；即使是遭受了毀滅性的海嘯，并且其福島第一核電站的核設施慘遭破壞的日本，也在緩慢而精心地重新激活在2011年3月災難發(fā)生后被關閉的一些核電站。因此，雖然少數(shù)幾個國家采取鴕鳥的方式對待核電，其他國家的研究人員正在開發(fā)新技術(shù)，以確保核能發(fā)電仍然是能源組合中強有力的貢獻者。

2013年7月，麻省理工學院（MIT）的科學家們正在測試一種陶瓷覆層材料，以保護核電站燃料棒，這將有助于防止它們在發(fā)生危機時釋放爆炸性氫氣。另外，美國能源部橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）、英國倫敦帝國學院和其他地方的一些研究人員預期陶瓷材料對燃料設計和反應器設計都很重要。2013年8月，橡樹嶺國家實驗室的團隊正在研究一種稱為“全陶瓷微囊燃料”的新的包覆燃料設計。新的燃料設計打開了重新設計反應堆本身的機會，陶瓷正在被研究應用于若干個反應堆組件，比如分散的金屬基體或陶瓷基體燃料可能會最終取代傳統(tǒng)的鈾芯塊系統(tǒng)。

但需要認識到的是，要將陶瓷納入到新興的核技術(shù)的所有方面，陶瓷加工工藝將至關重要。

另外，氫被很多人認為是最清潔的能源，但朝著氫能經(jīng)濟邁進的一個主要障礙是如何能生產(chǎn)足夠多的氣體，以對世界的能源需求產(chǎn)生重大影響。而要更有效地從生物質(zhì)中或用光學電解法生產(chǎn)氫，陶瓷是技術(shù)進展的核心。2013年5月，杜克大學的工程師們正在研究一種新方法，從生物質(zhì)中用新的催化方法生產(chǎn)清潔的氫，它將納米金與鐵氧化結(jié)合，使得生產(chǎn)的一氧化碳接近零。改進的催化劑在80°C的時候，以小于20ppm的一氧化碳生產(chǎn)氫，這比以前的方法所需的溫度要低。研究人員已經(jīng)運行了超過200小時的反應，發(fā)現(xiàn)黃金/氧化鐵催化劑的有效性并沒有減少。

體育

陶瓷被廣泛應用于體育運動中，而運動器材制造商正在利用陶瓷的獨特性能優(yōu)勢，讓競技者更容易取勝。比如高性能陶瓷是高爾夫球桿推桿頭的理想材料，因為它比鋼更輕、更軟，能增強感覺和控制。一體式結(jié)構(gòu)的陶瓷推桿具有更好的一致性，并轉(zhuǎn)化為更成功的推桿結(jié)果。而高級陶瓷纖維還被用于Head公司的網(wǎng)球拍，能將一次擊球的力量增加15%，并已經(jīng)被臨床證實能消除網(wǎng)球肘。

在賽車中，陶瓷的應用更為廣泛，碳或陶瓷轉(zhuǎn)子已經(jīng)在競賽車剎車中使用超過15年。這些轉(zhuǎn)子的優(yōu)點是重量輕，并具有耐久性和抗褪色性，從而能提高轉(zhuǎn)向精度和控制。同時，制動盤和襯墊的持續(xù)時間也更長。除了改善汽車的性能，陶瓷也幫助NASCAR車手在駕駛艙保持涼爽。要知道，在比賽期間，駕駛艙的溫度可以高達115oF，足以融化車手的鞋。

陶瓷在冰雪運動中也一直發(fā)揮著重要作用，例如由諾頓工業(yè)開發(fā)的革命性的陶瓷片技術(shù)正在被著名滑雪制造商使用，用以生產(chǎn)具有最尖銳、最流暢的邊緣，同時有接近鏡面光潔度的滑雪板。具有這種特別的雪橇和滑雪板在斜坡上的轉(zhuǎn)動和抓地力更好，因此提高了性能和安全性。同時，材料特性能使邊緣維持鋒利的時間更長。

最近的應用就是2014年年初舉行的索契冬季奧運會。有沒有想過，那些為我們的娛樂和奧運榮耀而心甘情愿地將自己擲向冰冷的斜面的高空飛行運動員身下面是什么？答案很簡單——陶瓷。索契的“RusSki Gorki”跳臺中心的標準和大跳躍跳臺均配備由德國 CeramTec公司開發(fā)的ALOSLIDE 陶瓷斜臺軌道。該系統(tǒng)基于“陶瓷小塊”，并配有獨特的灌溉和冷卻系統(tǒng)，以確保像索契這類的滑雪跳臺活動可以不受天氣條件制約而常年舉行，并且提供幾乎完全相同的功能。當陶瓷小塊被水浸濕后，滑動特性至少與雪是等同的。同時，在這一高科技軌道上，滑雪者可以有更長的跳轉(zhuǎn)。

新型陶瓷的其他應用

新型陶瓷的應用舉不勝舉，比如在建筑方面，在陶瓷顆粒的幫助下，窗戶會變得更智能。例如一種申請專利的懸浮顆粒設備技術(shù)可以讓用戶控制通過玻璃或塑料制品的光量、眩光和熱量，比如窗戶、天窗、門、遮陽板、護目鏡和眼鏡等。

在航空航天業(yè)，工程陶瓷已經(jīng)在航天飛機及其設備中使用多年，包括火箭排氣錐體中的熱防護系統(tǒng)、航空飛機的絕緣瓦片、發(fā)動機組件，以及許多嵌入到飛機的擋風玻璃中的陶瓷涂層等。這些透明涂層具有導電性，從而讓玻璃在霧和冰中保持透明。而陶瓷纖維由于其隔熱性好、重量輕且不會腐蝕而被用作飛機和航天飛機的防火隔熱屏。另外，先進陶瓷在太空旅行中的高效率、高性價比的新技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。位于德國埃爾蘭根（Erlangen）的摩根技術(shù)陶瓷公司的分公司已與歐洲太空發(fā)展計劃合作數(shù)年，支持其離子推進系統(tǒng)的研究。作為傳統(tǒng)化學推進器的輕量替代，陶瓷離子發(fā)動機有潛力在相同的燃料消耗下，推動航天器的速度可以快十倍，從而顯著降低飛行器尺寸并增加行駛距離，從而可能會讓太空旅行成為可能。

目前，全球陶瓷涂料市場穩(wěn)健增長。在線市場研究報告ReportsnReports.com的數(shù)據(jù)顯示，預計在2014～2018年期間，全球陶瓷涂層市場的年復合增長率將達7.24%，一些具體的應用將推動航空航天、汽車和工業(yè)領域?qū)μ沾赏繉拥恼w需求。國際航空運輸協(xié)會的數(shù)字顯示，在過去十年，總?cè)剂铣杀編缀醴藘煞?，吞噬了航空公司總成本的近三分之一。因此能夠更高效地運行噴氣發(fā)動機并因此使用較少的燃料，將可以大大推動降低空中旅行的成本及其對環(huán)境的影響。噴氣發(fā)動機的效率是越熱越好，但為了不被燒焦，引擎需要高性能的熱障涂層，以保護它們免受劇烈溫度波動帶來的壓力。2014年3月，瑞典西部大學（University West）的科學家們已經(jīng)開發(fā)出一種用于飛機引擎的先進陶瓷納米熱障涂層，以保護飛機發(fā)動機免受過熱傷害。

新型陶瓷材料的應用相當普遍，而且多數(shù)應用屬于一些快節(jié)奏和漸進的行業(yè)，如航空航天、生物醫(yī)藥和光伏等。這些行業(yè)都在不斷地尋求為先進應用和領先的技術(shù)開發(fā)而提高材料性能。因此，陶瓷材料必須按照日益嚴格的規(guī)范而被制造，并且研究必須繼續(xù)推動，應對由于現(xiàn)有陶瓷材料所限而帶來的挑戰(zhàn)。

創(chuàng)新的制造技術(shù)使納米結(jié)構(gòu)被“設計”到陶瓷粉末中；反過來，這些粉末促成了先進的陶瓷涂料組分的研發(fā)，使得涂層在硬度、彎曲強度、斷裂韌性、導熱性、耐腐蝕性，甚至是其他一些如透明性和生物相容性方面都有增強。未來，納米陶瓷可能會在一些方面扮演重要角色，如新的功能梯度涂層，耐刮、耐磨和耐沖擊的透明結(jié)構(gòu)，和復合材料（聚合物陶瓷和陶瓷金屬）等。納米陶瓷粉末所能產(chǎn)生的應用無法估量，其可能性只會被行業(yè)的想象力所限。