纳米陶瓷及其应用前景

纳米陶瓷及其应用前景

工程陶瓷又叫结构陶瓷，因其具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀以及质量轻、导热性能好等优点，得到了广泛的应用。但是工程陶瓷的缺陷在于它的脆性（裂纹）、均匀性差、可靠性低、韧性、强度较差，因而使其应用受到了较大的限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属似柔韧性和可加工性。英国材料学家Cahn指出，纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。

一、纳米技术与纳米陶瓷

利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是指在陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米水平（1纳米～100纳米），使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响，为替代工程陶瓷的应用开拓了新领域。

1．纳米陶瓷粉体。纳米陶瓷粉体是介于固体与分子之间的具有纳米数量级（1纳米～100纳米）尺寸的亚稳态中间物质。随着粉体的超细化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了块状材料所不具有的特殊的效应。

具体地说纳米粉体材料具有以下的优良性能：极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能，可以显著降低材料的烧结致密化程度、节能能源；使陶瓷材料的组成结构致密化、均匀化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性；可以从纳米材料的结构层次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。另外，由于陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能。如果粉料的颗粒堆积均匀，烧成收缩一致且晶粒均匀长大，那么颗粒越小产生的缺陷越小，所制备的材料的强度就相应越高，这就可能出现一些大颗粒材料所不具备的独特性能。

2．纳米陶瓷的制备。纳米陶瓷的制备工艺主要包括纳米粉体的制备、成型和烧结。目前世界上对纳米陶瓷粉体的制备方法多种多样，但应用较广且方法较成熟的主要有气相合成和凝聚相合成2种，再加上一些其他方法。

气相合成：主要有气相高温裂解法、喷雾转化法和化学气相合成法，这些方法较具实用性。化学气相合成法可以认为是惰性气体凝聚法的一种变型，它既可制备纳米非氧化物粉体，也可制备纳米氧化物粉体。这种合成法增强了低温下的可烧结性，并且有相对高的纯净性和高的表面及晶粒边界纯度。原料的坩埚中经加热直接蒸发成气态，以产生悬浮微粒和或烟雾状原子团。原子团的平均粒径可通过改变蒸发速率以及蒸发室内的惰性气体的压强来控制，粒径可小至3纳米～4纳米，是制备纳米陶瓷最有希望的途径之一。

凝聚相合成（溶胶－凝胶法）：是指在水溶液中加入有机配体与金属离子形成配合物，通过控制PH值、反应温度等条件让其水解、聚合，经溶胶→凝胶而形成一种空间骨架结构，再脱水焙烧得到目的产物的一种方法。此法在制备复合氧化物纳米陶瓷材料时具有很大的优越性。凝聚相合成已被用于生产小于10纳米的SiO₂、A1₂O₃和TiO₂纳米团。

从纳米粉制成块状纳米陶瓷材料，就是通过某种工艺过程，除去孔隙，以形成致密的块材，而在致密化的过程中，又保持了纳米晶的特性。方法有：（1）沉降法：如在固体衬底上沉降；（2）原位凝固法：在反应室内设置一个充液氮的冷却管，纳米团冷凝于外管壁，然后用刮板刮下，直接经漏斗送人压缩器，压缩成一定形状的块材；（3）烧结或热压法：烧结温度提高，增加了物质扩散率，也就增加了孔隙消除的速率，但在烧结温度下，纳米颗粒以较快的速率粗化，制成块状纳米陶瓷材料。

3．纳米陶瓷的特性。20世纪90年代初，日本Niihara首次报道了以纳米尺寸的碳化硅颗粒为第二相的纳米复相陶瓷，具有很高的力学性能。纳米颗粒Si₃N₄、SIC超细微粉分布在材料在内部晶粒内，增强了晶界强度，提高了材料的力学性能，易碎的陶瓷可以变成富有韧性的特殊材料。

纳米陶瓷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。纳米级陶瓷复合材料的力学性能，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就能达到致密化的优越性，而且纳米陶瓷出现将有助于解决陶瓷的强化和增韧问题。在室温压缩时，纳米颗粒已有很好的结合，高于500℃很快致密化，而晶粒大小只有稍许的增加，所得的硬度和断裂韧度值更好，而烧结温度却要比工程陶瓷低400℃～600℃，且烧结不需要任何的添加剂。其硬度和断裂韧度随烧结温度的增加（即孔隙度的降低）而增加，故低温烧结能获得好的力学性能。通常，硬化处理使材料变脆，造成断裂韧度的降低，而就纳米晶而言，硬化和韧化由孔隙的消除来形成，这样就增加了材料的整体强度。因此，如果陶瓷材料以纳米晶的形式出现，可观察到通常为脆性的陶瓷可变成延展性的，在室温下就允许有大的弹性形变。

由于纳米陶瓷具有的独特性能，如做外墙用的建筑陶瓷材料则具有自清洁和防雾功能。随着高技术的不断出现，人们对纳米陶瓷寄予很大希望，世界各国的科研工作者正在不断研究开发纳米陶瓷粉体并以此为原料合成高技术纳米陶瓷。

二、高性能陶瓷与纳米陶瓷的发展趋势

1．高性能陶瓷的市场发展预测。从一些主要工业国家的高性能陶瓷（包括纳米陶瓷）、工程陶瓷的市场统计和预测可以看出，高性能陶瓷每5年的销售额翻一番，在2000年达到大约500亿美元的市场，平均每年的增长率在14%～15%左右，发展是极其迅速的。从工程陶瓷在高性能陶瓷中所占的比例来看，也是不断增长的，这说明在高性能陶瓷中，工程陶瓷的发展更快更有前景。而具有高性能的纳米陶瓷如在高温下具有高强度、高硬度以及优良抗氧化性、耐磨性、耐腐蚀性的产品市场前景更是看好。

2．高性能陶瓷与纳米陶瓷的应用前景。纳米复合陶瓷与普通陶瓷材料相比，在力学性能、表面光洁度、耐磨性以及高温性能诸方面都有明显改善。近年来国内外对纳米复相陶瓷的研究表明，在微米级基体中引入纳米分散相进行复合，可使材料的断裂强度、断裂韧性提高2～4倍，使最高使用温度提高400℃～600℃，同时还可提高材料的硬度和弹性模量，提高抗蠕变性和抗疲劳破坏性能。西方发达国家特种复合陶瓷材料的增长速度每年平均不低于15%。由于纳米陶瓷具有不同于传统陶瓷的独特性能，纳米陶瓷材料制成的烧结体可作为储氢材料、热交换器、微孔过滤器以及检测温度气体的多功能传感器。它的发展使陶瓷材料跨入了一个新的历史时期。

德国科学技术部曾经对纳米技术未来市场潜力作过预测：他们认为，到2000年，纳米结构器件市场容量将达到6375亿美元，纳米粉体、纳米复合陶瓷以及其他纳米复合材料市场容量将达到5457亿美元，纳米加工技术市场容量将达到442亿美元，纳米材料的评价技术市场容量将达到27．2亿美元。

三、发展前景

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。纳米陶瓷的研究与发展必将引起陶瓷工业的发展与变革，以及引起陶瓷学理论上的发展乃至建立新理论体系，以适应纳米尺度的研究需要，使纳米陶瓷材料具有更佳的性能以致使新的性能、功能的出现成为可能。我们期待着纳米陶瓷在工程领域乃至日常生活中得到更广泛的应用。