陶瓷材料
任何陶瓷物质的物理性质都是其晶体结构和化学成分直接决定的。固体化学揭示了微观结构和性质之间的基本联系，如局部密度变化、粒径分布、孔隙率类型和次生相含量，这些都可以通过霍尔-佩奇方程与陶瓷各项性质相关联，如机械强度σ、硬度、韧性、介电常数和透明材料的光学性能。
陶瓷相学是制备、检验和评价陶瓷微结构的一门艺术与科学。陶瓷微结构的评价和表征通常在与新兴纳米技术领域相近的空间尺度上进行：从数十埃到数十微米。该尺度范围通常介于可见光的最小波长和裸眼的分辨率极限之间。
微结构包括大部分晶粒、次生相、晶界、气孔、微裂纹、结构缺陷和微压痕。这些微结构会显著影响大多数块体材料的力学、光学、热学、电学和磁学性质。微结构常常指明了陶瓷材料的制备方法和工艺条件。很多陶瓷失效的根本原因在裂开并抛光的微结构中显而易见。材料科学和工程领域涉及的物理性质包括:
2.1 力学性能
碳化硅制成的切割盘
保时捷Carrera GT的碳陶瓷(碳化硅)盘式制动器
力学性能在结构和建筑材料以及纺织品中非常重要。在现代材料科学中，断裂力学是提升材料和部件力学性能的重要工具。它将物理学关于应力和应变，特别是弹性和塑性的理论，应用于分析真实材料中微观晶体缺陷，以预测物体的宏观机力学失效。断口分析与断裂力学都广泛用于理解失效原因，并通过生活中的真实失效来验证理论失效的一些猜想。
陶瓷通常是离子键或共价键键合的材料，可以是晶态或非晶态。以任意一种化学键结合在一起的材料在发生任何塑性变形之前都倾向于断裂，导致这些材料的韧性较差。此外，因为这类材料往往是多孔的，孔隙和其他微观缺陷充当应力集中器，进一步降低韧性，并降低拉伸强度。与金属更具延展性的失效模式相反，以上因素综合起来即导致灾难性失效。
这类材料确实显示出塑性变形。但由于晶体材料的刚性结构，位错几乎没有可用的滑移系统，其变形非常缓慢。对于非晶态(玻璃态)材料，粘性流动是塑性变形的主要来源，而且也非常缓慢。因此，这在陶瓷材料的许多应用中被忽略。
为了克服陶瓷材料的脆性行为，人们发展了一类陶瓷基复合材料，其中嵌入陶瓷纤维，并以特定的涂层形成跨越任何裂纹的纤维桥。这种机制大大增加了材料的断裂韧性。陶瓷盘式制动器是采用特殊工艺制造的陶瓷基复合材料的一个例子。
增强力学性能的冰模板法
通常情况下，如果陶瓷要承受相当大的机械载荷，它会经历一个称作“冰模板”的过程。该过程可有限控制陶瓷材料的微结构，从而调控其力学性能。陶瓷工程师使用这种技术将材料的机械性能调整到所需范围。具体来说，当采用该技术时，材料的强度增加。冰模板法可以以单向排列制备宏观孔材料。这种氧化物强化技术对固体氧化物燃料电池和水过滤装置都非常重要。
为了采用冰模板法处理样品，陶瓷学家需要完成以下几个步骤。首先是必须制备出含有溶解其中的陶瓷粉末的水溶胶分散体系，比如氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）。在确保陶瓷前驱体均匀分散在胶体溶液中之后，可开始下一个步骤。此时，我们有一个溶解有YSZ粉末的纯水溶液。随后，溶液在一个平台上单向冷却（如右图所示），从底部冷却到顶部。这使得冰晶按照冷却方向单向生长。在溶液内部，当它冷却时，冰晶使得溶解的YSZ粒子到达固-液界面的凝固前沿。在此阶段，纯冰晶以单向方式排列在YSZ胶体粒子的浓缩袋边。该过程下一步是升华阶段。样品被持续加热，压力降低到足以使冰晶升华，YSZ袋开始退火形成第一批宏观排列的陶瓷微结构。样品随后进一步烧结确保残留的水被蒸发，陶瓷微结构得以巩固。
在该技术的执行过程中，可控制一些变量来影响微结构的孔径和形貌。冰模板技术的重要变量有溶胶的初始固体负载、冷却速率、烧结温度和时长，人们也已证明在该过程中一些添加剂可以影响微结构的形貌。透彻地理解这些参数对于理解各向异性多孔材料的加工工艺、微结构和力学性能之间的关系至关重要。[8]
2.2 电学性能
半导体
有一些陶瓷是半导体。其中大多数是过渡金属氧化物，即II-VI族半导体，如氧化锌。
虽然氧化锌有大规模生产蓝色发光二极管的前景，但陶瓷科学家最感兴趣的电学性质是晶界效应。
其中最广泛使用的是变阻器。这些器件呈现出特性阈值电压，即电阻在电压达到某一特定值时急剧下降。一旦器件两端的电压达到阈值，晶界附近的电结构受到破坏，导致了电阻从几兆欧姆下降到几百欧姆。这些器件的主要优点是可以大量耗能，并可以自我复位——在器件两端的电压降至阈值以下后，其电阻会恢复到高值。
这些特性使它们非常适合用于电涌保护。由于可以控制阈值电压和能量容限，其用途十分广泛。它们能力的最好证明可在变电站中找到，在那里它们被用来保护基础设施免受雷击。因其响应速度快、维护率低、使用时性能降低不明显，实际上是该应用的理想器件。
半导体陶瓷也被用作气体传感器。当各种气体通过多晶陶瓷时，其电阻会发生变化。通过调整气体混合物，可以生产出非常便宜的设备。
超导性
通过将磁体悬浮在铜氧化物超导体上方来验证迈斯纳效应，超导体由液氮冷却
在某些条件下，如极端低温，一些陶瓷会表现出高温超导性。其原因尚不清楚，但超导陶瓷主要包括两大类。
铁电性和超集
压电现象是电响应和机械响应之间的联系，大量陶瓷材料表现出此特性，包括用在手表和其他电子设备中测量时间的石英。这类器件利用了压电的两种特性，用电产生机械运动(为设备供能)，然后用机械运动发电(产生信号)。测量的时间单位是电能转换成机械能并再次回转所需的自然间隔。
压电效应通常在同时表现出热电效应的材料中更显著，并且所有热电材料都是压电的。这些材料可用于热能、机械能和电能之间的相互转换。例如，在炉子中合成后，热电晶体在没有施加应力的情况下冷却，通常会积累数千伏的静电荷。这种材料用于运动传感器时，来自进入房间的温暖物体的微小温度上升足以在晶体中产生可测量的电压。
相反地，在也显示出铁电效应的材料中，热电效应最为明显，其中稳定的电偶极子可通过施加静电场来定向或反转。热电效应也是铁电效应的一个必然结果。这可用于在铁电电容器中存储信息，即铁电随机存取存储器元件。
这类材料中最常见的是锆钛酸铅和钛酸钡。除了上述用途之外，在高频扬声器、声纳换能器以及原子力和扫描隧道显微镜的致动器设计中都利用了它们的强压电响应。
正热系数
氮化硅火箭推进器。左:安装在测试台上。右:用氢/氧推进剂进行测试。
在一些半导体陶瓷材料中，主要是重金属钛酸盐的混合物，温度升高会导致晶界突然呈现绝缘性。临界转变温度可通过改变化学组分在很宽的范围内调节。在这类材料中，电流会通过材料，焦耳加热直至其到达转变温度，此时电路断开，电流停止。该陶瓷在汽车后窗除霜电路等中用作自控加热元件。
在转变温度下，材料的介电响应理论上是无限的。虽然很难将温度控制在临界温度附近，使材料在该温度下几乎没有任何实际应用，但即使在更高的温度下，其介电效应仍然异常强烈。正因如此，临界温度远低于室温的钛酸盐已成为陶瓷电容器中“陶瓷”的同义词。
2.3 光学性能
配备合成蓝宝石输出窗口的Cermax氙弧灯
光学透明材料聚焦于材料对波长范围内入射光波的响应。频率选择滤光器可以用来调节或增强数字图像的亮度和对比度。通过频率选择波导的导光播传输涉及到新兴的光纤光学领域，一些玻璃复合材料作为传送介质在同时传输多个频率时(多模光纤)，竞争波长或频率之间极少或不存在干扰。这种通过电磁波（光）传输能量和数据的共振模式虽然功率较低，但实际上是无损的。光波导可被用作集成光路(例如发光二极管)的组件，或在本地及远程光通信系统中用作传输介质。对新兴材料科学家来说，材料在电磁频谱红外波段对对热辐射的敏感性同样具有重要价值。这种寻热能力产生了多种特殊光学效应，如夜视和红外发光。
因此，军事部门越来越需要具有高强度的坚固材料，其在电磁频谱的可见光波段(0.4-0.7微米)和中红外波段(1-5微米)具有透光能力。这类材料被用作透明装甲，主要领域包括下一代高速导弹和对简易爆炸装置的防护。
20世纪60年代，通用电气的科学家发现，在合适的制造条件下，一些陶瓷，尤其是氧化铝，可制成半透明的。这些半透明材料对容纳高压钠灯产生的电弧等离子体而言已足够透明。在过去的20年中，人们研发了其他类型的透明陶瓷用于诸如热追踪导弹的鼻锥、战斗机座舱盖、计算机断层扫描仪的闪烁计数器等等。
20世纪70年代初，托马斯·索尔斯首次开展了半透明氧化铝陶瓷光传输的计算机建模。他的模型表明，陶瓷中微观孔隙主要聚集在微晶晶粒的交界处，导致光发生散射，使材料不能成为全透明。为获得高质量的透光性，这些孔隙的体积分数必须小于1%。
以上基本上是一种粒度效应。不透明性是由表面和界面处的光的非相干散射产生的。除了孔隙之外，典型金属或陶瓷物体中的大多数界面都是以晶界的形式存在的，晶界将有序排列的晶体化微小区域分隔开。当散射中心(或晶界)的尺寸减至小于散射光波长时，便不再发生任何显著的散射。
在多晶材料(金属和陶瓷)形成过程中，晶粒尺寸很大程度上取决于在物体成形(或压制)过程中存在于原料中的晶体颗粒的尺寸。此外，晶界尺寸直接与颗粒尺寸成比例。因此，将原始颗粒尺寸减至小于可见光波长(短紫光波长约为0.5微米)时，任何光散射都将被消除，从而获得透明材料。
最近，日本科学家已开发出一种生产陶瓷部件的技术，其透明度可与传统晶体(从单个籽晶生长而来)相媲美，且断裂韧性优于单晶。特别是日本的陶瓷建筑材料和工业化学品生产商——神岛化学工业株式会社的科学家们正一直在为他们的透明陶瓷寻找市场。
美国利弗莫尔国家实验室的研究人员意识到，这些陶瓷可能大大有助于美国国家点火装置(NIF)使用的高功率激光器。尤其是其中一个研究团队已着手从神岛公司获得先进透明陶瓷，以确定它们是否能够满足利弗莫尔固态热容激光器(SSHCL)的光学需求。利弗莫尔的研究人员也一直在测试将这些材料应用于激光驱动聚变电站的先进驱动器中。