教育科學出版社-三年級上冊-3.我們周圍的材料-6 磚瓦和陶器、瓷器（區(qū)一等獎）

陶瓷材料陶瓷是人類最早利用自然界所提供的原料進行加工制造而成的材料，是我國古代勞動人民的重大發(fā)明之一。大約8000年以前，住在我國黃河流域的先民們已經(jīng)使用陶瓷，繼而在宋、元時代發(fā)展到了很高水平。當時，瓷器作為中華文明的象征，大量運往歐洲各地，歐洲人一向規(guī)中國陶瓷為無價之寶，所以，歐洲人把瓷器叫做“China”。久而久之，“China”成了中國的英文名稱。1．傳統(tǒng)陶瓷陶瓷是以粘土、石英、長石為主要原料，進行研磨、加水調(diào)成泥狀，再制成坯子，待干燥后，經(jīng)高溫燒制而成的制品的總稱。陶瓷包括陶器、瓷器等。瓷器比較精致，表面光滑美觀、明亮、不滲水，不透氣。陶器質(zhì)地比瓷器粗糙，器壁較厚，結(jié)實耐用，價格便宜。傳統(tǒng)陶瓷在日常生活中隨處可見，常作為容器、盛器——瓷制的碗、壇、罐、缸等，以及裝飾用品——瓷瓦、瓷磚等。制陶瓷用的粘土是一種含水硅酸鹽。低品位的粘土到處可見，而用于制造陶瓷的是一種以高嶺石［Al2(Si2O6)(OH)4］為主要成分的高級粘土，即高嶺土。石英的化學式為SiO2，大多以結(jié)晶態(tài)存在于石英礦中。長石主要有鉀長石［KalSi3O8］、鈉長石［NaAlSi3O8］和鈣長石［Ca(Al2Si2O8)2］，這些鋁硅酸鹽在陶瓷中是作為助熔劑的。傳統(tǒng)陶瓷的生產(chǎn)工藝大致相同，主要工序是泥料制備、成型、干燥、上釉和燒成。①泥料制備→破碎→球磨→除鐵→過篩→壓濾→煉泥→陣腐②成型將泥料加適量的水，灌注在模具中成為生坯。③干燥為了防止在燒成時裂開，生坯要先進行干燥。④上釉釉涂在陶瓷表面，既可起著美觀、光滑作用，又可起防水作用。像唐三彩、郎窯紅、三陽開泰等都是一些名釉。⑤燒成坯體在高溫下，發(fā)生一系列物理、化學反應，形成一定的組成與結(jié)構(gòu)，從而使陶瓷具有所需的性能。2．先進陶瓷在許多人的印象中，陶瓷是一種堅硬但易碎的物體，缺乏韌性、塑性。其實人們印象中的這種陶瓷只是傳統(tǒng)陶瓷。從20世紀四五十年代開始起步，現(xiàn)在還在不斷發(fā)展的先進陶瓷早已一改陶瓷的舊形象，許多先進陶瓷都是既堅且韌，有的甚至放在鐵砧上用鐵錘用力敲打都難以破碎。還有一些先進陶瓷具有聲、電、光、熱、磁等其它材料無法替代的多方面的特殊功能，用途極為廣泛，遍及現(xiàn)代科技的各個領(lǐng)域。（1）韌性陶瓷陶瓷脆性主要表現(xiàn)在兩個方面，一是抗機械沖擊性能差，經(jīng)不起碰撞摔打；二是抗熱震性能差，經(jīng)不起冷熱沖擊。為了克服這些弱點，許多科學家作出了不懈的努力。現(xiàn)在人們終于找到良方：①在原料中添加少量氧化軌、氧化鎂等粉末，使陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)得以改善，強度增加。②由于陶瓷的斷裂大部分是從表面缺陷開始，通過化學或機械拋光技術(shù)或表面氧化技術(shù)，消除陶瓷表面缺陷，達到增韌目的。③將纖維均勻地分布于原料中，可以極大提高陶瓷的強度和韌性。如鎢絲補強氮化硅陶瓷，在1300℃下的機械沖擊強度可提高9倍。若以鉭絲補強，則可提高30倍。韌性陶瓷由于其強度大、硬度高、耐高溫、耐化學腐蝕等優(yōu)越的性能在工業(yè)生產(chǎn)上有著重要的用途。①陶瓷刀具陶瓷刀具被人們稱贊為永不卷刃、永不生銹、永不磨損的刀具，用陶瓷菜刀切食物不會留下討厭的鐵腥味和鐵銹，特別適宜于切生吃的食物和熟食；陶瓷剪刀由于不帶磁性，特別適宜于剪接錄音磁帶和錄像磁帶。②航天飛機的“陶瓷外衣”當航天飛機高速返回地球時，外殼與大氣層摩擦會產(chǎn)生很高溫度，要是沒有防護措施，航天飛機就會被燒毀。1981年4月12日美國發(fā)射的航天飛機“哥倫比亞號”外殼上共鋪貼了三萬多塊陶瓷和其它防熱磚，把它覆蓋得天衣無縫，因此盡管航天飛機表面溫度達到1000多攝氏度，宇航員和儀器卻能安然無恙。③無冷卻式陶瓷發(fā)動機無冷卻式陶瓷發(fā)動機的制造是材料科學家對韌性陶瓷利用中最感興趣的課題，也是世界上最引人關(guān)注的課題之一。因為無冷卻式陶瓷發(fā)動機按常規(guī)發(fā)動機有突出的優(yōu)點：a.由于韌性陶瓷耐高溫，可以使燃燒室的溫度升高（溫度能穩(wěn)定在1300℃左右），燃料充分燃燒又不需要水冷系統(tǒng)，使熱效率大幅度提高。b.由于取消了獨立的水冷系統(tǒng)，使發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡化，減少了發(fā)動機的故障率，特別適宜在高寒、沙漠等環(huán)境中使用。c.用韌性陶瓷做發(fā)動機，可以減輕發(fā)動機重量，在航空航天事業(yè)中更具吸引力。我國第一輛用無冷卻式陶瓷發(fā)動機做動力的大客車，于1991年3月進行了從上海到北京的往返運行試驗，獲得了成功。標志著我國成為繼美國、日本之后第三個進行路試的國家。（2）壓電陶瓷壓電陶瓷是一種能使電能和機械能相互轉(zhuǎn)換的特殊陶瓷材料。如果對壓電陶瓷施加壓力，它便會產(chǎn)生電位差，反之施加電壓，則產(chǎn)生機械應力。如果壓力是高頻振動，則產(chǎn)生高頻電流；而高頻電信號加在壓電陶瓷上，則產(chǎn)生高頻聲信號，即超聲波信號。壓電陶瓷的用途非常廣泛。下面我們來舉其中幾例：①聲音轉(zhuǎn)換器聲音轉(zhuǎn)換器是最常見的應用之一。像拾音器、傳聲器、耳機、蜂鳴器、超聲波探深儀、聲納、材料的超聲波探傷儀等都可以用壓電陶瓷做聲音轉(zhuǎn)換器。如兒童玩具上的蜂嗚器就是電流通過壓電陶瓷的壓電效應產(chǎn)生振動，而發(fā)出人耳可以聽得到的聲音。壓電陶瓷通過電子線路的控制，可產(chǎn)生不同頻率的振動，從而發(fā)出各種不同的聲音。例如電子音樂賀卡，就是通過壓電效應把機械振動轉(zhuǎn)換為交流電信號。②壓電引爆器自從第一次世界大戰(zhàn)中英軍發(fā)明了坦克，并首次在法國索姆河的戰(zhàn)斗中使用而重創(chuàng)了德軍后，坦克在多次戰(zhàn)斗中大顯身手。然而到了20世紀六七十年代，由于反坦克武器的發(fā)明，坦克失去了昔日的輝煌。反坦克炮發(fā)射出的穿甲彈接觸坦克，就會馬上爆炸，把坦克炸得粉碎。這是因為彈頭上裝有壓電陶瓷，它能把相碰時的強大機械力轉(zhuǎn)變?yōu)樗查g高電壓，爆發(fā)火花而引爆炸藥。③壓電打火機現(xiàn)在煤氣灶上用的一種新式電子打火機，就是利用壓電陶瓷制成的。只要用手指壓一下打火按鈕，打火機上的壓電陶瓷就能產(chǎn)生高電壓，形成電火花而點燃煤氣，可以長久使用。所以壓電打火機不僅使用方便，安全可靠，而且壽命長，例如一種鈦鉛酸鉛壓電陶瓷制成的打火機可使用100萬次以上。④防核護目鏡核試驗員帶上用透明壓電陶瓷做成的護目鏡后，當核爆炸產(chǎn)生的光輻射達到危險程度時，護自鏡里的壓電陶瓷就把它轉(zhuǎn)變成瞬時高壓電，在1/1000s里，能把光強度減弱到只有1/10000，當危險光消失后，又能恢復到原來的狀態(tài)。這種護目鏡結(jié)構(gòu)簡單，只有幾十克重，安裝在防核護目頭盔上攜帶十分方便。（3）透光陶瓷我們知道，陶瓷一般是不透光的，這是因為陶瓷中有許許多多細微的氣孔，當光線照到陶瓷表面時，由于微小氣孔對光的極強散射能力，使大部分光線分散到四面八方，而被陶瓷吸收。由于陶瓷的不透光，使陶瓷的用途受到很多的限制，從20世紀30年代起，不少科學家就熱衷于透光陶瓷的研究，經(jīng)過長時間悉心研究后，終于在1957年制成了世界上第一片透光陶瓷。透光陶瓷有著廣泛的用途，下面我們來介紹幾例：①制造燈具早在20世紀30年代初，人們就知道利用高壓鈉蒸氣放電可獲得一種高效率光源。但無法制成實用燈具，這是因為鈉蒸氣放電會產(chǎn)生很高的溫度，鈉又是一種非常活潑的金屬，用玻璃制的燈管過不了關(guān)，一時又找不到合適的燈管材料，因此研制高壓鈉燈的計劃擱淺了。當透光陶瓷問世后，使高壓鈉燈的研制重視光明，因為透光陶瓷不但可通過95％光線，而且在1600℃的環(huán)境下能不受鈉蒸氣的腐蝕，經(jīng)過科學家努力，高壓鈉燈終于在1960年研制成功。高壓鈉燈是一種發(fā)光效率很高的電光源，在同樣功率下一盞高壓鈉燈能抵兩盞高壓汞燈，且光線柔和、銀白，在高壓鈉燈下看物體不但清楚，且不刺眼。另外高壓鈉燈還具有特殊的本領(lǐng)，光線能透過濃霧不被散射，作為道路、汽車、廣場的用燈特別合適。高壓鈉燈的平均壽命達1萬小時以上，是高壓汞燈的2倍，是普通白熾燈的10倍以上，是目前使用壽命最長的燈。②軍事工業(yè)大家都知道響尾蛇導彈具有跟蹤目標的本領(lǐng)，這是軍事科學家從響尾蛇捕食中得到啟示后，在導彈頭部設(shè)計安裝了一個靈敏度很高的感受器——紅外線探測器，這一探測器能