陶瓷被我们用于哪些方面

“该工作凸显了界面工程在全陶瓷电化学器件中的关键作用， 可帮助质子陶瓷电化学电池快速进军可持续能源基础领域 ，例如在受间歇性太阳能和风能发电影响的电网中，利用季节性储能的核热和电力驱动进行化学燃料生产，以及二氧化碳的捕获和利用。”对于自己近期发表在 Nature 的论文，美国爱达荷国家实验室吴巍博士表示。

对于该成果的应用前景，他说：“就改良后的电化学电池而言，高性能 PCEC（质子导体电池，Protonic ceramic fuel cell）使我们能够将高温电解水制氢的工作温度降低到 350 C。这个过程可以为许多‘清洁和绿色氢气’的应用打开大门。更重要的是， 该技术在与当前几个重要的工业过程（包括氨生产和二氧化碳减排）在相同的温度范围内运行 。匹配这些温度将加快该技术在现有行业中的采用。”

就界面工程技术而言，此次报道的技术可以广泛运用放到固态电化学器件当中，比如全固态锂电池。全固态锂电是前沿的锂电池技术，各个国家都在花大力气研发之中，界面润湿问题是它最主要的瓶颈之一。而酸处理技术可以有效改善全固态电池的界面润湿性能，从而提高其性能和稳定性。

正因为应用性极强，也让他对此次成果的商业孵化充满信心：“ 我们接下去的研究计划是两个方面， 一个是整合现有的一系列制备技术，将电化学器件扩大化、模块化、甚至商业化。另一方面是进一步拓展和深化与其他高校、研究机构在化学品电化学合成以及工业减碳等方向上的合作。”

350 下工作良好，数百小时内几乎没有性能衰减

据介绍，他和合作者在实验中证明， 酸处理电池在 600 C 下每面积产生的氢气比任何以前的电池都要多 150% ，并且在 350 C 下工作良好，在数百小时内几乎没有性能衰减。这种方法可以很容易地扩展和集成，用于大型电池和电池堆的制造。

马里兰州能源创新研究所材料创新中心主任胡良兵教授说，他没有参与这项工作，但其评价称：“作者报告了一种令人惊讶的，简单其极其高效的表面处理方式，以显着改善界面，将电池性能提升到‘卓越’程度。

4 月 20 日，相关论文以《酸蚀刻法活化质子陶瓷膜电池电解质表面》（Revitalizing interface in protonic ceramic cells by acid etch）为题发表在 Nature 上。

据吴巍介绍，可再生能源包括风能、太阳能、潮汐能等，给 社会 提供了越来越多的清洁电力。但这些可再生能源的一大特征是不稳定，随天气波动明显。所以 清洁电能一般首先要进行存储。

利用蓄电池进行电力存储的时间也非常有限，成本也很高。将这些清洁电能生产氢气和其他有机化学品和燃料，是另一种电能存储方式，即电能转化成化学能。

众所周知，氢气是一种绿色燃料，部分原因是当它燃烧时，产物仅仅是水。然而，纯氢没有天然来源。今天我们所用的氢气是绝大部分是通过蒸汽重整碳氢化合物（如天然气）获得的。这个过程需要碳氢原料气体并产生碳副产品，这使得它不太适合可持续生产。

因此，开发更高效的新型电化学电池， 比如固体氧化物燃料电解电池，可以实现低碳，甚至无碳排放的分布式发电和氢气化学品。全世界的科学家也一直在研发主要用于氢气生成的电化学电池。这些电池产生的氢气也可以用作热，车辆，化学生产或其他应用的燃料。

但前提是，科学家必须克服一系列材料和制备上的挑战，包括如何使电池更高效、更稳定、制造成本更低廉。

说到这里，吴巍做了个简短的科普： 电化学电解电池主要有三种类型 。

第一种类型在室温下工作，如质子交换膜电池。它们的主要问题是效率偏低，需要铂金等稀有金属。

第二种类型在 700ºC 以上的高温下运行，比如氧离子导体电池。它们有较高的电解效率，但金属在高温下很容易被氧化或者和其他元素反应形成腐蚀，从而设备需要严格的的密封和绝缘技术。

第三种类型，PCEC 是更具潜力的电化学电池解决方案。正如可充电电池使用化学来储存电力以供以后使用一样，PCEC 可以将多余的电力和水转化为氢气。PCEC 也可以反向运行，将氢气转化为电能。该技术使用称为钙钛矿的晶体材料，这些材料价格低廉，能够在很宽的温度范围内工作。与此同时，PCEC 主要的运行区间在 300 至 600ºC，进一步降低了运行和制造成本。

理论上说，质子导体具有高导电性和低活化能，PCEC 的性能自然会很优越。然而，吴巍和合作者长期观察到它们的表现低于理论模拟的预期。他和美国爱达荷国家实验室的同事们自 2017 年以来一直致力于了解其中的原因。

其表示：”经过抽丝剥茧一样的实验设计和观察， 我们发现质子（带正电的氢原子）在电极/电解质界面上的传输是问题所在 。具体来说，电极和电解质的结合不够理想。随后，我们在电池制备过程中，额外增加了一个简单的酸处理步骤，实现了电极与电解质的紧密结合，从而实现更有效的离子传输。”

经过一系列详细的表征，其发现酸处理增加了电极和电解质之间的接触面积。增加的表面积使得电极和电解质之间更紧密的键合，从而允许质子更有效地传输。此外，电池在某些极端条件下的稳定性也显着提高。

显著提高电池的性能、以及热力学和电化学稳定性

更详细地说， 论文的核心要点在于，质子陶瓷膜电化学电池有望在 350 以下运行。 虽然电解质的高质子导电性已经被证明，但由于未知的原因，它不能充分应用于电化学全电池中。在该研究中，吴巍等人揭示，这些问题起源于高温二次处理的氧电极-电解质界面之间的接触不良。

该研究证明了一种简单的酸处理，可以有效地修复高温二次处理的电解质表面，从而使氧电极和电解质之间产生反应性键合，提高电化学性能和稳定性。

此方法可以实现低至 350  C 的优异的质子陶瓷膜燃料电池性能，并能维持 600  C 时峰值功率密度为 1.6 瓦每平方厘米，450  C 时为 650 毫瓦每平方厘米，350  C 为 300 毫瓦每平方厘米，而在 1.4V 和 600  C 下的稳定电解操作与电流密度则超过 3.9 安培每平方厘米。

据悉， 质子陶瓷膜燃料/电解电池（PCFCs/PCECs）以其高效性和零排放性，有望在中温（300-600 ）应用领域实现化学能与电能可逆转换 。

它们的关键成分之一是钙钛矿结构的氧化物电解质，由于较小的活化能，其高质子电导率能够实现比基于氧离子导体的固体氧化物燃料/电解电池（SOFCs/SOECs）更低的温度运行。

然而， 仍存在一些与电解质相关的挑战限制了 PCFC/PCEC 的应用 。首先，尽管烧结体电解质显示出高质子电导率（例如，在 500 时>10mS cm 1），电化学电池中的欧姆电阻大于仅从体离子电导率估计的理论值，且具有“未知的来源”。这种不一致性被认为是由于氧电极和电解质之间的接触不良所致。其次，氧电极-电解质界面在力学性能上较弱，会导致层离和其他形式的损耗，特别是在高电流密度的电解电池循环下。

要知道，质子陶瓷膜燃料/电解电池通常是首先在高温 T1 下烧结氢电极-电解质双层结构，然后在氧电极层上丝网印刷或喷漆，然后在较低的温度 T2 下二次烧结。

然而，质子陶瓷膜电解质难以致密化，该过程需要高温烧结。虽然似乎与 400-600 C 下的全电池性能无关，但吴巍等人认为低真实接触面积和高界面阻抗与低速率质量输运导致的烧结性差具有相同的根源。

事实上，T2 烧结的情况更糟（大约 1000 C）：多孔氧电极必须扩散键合到已经充分退火的电解质表面（以单晶基底上的受限烧结为极端类比），T2 也必须足够低，从而避免多孔氧电极的粗糙化并允许气体输运和催化作用。

考虑到以上情况， 该团队提出了一种酸处理方法，在与氧电极结合之前活化修复高温退火电解质表面 。他们证明，这种方法可以完全恢复电化学电池中的理论质子电导率，并显著提高电池的性能以及热力学和电化学稳定性。

吴巍说，该项目从立项到成果发表，离不开所有团队成员的共同配合和付出。这项工作由三个单位合作完成，包括爱达荷国家实验室、麻省理工学院和内布拉斯加大学。团队之间每周都保持着视频会议沟通，遇到问题大家即时分享，讨论和研究对策。

和绝大多数科研工作一样，从观点提出到实现会遇到种种挑战和难题。很多时候，努力也不一定有回报。“我们只能尽自己所学、所能，依靠集体的力量来解决科学难题， 剩下的交给运气。这个工作有一定的成果，我们都很开心，运气这次站在了我们这边。”他说。

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支持：王贝贝

参考：

1、Bian, W., Wu, W., Wang, B. et al. Revitalizing interface in protonic ceramic cells by acid etch. Nature 604, 479–485 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04457-y

随着科学技术的发展，特别是能源、空间技术的高度发展，经常要求材料必须有耐高温、抗腐蚀、耐磨损等优越性能，才能在比较苛刻的工作环境中使用。由于碳化硅

陶瓷材料具有抗氧化性强、耐磨性能好、硬度高、热稳定性好、高温强度大、热膨胀系数小、热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，已成为尖端科学的重要

组成部分，受到普遍重视。碳化硅陶瓷大量应用于石油化工、冶金机械、航空航天、微电子、汽车、钢铁等领域，并日益显示出其他特种陶瓷所无法比拟的优点。

碳化硅陶瓷常见应用简介：

1、耐火材料

国外将碳化硅用作耐火材料的数量大于用作磨料。我国亦在不断扩大这方面的应用，根据国外厂商的习惯，耐火材料黑色碳化硅通常分为3种牌号：

A、高级耐火材料黑碳化硅。这种牌号的化学成分要求与磨料用黑色碳化硅完全相同，主要用以制造高级碳化硅制品，如重结晶碳化硅制品、燃气轮机构件、喷嘴、氮化硅结合碳化硅制件、高炉高温区衬材、高温窑炉构件、高温窑装窑支承件、耐火匣钵等。

B、二级耐火材料黑色碳化硅，含碳化硅大于90%。主要用于制造耐中等高温的窑炉构件，如马弗炉炉衬材料等。这些构件除利用碳化硅的耐热性、导热性外，在很多场合还兼用它的化学稳定性。

C、低品位耐火材料黑色碳化硅，其碳化硅含量要求大于83%，主要用于出铁槽、铁水包，炼锌业和海绵铁制造业等的内衬。

　2、军事方面

用 碳化硅陶瓷与其他材料一起组成的燃烧室及喷嘴，已应用于火箭技术中。碳化硅基复合材料制备的阿丽亚娜火箭尾喷管已成功应用。碳化硅密度居中，比Al2O3

轻20%，硬度和弹性模量较高，价格比B4C低得多，还可用于装甲车辆和飞机机腹及防弹防刺衣等。碳化硅材料还具有自润滑性及摩擦系数小，约为硬质合金的

一半。它的抗热震性好、弹性模量高等特点在一些特殊地方获应用，如用来制成高功率的激光反射镜其性能优于铜质，由于密度低、刚性好、变形小。CVD与反应

烧结的碳化硅轻量化反射镜已经在空间技术中大量使用。

3、电气和电工

利 用碳化硅陶瓷的高热导性能，绝缘性好作为大规模集成电路的基片和封装材料。碳化硅发热体是一种常用的加热元件，由于它具有操作简单方便，使用寿命长，使用

范围广等优点，成为发热材料中最经久耐用且价廉物美的一种，使用温度可达1600℃。此外，碳化硅还可用做避雷器的阀体和远红外线发生器等。

　4、耐磨及高温件

利 用碳化硅陶瓷的高硬度、耐磨损、耐酸碱腐蚀等性能，在机械工业、化学工业中被用来制备新一代的机械密封材料，如滑动轴承、耐腐蚀的管道、阀片和风机叶片。

尤其是作为机械密封材料已被国际上确认为自金属、氧化铝、硬质合金以来第四代基本材料，它的抗酸、抗碱性能与其它材料相比是极为优秀的，几乎没有一种材料

可与之相比。利用碳化硅陶瓷的高热导性能，可用于冶金工业窑炉中的高温热交换器等，使用温度可达1300℃用电镀方法将碳化硅微粉体涂

敷于水轮机叶轮上，可以大大提高叶轮的耐磨性能，延长其检修周期。

用碳化硅制成的托辊，早已成功地应用于轧钢机上，它比金属托辊有更好的耐热性与耐磨性，

并能改善所轧钢材的质量。用碳化硅材料制成的砂泵及水力旋流器，具有很好的耐磨性能用碳化硅材料制成的缸套等耐磨件可广泛用于石油和化工等行业。碳化硅

还可作为高温热机械用材料，被首选为热机械的耐高温部件。诸如：作高温燃汽轮机的燃烧室、涡轮的静叶片、高温喷嘴等。用碳化硅制成活塞与气缸套用于无润滑

油无冷却的柴油机上，可减少摩擦30%~50%，使噪声明显降低。

传统陶瓷主要用于餐具、日用容器、工艺品及普通建筑材料。

现代陶瓷主要有结构陶瓷、陶瓷基复合材料、功能陶瓷。

结构陶瓷主要用于发动机汽缸套、轴瓦、密封圈、陶瓷切削刀具。

陶瓷基复合材料主要在军械和航空航天领域。

功能陶瓷被广泛用于电绝缘体，在计算机、精密仪器领域得到广泛应用。

结构陶瓷是以强度、刚度、韧性、耐磨性、硬度、疲劳强度等力学性能为特征的材料。

2 应用于提高陶瓷材料的超塑性

只有陶瓷粉体的粒度小到一定程度才能在陶瓷材料中产生超塑性行为,其原因是晶粒的纳米化有助于晶粒间产生相对滑移,使材料具有塑性行为。

纳米陶瓷的超塑性在电子、磁性、光学以及生物陶瓷方面有潜在应用。纳米陶瓷可能具有的低温超塑性、延展性和极高的断裂韧性，将使其成为兼具陶瓷和金属的优良特性(如高强度、高硬度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、易加工等)的新结构和功能材料，在航空、航天、机械、电子信息等众多领域具有无限广阔的应用前景。

3 应用于制备电子(功能)陶瓷

纳米陶瓷粉体之所以广泛地用于制备电子陶瓷,原因在于陶瓷粉体晶粒的纳米化会造成晶界数量的大大增加,当陶瓷中的晶粒尺寸减小一个数量级,则晶粒的表面积及晶界的体积亦以相应的倍数增加。

4 应用于制备陶瓷工具刀

纳米技术的出现以及纳米粉体的工业化生产,使得制备金属陶瓷刀成为现实。

1、日用陶瓷：如餐具、茶具、缸，坛、盆、罐、盘、碟、碗等。

青花骨瓷四头文具斗彩荷花

2、艺术（工艺）陶瓷：如花瓶、雕塑品、园林陶瓷、器皿、相框、壁画、陈设品等。

3、工业陶瓷：指应用于各种工业的陶瓷制品。又分以下4各方面：

①建筑一卫生陶瓷： 如砖瓦，排水管、面砖，外墙砖，卫生洁具等；

②化工（化学）陶瓷：

用于各种化学工业的耐酸容器、管道，塔、泵、阀以及搪砌反应锅的耐酸砖、灰等；

③电瓷： 用于电力工业高低压输电线路上的绝缘子。电机用套管，支柱绝缘子、低压电器和照明用绝缘子，以及电讯用绝缘子，无线电用绝缘子等；

④特种陶瓷：

用于各种现代工业和尖端科学技术的特种陶瓷制品，有高铝氧质瓷、镁石质瓷、钛镁石质瓷、锆英石质瓷、锂质瓷、以及磁性瓷、金属陶瓷等。

扩展资料

陶瓷特性

陶质材料：与瓷相比，陶的质地相对松散，颗粒也较粗，烧制温度一般在900℃—1500℃之间，温度较低，烧成后色泽自然成趣，古朴大方，成为许多艺术家所喜爱的造型表现材料之一。

陶的种类很多，常见的有黑陶、白陶、红陶、灰陶和黄陶等，红陶、灰陶和黑陶等采用含铁量较高的陶土为原料，铁质陶土在氧化气氛下呈红色，还原气氛下呈灰色或黑色。

瓷质材料：与陶相比，瓷的质地坚硬、细密、严禁、耐高温、釉色丰富等特点，烧制温度一般在1300℃左右，常有人形容瓷器“声如磬、明如镜、颜如玉、薄如纸”，瓷多给人感觉是高贵华丽，和陶的那种朴实正好相反。

所以在很多艺术家创作陶瓷艺术品时会着重突出陶或瓷的质感所带给欣赏者截然不同的感官享受，因此，创作前对两种不同材料的特征的分析与比较是十分必要的。

参考资料：百度百科-陶瓷

(一)按用途的不同分类

1．日用陶瓷：如餐具、茶具、缸，坛、盆、罐、盘、碟、碗等。

2．艺术{工艺}陶瓷：如花瓶、雕塑品、园林陶瓷、器皿、 陈设品等。

3．工业陶瓷：指应用于各种工业的陶瓷制品。又分以下6各方面：

①建筑一卫生陶瓷： 如砖瓦，排水管、面砖，外墙砖，卫生洁其等；

②化工{化学}陶瓷： 用于各种化学工业的耐酸容器、管道，塔、泵、阀以及搪砌反应锅的耐酸砖、灰等；

③电瓷： 用于电力工业高低压输电线路上的绝缘子。电机用套管，支柱绝缘于、低压电器和照明用绝缘子，以及

电讯用绝缘子，无线电用绝缘子等；

④特种陶瓷： 用于各种现代工业和尖端科学技术的特种陶瓷制品，有高铝氧质瓷、镁石质瓷、钛镁石质瓷、锆英

石质瓷、锂质瓷、以及磁性瓷、金属陶瓷等。

(二)按所用原料及坯体的致密程度分类可分为：

粗陶(brickware or terra-cotta)， 细陶 (potttery)，炻器 (stone Ware)，半瓷器 (semivitreous china)，以至瓷器(130relain)，原料是从粗到精，坯体是从粗松多孔，逐步到达致密，烧结，烧成温度也是逐渐从低趋高。

粗陶是最原始最低级的陶瓷器，一般以一种易熔粘土制造。在某些情况下也可以在粘土中加入熟料或砂与之混合，以减少收缩。这些制品的烧成温度变动很大，要依据粘土的化学组成所含杂质的性质与多少而定。以之制造砖瓦，如气孔率过高，则坯体的抗冻性能不好，过低叉不易挂住砂浆，所以吸水率一般要保持5～15％之间。烧成后坯体的颜色，决定于粘土中着色氧化物的含量和烧成气氛，在氧化焰中烧成多呈黄色或红色，在还原焰中烧成则多呈青色或黑色。

我国建筑材料中的青砖，即是用含有Fe2O3的黄色或红色粘土为原料，在临近止火时用还原焰煅烧，使Fe203还原为FeON成青色，陶器可分为普通陶器和精陶器两类。普通陶器即指土陶盆．罐、缸、瓮．以及耐火砖等具有多孔性着色坯体的制品。精陶器坯体吸水率仍有4～1 2％，因此有渗透性，没有半透明性，一般白色，也有有色的。釉多采用含铅和硼的易熔釉。它与炻器比较，因熔剂宙量较少，烧成温度不超过1300℃，所以坯体增未充分烧结；与瓷器比较，对原料的要求较低，坯料的可塑性较大，烧成温度较低。不易变形，因而可以简化制品的成形，装钵和其他工序。但精陶的机械强度和冲击强度比瓷器．炻器要小，同时它的釉比上述制品的釉要软，当它的釉层损坏时，多孔的坯体即容易沾污，而影响卫生。

精陶按坯体组成的不同，又可分为：粘土质、石灰质，长石质、熟料质等四种。粘土质精陶接近普通陶器。石灰质精陶以石灰石为熔剂，其制造过程与长石质精陶相似，而质量不及长石质精陶，因之近年来已很少生产，而为长石质精陶所取代。长石质精陶又称硬质精陶，以长石为熔剂。是陶器中最完美和使用最广的一种。近世很多国家用以大量生产日用餐具(杯、碟盘予等)及卫生陶器以代替价昂的瓷器。热料精陶是在精陶坯料中加入一定量熟料，目的是减少收缩，避免废品。这种坯料多应用于大型和厚胎制品(如浴盆，太的盥洗盆等)。

炻器在我国古籍上称“石胎瓷”，坯体致密，已完全烧结，这一点已很接近瓷器。但它还没有玻化，仍有2％以下的吸水率，坯体不透明，有白色的，而多数允许在烧后呈现颜色，所以对原料纯度的要求不及瓷器那样高，原料取给容易。炻器具有很高的强度和良好的热稳定性，很适应于现代机械化洗涤，并能顺利地通过从冰箱到烤炉的温度急变，在国际市场上由于旅游业的发达和饮食的社会化，炻器比之搪陶具有更大的销售量。

半瓷器的坯料接近于瓷器坯料，但烧后仍有3～5％的吸水率(真瓷器，吸水率在0.5％以下)，所以它的使用性能不及瓷器，比精陶则要好些。

瓷器是陶瓷器发展的更高阶段。它的特征是坯体已完全烧结，完全玻化，因此很致密，对液体和气体都无渗透性，胎薄处星半透明，断面呈贝壳状，以舌头去舔，感到光滑而不被粘住．硬质瓷具有陶瓷器中最好的性能。用以制造高级日用器皿，电瓷、化学瓷等。

软质瓷 (soft porcelain) 的熔剂较多，烧成温度较低，因此机械强度不及硬质瓷，热稳定性也较低，但其透明度高，富于装饰性，所以多用于制造艺术陈设瓷。至于熔块瓷 (Fritted porcelain) 与骨灰磁 (bone china)，它们的烧成温度与软质瓷相近，其优缺点也与软质瓷相似，应同属软质瓷的范围。这两类瓷器由于生产中的难度较大(坯体的可塑性和干燥强度都很差，烧成时变形严重)，成本较高，生产并不普遍。英国是骨灰瓷的著名产地，我国唐山也有骨灰瓷生产。

特种陶瓷是随着现代电器，无线电、航空、原子能、冶金、机械、化学等工业以及电子计算机、空间技术、新能源开发等尖端科学技术的飞跃发展而发展起来的。这些陶瓷所用的主要原料不再是粘土，长石，石英，有的坯休也使用一些粘土或长石，然而更多的是采用纯粹的氧化物和具有特殊性能的原料，制造工艺与性能要求也各不相同。