能替代钢铁的新型陶瓷

第三节　能替代钢铁的新型陶瓷

陶瓷能替代钢铁么？回答是肯定的。我们所说的这个陶瓷，并不是我们常见的普通陶瓷，而是一种被称为高技术的新品种陶瓷。高技术陶瓷与普通陶瓷，“血统”上并无渊源，但材料科学家能从地球上现有的几十万种原料中，慧眼独具，发展出这种“身怀绝技”的“万能”材料来，的确是受了普通陶瓷的启迪。

长久以来，金属一直占据着材料王国的霸主，尤其是钢铁，应用范围更加广泛。钢铁作为材料有它的许多优点，然而它也存在着诸如不耐腐蚀、不耐高温、不够坚硬、不能绝热等缺陷。有趣的是，钢铁等金属的短处，反过来恰恰是非金属材料陶瓷的长处。不过陶瓷也有自己的“薄弱环节”：硬虽硬，却没有韧劲，一碰就碎，一敲就断，而且毫无弯曲延长的余地。因此，要让陶瓷代替钢铁，必须对陶瓷材料实行“抽筋换骨”的手术，做到扬长避短。材料科学家分析了普通陶瓷的成分以后，认为它的一种主要原料，含杂质较多的黏土，是普通陶瓷的“薄弱环节”的根源。所以，他们试用硅酸盐类化工原料和一些人工合成的氧化物来取代黏土。科学家曾将沙子、淀粉和氧化锆3种原料按一定比例混合，放进温度为1400℃、充有氮气的炉子内烧上7小时，最后制成一种银灰色的氧化硅陶瓷。这种新诞生的、色彩非常悦目的高技术陶瓷，密度和铝差不多，能耐受1500℃以上的高温，韧性很好，硬度尤其惊人，只有用金刚石才能把它割断。以后，又试验制成了碳化硅、氧化锆、碳化钛、增契氧化铝等几种新陶瓷材料。

成分不同的高技术陶瓷，各有自己的专长，这就有利于设计产品的工程师们“量才录用”，把它们用到最适宜发挥才能的岗位上去。用钢铁制造的发动机汽缸，受温度的限制，只能利用汽油燃烧后的一小部分热能，大部分热能都从汽缸的冷却系统白白散失了。氧化锆陶瓷能帮助解决这个难题，它特别耐磨损、耐腐蚀、耐高温，用它制造的发动机汽缸，不需要冷却系统，使燃油在汽缸内燃烧后产生的热能最大限度地转换成汽车获得的动力。另外，由于汽缸硬度大，几乎不易受磨损，并且也不受燃油分解形成的酸性气体腐蚀。因此，这种高技术陶瓷汽车发动机的使用寿命长、功率大、制造成本低，可以节省大量金属材料和30%的油耗量。一家汽轮机厂的工程师试用这种高技术陶瓷制作了内燃气轮机中承受热负荷最多、也是最容易腐蚀的涡轮叶片，结果使汽轮机热效率一下子提高了一半，叶片经久不坏。

利用氧化锆硬度超过钢材，在高温下不会软化的特点，机械工程师设计了氧化锆陶瓷车刀，在自动车床上以最高的切削速度，加工最硬的合金钢零件。陶瓷车刀削钢如泥，刀刃不软不崩，零件表面光洁度高，这是机械加工史上，用非金属刀具切削硬质合金钢的第一例。更有趣的是，用含锆的高技术陶瓷制作切削刀具，刀体一旦受到外力冲击产生裂缝时，它会自动膨胀，将裂缝弥合起来。氧化锆陶瓷剪刀和家用小刀，刀口久用不钝，不锈不裂，被称为永不报废的长命刀剪。

高技术陶瓷可以使它比钢铁硬，也可以叫它像铜铝等有色金属那样有延展性和可塑性。把氧化钛陶瓷研磨成极其细致的细晶粒，加上黏结剂，高温熔烧成板材。只要将板材加热到180℃，可以对它展压，结果就能得到一块波浪形的陶瓷板。另一种氟化钙陶瓷，甚至只需加热到80℃，便呈现出挤压变形的特性。专家们认为高技术陶瓷能被“软化”，就意味着为这种材料最终能被延展、挤拉、卷绕成材打开了希望之门。

用高技术陶瓷替代钢铁，其实只是展现了它全副本领的一小部分。作为一种未来材料之王的“万能材料”，高技术陶瓷的潜力实际上是无止境的。