納米陶瓷

　　納米陶瓷是將納米級陶瓷顆粒、晶須、纖維等引入陶瓷母體，以改善陶瓷的性能而制造的復合型材料，其提高了母體材料的室溫力學性能，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年發展起來的新型超結構陶瓷材料。

　1 納米陶瓷的種類

　　根據納米陶瓷材料的性能可分為納米結構陶瓷和納米功能陶瓷兩類。

　　①納米結構陶瓷：

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

　　納米結構陶瓷改變的力學性能包括：硬度、強度、塑性、韌性。

　　②納米功能陶瓷：

　　通過添加具有獨特功能的納米相或顆粒，或本身功能在常規微米級狀態但未能完全表現出來，但在通過超細化后能夠表現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、光學、電學、磁學、生物活性、對環境的敏化性等。

　　2 納米陶瓷的特性

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

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

　　（3）量子尺寸效應：當納米粒子的尺寸下降到某一數值時，金屬粒子界面附近電子能級由準連續變為離散能級；并且納米半導體微粒存在不連續的分子軌道能級使得能隙變寬的現象，稱為納米材料的量子尺寸效應。

　　3 納米陶瓷的制備方法

　　（1）物理制備法：主要是蒸發凝聚法和高能機械球磨法兩種。

　　①蒸發凝聚法：在真空蒸發室內充入低壓惰性氣體，加熱金屬或化合物蒸發源，由此產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高能機械球磨法：將粉體放在一個密閉容器中，隨容器的旋轉、振動或劇烈搖動而獲得超細微粒。

　　此外還有機械粉碎、電火花爆炸法等其他物理制備技術。

　　（2）化學制備方法：主要分為氣相化學法和液相化學法。

　　①氣象化學法：是在遠高于熱力學計算臨界反應溫度的條件下，反應產物蒸氣形成很高的過飽和蒸汽壓，使其自動凝聚形成大量的晶核。這些晶核在加熱區不斷長大，聚集成顆粒。隨著氣流進入低溫區，顆粒生長、聚集、晶化過程停止，最后在收集室內收集得到納米陶瓷粉體。

　　②液相化學法：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的沉淀劑得到陶瓷前驅體沉淀物，再將其煅燒形成納米陶瓷粉體。并且為了避免嚴重的硬團聚，通常會引入冷凍干燥、超臨界干燥、共沸蒸餾等技術手段。

　　· 溶膠凝膠法：該法原理是將醇鹽溶解于有機溶劑中，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變成凝膠。凝膠在真空狀態下低溫干燥，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，再經熱處理形成粉體。

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

　　4 納米陶瓷的應用舉例

　　納米陶瓷的上述性能克服了多數工程陶瓷自身材質的不足，在超高溫、強腐蝕等極端環境下發揮著不容忽視的作用，市場前景十分可觀。其在防護材料、高溫材料、汽車工業等領域中的應用情況如下：

　　①防護材料

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

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

　　具體應用舉例如下：

　　（1）納米陶瓷優異的耐沖擊性有效提高主戰坦克復合裝甲的抗彈能力，增強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合材料制作襯底，可制成抗擊實力超強的防彈背心；

　　（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，并延長使用壽命。

　　在民用領域，納米陶瓷在防護領域的性能發揮在轎車上，緩沖意外事故對車內人員的傷害。

　　②高溫材料

　　納米陶瓷具有的高耐熱性，優異的高溫抗氧化性、低密度、高斷裂韌性、抗腐蝕性和耐磨性，對提高航空發動機的渦輪線溫度，進而提高發動機的推重比和降低燃燒的能量消耗可以發揮重要作用。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，以此提高發動機的效率、可靠性和工作壽命。

　　③汽車工業

　　納米陶瓷可作為汽車連桿、推桿、軸承、氣缸內襯、活塞頂等材料，也可用于作氧傳感器來檢測汽車尾氣，還可用于制造燃料電池汽車中的高溫燃料電池。

　　納米陶瓷的電學性能使其可作為壓電陶瓷材料，從而根據產品需要廣泛應用于電子、激光、通訊、生物、醫學、導航、自動控制、精密加工、壓電傳感、計量檢測、超聲水聲、引燃引爆等軍用、商用和民用等領域。