中國(guó)粉體網(wǎng)訊 20世紀(jì)80年代初期，納米技術(shù)出現(xiàn)。幾年后，該技術(shù)滲透到先進(jìn)陶瓷領(lǐng)域，納米陶瓷的概念隨之產(chǎn)生。1987年，Karch等研究發(fā)現(xiàn)，若將平均粒徑約8nm的TiO2經(jīng)真空加壓(~5GPa)獲得的納米晶TiO2陶瓷放置于特制的模具中，于180℃加載1s即可將平板試樣彎曲180°，而且具有預(yù)裂紋的試樣不發(fā)生裂紋擴(kuò)展，表現(xiàn)出良好的韌性。當(dāng)時(shí)，另一位學(xué)者Cahn曾指出：“納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑”。
所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級(jí)尺度的陶瓷材料。也就是說(shuō)晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級(jí)(<100nm)的水平上。
納米陶瓷表現(xiàn)出的驚艷特性
納米陶瓷的性能特點(diǎn)主要體現(xiàn)在力學(xué)性能、超塑性、鐵電性等幾個(gè)方面。
力學(xué)性能
納米陶瓷的力學(xué)性能主要體現(xiàn)在硬度、彎曲強(qiáng)度、延展性和斷裂韌度等。就硬度而言，納米陶瓷是普通陶瓷的5倍甚至更高。在100℃下，納米TiO2陶瓷的硬度為1.3GPa，而普通陶瓷則為0.1GPa左右。
納米陶瓷材料有高于普通陶瓷的韌性，這是其最大的優(yōu)點(diǎn)之一。由于納米陶瓷具有較大的晶界界面，在界面上原子排列無(wú)序，在外界應(yīng)力的作用下很容易發(fā)生遷移，因此展現(xiàn)出優(yōu)于普通陶瓷的韌性。
超塑性
超塑性是指在拉伸試驗(yàn)中，在一定的應(yīng)變速率下，材料會(huì)產(chǎn)生較大的拉伸形變。普通陶瓷是一種脆性材料，在常溫下沒(méi)有超塑性，很難發(fā)生形變。原因是其內(nèi)部滑移系統(tǒng)少，錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)困難，錯(cuò)位密度小。只有達(dá)到1000℃以上，陶瓷才具有一定的塑性。一般認(rèn)為，若想具有超塑性，則需要有較小的粒徑和快速的擴(kuò)散途徑。納米陶瓷不但粒徑較小，且界面的原子排列較復(fù)雜、混亂，又含有眾多的不飽和鍵。原子在變形作用下很容易發(fā)生移動(dòng)，因此表現(xiàn)出較好的延展性。
鐵電性
陶瓷的晶體尺寸直接影響其鐵電性能。隨著晶粒尺寸的降低，其鐵電性能會(huì)逐漸降低。當(dāng)其尺寸小到一定值時(shí)，材料的整個(gè)鐵電性能會(huì)消失。所以，納米陶瓷的這方面特性也引起了科研人員的注意。
納米陶瓷的應(yīng)用
納米陶瓷材料依據(jù)性能可分為２大類型：一類是納米結(jié)構(gòu)陶瓷，另一類是納米功能陶瓷。前者是在傳統(tǒng)陶瓷粉體中通過(guò)加入納米顆粒，或是將傳統(tǒng)陶瓷粉體納米化，通過(guò)在燒結(jié)凝固時(shí)控制凝固或結(jié)晶相的大小和分布，從而改變陶瓷顯微結(jié)構(gòu)以提高其力學(xué)性能所制得的納米陶瓷材料。后者是通過(guò)添加具有獨(dú)特功能的納米相或顆粒，或本身在常規(guī)微米級(jí)時(shí)未能完全表現(xiàn)出來(lái)的通過(guò)超細(xì)化而具有特殊功能的納米陶瓷材料，這些特殊功能包括聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、生物活性、對(duì)環(huán)境的敏感性等。
圍繞這兩大方向，納米陶瓷的應(yīng)用非常廣泛。例如憑借出色的力學(xué)性能，納米陶瓷在切削刀具、軸承、研磨體、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件等多方面大有用武之地，并在許多超高溫、強(qiáng)腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其它材料不可替代的作用。納米陶瓷在人工關(guān)節(jié)、人工骨、人工齒以及牙種植體、耳聽(tīng)骨修飾體等人工器官制造及臨床應(yīng)用領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。
目前，納米陶瓷應(yīng)用領(lǐng)域主要包括防護(hù)材料、耐高溫材料、人工器官的制造與臨床應(yīng)用、吸波材料、電子陶瓷、抗菌殺菌、新型刀具等。
納米陶瓷，想說(shuō)愛(ài)你不容易
一般來(lái)講，要制備納米陶瓷，就需要完成兩項(xiàng)重要工作：粉體原料與工藝。原料方面，一般要求：
（1）純度高；
（2）顆粒均勻，粒徑分布窄；
（3）形狀規(guī)則；
（4）分散性好，無(wú)團(tuán)聚或團(tuán)聚少。但這方面目前不是最大的難題。
最大的難題出現(xiàn)在制備工藝方面，主要是燒結(jié)方面。
一方面，氣孔的存在會(huì)降低材料的抗壓強(qiáng)度，提高致密度可有效防止陶瓷在應(yīng)用過(guò)程中強(qiáng)度較低帶來(lái)的開裂問(wèn)題，因此在燒結(jié)時(shí)我們需要盡量的排除氣孔。另一方面，由于塑性變形最易發(fā)生于晶界處，降低晶粒尺寸有利于獲得具有高屈服強(qiáng)度的陶瓷材料。
這也指明，要獲得令人滿意的納米陶瓷，需要做到：致密度得上去，但晶粒不能長(zhǎng)大！這似乎很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵跓Y(jié)時(shí)，如要提高致密度，要不就提高燒結(jié)溫度，要不就增加燒結(jié)時(shí)間，這樣做的的代價(jià)便是促進(jìn)了陶瓷晶粒的長(zhǎng)大，這不是我們所希望看到的。
為此，人們圍繞降低燒結(jié)溫度和壓縮燒結(jié)時(shí)間，在原料、成型、燒結(jié)制度以及燒結(jié)設(shè)備等方面展開了廣泛的研究，但距離當(dāng)初設(shè)想中的所謂超塑性、超高強(qiáng)度相差甚遠(yuǎn)，且成本巨大。
那么，納米陶瓷是不是就沒(méi)有前途了呢？也不能這么說(shuō)。納米陶瓷現(xiàn)在遇到的困難，其實(shí)關(guān)鍵問(wèn)題還是由于難度太大。如今更實(shí)用的是將納米陶瓷粉加入普通陶瓷基體中形成納米復(fù)相陶瓷材料以提高綜合性能。例如在氧化鋁陶瓷中添加納米α-Al2O3粉，隨著納米α-Al2O3粉添加量的增加和成型壓力的提高,陶瓷的維氏硬度和斷裂韌性都有所提高。
因此，許多專家認(rèn)為，如能解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過(guò)程中抑制晶粒長(zhǎng)大的技術(shù)問(wèn)題，從而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的納米陶瓷，則它將具有高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統(tǒng)陶瓷難以企及的優(yōu)點(diǎn)。而這將依靠陶瓷制備技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展突破了。
總之，真正的納米陶瓷所具備的優(yōu)良特性還是非常誘人的。
參考來(lái)源：
[1]張文毓.納米陶瓷材料研究與應(yīng)用
[2]聊聊“納米陶瓷”的興起和沉寂.李衛(wèi)聊科技
[3]張強(qiáng)宏.納米陶瓷的研究進(jìn)展
[4]江炎蘭等.納米陶瓷材料的性能及其應(yīng)用
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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