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陶瓷是人类生活和生产中不可缺少的一种材料，它的发展经历了从简单到复杂、从粗糙到精细、从无釉到施釉、从低温到高温的过程。了解陶瓷的历史和发展，可以让我们更全面的了解陶瓷材料，从而挖掘其潜在的应用。
01陶瓷材料的历史
陶瓷是最古老的工业之一。人们一发现粘土可以和水混合制作并烧结成各种形状的物品，陶瓷工业就诞生了。早在公元前24,000年，动物和人俑雕塑都是用粘土等材料制成，然后放入挖好的地下窑烧制。
大约10,000年以后，随着固定的社区的建立，美索不达米亚和印度开始制作砖。在大约公元前9000或10,000年左右，人们第一次使用这种功能陶器储存水和食物。粘土砖也是在这一时间进行制作的。
玻璃被认为是大约公元前8000年在埃及发现的，它是由于窑过热时产生的陶瓷彩釉。据专家估计，直到公元前1500年，玻璃才成为被独立制作的陶瓷，并成为时尚的象征。
快进到中世纪，金属行业还处于起步阶段，当时用来熔化金属的炉子还是由天然材料制造的。当合成的更好的耐高温材料（称为耐火材料）在16世纪发展起来，工业革命诞生了。这些耐火材料为工业级别的金属熔化和玻璃，以及焦炭、水泥、化学品和陶瓷的制造创建了必要的条件。
另外一个主要的发展发生在19世纪中后期，当陶瓷材料的电绝缘性被发展。作为一种新的应用在包括汽车、收音机、电视机、电脑的发明，陶瓷和玻璃材料使之成为现实，如下面的时间表。
陶瓷和玻璃发展的时间轴
年份
发展
公元前24,000年
陶瓷雕像应用于仪式
公元前14,000年
第一块砖在美索不达米亚和印度制造
公元前9000-10000年
开始制造陶器
公元前5000-8000
在埃及发现釉料
公元前1500年
第一次制造玻璃物品
公元1550年
合成耐火材料应用于炉子进行钢，玻璃，陶瓷和水泥
19世纪中叶
磁电绝缘材料
白炽灯泡
1920’s
氧化铝火花塞
玻璃窗汽车
1940’s
电容和磁铁氧体
1960’s
碳化物和氮化物的应用
1970’s
高性能的蜂窝陶瓷基板应用于柴油发动机上的催化转化器和微粒过滤器
1980’s
高温超导体
02陶瓷材料的应用全析
陶瓷材料在航空航天上的应用
工程陶瓷越来越多的应用于商业和军用飞机，并于多年前应用于航天飞机及其设备上。
陶瓷的应用包括火箭排气堆中的热保护系统，用于航天飞机的隔热瓦，发动机部件和嵌入飞机的挡风玻璃中的陶瓷涂层。这些涂层是透明的且导电，能保持把雾和冰从玻璃上清除。
陶瓷纤维能用作飞机和航天飞机的防火和隔热的保护系统，因为它们耐热，重量轻且不腐蚀。其他优异的性能包括高熔融温度，高回弹性，高拉伸强度和化学惰性。
称为氮化硅的非氧化物陶瓷具有优异的高温强度，优异的断裂韧性、高硬度和独特的摩擦学性质。氮化硅航空航天应用产生卓越的机械可靠性和耐磨性，允许部件在最小润滑条件下使用而不产生磨损。这些部件包括喷气式发动机的点火器、轴承、衬套和其他磨损部件。
太空旅行成为可能
先进陶瓷在开发用于太空旅行的高效率和具有成本效益的新技术方面发挥着关键作用。德国摩根技术陶瓷部门已经于欧洲空间开发项目合作多年，以支持其离子推进系统的研究。作为传统化学推进的轻质替代品，离子发动机具有以相同的燃料消耗将航天器推送高十倍的潜力，从而显著减少推进器的尺寸和增加其运动距离。
离子推进技术，它使用电力来点燃重气体原子，从而使航天器以高速的加速度向前推进，而传统上是使用石英放电容器，现在石英已经被称为氧化铝的陶瓷氧化物代替，因为它们具有相同的介电性能但具有更高结构稳定性的材料。氧化铝更容易制造并提供良好的耐热冲击性，也确保室内能承受在等离子体点火期间产生的极端温度。同时它也更轻了，这也降低了每次发射的相关成本。
提供精确的燃料控制方案
近来，最成功的商用飞机之一，波音777，在每个飞机上的60个超声波燃油箱探头使用压电陶瓷材料。超声波换能器安装在每个燃料箱中的多个位置处。脉冲电场施加到陶瓷材料上，陶瓷材料通过振荡响应，所得到的声波从燃料的表面反射并由压电陶瓷换能器接受，数字信号处理器解释声波的“飞行时间”，以便连续地指示存在的燃料量。类似的超声波燃料探测器也用于战斗机和其他水平的感测应用上，因为他们能提供高度精确的读数，不用管飞机的取向如何。
陶瓷材料作为建筑结构材料的应用
陶瓷产品如地砖、墙和屋面瓦片、水泥、砖、石膏、下水管道和玻璃都是数十亿美元的建筑业的主要部分。世界上每年生产大约30亿平方英尺的玻璃，以制造各种类型的窗户，而这些足以建造一条从纽约到洛杉矶的200英尺宽的玻璃高速公路。此外，玻璃纤维可用于绝缘、天花板和屋顶板，以保护人们免受伤害。
陶瓷砖用于诸如地板、墙壁、台面和壁炉的应用中。瓷砖是一种非常耐用和卫生的建筑产品，可以增加任何应用区域的美丽。浴室可配有与这些瓷砖类似的材料制成卫生洁具（厕所、水槽，有时是浴缸）。
粘土砖忍受飓风
粘土砖由于其强度、耐久性和美观而被用于建造住宅和商业建筑物。砖是唯一的不会燃烧、熔化、凹陷、剥落、扭曲、腐烂、生锈或被白蚁吃掉的建筑产品。砖工业协会的一项新研究表明，用砖建造的住宅比用乙烯基或纤维水泥墙板建造的住宅提供了更多的风吹雨打的保护。研究表明，中型飓风吹的物体以25英里每小时的速度，例如7.5英尺长的2*4的物体，将穿透用乙烯基或纤维水泥壁板建造的家庭。相比之下，同一物体需要以超过80mph的速度行进才得以穿透砖房的墙壁。
控制光和热的智能窗户
在陶瓷颗粒的帮助下，窗户可以变得很智能。这种被称为悬浮颗粒装置技术，是由研究前沿公司开发和许可的专利技术，它允许用户通过控制玻璃或塑料产品，如窗户、天窗、门、遮阳板、眼镜，调节眩光和热量。
悬浮颗粒装置（通常称为SPD或光阀）是其中分布有液体悬浮液液滴的膜。光吸收微粒分散在液体悬浮液中。这些随机取向的微观颗粒通常由黑色陶瓷颜料（氧化络铁、氧化铜铬或氧化铋锰）制成。这些颗粒能反射热，特别是近红外辐射。
将这种膜封装在涂覆有透明导电材料的两个玻璃或塑料板之间。当不存在电压时；颗粒吸收光并阻止其通过膜。当施加电压时，颗粒重新排列，使得光可以通过。通过使用简单的开关或其他控制装置调节电压，用户可以立即调节通过窗户等产品发出的光线、眩光和热量。这给予用户一定范围的透明度，其中光透射率可以根据施加的电压快速变化。
粘土屋面瓦能节省能源
瓦屋面协会与橡树岭国家实验室合作，其报告称，与传统的沥青瓦屋顶相比，瓦片屋顶的质量，反射率和瓦片下的通风有助于减少至少50%的热传递。涂层粘土砖可以将热传递减少高达70%。瓦屋面非常耐火，也非常耐用，可以忍受恶劣的天气条件，如大风、雪、冰雹甚至地震。事实上，瓦屋顶已经持续了几个世纪，因此它们也是非常经济的。
陶瓷材料在电设备上的应用
如果没有陶瓷，那么近2万亿美元的全球电子产业将不会存在。陶瓷的广泛的电气性能包括绝缘、半导体、超导、压电和磁性对于诸如手机、计算机、电视和其他电子消费产品是至关重要。全球电子陶瓷市场估计约为90亿美元。
陶瓷火花塞，这是电绝缘体，已经对社会产生了很大的影响。1860年第一次发明点燃了内燃机的燃料，目前仍然作为此用。除此之外，它还应用于包括汽车、船用发动机、剪草机和其类似物。高压绝缘材料使其能够安全地输送电力到房屋和企业。
陶瓷改善天线性能
如果没有摩根先进陶瓷为Sarantel 研发的特殊陶瓷，下一代移动电话天线是不可能的。Sarantel是领先的微型天线专利PowerHelix系列的一项专利，其中沉积在小陶瓷圆柱体上的铜轨道被单独和自动激动修整，获得最佳的频率响应。
目前，这种类型的天线用于GPS应用，其中其零接地平面允许在手持式和便携式设备中节省空间。当并排安装时，天线还可以用于诸如蓝牙和GPS的组合应用中，而不损失性能。然而，在手机市场中，PowerHelix系列可能是最有利的，将GPS接收机内置到移动电话手机中，以便该技术可用于帮助紧急服务更有效地应对遇险呼叫。
晶体管采用陶瓷材料
英特尔结合高介电陶瓷和金属材料来构建起45纳米晶体管的绝缘壁和开关栅极。晶体管是处理数字世界的1和0的微型控制器。栅极使晶体管导通和截止，并且栅极电介质在其下面是将其与电流流通的沟道分离的绝缘体。
数以亿计的这些微型晶体管或开关用于现在的多核处理器内部，极大的提速现在的PC，笔记本电脑和服务器处理器的速度。通过用较厚的基于铪的氧化物材料代替常规电介质材料，晶体管栅极泄露减少超过10倍，并且晶体管可以制造得更小，从而将晶体管密度增加大约两倍。
当铪陶瓷与兼容的金属栅极组合时，驱动电流增加超过20%，并且源极-漏极泄露减少五倍以上，从而提高晶体管的能量效率。较小的晶体管尺寸意味着有源开关功率减少大约30%。
陶瓷材料在汽车上的应用
发动机设计师一直在寻找降低成本和排放并提高燃油经济性和性能的替代方法。改进汽车设计的一种方法是通过材料的替换。陶瓷可以作为未来发动机中许多关键部件的使用技术，因为它们具有独特的耐热性、耐磨性和耐腐蚀性，重量轻以及电绝缘和隔热性能。
陶瓷从一开始就在汽车中起到了重要作用，主要用于火花塞绝缘体和玻璃窗上。现代汽车中几乎多有的催化转化器都具有用于催化剂的陶瓷蜂窝状载体，这在减少汽车废气排放方面是非常有用的。大多数现代汽车还使用陶瓷氧传感器与计算机控制一起优化燃烧和减少废气排放。
计算机控制和汽车中的其它电子设备使用大量的陶瓷衬底，并对器件的性能至关重要的部件。此外，在现代汽车中使用许多电动机来自动调节座椅窗户等，在许多这些电动机中都使用了陶瓷磁体。陶瓷部件也被引入到重型柴油发动机的燃料系统和阀系中。
未来的汽车可能在内部发动机结构部件中使用陶瓷，在燃料系统的耐磨应用中，阀系中的附件部件，例如阀和阀座。未来还可以使用陶瓷燃料电池用于无人驾驶汽车上。
陶瓷材料刹车系统
陶瓷复合制动转子，一级方程式赛车的标准设备，目前正在提供选择的高性能客车，包括任何法拉利、兰博基尼和保时捷，宾利Conti GT钻石和奥迪RS4.这些陶瓷制动器可以减轻车辆重量超过10磅，抵抗热引起的衰减，并预计将持续保持车辆寿命。衬垫的寿命增加了三倍，并且由于弹簧重量减轻（悬挂体不支撑车身和部件的重量），操作得以改善。
由Starfire 系统制造的类似同类型的陶瓷复合材料制动器正在由摩托赛车市场进行测试，包括本田，雅马哈，川崎，铃木和哈雷戴维森。
与常规钢盘不同，这些陶瓷类型的转子实际上随着其温度升高而表现的良好。它们已经证明能够提高燃油效率，加速、制动一致性和总寿命。这些优点实现，同时提高制动和处理性能，即使用极限。由于具有较少的非簧载质量，这种转子为车辆的所有拐角提供了被设计用于重量部件的可能性。
Carrera GT的多片离合器轻巧（7.7磅或3.5公斤），比任何类似的单位都小，与保时捷911Turbo使用的传统离合器相比，重量减轻了50%以上。复合材料是碳纤维编织物和碳化硅的组合；碳化硅几乎和金刚是一样硬，具有优良的耐磨性和耐高温性。这些性能使复合材料成为一个理想的选择。
汽车的防太阳玻璃
由PPG开发的一个全新的挡风玻璃可阻挡约90%的太阳红外线，并帮助保持车内部凉爽和不褪色。挡风玻璃的蓝色提供了惊人的优雅的效果，帮助车辆在人群中脱颖而出。挡风玻璃在其内部结合了纳米复合涂层技术，使得涂层不会被损坏或者划伤。PPG生产的限量挡风玻璃专为克莱斯勒300C、道奇万能和道奇Charger，于2006年开始使用。
凉爽的车内空气有助于提高乘客舒适性，减少空调负载，从而提高燃料经济性。此外，挡风玻璃可提供雾霾切割可见性。当他们通过蓝色阻挡的太阳镜，司机看见黄绿色的光通过挡风玻璃，创造一种效果，用户说可以减少阴霾和眩光。这种挡风玻璃在其老化时不会产生气泡或划痕，玻璃的固有特性保护涂层并提供持久的美学、光学和耐久性。
陶瓷材料在医学领域的应用
陶瓷和玻璃材料被广泛的用于生物医学应用，从骨植入到生物医学泵。牙科也已经推进了陶瓷牙齿，其可以与患者的自然牙齿匹配以及用于改善患者微笑窘境的其他应用。在未来，陶瓷将在基因工程和组织工程中找到应用。
玻璃珠为肝癌患者带来希望
目前用于不能手术的肝癌患者的治疗虽然可以减少该疾病的症状，但是需要住院治疗，并且通常引起降低患者生活质量的副作用，例如化疗通常产生恶心、呕吐和脱发。为此，需要提供新的治疗方法，这种治疗要兼具方便性和更少的副作用。更重要的是，肝癌患者的预期寿命很短，通常不到一年。
玻璃微球最初是在密苏里科技大学开发的，现在已经被FDA批准，并在美国29个医院站点被用于治疗原发性肝癌患者。这种称为TheraSpheres TM的微球通过中子激活核反应堆，然后将微球（其为人毛发直径的三分之一）插入使用导管将血液供应到肿瘤的动脉中。辐射破坏恶性肿瘤，对正常组织的损伤最小。
这种治疗通常需要不到一个小时，患者可以在同一天回家，副作用通常很小，一些疲劳持续数周直到辐射消失。大多数患者接受单次注射，但是已经给予多次注射的患者数量增加，越来越多的证据表明，预期寿命增加与记录病例的病人存活长达八年。
陶瓷牙套让你保持“汤姆克鲁斯”式微笑
传统上，支架是使用金属支架和电线组成，然而有些人考虑到会出现“金属嘴”，以至于他们完全拒绝佩戴牙套，失去了美丽微笑的可能性。因此，正畸研究开始关注一些不太明显的选择，这时陶瓷牙套能让大家保持“汤姆克鲁斯”式微笑。
透明多晶氧化铝（TPA）最初是由NASA和一名为Ceradyne的陶瓷公司研发推出的，用于帮助追踪热量寻找导弹。Ceradyne继续与Unitek公司/3M合作开发由TPA制造的Transcend支架。这种正畸矫正器与金属矫正器一样有效，但是当以正常距离观察时几乎不可见，因此为佩戴者提供了更有吸引力的装饰选择，因为这种材料是无孔的，99.9%的纯度，所以对染色或变色具有极强的耐受性。
髋关节置换变得更强
在过去二十年中，用于植入装置的陶瓷材料的使用已经相当大的增加。具有强度和韧性以及生物惰性和低磨损率的优异组合，称为氧化锆的特殊类型的氧化物现在在诸如用于全髋关节置换的股骨头的应用中取代氧化铝。
氧化锆显示出相当于氧化铝两倍的强度，因此在股骨头的直径可以减少到可受益于氧化锆植入物的其它应用包括膝关节、肩、趾关节和脊柱植入物，该材料还用于内窥镜部件和起搏器盖。
用于药物释放的陶瓷涂层
MIV Therapeutics公司是新一代生物相容性涂层和用于心血管支架和其他植入式医疗器械的先进药物递送系统的领先开发商，正在开发基于羟基磷灰石（HAp）的涂层，羟基磷灰石（HAp）是一种与天然骨骼具有相似组成的陶瓷材料。这些专有涂层显示出超越目前使用技术和产品的潜力，其在支架植入后释放药物。微孔膜被设计即使在所有药物材料从涂层洗脱之后仍保持高度生物相容性。在这方面，HAp性能远远超过基于聚合物的涂层，其中药物是维持可接受的涂层性能所必需的。
超薄膜被指定为金属植入物的表面改性材料，而微薄膜也被评估为用于可植入医疗装置的药物递送目的的潜在载体。在指甲上的极其苛刻的应用中，涂层不仅必须在制造期间和植入阶段经受变形，并且在这种操作中保持不受损。如果这还不够，涂层必须保持其完整性并抵抗疲劳应力，与人类心脏中部署之后的心跳一致。
复合材料层用于基因诊断
一种有效和安全的基因转移系统是基因治疗和组织工程中的关键技术。DNA/磷酸钙复合物的颗粒长期以来被用于促进基因转移，因为它们的低毒性。然而，与其它试剂如DNA/脂质复合物相比，该试剂的基因转移效率不足。最近的研究也表明，在DNA/磷灰石复合层面上的基因转移与优化同商用的脂质基试剂一样有效。
未
完
待
续
