从传统陶瓷到先进陶瓷

关于陶器和瓷器，由于它们都是放在窑中烧制而成的器物，所以常常将二者并称——陶瓷。虽然可以并称，其实二者是有区别的。首先是选土，烧制陶器用普通黏土，烧制瓷器的主要成分是瓷土（如高岭土）。其次是，烧制陶器的温度较低，烧制瓷器的温度要高得多。比起陶器，瓷器的致密性较好。从历史的发展过程看，从烧制陶器到烧制瓷器的技术有了较大的发展，归结起来是3项。

首先是选择原材料，瓷器要选用含铝成分较高的瓷土。其次是改进窑炉，以提高窑温。最后是用釉。釉的主要成分是石英和长石等，这些釉被涂在瓷胚的表面，在烧制时，形成薄而硬的玻璃质薄层。

古代制瓷技术是中国人发明的。从原始瓷的出现，可以追溯到商代。当时的火温可达1200摄氏度以上。除了原始瓷，在商代的遗物中，人们还发现了用瓷土烧制的陶器，由于材料好，烧出的陶器很硬，因此被称为“硬陶”。

到了东汉，首先在浙江的绍兴和余姚一带出现了青瓷。这些窑就是著名的“越窑”。这些窑中烧制青瓷时的温度可达1300摄氏度。这些窑主要烧制的是一种上釉的青瓷，并且在几百年中是中国瓷器的主流产品，我们在各地的博物馆中可以看到从东汉到南北朝的瓷器，其中大都是青瓷。所谓“青瓷”，从成分上讲，是以铁着色剂为主的青釉瓷器。

由于瓷器的名气越来越大，不仅大江南北的瓷器变得越来越普及，而且还出现了新的品种——白瓷；到唐代，社会上形成了一种有趣的局面——“南青北白”。这就是说，在中国南方，以烧制青瓷为主，在北方则以烧制白瓷为主。不仅如此，瓷器的名声还传到了国外，以至于在西方，瓷器（china）成了中国的名称——China。

在古代，烧制瓷器的原料包括瓷石、长石、石英和黏土等，这都是一些非金属的天然矿物。由于烧制技术的不断提高，瓷器的种类和性能都得到长足的发展。到元明清的时代，江西景德镇成为中国的一个重要的瓷器生产和销售中心，使景德镇有“瓷都”的美称。

到20世纪30年代，传统瓷器的应用受到了一定的限制。除了一般的日用品制作，工业技术对瓷器的技术指标提出了一定的特殊要求。例如，电力输送线路对绝缘的性能要求使瓷器要能耐高电压，要达到几百千伏。汽车发动机用的火花塞要求耐高电压，还要求耐高温和高气压。在制作大功率集成电路时也要使用陶瓷基片。像导弹和航天器技术的快速发展，对陶瓷产品也提出很高的要求，如耐受极高温和高强度的陶瓷等。

当然要看到，陶瓷的致命缺陷是脆。现代工程对陶瓷的脆性是排斥的。在许多情况下，可能要代之以金属材料。陶瓷还有一个缺陷，在高温下它要变软。这是为什么呢？原来在陶瓷中有一种所谓“玻璃相”的结构。我们知道，玻璃会随着温度的升高而变软。能否改变陶瓷的结构，特别是消除“玻璃相”的结构呢？取而代之的是微小的晶体结构，这会大大改善陶瓷的特性。

在了解了陶瓷结构对其性能的影响之后，科研人员就利用一些高纯度的人工材料，以取代烧制传统陶瓷所使用的天然原料，并且对制作工艺也进行了改进。科技人员用一些材料完全取代含有硅酸盐的天然原料，也能烧制成陶瓷。这种新型陶瓷的性能获得了极大的提高。为此，人们也把这种新型陶瓷称为“先进陶瓷”。

“先进陶瓷”的原料是一些高纯度和超细的人工合成的无机化合物。烧制工艺也大大改进了，采用了一些精密控制的工艺，使烧结的陶瓷性能更好。这种“先进陶瓷”也被称为“高性能陶瓷”或“精细陶瓷”，或“高科技陶瓷”。

新型陶瓷按成分分类，可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、硫化物陶瓷和氟化物陶瓷等。这些新型陶瓷满足了一些特殊的要求。

按照性能和用途，“先进陶瓷”还可分为先进功能陶瓷和先进结构陶瓷。从20世纪60年代以来，陶瓷材料越来越受到重视，这种陶瓷的地位已经堪与金属材料和有机高分子材料并驾齐驱。特别是，随着高技术发展迅速的今天，像具有耐高温、耐腐蚀和电绝缘等高性能的陶瓷有广泛的应用范围。此外，为了满足各种需要，人们要对陶瓷的结构有更加深入的认识，今天的研究和分析工具也有很大的进步。例如，过去要观察陶瓷的结构，只需要光学显微镜；如果要进行更深入的分析，则需要电子显微镜，而且有时还可借助分辨率更高的电镜，以观测到陶瓷的微观结构。

从陶瓷历史的发展，中国人在2000年前完成了从陶器向瓷器的转折，完成了陶瓷史上的第一次飞跃。在20世纪中叶，从传统陶瓷发展到先进陶瓷，从而完成了陶瓷史上的第二次飞跃。今天，人类又面临着第三次飞跃。这次飞跃应该说是从先进陶瓷向纳米陶瓷的迈进。

什么叫纳米陶瓷呢？纳米陶瓷是指陶瓷的显微结构达到纳米量级的水平。这种显微结构是借助于显微分析装置来观察材料的内部组织。

从微观结构上讲，先进陶瓷由许多晶粒组成，呈现多晶体结构。如果用尺寸的量级来命名，先进陶瓷的显微结构大都是微米的量级水平，晶粒尺寸为1～10微米。打个比方说，如果有一个1厘米3的容积，这差不多能容纳1010个晶粒。不过，纳米陶瓷的显微结构要更精细，晶粒的尺寸能达到1～100纳米。同样的比方是，1厘米3内能容纳的晶粒是1019个。可见，纳米陶瓷的晶粒更加细小。

当然，晶粒大小变化只是问题的一个方面，这种变化会引起陶瓷性能上的巨大变化。

我们知道，所谓晶体，它的内部的原子排列是非常规则的；而非晶体主要是它内部的原子呈现不规则的排列，也没有规则的外形和固定的熔点。常见的非晶体有玻璃、石蜡、松香等。有趣的是，纳米陶瓷既不属于晶体，也不属子非晶体。纳米陶瓷的原子排列使纳米陶瓷具备了一些新的性能。由于晶粒的细微，使陶瓷的气孔更小了，常规陶瓷所具有的缺陷在纳米陶瓷中就更少了，甚至还能制造出无缺陷的陶瓷。当然，要获得纳米陶瓷还有一段路要走，如制备方法和成型与烧结的工艺，都还要不断地探索。