納米陶瓷

　　納米陶瓷是將納米級(jí)陶瓷顆粒、晶須、纖維等引入陶瓷母體，以改善陶瓷的性能而制造的復(fù)合型材料，其提高了母體材料的室溫力學(xué)性能，改善了高溫性能，并且此材料具有可切削加工和超塑性。納米陶瓷是近20年發(fā)展起來的新型超結(jié)構(gòu)陶瓷材料。

　1 納米陶瓷的種類

　　根據(jù)納米陶瓷材料的性能可分為納米結(jié)構(gòu)陶瓷和納米功能陶瓷兩類。

　?、偌{米結(jié)構(gòu)陶瓷：

　　在傳統(tǒng)陶瓷粉體中通過加入納米顆粒，或者將傳統(tǒng)陶瓷粉體納米化，通過燒結(jié)凝固時(shí)控制凝固或晶體相的大小和分布，從而改變陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)來提高其力學(xué)性能，從而制得的納米陶瓷材料。

　　納米結(jié)構(gòu)陶瓷改變的力學(xué)性能包括：硬度、強(qiáng)度、塑性、韌性。

　?、诩{米功能陶瓷：

　　通過添加具有獨(dú)特功能的納米相或顆粒，或本身功能在常規(guī)微米級(jí)狀態(tài)但未能完全表現(xiàn)出來，但在通過超細(xì)化后能夠表現(xiàn)出來的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)境的敏化性等。

　　2 納米陶瓷的特性

　　（1）表面效應(yīng)：是指納米粒子的表面原子數(shù)和總原子數(shù)之比會(huì)隨著粒徑的變小而急劇增大，從而引起性質(zhì)上的變化。

　?。?）體積效應(yīng)：由于納米粒子的體積極小，所包含的原子數(shù)就很少，相應(yīng)的質(zhì)量就極小。因此許多現(xiàn)象就不能用通常由無限個(gè)原子組成的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)來加以說明，這種特殊現(xiàn)象稱之為體積效應(yīng)。

　　（3）量子尺寸效應(yīng)：當(dāng)納米粒子的尺寸下降到某一數(shù)值時(shí)，金屬粒子界面附近電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)；并且納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的分子軌道能級(jí)使得能隙變寬的現(xiàn)象，稱為納米材料的量子尺寸效應(yīng)。

　　3 納米陶瓷的制備方法

　?。?）物理制備法：主要是蒸發(fā)凝聚法和高能機(jī)械球磨法兩種。

　?、僬舭l(fā)凝聚法：在真空蒸發(fā)室內(nèi)充入低壓惰性氣體，加熱金屬或化合物蒸發(fā)源，由此產(chǎn)生的原子霧與惰性氣體原子碰撞而失去能量，凝聚成納米尺寸的團(tuán)簇，并在液氮冷卻棒上聚集起來，最終得到納米粉體。

　　②高能機(jī)械球磨法：將粉體放在一個(gè)密閉容器中，隨容器的旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)或劇烈搖動(dòng)而獲得超細(xì)微粒。

　　此外還有機(jī)械粉碎、電火花爆炸法等其他物理制備技術(shù)。

　?。?）化學(xué)制備方法：主要分為氣相化學(xué)法和液相化學(xué)法。

　?、贇庀蠡瘜W(xué)法：是在遠(yuǎn)高于熱力學(xué)計(jì)算臨界反應(yīng)溫度的條件下，反應(yīng)產(chǎn)物蒸氣形成很高的過飽和蒸汽壓，使其自動(dòng)凝聚形成大量的晶核。這些晶核在加熱區(qū)不斷長(zhǎng)大，聚集成顆粒。隨著氣流進(jìn)入低溫區(qū)，顆粒生長(zhǎng)、聚集、晶化過程停止，最后在收集室內(nèi)收集得到納米陶瓷粉體。

　?、谝合嗷瘜W(xué)法：是通過液相來合成粉體，包括沉淀、溶膠凝膠、噴霧熱解、水熱合成。

　　· 沉淀法：在金屬鹽溶液中加入適當(dāng)?shù)某恋韯┑玫教沾汕膀?qū)體沉淀物，再將其煅燒形成納米陶瓷粉體。并且為了避免嚴(yán)重的硬團(tuán)聚，通常會(huì)引入冷凍干燥、超臨界干燥、共沸蒸餾等技術(shù)手段。

　　· 溶膠凝膠法：該法原理是將醇鹽溶解于有機(jī)溶劑中，通過加入蒸餾水來使醇鹽水解、聚合、形成溶膠，然后隨著水的加入轉(zhuǎn)變成凝膠。凝膠在真空狀態(tài)下低溫干燥，得到疏松的干凝膠，接著高溫煅燒得到氧化物納米陶瓷粉體。

　　· 噴霧熱解法：將金屬鹽溶液以霧狀噴入高溫氣氛中，并立即引起溶劑的蒸發(fā)和金屬鹽的熱分解，隨后因過飽和而析出固相，由此直接獲得氧化物納米粉體。也可將溶液噴入高溫氣氛中干燥，再經(jīng)熱處理形成粉體。

　　· 水熱合成法：是在密封反應(yīng)器中以水溶液作為反應(yīng)體系，通過將水溶液加熱至（或接近）臨界溫度來進(jìn)行材料制備。

　　4 納米陶瓷的應(yīng)用舉例

　　納米陶瓷的上述性能克服了多數(shù)工程陶瓷自身材質(zhì)的不足，在超高溫、強(qiáng)腐蝕等極端環(huán)境下發(fā)揮著不容忽視的作用，市場(chǎng)前景十分可觀。其在防護(hù)材料、高溫材料、汽車工業(yè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用情況如下：

　?、俜雷o(hù)材料

　　普通陶瓷韌性較差，遭受彈丸撞擊后容易在碰觸區(qū)出現(xiàn)顯微破壞、跨晶、界面破壞、裂紋擴(kuò)散等一系列連鎖反應(yīng)，很大程度降低了防護(hù)陶瓷產(chǎn)品的抗彈性能。

　　具備高斷裂強(qiáng)度、斷裂韌性的納米陶瓷材料其硬度和彈性模量也很強(qiáng)，再加上優(yōu)越的耐沖擊性能，納米陶瓷在軍事上的裝甲、坦克、艦艇、軍機(jī)、火箭以及軍事防護(hù)材料的制作上發(fā)揮著強(qiáng)大作用。

　　具體應(yīng)用舉例如下：

　?。?）納米陶瓷優(yōu)異的耐沖擊性有效提高主戰(zhàn)坦克復(fù)合裝甲的抗彈能力，增強(qiáng)速射武器陶瓷管的抗燒蝕性和抗沖擊性；

（2）利用防彈陶瓷涂層和納米管復(fù)合材料制作襯底，可制成抗擊實(shí)力超強(qiáng)的防彈背心；

　　（3）納米陶瓷的耐高溫、抗氧化性能可以提高火炮、魚雷等武器的抗受沖擊能力，并延長(zhǎng)使用壽命。

　　在民用領(lǐng)域，納米陶瓷在防護(hù)領(lǐng)域的性能發(fā)揮在轎車上，緩沖意外事故對(duì)車內(nèi)人員的傷害。

　?、诟邷夭牧?

　　納米陶瓷具有的高耐熱性，優(yōu)異的高溫抗氧化性、低密度、高斷裂韌性、抗腐蝕性和耐磨性，對(duì)提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪線溫度，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和降低燃燒的能量消耗可以發(fā)揮重要作用。不僅如此，納米陶瓷具有的低溫超塑性在制造上較為容易，有望成為艦艇、軍用渦輪和其他高溫部件的理想材料，以此提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率、可靠性和工作壽命。

　?、燮嚬I(yè)

　　納米陶瓷可作為汽車連桿、推桿、軸承、氣缸內(nèi)襯、活塞頂?shù)炔牧?，也可用于作氧傳感器來檢測(cè)汽車尾氣，還可用于制造燃料電池汽車中的高溫燃料電池。

　　納米陶瓷的電學(xué)性能使其可作為壓電陶瓷材料，從而根據(jù)產(chǎn)品需要廣泛應(yīng)用于電子、激光、通訊、生物、醫(yī)學(xué)、導(dǎo)航、自動(dòng)控制、精密加工、壓電傳感、計(jì)量檢測(cè)、超聲水聲、引燃引爆等軍用、商用和民用等領(lǐng)域。