陶瓷是人類生活和生產中不可缺少的一種材料，它的發展經歷瞭從簡單到復雜、從粗糙到精細、從無釉到施釉、從低溫到高溫的過程。今天材料+小編帶你瞭解陶瓷的歷史和發展，可以讓我們更全面的瞭解陶瓷材料，從而挖掘其潛在的應用。

1.陶瓷材料的歷史

陶瓷是最古老的工業之一。人們一發現粘土可以和水混合制作並燒結成各種形狀的物品，陶瓷工業就誕生瞭。早在公元前24,000年，動物和人俑雕塑都是用粘土等材料制成，然後放入挖好的地下窯燒制。

大約10,000年以後，隨著固定的社區的建立，美索不達米亞和印度開始制作磚。在大約公元前9000或10,000年左右，人們第一次使用這種功能陶器儲存水和食物。粘土磚也是在這一時間進行制作的。

玻璃被認為是大約公元前8000年在埃及發現的，它是由於窯過熱時產生的陶瓷彩釉。據專傢估計，直到公元前1500年，玻璃才成為被獨立制作的陶瓷，並成為時尚的象征。

快進到中世紀，金屬行業還處於起步階段，當時用來熔化金屬的爐子還是由天然材料制造的。當合成的更好的耐高溫材料（稱為耐火材料）在16世紀發展起來，工業革命誕生瞭。這些耐火材料為工業級別的金屬熔化和玻璃，以及焦炭、水泥、化學品和陶瓷的制造創建瞭必要的條件。

另外一個主要的發展發生在19世紀中後期，當陶瓷材料的電絕緣性被發展。作為一種新的應用在包括汽車、收音機、電視機、電腦的發明，陶瓷和玻璃材料使之成為現實，如下面的時間表。

陶瓷和玻璃發展的時間軸

2.陶瓷材料的應用全析

陶瓷材料在航空航天上的應用

工程陶瓷越來越多的應用於商業和軍用飛機，並於多年前應用於航天飛機及其設備上。

陶瓷的應用包括火箭排氣堆中的熱保護系統，用於航天飛機的隔熱瓦，發動機部件和嵌入飛機的擋風玻璃中的陶瓷塗層。這些塗層是透明的且導電，能保持把霧和冰從玻璃上清除。

陶瓷纖維能用作飛機和航天飛機的防火和隔熱的保護系統，因為它們耐熱，重量輕且不腐蝕。其他優異的性能包括高熔融溫度，高回彈性，高拉伸強度和化學惰性。

稱為氮化矽的非氧化物陶瓷具有優異的高溫強度，優異的斷裂韌性、高硬度和獨特的摩擦學性質。氮化矽航空航天應用產生卓越的機械可靠性和耐磨性，允許部件在最小潤滑條件下使用而不產生磨損。這些部件包括噴氣式發動機的點火器、軸承、襯套和其他磨損部件。

太空旅行成為可能

先進陶瓷在開發用於太空旅行的高效率和具有成本效益的新技術方面發揮著關鍵作用。德國摩根技術陶瓷部門已經於歐洲空間開發項目合作多年，以支持其離子推進系統的研究。作為傳統化學推進的輕質替代品，離子發動機具有以相同的燃料消耗將航天器推送高十倍的潛力，從而顯著減少推進器的尺寸和增加其運動距離。

離子推進技術，它使用電力來點燃重氣體原子，從而使航天器以高速的加速度向前推進，而傳統上是使用石英放電容器，現在石英已經被稱為氧化鋁的陶瓷氧化物代替，因為它們具有相同的介電性能但具有更高結構穩定性的材料。氧化鋁更容易制造並提供良好的耐熱沖擊性，也確保室內能承受在等離子體點火期間產生的極端溫度。同時它也更輕瞭，這也降低瞭每次發射的相關成本。

提供精確的燃料控制方案

近來，最成功的商用飛機之一，波音777，在每個飛機上的60個超聲波燃油箱探頭使用壓電陶瓷材料。超聲波換能器安裝在每個燃料箱中的多個位置處。材料+微信，內容不錯。脈沖電場施加到陶瓷材料上，陶瓷材料通過振蕩響應，所得到的聲波從燃料的表面反射並由壓電陶瓷換能器接受，數字信號處理器解釋聲波的“飛行時間”，以便連續地指示存在的燃料量。類似的超聲波燃料探測器也用於戰鬥機和其他水平的感測應用上，因為他們能提供高度精確的讀數，不用管飛機的取向如何。

陶瓷材料作為建築結構材料的應用

陶瓷產品如地磚、墻和屋面瓦片、水泥、磚、石膏、下水管道和玻璃都是數十億美元的建築業的主要部分。世界上每年生產大約30億平方英尺的玻璃，以制造各種類型的窗戶，而這些足以建造一條從紐約到洛杉磯的200英尺寬的玻璃高速公路。此外，玻璃纖維可用於絕緣、天花板和屋頂板，以保護人們免受傷害。

陶瓷磚用於諸如地板、墻壁、臺面和壁爐的應用中。瓷磚是一種非常耐用和衛生的建築產品，可以增加任何應用區域的美麗。浴室可配有與這些瓷磚類似的材料制成衛生潔具（廁所、水槽，有時是浴缸）。

粘土磚忍受颶風

粘土磚由於其強度、耐久性和美觀而被用於建造住宅和商業建築物。磚是唯一的不會燃燒、熔化、凹陷、剝落、扭曲、腐爛、生銹或被白蟻吃掉的建築產品。材料+微信，內容不錯。磚工業協會的一項新研究表明，用磚建造的住宅比用乙烯基或纖維水泥墻板建造的住宅提供瞭更多的風吹雨打的保護。研究表明，中型颶風吹的物體以25英裡每小時的速度，例如7.5英尺長的2*4的物體，將穿透用乙烯基或纖維水泥壁板建造的傢庭。相比之下，同一物體需要以超過80mph的速度行進才得以穿透磚房的墻壁。

控制光和熱的智能窗戶

在陶瓷顆粒的幫助下，窗戶可以變得很智能。這種被稱為懸浮顆粒裝置技術，是由研究前沿公司開發和許可的專利技術，它允許用戶通過控制玻璃或塑料產品，如窗戶、天窗、門、遮陽板、眼鏡，調節眩光和熱量。

懸浮顆粒裝置（通常稱為SPD或光閥）是其中分佈有液體懸浮液液滴的膜。光吸收微粒分散在液體懸浮液中。這些隨機取向的微觀顆粒通常由黑色陶瓷顏料（氧化絡鐵、氧化銅鉻或氧化鉍錳）制成。材料+微信，內容不錯。這些顆粒能反射熱，特別是近紅外輻射。

將這種膜封裝在塗覆有透明導電材料的兩個玻璃或塑料板之間。當不存在電壓時；顆粒吸收光並阻止其通過膜。當施加電壓時，顆粒重新排列，使得光可以通過。通過使用簡單的開關或其他控制裝置調節電壓，用戶可以立即調節通過窗戶等產品發出的光線、眩光和熱量。這給予用戶一定范圍的透明度，其中光透射率可以根據施加的電壓快速變化。

粘土屋面瓦能節省能源

瓦屋面協會與橡樹嶺國傢實驗室合作，其報告稱，與傳統的瀝青瓦屋頂相比，瓦片屋頂的質量，反射率和瓦片下的通風有助於減少至少50%的熱傳遞。材料+微信，內容不錯。塗層粘土磚可以將熱傳遞減少高達70%。瓦屋面非常耐火，也非常耐用，可以忍受惡劣的天氣條件，如大風、雪、冰雹甚至地震。事實上，瓦屋頂已經持續瞭幾個世紀，因此它們也是非常經濟的。

陶瓷材料在電設備上的應用

如果沒有陶瓷，那麼近2萬億美元的全球電子產業將不會存在。陶瓷的廣泛的電氣性能包括絕緣、半導體、超導、壓電和磁性對於諸如手機、計算機、電視和其他電子消費產品是至關重要。全球電子陶瓷市場估計約為90億美元。

陶瓷火花塞，這是電絕緣體，已經對社會產生瞭很大的影響。1860年第一次發明點燃瞭內燃機的燃料，目前仍然作為此用。除此之外，它還應用於包括汽車、船用發動機、剪草機和其類似物。高壓絕緣材料使其能夠安全地輸送電力到房屋和企業。

陶瓷改善天線性能

如果沒有摩根先進陶瓷為Sarantel 研發的特殊陶瓷，下一代移動電話天線是不可能的。Sarantel是領先的微型天線專利PowerHelix系列的一項專利，其中沉積在小陶瓷圓柱體上的銅軌道被單獨和自動激動修整，獲得最佳的頻率響應。

目前，這種類型的天線用於GPS應用，其中其零接地平面允許在手持式和便攜式設備中節省空間。材料+微信，內容不錯。當並排安裝時，天線還可以用於諸如藍牙和GPS的組合應用中，而不損失性能。然而，在手機市場中，PowerHelix系列可能是最有利的，將GPS接收機內置到移動電話手機中，以便該技術可用於幫助緊急服務更有效地應對遇險呼叫。

晶體管采用陶瓷材料

英特爾結合高介電陶瓷和金屬材料來構建起45納米晶體管的絕緣壁和開關柵極。晶體管是處理數字世界的1和0的微型控制器。柵極使晶體管導通和截止，並且柵極電介質在其下面是將其與電流流通的溝道分離的絕緣體。

數以億計的這些微型晶體管或開關用於現在的多核處理器內部，極大的提速現在的PC，筆記本電腦和服務器處理器的速度。通過用較厚的基於鉿的氧化物材料代替常規電介質材料，晶體管柵極泄露減少超過10倍，並且晶體管可以制造得更小，從而將晶體管密度增加大約兩倍。

當鉿陶瓷與兼容的金屬柵極組合時，驅動電流增加超過20%，並且源極-漏極泄露減少五倍以上，從而提高晶體管的能量效率。較小的晶體管尺寸意味著有源開關功率減少大約30%。

陶瓷材料在汽車上的應用

發動機設計師一直在尋找降低成本和排放並提高燃油經濟性和性能的替代方法。改進汽車設計的一種方法是通過材料的替換。陶瓷可以作為未來發動機中許多關鍵部件的使用技術，因為它們具有獨特的耐熱性、耐磨性和耐腐蝕性，重量輕以及電絕緣和隔熱性能。

陶瓷從一開始就在汽車中起到瞭重要作用，主要用於火花塞絕緣體和玻璃窗上。現代汽車中幾乎多有的催化轉化器都具有用於催化劑的陶瓷蜂窩狀載體，這在減少汽車廢氣排放方面是非常有用的。大多數現代汽車還使用陶瓷氧傳感器與計算機控制一起優化燃燒和減少廢氣排放。

計算機控制和汽車中的其它電子設備使用大量的陶瓷襯底，並對器件的性能至關重要的部件。此外，在現代汽車中使用許多電動機來自動調節座椅窗戶等，在許多這些電動機中都使用瞭陶瓷磁體。陶瓷部件也被引入到重型柴油發動機的燃料系統和閥系中。

未來的汽車可能在內部發動機結構部件中使用陶瓷，在燃料系統的耐磨應用中，閥系中的附件部件，例如閥和閥座。未來還可以使用陶瓷燃料電池用於無人駕駛汽車上。

陶瓷材料剎車系統

陶瓷復合制動轉子，一級方程式賽車的標準設備，目前正在提供選擇的高性能客車，包括任何法拉利、蘭博基尼和保時捷，賓利Conti GT鉆石和奧迪RS4.這些陶瓷制動器可以減輕車輛重量超過10磅，抵抗熱引起的衰減，並預計將持續保持車輛壽命。襯墊的壽命增加瞭三倍，並且由於彈簧重量減輕（懸掛體不支撐車身和部件的重量），操作得以改善。

由Starfire 系統制造的類似同類型的陶瓷復合材料制動器正在由摩托賽車市場進行測試，包括本田，雅馬哈，川崎，鈴木和哈雷戴維森。

與常規鋼盤不同，這些陶瓷類型的轉子實際上隨著其溫度升高而表現的良好。它們已經證明能夠提高燃油效率，加速、制動一致性和總壽命。這些優點實現，同時提高制動和處理性能，即使用極限。由於具有較少的非簧載質量，這種轉子為車輛的所有拐角提供瞭被設計用於重量部件的可能性。

Carrera GT的多片離合器輕巧（7.7磅或3.5公斤），比任何類似的單位都小，與保時捷911Turbo使用的傳統離合器相比，重量減輕瞭50%以上。復合材料是碳纖維編織物和碳化矽的組合；碳化矽幾乎和金剛是一樣硬，具有優良的耐磨性和耐高溫性。這些性能使復合材料成為一個理想的選擇。

汽車的防太陽玻璃

由PPG開發的一個全新的擋風玻璃可阻擋約90%的太陽紅外線，並幫助保持車內部涼爽和不褪色。擋風玻璃的藍色提供瞭驚人的優雅的效果，幫助車輛在人群中脫穎而出。擋風玻璃在其內部結合瞭納米復合塗層技術，使得塗層不會被損壞或者劃傷。PPG生產的限量擋風玻璃專為克萊斯勒300C、道奇萬能和道奇Charger，於2006年開始使用。

涼爽的車內空氣有助於提高乘客舒適性，減少空調負載，從而提高燃料經濟性。此外，擋風玻璃可提供霧霾切割可見性。當他們通過藍色阻擋的太陽鏡，司機看見黃綠色的光通過擋風玻璃，創造一種效果，用戶說可以減少陰霾和眩光。這種擋風玻璃在其老化時不會產生氣泡或劃痕，玻璃的固有特性保護塗層並提供持久的美學、光學和耐久性。

陶瓷材料在醫學領域的應用

陶瓷和玻璃材料被廣泛的用於生物醫學應用，從骨植入到生物醫學泵。牙科也已經推進瞭陶瓷牙齒，其可以與患者的自然牙齒匹配以及用於改善患者微笑窘境的其他應用。在未來，陶瓷將在基因工程和組織工程中找到應用。

玻璃珠為肝癌患者帶來希望

目前用於不能手術的肝癌患者的治療雖然可以減少該疾病的癥狀，但是需要住院治療，並且通常引起降低患者生活質量的副作用，例如化療通常產生惡心、嘔吐和脫發。為此，需要提供新的治療方法，這種治療要兼具方便性和更少的副作用。更重要的是，肝癌患者的預期壽命很短，通常不到一年。

玻璃微球最初是在密蘇裡科技大學開發的，現在已經被FDA批準，並在美國29個醫院站點被用於治療原發性肝癌患者。這種稱為TheraSpheres TM的微球通過中子激活核反應堆，然後將微球（其為人毛發直徑的三分之一）插入使用導管將血液供應到腫瘤的動脈中。輻射破壞惡性腫瘤，對正常組織的損傷最小。

這種治療通常需要不到一個小時，患者可以在同一天回傢，副作用通常很小，一些疲勞持續數周直到輻射消失。大多數患者接受單次註射，但是已經給予多次註射的患者數量增加，越來越多的證據表明，預期壽命增加與記錄病例的病人存活長達八年。

陶瓷牙套讓你保持“湯姆克魯斯”式微笑

傳統上，支架是使用金屬支架和電線組成，然而有些人考慮到會出現“金屬嘴”，以至於他們完全拒絕佩戴牙套，失去瞭美麗微笑的可能性。因此，正畸研究開始關註一些不太明顯的選擇，這時陶瓷牙套能讓大傢保持“湯姆克魯斯”式微笑。

透明多晶氧化鋁（TPA）最初是由NASA和一名為Ceradyne的陶瓷公司研發推出的，用於幫助追蹤熱量尋找導彈。Ceradyne繼續與Unitek公司/3M合作開發由TPA制造的Transcend支架。這種正畸矯正器與金屬矯正器一樣有效，但是當以正常距離觀察時幾乎不可見，因此為佩戴者提供瞭更有吸引力的裝飾選擇，因為這種材料是無孔的，99.9%的純度，所以對染色或變色具有極強的耐受性。

髖關節置換變得更強

在過去二十年中，用於植入裝置的陶瓷材料的使用已經相當大的增加。具有強度和韌性以及生物惰性和低磨損率的優異組合，稱為氧化鋯的特殊類型的氧化物現在在諸如用於全髖關節置換的股骨頭的應用中取代氧化鋁。

氧化鋯顯示出相當於氧化鋁兩倍的強度，因此在股骨頭的直徑可以減少到<26mm，致使髖關節置換手術期間患者的創傷減少。可受益於氧化鋯植入物的其它應用包括膝關節、肩、趾關節和脊柱植入物，該材料還用於內窺鏡部件和起搏器蓋。

用於藥物釋放的陶瓷塗層

MIV Therapeutics公司是新一代生物相容性塗層和用於心血管支架和其他植入式醫療器械的先進藥物遞送系統的領先開發商，正在開發基於羥基磷灰石（HAp）的塗層，羥基磷灰石（HAp）是一種與天然骨骼具有相似組成的陶瓷材料。這些專有塗層顯示出超越目前使用技術和產品的潛力，其在支架植入後釋放藥物。微孔膜被設計即使在所有藥物材料從塗層洗脫之後仍保持高度生物相容性。在這方面，HAp性能遠遠超過基於聚合物的塗層，其中藥物是維持可接受的塗層性能所必需的。

超薄膜被指定為金屬植入物的表面改性材料，而微薄膜也被評估為用於可植入醫療裝置的藥物遞送目的的潛在載體。在指甲上的極其苛刻的應用中，塗層不僅必須在制造期間和植入階段經受變形，並且在這種操作中保持不受損。如果這還不夠，塗層必須保持其完整性並抵抗疲勞應力，與人類心臟中部署之後的心跳一致。

復合材料層用於基因診斷

一種有效和安全的基因轉移系統是基因治療和組織工程中的關鍵技術。DNA/磷酸鈣復合物的顆粒長期以來被用於促進基因轉移，因為它們的低毒性。然而，與其它試劑如DNA/脂質復合物相比，該試劑的基因轉移效率不足。最近的研究也表明，在DNA/磷灰石復合層面上的基因轉移與優化同商用的脂質基試劑一樣有效。

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