材料科學/材料/陶瓷
陶瓷一詞源於希臘語。該術語涵蓋無機非金屬材料，其形成是由於熱的作用。直到 20 世紀 50 年代左右，其中最重要的材料是傳統的粘土，製成陶器、磚、瓦等，以及水泥和玻璃。傳統工藝在關於陶器的文章中有所描述。陶瓷和金屬的複合材料被稱為金屬陶瓷。陶瓷可以是形容詞，也可以用作名詞來指陶瓷材料或陶瓷製造的產品。陶瓷是一個單數名詞，指的是用陶瓷材料製造東西的藝術。
許多陶瓷材料堅硬、多孔且易碎。陶瓷的研究和開發包括減輕與這些特性相關的缺陷的方法，以及強調材料的優點，並探索新應用。
有許多陶瓷是半導體。其中大多數是過渡金屬氧化物，是 II-VI 半導體，例如氧化鋅。
雖然有人談論用氧化鋅製造藍色 LED，但陶瓷學家對錶現出晶界效應的電效能更感興趣。
其中最廣泛使用的一種是壓敏電阻。這些器件表現出在某個閾值電壓下電阻急劇下降的特性。一旦器件上的電壓達到閾值，晶界附近就會發生電結構擊穿，導致其電阻從幾兆歐姆下降到幾百歐姆。這些器件的主要優點是可以耗散大量的能量，並且可以自復位——一旦器件上的電壓降至閾值以下，其電阻就會恢復到高電阻狀態。
這使得它們非常適合浪湧保護應用。由於可以控制閾值電壓和能量容限，因此它們在各種應用中都有所使用。它們能力的最佳證明可以在電力變電站中找到，它們被用於保護基礎設施免受雷擊。它們響應速度快，維護量低，並且使用後不會明顯降解，這使得它們成為此類應用中幾乎理想的器件。
半導體陶瓷也被用作氣體感測器。當各種氣體透過多晶陶瓷時，其電阻會發生變化。透過調整可能的氣體混合物，可以生產出非常廉價的器件。
陶瓷材料通常是離子鍵合或共價鍵合材料，可以是晶體或非晶體。由任一種型別的鍵合在一起的材料往往在發生任何塑性變形之前就會斷裂，這會導致這些材料的韌性差。此外，由於這些材料往往是多孔的，孔隙和其他微觀缺陷充當應力集中器，進一步降低韌性，並降低抗拉強度。這些因素共同導致災難性失效，而不是金屬通常更溫和的失效模式。
這些材料確實表現出塑性變形。然而，由於晶體材料的剛性結構，用於位錯移動的滑移系非常少，因此它們的變形速度非常慢。對於非晶體（玻璃狀）材料，粘性流動是塑性變形的支配來源，並且也非常緩慢。因此，在陶瓷材料的許多應用中，它被忽略了。
在某些條件下，例如極低的溫度，一些陶瓷表現出超導性。造成這種情況的確切原因尚不清楚，但有兩大家族超導陶瓷。
壓電效應，即電響應和機械響應之間的聯絡，由大量陶瓷材料表現出來，包括用於測量手錶和其他電子產品中的時間的石英。此類器件利用壓電體的兩種特性，利用電能產生機械運動（為器件供電），然後利用此機械運動產生電能（產生訊號）。測量的時鐘單位是電能轉換為機械能並返回所需的時間間隔。
壓電效應在也表現出熱電效應的材料中通常更強，所有熱電材料也都是壓電材料。這些材料可用於在熱能、機械能和/或電能之間相互轉換；例如，在爐中合成後，在沒有施加應力的條件下冷卻的熱電晶體通常會積累數千伏的靜電荷。此類材料用於運動感測器，其中來自進入房間的溫熱物體的微小溫度升高足以在晶體中產生可測量的電壓。
反過來，熱電效應在也表現出鐵電效應的材料中表現得最為強烈，在鐵電效應中，穩定的電偶極可以透過施加靜電場來定向或反轉。熱電效應也是鐵電性的必要結果。這可以用來儲存鐵電電容器中的資訊，即鐵電 RAM 的元素。
最常見的此類材料是鋯鈦酸鉛和鈦酸鋇。除了上述用途外，它們強大的壓電響應在設計高頻揚聲器、聲納換能器和原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡的執行器中得到利用。
在某些半導體陶瓷材料中，主要是重金屬鈦酸鹽的混合物，溫度升高會導致晶界突然變成絕緣體。透過化學成分的變化，可以將臨界轉變溫度調整到一個很寬的範圍內。在這些材料中，電流將透過材料直到焦耳熱使它達到轉變溫度，此時電路將斷開並且電流流動將停止。此類陶瓷用作自控加熱元件，例如汽車後窗除霜電路。
在轉變溫度下，材料的介電響應在理論上變得無限大。雖然缺乏溫度控制將排除在材料臨界溫度附近任何實際使用，但即使在更高的溫度下，介電效應仍然非常強。臨界溫度遠低於室溫的鈦酸鹽由於這個原因已成為陶瓷電容器中“陶瓷”的代名詞。
非晶體陶瓷：非晶體陶瓷，即玻璃，往往是由熔體形成的。玻璃在完全熔化時（透過鑄造）或處於太妃糖狀粘度狀態時（透過吹塑成模具等方法）成型。如果隨後的熱處理導致此類玻璃部分結晶，則所得材料被稱為微晶玻璃。
晶體陶瓷：晶體陶瓷材料不適合進行廣泛的加工。處理它們的方法往往可以分為兩類——要麼透過原位反應使陶瓷呈現所需的形狀，要麼透過將粉末“成型”成所需的形狀，然後燒結形成固體。陶瓷成型技術包括手工成型（有時包括旋轉過程，稱為“拋投”）、泥漿鑄造、帶狀鑄造（用於製造非常薄的陶瓷電容器等）、注射成型、幹壓和其它變體。（另見陶瓷成型技術。這些工藝的詳細資訊在下面列出的兩本書中有所描述。）一些方法使用這兩種方法的混合體。
在 20 世紀 80 年代初，豐田研究了絕熱陶瓷發動機的生產，該發動機可以在超過 6000 °F（3300 °C）的溫度下執行。陶瓷發動機不需要冷卻系統，因此可以減輕重量，從而提高燃油效率。如卡諾定理所示，發動機的燃油效率在高溫下也更高。在傳統的金屬發動機中，燃料釋放的大部分能量必須作為廢熱耗散，以防止金屬部件熔化。
儘管具有所有這些理想的特性，但此類發動機並未投入生產，因為陶瓷部件的製造難度很大，需要精確的精度和耐久性。陶瓷中的缺陷會導致裂紋，從而導致潛在的危險裝置故障。此類發動機在實驗室環境中是可能的，但目前的工藝無法實現大規模生產。
正在開發用於燃氣輪機發動機的陶瓷部件。目前，即使用於發動機熱區的高階金屬合金製成的葉片也需要冷卻和仔細限制執行溫度。用陶瓷製造的渦輪發動機可以更高效地執行，為飛機提供更高的航程和有效載荷，以消耗一定量的燃料。
陶瓷用於製造刀具。陶瓷刀的刀片比鋼刀的刀片保持鋒利的時間長得多，儘管它更脆，並且如果掉落在堅硬的表面上可能會折斷。
自 20 世紀 90 年代後期以來，高度專業化的陶瓷，通常以碳化硼為基礎，被製造成板並用光譜線襯裡，被用於防彈裝甲背心中抵禦大口徑步槍射擊。此類板材俗稱小武器防護插板 (SAPI)。由於材料重量輕，非常相似的技術被用來保護一些軍用飛機的駕駛艙。
最近，陶瓷領域取得了進展，其中包括生物陶瓷，例如牙種植體和合成骨骼。羥基磷灰石是骨骼的天然礦物質成分，已從多種生物和化學來源合成，並可形成陶瓷材料。由這些材料製成的骨科植入物很容易與體內骨骼和其他組織結合，而不會發生排斥或炎症反應。因此，它們在基因傳遞和組織工程支架方面引起了極大的興趣。大多數羥基磷灰石陶瓷具有很高的孔隙率，缺乏機械強度，用於塗覆金屬骨科器械以幫助形成與骨骼的結合，或用作骨骼填充劑。它們也被用作骨科塑膠螺釘的填充劑，以幫助減少炎症並增加這些塑膠材料的吸收。正在研究製造用於骨科承重裝置的強緻密奈米晶羥基磷灰石陶瓷材料，用合成的天然骨礦物質取代異體金屬和塑膠骨科材料。最終，這些陶瓷材料可以用作骨骼替代品，或與蛋白質膠原蛋白結合使用，從而形成合成骨骼。