材料：变化多端的陶瓷家族 说到陶瓷，很多人都会想到生活中使用的各种瓷器。这种材料强度很高，但非常易碎。不过现代陶瓷已经远远超越了传统陶瓷的概念，它的应用范围非常广泛。从航天飞机到超导体，从人造骨骼到汽车尾气净化器，我们都能见到陶瓷的身影。 撰文/Monica Marelli 编译/李抱岳 用"宁碎不弯"来形容传统的陶瓷材料是非常恰当的，但今天的陶瓷材料和过去的陶瓷已经不可同日而语了。通过烧制材料和工艺的改进，今天的陶瓷已经成为一种全新的材料。它除了具有高强度、高硬度和抗腐蚀等传统陶瓷的优点外，最突出的特点就是具有的一些物理性能的跨度是其他材料体系所不能比拟的。例如，陶瓷材料导热性能变化范围相当之广，有的陶瓷材料可以用作热绝缘材料，而有的陶瓷材料在导热性能方面却可以与金属铝媲美；不同的陶瓷材料的电导率更是有着天壤之别，有的是绝缘体，有的是半导体，而有些陶瓷材料则是超导体。 今天，陶瓷材料实际上已是无机非金属材料的代名词，它是一个庞大的材料家族的总称。 烈火金刚 在返回地球时，航天飞机会因与大气层摩擦而产生大量的热量，使航天飞机机身温度急剧上升。而陶瓷材料可以忍耐很高的温度而不熔化不变形。这种能抵抗高温的特性使陶瓷被用做航天飞机重返大气层时的保护层。在常温下，陶瓷的原子排列呈一种非常松散的网状结构，不过一经加热，它们便会聚集起来，原子之间的间隙也会变小。这就是为什么陶瓷耐高温而不会熔化的原因。 传统陶瓷一般由高岭土烧制而成，高岭土是一种不太常见的黏土，主要成分由含水硅酸铝（高岭石）组成，是一种具有晶状薄层结构的矿物，原子排列成双层结构，因此在整体上形成了一种类似于晶体的"千层饼"结构，两个薄层之间附着力非常微弱，甚至还可以相互滑动。在加水混合后，陶土变得更具有可塑性，因为水可以使不同薄层之间变得更容易剥落。此后的加热烘烧将混合物中的水分蒸发出来，从而形成新的原子排列结构。在接下来的冷却过程中，陶土胶泥中的原子排列成一种新的晶体结构，而这种新的晶体结构更加坚固和紧密，硬度也更高。 材料科学家解释说："在陶瓷的烧结过程中，陶土粉末会聚集起来形成更加致密的结构，这是一个使原子间距离缩小的过程。这个过程大概要经过几个步骤：首先，温度的升高使陶土粉末中的原子增加，然后这些原子开始移动，并与其他原子形成化学键，将这些陶土粉末结合起来。这些新形成的化学键非常之短，其长度通常不到十亿分之一米。
