陶瓷超导材料

无机非金属材料

一、碳材料的广泛应用

碳不仅是自然界分布最为广泛的元素，而且是构成地球上一切生命体最重要的元素。以碳元素为主要构成的有机高分子材料，包括塑料、橡胶和纤维等，已发展成为材料学三个主要学科方向之一。而以碳元素本身，通过不同结构、组合，也形成一个独特的无机非金属材料世界。

碳原子的最外层电子有1个s轨道和3个p轨道，所以碳原子间不仅能够以sp³形成三个杂化轨道进而形成单键，还能以sp²及sp杂化轨道形成稳定的双键和三键，因此，除了自然界存在多种同素异形体的碳材料外，科学家们通过实验还合成了许许多多结构和性质完全不同的碳材料，如人们熟悉的金刚石和石墨，以及近年来发现的卡宾（Carbyne）、C₆₀为代表的富勒烯以及碳纳米粉体、管材、线材等。这些新型碳材料的特性几乎可涵盖地球上所有物质的性质甚至相对立的两种性质，如从最硬到极软、全吸光到全透光、绝缘体到半导体到高导体、绝热到良导热、高铁磁体、高临界温度的超导体等。

（一）石墨与金刚石

一提到碳元素，人们最先想到的通常是黑黑的碳，殊不知石墨和金刚石都是由碳元素构成的。虽然它们的结构和性能完全不同，这就是我们通常所说的同质多像变体为“同素异形体”。金刚石是目前最硬的物质，而石墨却是最软的物质之一。大家都知道铅笔芯就是用石墨粉和黏土配制而成的，石墨粉含量多笔芯就软，用“B”表示，粘土掺多了则硬，用“H”表示。矿物学家用摩氏硬度来表示相对硬度，金刚石为10，而石墨的摩氏硬度只有1。它们的硬度差别之所以这么大，关键在于它们的内部结构存在很大差异。

石墨内部的碳原子呈层状排列，所以石墨有滑腻的感觉并且还能导电。一个碳原子周围只有3个碳原子与其相连，碳与碳组成了六边形的环状，无限多的六边形组成了一层。层与层之间联系力非常弱，而层内3个碳原子联系很牢，因此受力后层间就很容易滑动，这就是石墨很软能写字的原因。

图2－8　石墨原子结构图

在自然界中石墨最常见于变质岩中，是有机碳物质变质形成的，煤层经热变质也可形成石墨。有些火成岩中也可出现少量石墨。石墨可用于制造电极、润滑剂、铅笔芯、原子反应堆中的中子减速剂等，也可以用作坩埚以及合成金刚石的原料。

金刚石内部的碳原子呈“骨架”状三维空间排列，一个碳原子周围有4个碳原子相连，因此在三维空间形成了一个骨架状，这种结构在各个方向联系力均匀，联结力很强，因此金刚石具有高硬度的特性。

因为天然金刚石是世界上最硬的天然材料，是一种珍稀矿物，所以被称为“宝石之王”。精心琢磨后的金刚石透明有光泽，能呈现出极艳丽的色彩，成为世界上最昂贵的珍宝，也是历代统治者权势和财富的象征。在英国，有一根象征皇权的英王权杖，杖上就镶有一颗称为“非洲之星”的世界最大的钻石；而在国王的王冠上，则镶嵌着象征至高无上皇位的世界第二大钻石。这两颗钻石既是英国曾经辉煌于世界的见证，也是工匠们勤劳和智慧的结晶。有趣的是，既然金刚石是由碳元素组成，而碳在自然界是如此的丰富和廉价，为什么不点石成金？长期以来，人工合成金刚石一直是人类的梦想。自从1954年美国GE公司研制成功了世界上第一颗人造金刚石以来，人造金刚石及其工业制品已经发展成一个应用领域十分广泛的行业。目前，世界工业用金刚石产量约15亿克拉，其应用几乎涉及国计民生的各个领域，小到家庭装修，大到微电子及航空航天等高技术领域。比如，金刚石在光学玻璃冷加工、地质钻探、陶瓷、汽车零件等机械加工、金属拉丝等方面引起了革命性的工艺改革，使加工效率、加工精度几十倍甚至上百倍的提高。

图2－9　石墨的应用

图2－10　金刚石晶

图2－11　金刚石应用图

（二）碳纤维

碳纤维是一种由碳元素组成的特殊的纤维材料，是由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。其性能随着含碳量的不同而不同。一般含碳量在90%以上的碳纤维具有碳素材料的特性，如耐磨擦、耐高温、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形具有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维方向表现出很高的强度。碳纤维的比重小，比强度高。

碳纤维的主要用途是与其他的材料，例如树脂、金属、陶瓷等基体复合而制成结构材料。其中碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度、比模量综合指标，是结构材料中最优良的。碳纤维复合材料在高温条件下对材料强度、刚度、重量、疲劳度等有着非常严格的要求。由于其的优越性，在社会各个领域的应用非常的广泛。20世纪50年代初由于火箭、宇航及航空等尖端科学技术的发展对材料的性能提出了新的要求，所以碳纤维及其复合材料应运而生，在航空航天领域起着举足轻重的作用。另外，碳纤维及其复合材料还广泛地应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。

图2－12　碳纤维应用增长趋势

由碳纤维和环氧树脂结合而成的高碳钢材料，由于其刚性好、比重小以及强度高的特点而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。同样，飞机重量的减轻也可以减少油耗，提高航速。比如，有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1／4，占机翼重量的1／3。综上所述，碳纤维在社会中的应用前景是非常乐观的，那么我们更相信材料科学的发展会更快、更好，以满足人类不同层次的要求。

（三）富勒烯C₆₀

在科学的发展领域中，一种物质从不同的角度出发，会有不同的作用和效果；石墨也是这样的一种物质，英国化学家科尔托与美国化学家史莫利于1985年，利用激光照射石墨，使其蒸发而成炭灰，想要从这些炭灰中找到一些有用的物质。经过质谱分析以后，发现这些炭灰中含有两种不明物质，相对分子质量分别为碳的60倍与70倍，故将它们分别命名为C₆₀与C₇₀。C₆₀中20个正六边形和12个正五边形构成圆球形结构，共有60个顶点，分别由60个碳原子所占有，经证实它们属于碳的第三种同素异形体，命名为富勒烯（Fullerene）。

图2－13　C₆₀结构图和内藏一个金属原子锂（Li）的C₆₀

在通常的情况下，C₆₀不导电属于绝缘体，C₆₀分子的空隙嵌入碱金属原子的时候，C₆₀一反常态与碱金属形成的系列化合物就成为超导体，如K₃C₆₀。与氧化物超导体相比较，这种超导体具有很高的超导临界温度。在不断的研究和实验中发现C₆₀系列超导体具有完美的三维超导性、电流密度大、稳定性高、易于展成线材等优点，是一类极具价值的新型超导材料。

另外，C₆₀和有机分子作用可形成不含金属的软铁磁性材料，其居里温度为16．1K，高于迄今报道的其他有机分子铁磁体的居里温度。由于有机铁磁体在磁性记忆材料中有重要应用价值，因此研究和开发C₆₀有机铁磁体，特别是以廉价的碳材料制成磁铁替代价格昂贵的金属磁铁具有非常重要的意义。

此外，C₆₀分子中存在的三维高度非定域电子共轭结构使得它具有良好的光学性能。由于它具有较大的非线性光学系数和高稳定性等特点，C₆₀作为新型非线性光学材料具有重要的研究价值，有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用。将具有特殊笼形结构及功能的C₆₀作为新型功能团引入高分子体系，将得到具有优异导电、光学性质的新型功能高分子材料。

（四）碳纳米管

碳纳米管的结构相当于把石墨的平面组织卷成管状，可以看做是普通石墨结构的一个奇异变种。就是这样的一变，碳纳米管就成为纳米科技的新秀，在社会的各个领域都得到了广泛的应用。

碳纳米管是人类迄今为止研究并制成的最细的管子，其直径还没有头发直径的万分之一。碳纳米管包括单层壁和多层壁两种类型：单层壁碳纳米管由一层石墨层构成，而多层壁的碳纳米管则可由二至数十层同心轴的石墨层构成，石墨层之间的距离为0．34纳米，与平面石墨层之间的距离一致。不管是单层壁还是多层壁碳纳米管，碳管的前后端都与C₆₀的半圆形碳结构相似，使整个碳管成为一个封闭结构，所以碳纳米管也是碳族的新成员之一。

由于碳纳米管具有强度高、韧性好、重量轻、性能稳定、柔软灵活、导热性好、表面积大等诸多优点。如果碳纳米管边沿的六边形是沿着长轴方向平行排列的，那么碳纳米管就具有金属特性，能够导电。但是，如果管壁的六边形呈螺旋状排列，那么该碳纳米管就具有半导体的性质。所以一经发现，就成为纳米科技的主要研究方向。

如此之多的优点是碳纳米管在物理、化学以及材料科学领域都会有重大的发展前景和研究价值。例如在材料科学领域，由于其长度要比其直径大好几千倍，所以被称为“超级纤维”。另外，碳纳米管的强度要比钢高100倍，但密度却是钢的六分之一。碳纳米管的直径非常微小，5万个并排起来才有人的一根头发那么宽。利用碳纳米管可以制成高强度碳纤维材料。

使用具有高度取向性的单壁碳纳米管作为电子发送材料，不但可以使屏幕成像更清晰，而且可以缩短电子到屏幕之间的距离，从而制成更薄的电视机；因而碳纳米管被认为是新一代平面显示材料。碳纳米管可以在较低的气压下存储大量的氢，因此有望利用碳纳米管超强的储氢能力制成安全、清洁的新型电池，所以在能源领域，碳纳米管也会有非常广泛的应用。随着对碳纳米管研究的不断深入，由碳纳米管制成的各种新材料将在实际生活中得到广泛的应用。未来世界，人们可能会在不经意间就接触到大量的碳纳米管产品。

图2－14　碳纳米管的结构

二、陶瓷材料的应用

陶瓷材料涵盖的范围非常广泛，可分为传统陶瓷材料和精细陶瓷材料两大类，由于陶瓷材料的组成元素都是一些无机物，所以陶瓷材料又被称为无机非金属材料。传统陶瓷材料主要成分是各种氧化物；精细陶瓷材料的成分除了氧化物外，还有碳化物、氮化物、碳化物、硅化物和硼化物等。传统陶瓷产品主要是烧结体；而精细陶瓷产品可以是烧结体，还可以做成单晶、纤维、薄膜和粉末，具有强度高、耐高温、耐腐蚀，并可有声、光、热、磁等多方面的特殊功能，是新一代的特种陶瓷，所以它们的用途极为广泛，遍及现代科技的各个领域。

（一）传统陶瓷

陶瓷是中华民族古老文明的象征；各种各样的陶瓷制品和伟大的中华民族紧密的联系在一起。从西安地区出土的秦始皇陵中大批陶兵马俑，气势宏伟、形象逼真，是世界文化的奇迹。另外唐代的唐三彩，明清景德镇的瓷器也都是久负盛名。

在自然界存在大量天然的硅酸盐，如粘土、岩石、沙子、土壤等，还有许多矿物如云母、滑石、石棉、高岭石、锆英石、绿柱石、石英等，它们都属于天然的硅酸盐。人们为了满足生产和生活的需要，生产了大量人造硅酸盐，主要有玻璃、水泥、各种陶瓷、砖瓦、耐火砖、水玻璃以及某些分子筛等。硅酸盐制品性质稳定，熔点较高，难溶于水，有很广泛的用途，也是陶瓷的主要原料。

石英、粘土（高岭土）和长石是硅酸盐制品的重要原料。石英的化学组成是SiO₂，粘土的化学组成是Al₂O₃·2SiO_2·2H2O，长石的化学组成是K₂O·Al₂O₃·6SiO₂或Na₂O·Al₂O₃·6SiO₂。这些原料中都含有SiO₂，因此在硅酸盐晶体结构中，硅与氧的结合是最重要的。

硅酸盐材料含有晶态部分和非晶态部分，是一种多相结构物质；但其中以晶态为主。硅酸盐晶体中硅氧四面体（SiO₄）是硅酸盐结构的基本单元。在硅氧四面体中，硅原子以sp³杂化轨道与氧原子成键，Si—O键键长为162pm，比起Si　^4＋和O^2－的离子半径之和有所缩短，故Si—O键的结合是比较强的。

SiO₄四面体的每个顶点上的O^2－只能为两个SiO₄四面体所公用，根据SiO₄四面体的公用顶点的不同，硅酸盐可分为分立型、链型、层型和骨架型四大类。

硅酸盐中除了含有SiO₂结构外，还有Al₂O₃结构。这是因为Al　^3＋的半径与Si　^4＋相近，所以Al　^3＋可以置换硅氧四面体中的Si　^4＋，形成铝氧四面体（AlO₄）。由于铝是＋3价的，因此置换后必然要引进其他阳离子以保持电荷平衡。

硅酸盐都需要高温烧结才能制成成品，其过程是：粘土在高温下先脱水，然后转化为莫来石（3Al₂O₃·2SiO₂），耐火材料基本上由石英、莫来石和玻璃构成。

（二）精细陶瓷

在化学组成方面，精细陶瓷的组成远远超出了硅酸盐所在的范围。例如透明的氧化铝陶瓷、耐高温的二氧化锆（ZrO₂）陶瓷、高熔点的氮化硅（Si₃N₄）和碳化硅（SiC）陶瓷等，它们都是精细陶瓷，是传统陶瓷材料的发展。信息科学、能源技术、宇航技术、生物工程、超导技术、海洋技术等现代科学技术需要大量特殊性能的新材料，精细陶瓷就是在这样的条件背景下发展起来的；到了今天人类在超硬陶瓷、高温结构陶瓷、电子陶瓷、磁性陶瓷、光学陶瓷、超导陶瓷和生物陶瓷等各方面取得了优异的成绩，下面将对部分精细陶瓷做一下简单的介绍。

1．高温结构陶瓷

用铸铁铸造的汽车发动机，由于其耐热性能有一定限度，常常需要用冷却水冷却，使热能散失非常的严重，热效率也很低，只有30%左右。如果换用高温结构陶瓷制造陶瓷发动机，则发动机的工作温度可以稳定在1300℃左右，由于燃料燃烧充分又不用水冷系统，热效率大幅度的提高。用陶瓷材料做发动机，还可减轻汽车的质量，这对航天航空事业更具吸引力，用高温陶瓷取代高温合金来制造飞机上的涡轮发动机其效果会更好。

为什么高温结构陶瓷会有如此好的性能呢？原来陶瓷发动机的材料选用氮化硅，它的机械强度高、硬度高、热膨胀系数低、导热性好、化学稳定性高，是非常好的高温陶瓷材料。氮化硅可用多种方法合成，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1300℃反应后获得：

另外也可用化学气相沉积法，使SiCl₄和N₂在H2气氛保护下反应，产物Si₃N₄沉积在石墨基体上，形成一层致密的Si₃N₄层。这种方法得到的氮化硅纯度较高，其反应如下：

高温结构陶瓷除了氮化硅（Si₃N₄）外，还有碳化硅（SiC）、二氧化锆（ZrO₂）、氧化铝（Al₂O₃）等。

2．透明陶瓷

在通常的情况下，陶瓷是不透明的，但是如果经过一定的科学手段，陶瓷就可以像玻璃一样透明了；这样的陶瓷就是透明陶瓷。陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，杂质能吸收光，气孔能使光产生散射，所以陶瓷就不透明了。因此如果选用高纯原料，并通过各种工艺手段排除气孔和杂质以后就可能获得透明陶瓷。在早期，人类就是采用上述办法得到透明的氧化铝陶瓷。经过不断的研究，现在已经制造出如烧结白刚玉（Al₂O₃）、氧化镁（MgO）、氧化铍（BeO）、二氧化锆（ZrO₂）等多种氧化物系列透明陶瓷。近期又研制出非氧化物透明陶瓷，如砷化镓（GaAs）、硫化锌（ZnS）、硒化锌（ZnSe）、氟化镁（MgF₂）、氟化钙（CaF₂）等。

透明陶瓷不仅能耐高温（它们的熔点通常都在2000℃以上），而且还有优异的光学异性。如氧化钍—氧化钇透明陶瓷的熔点高达3100℃，比普通硼酸盐玻璃高1500℃。透明陶瓷的重要用途是制造高压钠灯，它的发光效率比高压汞灯提高一倍，使用寿命达2万小时，是使用寿命最长的高效电光源。高压钠灯的工作温度高达1200℃，压力大、腐蚀性强，选用氧化铝透明陶瓷为材料成功地制造出高压钠灯。透明陶瓷的透明度、强度、硬度都高于普通玻璃，它们耐磨损、耐划伤，用透明陶瓷可以制造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器和高级防护眼镜等。

玻璃可以透光，但在传输过程中光损耗很大，用石英玻璃纤维光损耗大为降低，故这种纤维称为光导纤维；它是从高纯度的二氧化硅或称石英玻璃熔融体中，拉出直径约100μm的细丝，是精细陶瓷中的一种。

光导纤维一般由内芯和包层两层组成，内芯的直径只有几十微米，但折射率较高；而包层的折射率较低。从光导纤维一端入射的光线，经内芯反复折射而传到末端，由于两层折射率的差别，使进内芯的光始终保持在内芯中传输着。因此可利用光导纤维可进行光纤通讯。激光的方向性强、频率高，是进行光纤通讯的理想光源。光纤通讯与电波通讯相比，光纤通讯能提供更多的通讯路，可满足大容量通讯系统的需要。

光的传输距离与光导纤维的光损耗大小有关，光损耗小，传输距离就长，否则就需要用中继器把衰减的信号放大。如果光导纤维的光损耗为0．15B·km－1，传输距离可达500km；如降到10－4　Db·km－1时，则可传输2500km。用最新的氟玻璃制成的光导纤维，可以把光信号传输到太平洋彼岸而不需任何中断站。

在实践当中，常常把千百根光导纤维组合在一起同时给以增强处理，制成像电缆一样的光缆，这样不仅增强了光导纤维的强度，还大大地提高了通讯容量。

用光缆代替通讯电缆，大大地节省了有色金属的用量。光缆的质量轻、体积小、结构紧凑、绝缘性能好、寿命长、输送距离长、保密性好、成本低；这些优点使得它在社会的各个领域都有着广泛的用途。光纤通讯与数字技术及计算机结合起来，可以用于传送电话、图像、数据、控制电子设备和智能终端等，起到部分取代通讯卫星的作用。

另外，光损耗大的光导纤维可在短距离使用，特别适合制作各种人体内窥镜，如胃镜、膀胱镜、直肠镜、子宫镜等，对诊断医治各种疾病极为有利。

3．生物陶瓷

在人体的器官发生病变的时候，常常要选择人造器官来代替以挽救病人的生命，那么选用的材料必须有良好的生物相容性，对肌体无免疫排异反应；血液相容性好，无溶血、凝血反应；不会引起代谢作用异常现象；对人体无毒，不会致癌；只有这样才能起到真正的效果。随着科技的发展制造出来的生物合金、生物高分子和生物陶瓷基本上能满足这些要求。利用这些材料制造了许多人工器官，在临床上得到广泛应用。但是这类人工器官一旦植入体内，要经受体内复杂的生理环境的考验。例如不锈钢在常温下是非常稳定的材料，但把它做成人工关节植入体内，三五年后便会出现腐蚀斑，并且还会有微量金属离子析出，这是生物合金的缺点。有机高分子材料做成的人工器官容易老化，相比之下，生物陶瓷是惰性材料，耐腐蚀，更适合植入体内。

氧化铝陶瓷不仅可以做假牙，而且还可以做人工关节用于很多部位，如膝关节、肘关节、肩关节、指关节、髋关节等。ZrO₂陶瓷的强度、断裂韧性和耐磨性比氧化铝陶瓷好，也可用以制造牙根、骨和股关节等。

大家都知道，羟基磷灰石［Ca₁₀（PO₄）₆（OH）₂］是骨组织的主要成分。目前发现用熔融法制得的生物玻璃，如CaO－Na₂O－SiO₂－P₂O₅，具有与骨骼键合的能力，与骨的生物相容性特别的好。

但是值得一提的是，由于陶瓷材料的性脆、韧性不足，严重地影响了它作为人工人体器官的应用。所以只有解决了脆性问题，那么生物陶瓷的应用前景将会更加的广泛。

4．超导陶瓷

1911年荷兰物理学家Onnes发现汞（水银）在温度4．2K附近时，电阻突然下降为零，他把这种零电阻现象定义为超导电性。汞的电阻突然消失时的温度称为转变温度或临界温度，用T_c表示。

超导体的定义是在一定温度下具有超导电性的物体，金属汞就是一种超导体。

在元素周期表大厦共有26种金属元素具有超导电性，单个金属的超导转变温度都很低，没有应用价值。因此，人们逐渐转向研究金属合金的超导电性。其中Nb₃Ge的转变温度为23．2K，这在20世纪70年代算是最高转变温度超导体了。当超导体显示超导材料都是在极低温下才能进入超导态，假如没有低温技术发展作为后盾，就发现不了超导电性，无法设想超导材料。

低温超导材料只有在液氦做致冷剂的条件下才能呈现超导态，因此在应用上受到很大的限制。所以，人们迫切希望能找到高温超导体，经过几十年的不懈努力，终于在1986年有所突破。

瑞士Bednorz和Müller在不断的实验中发现他们研制的La－Ba－CuO混合金属氧化物具有超导电性，转变温度为35K。这是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。接着中、美科学家发现Y－Ba－CuO混合金属氧化物在90K具有超导电性，这类超导氧化物的转变温度已高于液氮温度（77K），高温超导材料研究获得重大进展。一连串激动人心的发现在世界上掀起了“超导热”。目前新的超导氧化物系列不断涌现，例如Bi－Ca－CuO，Tl－Ba－Ca－CuO等，它们的超导转变温度超过了120K。高温超导体的研究方兴未艾，人们殷切地期待着室温超导材料的出现。

C₆₀是石墨和金刚石意外的碳的第三种单质结构形式。人们通过实验发现C₆₀与碱金属作用能形成A_xC₆₀（A代表钾、铷、铯等），它们都是超导体，大多数A_xC₆₀超导体的转变温度比金属合金超导体高。金属氧化物超导体是无机超导体，它们都是层状结构，属二维超导。而A_xC₆₀则是有机超导体，它们是球状结构，属三维超导。因此A_xC₆₀这类超导体是很有发展前途的超导材料。

很多研究中都需要具有超导性能的材料作为支柱，所以超导的研究引起各国的高度重视，一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响，人类的生活将有更大的改观，下面事例体现了超导材料的优越性。

例1：用超导材料输电　发电站通过漫长的输电线向用户送电。由于电线存在电阻，使电流通过输电线时电能被消耗一部分，如果用超导材料做成超导电缆用于输电，那么在输电线路上的损耗将降为零。

例2：超导发电机　制造大容量发电机，关键部件是线圈和磁体。由于导线存在电阻，造成线圈严重发热，如何使线圈冷却成为难题。如果用超导材料制造超导发电机，线圈是由无电阻的超导材料绕制的，根本不会发热，冷却难题迎刃而解，而且功率损失可减少50%。

例3：磁力悬浮高速列车　要使速度达到500km·h^－1，普通列车是绝对办不到的。如果把超导磁体装在列车内，在地面轨道上敷设铝环，利用它们之间发生相对运动，使铝环中产生感应电流，从而产生磁排斥作用，把列车托起离地面约10cm，使列车能悬浮在地面上而高速前进。

例4：可控热核聚变时能释放出大量的能量。为了使核聚变反应持续不断，必须在10×10⁸℃下将等离子约束起来，这就需要一个强大的磁场，而超导磁体能产生约束等离子所需要的磁场。人类只有掌握了超导技术，才有可能把可控热核聚变变为现实，为人类提供无穷的能源。

（三）纳米陶瓷

从陶瓷材料发展的历史上来看，经历了陶器进入瓷器；由传统陶瓷发展到精细陶瓷；由精细陶瓷到纳米陶瓷三次伟大的历史性飞跃。在前两次飞跃期间，无论原材料，还是制备工艺、产品性能和应用等许多方面都有长足的进展和提高，然而对于陶瓷的致命弱点——脆性问题一直没有得到根本的解决。精细陶瓷粉体的颗粒较大，属微米级（10^－6 m），有人用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级（10^－9m），用这种所谓超细微粉体粒子来制造陶瓷材料。得到新一代纳米陶瓷，在陶瓷材料的第三次飞跃中，陶瓷材料具有延性，有的甚至出现超塑性，彻底消除了传统陶瓷的脆性。如室温下合成的TiO₂陶瓷，它可以弯曲，其塑性变形高达100%，韧性极好。因此人们寄希望于发展纳米技术去解决陶瓷材料的脆性问题。纳米陶瓷被称为是21世纪陶瓷。

纳米陶瓷是纳米材料技术的一种，那么究竟什么是纳米材料呢？材料绝大多数是固体物质，它的颗粒一般在微米级，一个颗粒包含着无数原子和分子，这时材料显示的是大量分子的宏观性质。后来人们发现，若用特殊的方法把颗粒加工到纳米级大小，这时一个纳米级颗粒所含的分子数大为减少，用它做成的材料称为纳米材料。

纳米材料具有奇特的光、电、磁、热、力和化学等性质，和宏观材料迥然不同。纳米材料的粒子是超细微的，粒子数多，表面积大，而且处于粒子界面上的原子比例甚高，一般可达总原子数的一半左右。这使纳米技术具有不寻常的表面效应、界面效应和量子效应等，因此而呈现出一系列独特的性质。例如金的熔效点是1063℃，而纳米金只有330℃，熔点降低700℃，银的熔点由金属银的960．8℃降为纳米银的100℃。纳米金属熔点的降低不仅使低温烧结制备合金成为现实，还可使不互溶的金属冶炼成合金。又如纳米铂黑催化剂，由于表面积大，表面活性高，可使乙烯氢化反应温度从600℃降至室温；纳米铁的抗断裂应力比普通铁高12倍等等。

纳米技术革新的问世促使纳米技术的诞生。所谓纳米技术是指用单个原子或分子作材料建造物体的技术。一个纳米是十亿分之一米，在这么一个数量级上制造出来的物体都是微型的，纳米技术真可谓巧夺天工了。例如可以制造微型飞机、微型宇宙飞船、微型机器人等。利用微型机器人可做血管吻接手术，让它进入人的血管，清除血管壁上的胆固醇，防止脑血栓。