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纳米陶瓷材料的应用

摘要：所谓纳米陶瓷,是指在陶瓷材料的显微结构中,晶粒尺寸、晶界宽度、第二

相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都限于100nm以下,是20世纪80年代中期发展起

来的新型陶瓷材料。由于纳米陶瓷晶粒的细化,晶界数量大幅度增加,可使材料的

韧性和塑性大为提高并对材料的电学、热学、磁学、光学等性能产生重要的影响,

从而呈现出与传统陶瓷不同的独特性能,成为当今材料科学研究的热点。

关键词：纳米材料应用；纳米陶瓷

正文

随着纳米技术的广泛应用,纳米陶瓷随之产生,正好克服了陶瓷材料的上述

缺陷,使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。为此,有材料专家指出,纳米

陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径,因此受到业内人士的广泛关注。

所谓纳米陶瓷,是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料,也就是

说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。虽

然陶瓷行业是我国传承很久的行业,但新型陶瓷品种还是不能满足日益发展的市

场需要,因此把纳米材料应用到陶瓷工艺中去,生产纳米复合或纳米改性的高技

术陶瓷,将会使这一现状得到改变。

纳米陶瓷材料依据性能可分为2大类型:一类是纳米结构陶瓷,另一类是纳米

功能陶瓷。前者是在传统陶瓷粉体中通过加入纳米颗粒,或是将传统陶瓷粉体纳

米化,通过在烧结凝固时控制凝固或结晶相的大小和分布,从而改变陶瓷显微结

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构以提高其力学性能所制得的纳米陶瓷材料。这些力学性能有硬度、强度、塑性

和韧性等。后者是通过添加具有独特功能的纳米相或颗粒,或本身在常规微米级

时未能完全表现出来的通过超细化而具有特殊功能的纳米陶瓷材料,这些特殊功

能包括声学、光学、电学、磁学、生物活性、对环境的敏感性等。对于纳米功能

陶瓷而言,在保证一定功能的基础上有时需要兼顾一定的力学性能。

纳米氧化物粉体是介于固体与分子之间的具有纳米尺寸(1～100nm)的亚稳

态中间物质。随着粉体的超细化,表面的电子结构和晶体结构发生变化,产生块状

材料或常规微粒所不具备的特殊效应。

纳米陶瓷粉体材料具有以下优异的性能:

1,纳米陶瓷材料具有极小的粒径,具有较高的化学活性,可以降低材料的烧结致

密化温度,节约能源。一般比工程陶瓷低400～600℃,且烧结不需要添加任何添

加剂。

2,使材料组成结构致密化、均匀化,改善了陶瓷材料的性能,提高了其使用的可靠

性。

3,可以从纳米材料的结构层次(1～100nm)上控制材料的成分和结构,有利于充分

发挥陶瓷材料的潜在性能,使纳米材料的组织结构和性能的定向设计成为可能。

4,由于陶瓷是经原料加工成形后烧结而成的,而且陶瓷粉体的颗粒大小决定了陶

瓷材料的微观结构和宏观性能,如果粉体的颗粒堆积均匀,烧结收缩一致且晶粒

均匀长大,则颗粒越小产生的缺陷就越少,所制备材料的强度就相应越高。

5,纳米材料的特性主要在于力学性能方面,包括纳米陶瓷材料的硬度、断裂韧度

和低温延展性等,特别是在高温下使硬度、强度得以较大的提高。

有关研究表明,纳米陶瓷具有在较低温度下烧结,具有能达到致密化的优越

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性,而且纳米陶瓷出现将有助于解决陶瓷陶瓷材料常见的强化和增韧问题。纳米

陶瓷材料的性能特点:较高的强度和韧性;低温超塑性;扩散与烧结性能;磁学性

能。

目前,纳米陶瓷粉体的制备较为成熟,新工艺和新方法不断出现,已具备了生

产规模。纳米陶瓷粉体的制备方法主要有气相法、液相法、高能球磨法等。气相

法包括惰性气体冷凝法、等离子法、气体高温裂解法、电子束蒸发法等。液相法

包括化学沉淀法、醇盐水解法、溶胶-凝胶法、水热法等。

纳米陶瓷作为一种新型高性能陶瓷,是近年发展起来的一门全新的科学技术,

它将成为新世纪最重要的高新技术,将越来越受到世界各国科学家的关注。近年

来,人民生活水平的不断提高和保健意识的增强,除要求现代陶瓷制品具备

传统陶瓷的各种功能外,还必须具备抗菌除臭、有利于身体健康等功能。

纳米陶瓷研究始于20世纪80年代中期。所谓纳米陶瓷是指陶瓷材料的显微