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

陶瓷材料陶瓷是人類最早利用自然界所提供的原料進(jìn)行加工制造而成的材料，是我國(guó)古代勞動(dòng)人民的重大發(fā)明之一。大約8000年以前，住在我國(guó)黃河流域的先民們已經(jīng)使用陶瓷，繼而在宋、元時(shí)代發(fā)展到了很高水平。當(dāng)時(shí)，瓷器作為中華文明的象征，大量運(yùn)往歐洲各地，歐洲人一向規(guī)中國(guó)陶瓷為無(wú)價(jià)之寶，所以，歐洲人把瓷器叫做“China”。久而久之，“China”成了中國(guó)的英文名稱。1．傳統(tǒng)陶瓷陶瓷是以粘土、石英、長(zhǎng)石為主要原料，進(jìn)行研磨、加水調(diào)成泥狀，再制成坯子，待干燥后，經(jīng)高溫?zé)贫傻闹破返目偡Q。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(shí)耐用，價(jià)格便宜。傳統(tǒng)陶瓷在日常生活中隨處可見(jiàn)，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(jiàn)，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(jí)粘土，即高嶺土。石英的化學(xué)式為SiO2，大多以結(jié)晶態(tài)存在于石英礦中。長(zhǎng)石主要有鉀長(zhǎng)石［KalSi3O8］、鈉長(zhǎng)石［NaAlSi3O8］和鈣長(zhǎng)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(guò)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(shí)裂開(kāi)，生坯要先進(jìn)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(yáng)開(kāi)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(xué)反應(yīng)，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(jìn)陶瓷在許多人的印象中，陶瓷是一種堅(jiān)硬但易碎的物體，缺乏韌性、塑性。其實(shí)人們印象中的這種陶瓷只是傳統(tǒng)陶瓷。從20世紀(jì)四五十年代開(kāi)始起步，現(xiàn)在還在不斷發(fā)展的先進(jìn)陶瓷早已一改陶瓷的舊形象，許多先進(jìn)陶瓷都是既堅(jiān)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(jìn)陶瓷具有聲、電、光、熱、磁等其它材料無(wú)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(gè)領(lǐng)域。（1）韌性陶瓷陶瓷脆性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是抗機(jī)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(diǎn)，許多科學(xué)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(qiáng)度增加。②由于陶瓷的斷裂大部分是從表面缺陷開(kāi)始，通過(guò)化學(xué)或機(jī)械拋光技術(shù)或表面氧化技術(shù)，消除陶瓷表面缺陷，達(dá)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(qiáng)度和韌性。如鎢絲補(bǔ)強(qiáng)氮化硅陶瓷，在1300℃下的機(jī)械沖擊強(qiáng)度可提高9倍。若以鉭絲補(bǔ)強(qiáng)，則可提高30倍。韌性陶瓷由于其強(qiáng)度大、硬度高、耐高溫、耐化學(xué)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(huì)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(jī)的“陶瓷外衣”當(dāng)航天飛機(jī)高速返回地球時(shí)，外殼與大氣層摩擦?xí)a(chǎn)生很高溫度，要是沒(méi)有防護(hù)措施，航天飛機(jī)就會(huì)被燒毀。1981年4月12日美國(guó)發(fā)射的航天飛機(jī)“哥倫比亞號(hào)”外殼上共鋪貼了三萬(wàn)多塊陶瓷和其它防熱磚，把它覆蓋得天衣無(wú)縫，因此盡管航天飛機(jī)表面溫度達(dá)到1000多攝氏度，宇航員和儀器卻能安然無(wú)恙。③無(wú)冷卻式陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)冷卻式陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的制造是材料科學(xué)家對(duì)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?yàn)闊o(wú)冷卻式陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)按常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)有突出的優(yōu)點(diǎn)：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(dú)立的水冷系統(tǒng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，可以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，在航空航天事業(yè)中更具吸引力。我國(guó)第一輛用無(wú)冷卻式陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)做動(dòng)力的大客車，于1991年3月進(jìn)行了從上海到北京的往返運(yùn)行試驗(yàn)，獲得了成功。標(biāo)志著我國(guó)成為繼美國(guó)、日本之后第三個(gè)進(jìn)行路試的國(guó)家。（2）壓電陶瓷壓電陶瓷是一種能使電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的特殊陶瓷材料。如果對(duì)壓電陶瓷施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生電位差，反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。如果壓力是高頻振動(dòng)，則產(chǎn)生高頻電流；而高頻電信號(hào)加在壓電陶瓷上，則產(chǎn)生高頻聲信號(hào)，即超聲波信號(hào)。壓電陶瓷的用途非常廣泛。下面我們來(lái)舉其中幾例：①聲音轉(zhuǎn)換器聲音轉(zhuǎn)換器是最常見(jiàn)的應(yīng)用之一。像拾音器、傳聲器、耳機(jī)、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(guò)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)產(chǎn)生振動(dòng)，而發(fā)出人耳可以聽(tīng)得到的聲音。壓電陶瓷通過(guò)電子線路的控制，可產(chǎn)生不同頻率的振動(dòng)，從而發(fā)出各種不同的聲音。例如電子音樂(lè)賀卡，就是通過(guò)壓電效應(yīng)把機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為交流電信號(hào)。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(guó)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(jì)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(huì)馬上爆炸，把坦克炸得粉碎。這是因?yàn)閺楊^上裝有壓電陶瓷，它能把相碰時(shí)的強(qiáng)大機(jī)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(jī)現(xiàn)在煤氣灶上用的一種新式電子打火機(jī)，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(jī)上的壓電陶瓷就能產(chǎn)生高電壓，形成電火花而點(diǎn)燃煤氣，可以長(zhǎng)久使用。所以壓電打火機(jī)不僅使用方便，安全可靠，而且壽命長(zhǎng)，例如一種鈦鉛酸鉛壓電陶瓷制成的打火機(jī)可使用100萬(wàn)次以上。④防核護(hù)目鏡核試驗(yàn)員帶上用透明壓電陶瓷做成的護(hù)目鏡后，當(dāng)核爆炸產(chǎn)生的光輻射達(dá)到危險(xiǎn)程度時(shí)，護(hù)自鏡里的壓電陶瓷就把它轉(zhuǎn)變成瞬時(shí)高壓電，在1/1000s里，能把光強(qiáng)度減弱到只有1/10000，當(dāng)危險(xiǎn)光消失后，又能恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。這種護(hù)目鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有幾十克重，安裝在防核護(hù)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?yàn)樘沾芍杏性S許多多細(xì)微的氣孔，當(dāng)光線照到陶瓷表面時(shí)，由于微小氣孔對(duì)光的極強(qiáng)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(jì)30年代起，不少科學(xué)家就熱衷于透光陶瓷的研究，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)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(lái)介紹幾例：①制造燈具早在20世紀(jì)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(wú)法制成實(shí)用燈具，這是因?yàn)殁c蒸氣放電會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，鈉又是一種非?；顫姷慕饘?，用玻璃制的燈管過(guò)不了關(guān)，一時(shí)又找不到合適的燈管材料，因此研制高壓鈉燈的計(jì)劃擱淺了。當(dāng)透光陶瓷問(wèn)世后，使高壓鈉燈的研制重視光明，因?yàn)橥腹馓沾刹坏赏ㄟ^(guò)95％光線，而且在1600℃的環(huán)境下能不受鈉蒸氣的腐蝕，經(jīng)過(guò)科學(xué)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(guò)濃霧不被散射，作為道路、汽車、廣場(chǎng)的用燈特別合適。高壓鈉燈的平均壽命達(dá)1萬(wàn)小時(shí)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(zhǎng)的燈。②軍事工業(yè)大家都知道響尾蛇導(dǎo)彈具有跟蹤目標(biāo)的本領(lǐng)，這是軍事科學(xué)家從響尾蛇捕食中得到啟示后，在導(dǎo)彈頭部設(shè)計(jì)安裝了一個(gè)靈敏度很高的感受器——紅外線探測(cè)器，這一探測(cè)器能