《纳米陶瓷》PPT课件
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纳米陶瓷kejian
但湿法成形工艺复杂、操作困难、条件苛刻、实 际应用没有干法成形方法成熟。今后纳米陶瓷素 坯成形方法应从以下几个方面着手: 1) 进行颗粒的改性处理。利用表面修饰技术减少 颗粒间的阻力,提高素坯的相对密度及均匀性。 2) 对于干法成形,在进一步提高压力的同时,采用 连续加压、分段加压等手段提高素坯的相对密度、 结构均匀性。高濂采用高达3 GPa 压力的超高压 成形法制得了相对密度为60 %的3 %(摩尔分数) Y2O3 的TZP 陶瓷素坯,可在1 050 ℃下无压烧结 致密化,素坯的烧结性能得到明显改善。
1、气相法
气相法是直接利用气体，或 者通过 各种手段将物质转变为气体，使之 在气体状态下发生物理变化或者化 学反应，最后在冷却过程中凝聚长 大形成纳米粒子的方法。 优点：制得的纳米陶瓷粉体的纯 度较高，团聚较少，烧结性能较好 缺点：产量低，设备昂贵，不易 普及。
2、液相法
液相法则是选择一种或多种合适的可溶性 金属盐类，按所制备的材料组成计量配制 成溶液，使各元素呈郭或分子态，再选择 一种合适的沉淀剂或用蒸发、升华、水解 等操作，使金属离子均匀沉淀或结晶出来， 最后将沉淀或结晶脱水或者加热分解而得 到纳米陶瓷粉体 优点：设备较简单，粉体较纯，团聚少， 易工业化生产 因此很有发展前途,是现在和今后制备纳 米陶瓷粉体的重要方法。
由于纳米陶瓷烧成的研究时间不长,目 前应用到纳米陶瓷烧结中的方法不多, 主要是把某些普通陶瓷的烧成方法加 以改进用到纳米陶瓷的烧成中。根据 烧成条件的不同,我们将现有的烧成方 法分类如下：
烧结方法
目前人们对烧结的研究主要有以下几个方 面,也是烧结今后研究的工作重点: 1) 改变传统的烧结制度,使其适合纳米陶瓷 烧结的要求。在无压烧结中,由于温度是惟 一可控因素,为了控制晶粒生长,已经设计出 如等速烧成、等温烧成、快速烧成、分段 烧成等烧成制度。 例如,有研究者就采用两步烧结的方法成功 制备了晶粒仅60 nm 的Y2O3纳米陶瓷。
纳米陶瓷
• 2.等离子化学气相沉 淀法：等离子体是物质存在
的第四种状态，由电离的导电气 体组成，经成核，生长，形成超 细粉末。其优点：反应温度高、 升降温速率快；有较高的电离度 可得多种活性成分有利反应进行； 等离子反应空间大使反应完全。
还有激光诱导气相沉积法
⑵. 液相法
• 1.化学共沉淀法：
在金属盐溶液中，加入 适当的反应沉淀剂使其 反应，然后将沉淀煅烧 形成纳米陶瓷粉。为了 避免过程中形成严重的 硬团聚，往往会在过程 中加入冷冻干燥、超临 界干燥、共沸蒸馏等技 术。此法操作简单，成 本低，但易引进杂质。
• 3.喷雾热解法： 将金属溶液以雾状喷入 高温气氛中，使其立即 蒸发和金属盐热分解， • 4.水热法： 随后因过饱和而析出固 是指在密封的压力容器中，以 相，从而得到纳米陶瓷 水作为溶剂制备材料的方法。水 粉体。一般情况下要加 热法为反应和结晶提供一个在常 入可燃剂，利用其燃烧 压条件下无法得到的特殊故物理、 热分解金属盐。喷雾法 需要高温及真空条件， 化学环境，粉体的形成经历了溶 对设备要求和操作高， 解-结晶的过程。此法优点：原 易制的粒径小，分散性 料胶便宜晶粒发育完整，分布均 好的粉体。 匀，制的粉末有较高的烧结性； 但易引入杂质。
• 2.溶胶-凝胶法：
用高纯的原料配制成金属或金 属醇盐的前躯体，再溶于溶剂 中成均匀溶液，将溶质与溶剂 产生水解或醇解反应，生成经 凝聚后成凝胶。凝胶在真空低 温干燥，得到的疏松的干凝胶 经高温煅烧即可得到纳米陶瓷 粉末。此法存在原料价格贵， 且影响多种因素影响有：pH值、 浓度、温度、反应时间、有无 催化剂等。但其得到粉末粒径 较小，粒宽分布窄。
课题：纳米陶瓷
目录
四 . 课 题 总 结
③② ① 方 法 评 价 化 学 方 法 物 理 方 法
纳米生物医用陶瓷精品PPT课件
与人骨特性相当。
➢可与眼肌组织达到很好的融合, 并可
纳米 实现同步移动； 人工眼球 ➢可以通过电脉冲刺激大脑神经, 看到
精彩世界。
3. 用于生物材料的纳米陶瓷
• 3.2 纳米陶瓷微粒用作生物材料
纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红血 球小得多, 这就为生物学研究提供了一个新的研究 途径。目前, 关于这方面的研究还处于初始阶段。
2. 纳米陶瓷
纳米陶瓷为什么能够满足生物陶瓷所需的功能？ （1）纳米微粒的尺寸很小，一般在 1nm~100nm 之
间。与常规陶瓷材料相比，纳米陶瓷中的内在气 孔或缺陷尺寸大大减小，材料不易造成穿晶断裂， 有利于提高固体材料的断裂韧性。 （2）晶粒的细化使晶界数量大大增加，有助于晶界 间滑移，使纳米陶瓷材料表现出独特的超塑性。 （3）纳米材料固有的表面效应使其表面原子存在许 多悬空键，并且有不饱和性质，具有很高的化学 活性。这一特性可以增加该材料的生物活性和成 骨诱导能力，实现植入材料在体内的早期固定。
• 纳米材料的问世，使生物陶瓷材料的生物学性能 和力学性能大大提高成为可能。
2. 纳米陶瓷
定义：
纳米陶瓷是指在陶瓷材料的显微结构中, 晶 粒、晶界及它们之间的结合都处在纳米尺寸水平, 包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺 寸、缺陷尺寸都是纳米级。
2. 纳米陶瓷
陶瓷材料的性能取决于其微观组织结构, 纳米 陶瓷由于晶粒的细化, 晶界数目以及扩散蠕变速 率的增加, 可使材料的强度、韧性和超塑性大为 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。
生物陶瓷必须满足的生物学要求：
(1) 它是与生物机体相容的, 对生物机体组织无毒、 无刺激、无过敏反应、无致畸、致突变和致癌等 作用;
➢可与眼肌组织达到很好的融合, 并可
纳米 实现同步移动； 人工眼球 ➢可以通过电脉冲刺激大脑神经, 看到
精彩世界。
3. 用于生物材料的纳米陶瓷
• 3.2 纳米陶瓷微粒用作生物材料
纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红血 球小得多, 这就为生物学研究提供了一个新的研究 途径。目前, 关于这方面的研究还处于初始阶段。
2. 纳米陶瓷
纳米陶瓷为什么能够满足生物陶瓷所需的功能？ （1）纳米微粒的尺寸很小，一般在 1nm~100nm 之
间。与常规陶瓷材料相比，纳米陶瓷中的内在气 孔或缺陷尺寸大大减小，材料不易造成穿晶断裂， 有利于提高固体材料的断裂韧性。 （2）晶粒的细化使晶界数量大大增加，有助于晶界 间滑移，使纳米陶瓷材料表现出独特的超塑性。 （3）纳米材料固有的表面效应使其表面原子存在许 多悬空键，并且有不饱和性质，具有很高的化学 活性。这一特性可以增加该材料的生物活性和成 骨诱导能力，实现植入材料在体内的早期固定。
• 纳米材料的问世，使生物陶瓷材料的生物学性能 和力学性能大大提高成为可能。
2. 纳米陶瓷
定义：
纳米陶瓷是指在陶瓷材料的显微结构中, 晶 粒、晶界及它们之间的结合都处在纳米尺寸水平, 包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺 寸、缺陷尺寸都是纳米级。
2. 纳米陶瓷
陶瓷材料的性能取决于其微观组织结构, 纳米 陶瓷由于晶粒的细化, 晶界数目以及扩散蠕变速 率的增加, 可使材料的强度、韧性和超塑性大为 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。
生物陶瓷必须满足的生物学要求：
(1) 它是与生物机体相容的, 对生物机体组织无毒、 无刺激、无过敏反应、无致畸、致突变和致癌等 作用;
纳米陶瓷
驱物，采用蒸发--凝聚工艺制备纳米级的 --Fe2O3、YxO2-y，SnO2、In2O3、ZnO和 ZnO + Bi2O3。
另外，还有气相燃烧合成技
术、超声等离子体沉积法、爆炸 法等方法。
⑵防止纳米粉体团聚的方法
然而在湿化学法中制备纳米粉体的过程 中存在的最大问题是粉末的团聚。
团聚体的存在无论对烧结过程还是对
微畴以及取向性等结构上的变化，使陶瓷
的结构行为出现突变。
(5)纳米化晶粒同样可引起材料中的内在 气孔或缺陷尺寸的减小。当这种尺寸小到一 定程度时，缺陷对材料性质产生的影响，无 论在宏观上还是微观上都将出现新的变化。
(6)晶粒纳米化的结果，
有可能使
陶瓷的原有性能得到很大的改善，以至在 性能上发生突变或呈现新的性能，这为陶
瓷的性能研究提供了新的内容。
(7)具有高性能或新性能的纳米陶瓷， 在应用上必将扩展到新的领域，这为材料 的应用提出了新的课题。
纳米陶瓷的提出将引起整个陶瓷研究领 域的扩展，无论从陶瓷的工艺、陶瓷学的
研究、陶瓷的性能及应用方面都将带来更
多更新的内容。
第二节 纳米陶瓷的制备
纳米陶瓷的制备在纳米材料研究中占
粉末的硬团聚体内除颗粒之间的范德华 力和库仑力外，还存在化学键作用，使颗粒 之间结合牢固。 在粉末成型过程中，硬团聚体也不易被
破坏，导致陶瓷性能变差。
硬 团 聚 的 形 成 机 理 模 型
自由水在干燥过程中被排除
进一步干燥使胶粒表面的结构水脱除
非架桥羟基转变为架桥羟基
因此要消除硬团聚应从两个方面着手：
所谓团聚体，是指微细粉料在一定的力 或键的作用下所结合成的微粒团。 团聚体根据团聚体的强度可分为软团聚
体和硬团聚体。
另外，还有气相燃烧合成技
术、超声等离子体沉积法、爆炸 法等方法。
⑵防止纳米粉体团聚的方法
然而在湿化学法中制备纳米粉体的过程 中存在的最大问题是粉末的团聚。
团聚体的存在无论对烧结过程还是对
微畴以及取向性等结构上的变化，使陶瓷
的结构行为出现突变。
(5)纳米化晶粒同样可引起材料中的内在 气孔或缺陷尺寸的减小。当这种尺寸小到一 定程度时，缺陷对材料性质产生的影响，无 论在宏观上还是微观上都将出现新的变化。
(6)晶粒纳米化的结果，
有可能使
陶瓷的原有性能得到很大的改善，以至在 性能上发生突变或呈现新的性能，这为陶
瓷的性能研究提供了新的内容。
(7)具有高性能或新性能的纳米陶瓷， 在应用上必将扩展到新的领域，这为材料 的应用提出了新的课题。
纳米陶瓷的提出将引起整个陶瓷研究领 域的扩展，无论从陶瓷的工艺、陶瓷学的
研究、陶瓷的性能及应用方面都将带来更
多更新的内容。
第二节 纳米陶瓷的制备
纳米陶瓷的制备在纳米材料研究中占
粉末的硬团聚体内除颗粒之间的范德华 力和库仑力外，还存在化学键作用，使颗粒 之间结合牢固。 在粉末成型过程中，硬团聚体也不易被
破坏，导致陶瓷性能变差。
硬 团 聚 的 形 成 机 理 模 型
自由水在干燥过程中被排除
进一步干燥使胶粒表面的结构水脱除
非架桥羟基转变为架桥羟基
因此要消除硬团聚应从两个方面着手：
所谓团聚体，是指微细粉料在一定的力 或键的作用下所结合成的微粒团。 团聚体根据团聚体的强度可分为软团聚
体和硬团聚体。
《纳米陶瓷》幻灯片PPT
纳米陶瓷的应用
❖ 抗菌〔杀菌〕方面 ❖ 抗菌(杀菌)陶瓷是一种保护环境的新型功能
材料，是抗菌剂、抗菌技术与陶瓷材料结合 的产物，也是材料科学与微生物学相结合的 产物。
纳米陶 瓷抗菌 餐具
纳米陶瓷的应用
❖ 压电方面
❖ 由于纳米陶瓷晶体构造上没有对称中心， 具有压电效应。通过控制纳米晶粒的生长可 获得量子限域效应，以及性能奇异的铁电体， 以提高压电热解材料机电转换和热释性能。
优点：设备较简单，粉体较纯，团聚少， 易工业化生产
3、固相法：指纳米粉体是由固相原 料制得，按其加工的工艺特点可分 为机械粉碎法和固相反响法两 类。
优点：所用设备较简单，方便操作
缺点：纯度较低，料度分布较广
素坯成型:是将粉末转变成具有一定 形状、体积和强度的坯体的过程,素 坯的相对 密度和显微构造的均匀性 对陶瓷在烧结过 程中的致密化有极 大的影响
普通陶瓷材料高出4-5倍，如在 100度下，纳米 TiO2陶瓷的显微硬度为13000KN/mm2，而普 通TiO2陶瓷的显微硬度低于2000KN/mm2。日 本的新原皓一制备了纳米陶瓷复合材料，并测 定了其相关的力学性能，研究说明纳米陶瓷复 合材料在韧性和强度上都比原来基体单相材料 均有较大程度的改善，对 Al2O3/SiC 系统来说， 纳米复合材料的强陶度比单相氧化铝的强度提 高了3-4倍。
米
米
传
电
感
容
器
纳米陶瓷的应用
❖ 涂料工业
纳米陶瓷粉末涂料在高温环境下具有优异的隔热保
温效果，不燃烧、不脱落、耐水、防潮、无毒，对
环境没有污染。
耐
纳
高 温 透 明
米 陶 瓷 粉 末
纳
涂
米
纳米陶瓷
13000kN／mm2，而普通陶瓷的显
微硬度低于2000kN／mm2。在陶
瓷基体中引入纳米分散相并进行
复合，所制得的纳米陶瓷复合材
料的强度大幅提高。
材料的超塑性：所谓超塑性是指材料在一定的应变 速率下，产生较大的拉伸形变。
尽管人们发现A1203、Si3N4等陶瓷材料在高温 时(1100一1600℃)具有超塑性，但普通陶瓷室温超 塑性却未见报道。而纳米陶瓷因其超微颗粒的小尺 寸效应、表面和界面效应、量子尺寸和宏观量子隧 道效应，使其在材料形成过程和结构中有突出表现， 从而使纳米陶瓷呈现出独特性能。由此，人们追求 的陶瓷超塑性问题有望在纳米陶瓷中解决。
气象高温裂解法、喷雾转化法、化学气 相合成法
气
化学气相合成法可以认为是惰性气体凝
相
胶法第一种变型，它既可以制备纳米非
合
氧化物粉体，也可制备纳米氧化物粉体
成
法
原料的坩蝸中经加热直接蒸发为气态，
以产生悬浮微粒或烟雾状原子团，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制来控制
化学气相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
高
韧
传统的陶瓷由于粒径较大，
性
在外表现出很强的脆性，
能
但是纳米陶瓷由于其粒径
尺寸小至纳米级，在受力
时可产生变形而表现出一
定的韧性
烧 结
由于纳米陶瓷材料存在着 大量的界面，这些界面为
性
原子提供了短程扩散途径，
能
与单晶材料相比，纳米陶
瓷材料具有较高的扩散率，
增强扩散能力的同时又使
纳米陶瓷材料的烧结温度
纳米结构陶瓷
纳米陶瓷课件
3、研究纳米粉体对环境的污染机理，做好应用过程中 的环境保护； ? 在21世纪，纳米陶瓷粉体将飞速发展，在各领域的应 用将全面展开，并将产生一批新技术、新产品；在电子、 通信等高技术领域的广泛应用，将成为经济发展的新的增 长点。让我们一起期待。
力时可产生变形而表现出一定的韧性。如室温下
的纳米 TiO2陶瓷表现出很高的韧性，压缩至原长
度的 1/4 仍不破碎。
? 3、超塑性
?
纳米陶瓷在高温下具有类似与金属的超塑性，
纳米 TiO2 陶瓷在室温下就可发生塑性形变，在
180℃下塑性形变可达100%。
? 4、烧结特性
?
纳米陶瓷材料的烧结温度比传统陶瓷材料
纳 米 陶 瓷 灯 泡 纳米陶瓷刀具
陶瓷纳米节能灯
纳米陶瓷轴承风扇
? 1、高强度
?
纳米陶瓷材料在压制 烧结后 其强度比普通
陶瓷材料高出 4~5倍 ，如在100℃下 纳米 TiO2
陶瓷的显微硬度为13000KN/mm2，而普通 456) 陶
瓷的显微硬度低于2000KN/mm2。
? 2、高韧性
?
纳米陶瓷由于其晶粒尺寸小至纳米级，在受
纳米陶瓷轴承（NCB）的风扇：耐高温，纳米级的 粒子润滑剂性能好， 寿命成倍延长。防止温度过 高而卡住轴心的现象
富士 康 全 世 界 第 一 款 纳 米 陶 瓷
7、航空领域
1、纳米陶瓷粉体新的制备方法和工艺条件的研究与开 发；开发高效率、低成本的制备技术；
2、应用方面，智能化敏感陶瓷元件计算机用光纤陶瓷 材料、计算机硬盘和高稳定性陶瓷电容器；
制备方法
凝聚相合成（溶胶一凝胶法）
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10nm的SiO2、Al2O3和TiO2纳米物领域 ? 3、更坚硬的切削工具 ? 4、抗菌 ? 5、高灵敏度的传感器 ? 6、汽车工业 ? 7、航空领域
力时可产生变形而表现出一定的韧性。如室温下
的纳米 TiO2陶瓷表现出很高的韧性，压缩至原长
度的 1/4 仍不破碎。
? 3、超塑性
?
纳米陶瓷在高温下具有类似与金属的超塑性，
纳米 TiO2 陶瓷在室温下就可发生塑性形变，在
180℃下塑性形变可达100%。
? 4、烧结特性
?
纳米陶瓷材料的烧结温度比传统陶瓷材料
纳 米 陶 瓷 灯 泡 纳米陶瓷刀具
陶瓷纳米节能灯
纳米陶瓷轴承风扇
? 1、高强度
?
纳米陶瓷材料在压制 烧结后 其强度比普通
陶瓷材料高出 4~5倍 ，如在100℃下 纳米 TiO2
陶瓷的显微硬度为13000KN/mm2，而普通 456) 陶
瓷的显微硬度低于2000KN/mm2。
? 2、高韧性
?
纳米陶瓷由于其晶粒尺寸小至纳米级，在受
纳米陶瓷轴承（NCB）的风扇：耐高温，纳米级的 粒子润滑剂性能好， 寿命成倍延长。防止温度过 高而卡住轴心的现象
富士 康 全 世 界 第 一 款 纳 米 陶 瓷
7、航空领域
1、纳米陶瓷粉体新的制备方法和工艺条件的研究与开 发；开发高效率、低成本的制备技术；
2、应用方面，智能化敏感陶瓷元件计算机用光纤陶瓷 材料、计算机硬盘和高稳定性陶瓷电容器；
制备方法
凝聚相合成（溶胶一凝胶法）
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10nm的SiO2、Al2O3和TiO2纳米物领域 ? 3、更坚硬的切削工具 ? 4、抗菌 ? 5、高灵敏度的传感器 ? 6、汽车工业 ? 7、航空领域
纳米陶瓷
纳米陶瓷前言纳米材料之所以在近几十年来受到世界各国多方面的广泛关注，其根本原因是人们在研究中发现，纳米材料存在小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及量子隧道效应等基本特性。
这些特性使得纳米材料有着传统材料无法比拟的独特性能和极大的潜在应用价值。
由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性和强度都较差，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。
目前，虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的保温和高温力学性能，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等许多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻环境下起着其他材料不可替代的作用。
•利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料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（1～100nm），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。
纳米陶瓷材料的结构与常规材料相比发生了很大变化，颗粒组元细小到纳米数量级，比表面积大幅度增加，可使材料的强度、韧性和超塑性等力学性能大为提高，并对材料的热学、光学、磁学、电学等性能产生重要的影响。
1、高强度纳米陶瓷材料在压制烧结后，其强度比普通陶瓷材料高出4~5倍，如在100℃下纳米TiO2陶瓷的显微硬度为13000KN/mm²，而普通陶瓷的显微硬度低于2000KN/mm²。
2、高韧性纳米陶瓷由于其晶粒尺寸小至纳米级，在受力时可产生变形而表现出一定的韧性。
如室温下的纳米TiO2陶瓷表现出很高的韧性，压缩至原长度的1/4 仍不破碎。
3、超塑性纳米陶瓷在高温下具有类似与金属的超塑性，纳米TiO2 陶瓷在室温下就可发生塑性形变，在180℃下塑性形变可达100%。
4、烧结特性纳米陶瓷材料的烧结温度比传统陶瓷材料约低600℃，烧结过程也大大缩短。
12nm的TiO2粉体，不加任何烧结助剂，可在低于常规烧结温度400~600℃下进行烧结，同时陶瓷的致密化速率也迅速提高。
纳米陶瓷
2.5 纳米材料纳米是一个尺度的度量;1nm=0.000000001m，即10－9m。
纳米材料—材料的组成中至少有一相的晶粒尺寸小于100nm的材料。
介观—介于宏观和微观之间的领域和微观领域之间的领域，包括团簇、纳米和亚微米体系。
其中的纳米体系就是指1~100nm之间的范围。
纳米材料可以分为纳米相材料和纳米复合材料。
纳米相材料—单相纳米颗粒组成的固相或多相构成，其中至少有一相为纳米级的固体材料。
纳米复合材料—可以为多种复合。
不同成分、不同相或不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体；把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中；纳米粒子分散到三维固体中。
如把纳米粒子放入常规的金属、高分子及陶瓷中。
2.5.1 纳米材料的基本特性：小尺寸效应——纳米材料中微粒尺寸小到光波波长或德布罗依波波长等物理特征相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，使得材料的声、光、电、磁、热、力学等性能出现改变而导致新的特性出现的现象叫纳米材料的小尺寸效应。
例如：光吸收明显加大，非导电材料的导电性出现，磁有序态向无序态转化，金属熔点明显降低等等。
表面界面效应：单位质量粒子表面积的增大，表面原子数目的骤增，使原子配位数严重不足，表面积带来高表面能，使粒子表面的原子及其活跃，很容易与周围的气体反应，也容易吸附气体的现象称为纳米材料粒子的表面效应。
由于表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合，因此，可提高烧结活性，催化剂的效率，吸波材料的效率，涂料的遮盖性，杀菌剂的效率等。
量子尺寸效应——微粒尺寸达到与光波波长或其他相干波长相当或更小时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散并使能隙变宽的现象叫纳米材料的量子尺寸效应。
纳米粒子的比热容，热膨胀率增大，磁性金属磁化率增大，纳米银粒径小于20nm时，成为绝缘体，纳米SiO2由绝缘体变为导体。
宏观量子隧道效应—微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。
纳米1
纳米陶瓷的应用纳米陶瓷，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。
纳米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的改善和提高。
陶瓷材料的脆性大、不耐热冲击、不均匀、强度差、可靠性低、加工困难等缺点大大地限制了陶瓷的应用。
随着纳米技术的广泛应用，希望以纳米技术束克服陶瓷材料的这些缺点，如降低陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。
因此纳米陶瓷被认为是解决陶瓷脆性的战略途径。
同时，纳米陶瓷也为改善陶瓷材料的烧结性和可加工性提供了一条崭新的途径。
另外由于纳米材料的特殊性能，其与陶瓷材料结合不仅可以提高陶瓷本身一些重要的性能，而且也克服了陶瓷的缺点——脆性、热冲低等，使纳米陶瓷有了发展的空间与必要。
研究表明当陶瓷材料成为纳米材料后，材料的力学性能得到极大改善，主要表现在以下三个方面：1)断裂强度大大提高；2)断裂韧性大大提高；3)耐高温性能大大提高。
由于纳米陶瓷具有独特的化学、物理和机械特性。
因此它们将被广泛的应用于各个领域：一、作为防护材料普通陶瓷在被用作防护材料时，由于其韧性差，受到弹丸撞击后容易在撞击区出现显微破坏、垮晶、界面破坏、裂纹扩展等一系列破坏过程，从而降低了陶瓷材料的抗弹性能。
纳米陶瓷高活性和耐冲击的性能，可有效提高主战坦克复合装甲的抗弹能力；增强速射武器陶瓷衬管的抗烧蚀性和抗冲击性；由防弹陶瓷外层和碳纳米管复合材料作衬底，可制成坚硬如钢的防弹背心；在离射武器方面如火炮、鱼雷等，纳米陶瓷可提高其抗烧结冲击能力，延长使用寿命。
目前，国外复合装甲已经采用高性能的高弹材料。
在未来的战争中，若能把纳米陶瓷用于车辆装甲防护，会具有更好抗弹、抗爆震、抗击穿的能力，提供更为有力的保护。
二、耐高温材料纳米陶瓷粉末涂料在高温环境下具有优异的隔热保温效果，不脱落、不燃烧，耐水、防潮，无毒、对环境无污染，对提高航空发动机的涡轮前温度．进而提高发动机的推重比和降低燃料消耗具有重要作用，适用于冶金、化工工业、电厂的热力锅炉及焦化煤气等热力设备和热力管网等高温设备的防腐、炉外降温，并有望成为舰艇、军用涡轮发动机高温部件的理想材料．以提高发动机效率、可靠性与工作寿命。
纳米陶瓷材料ppt课件
汽车工业
利用纳米陶瓷材料的耐磨、耐高温和绝缘性能，应用于汽车发动 机、刹车片和传感器等领域。
能源领域
利用纳米陶瓷材料的优异电学性能，应用于太阳能电池、燃料电 池和超级电容器等新能源领域。
加强纳米陶瓷材料的基础研究
深入研究纳米陶瓷材料的制备原理和工艺控制
探索更高效、环保的制备方法和工艺参数，为大规模生产和应用提供技术支持。
药物载体
纳米陶瓷材料可用于药物载体，通过控制药物释放速度和靶向作用，实现药物的定向输送 和治疗。
医学诊断
纳米陶瓷材料可用于医学诊断试剂的标记和分离，提高检测灵敏度和特异性，如免疫分析 、核酸检测等。
05
纳米陶瓷材料的未来展望
提高纳米陶瓷材料的性能
增强韧性
通过优化制备工艺和添加增韧剂 ，提高纳米陶瓷材料的韧性，使 其在承受冲击和压力时不易破裂 。
机械合金化法
原理
通过高能球磨将陶瓷粉末与金属粉末混合并进行 机械合金化，制备出纳米复合材料的方法。
优点
可制备出具有优异力学性能和抗氧化性能的纳米 复合材料，且工艺简单、成本低。
缺点
球磨过程中容易引入杂质和缺陷，影响材料的性 能。
04
纳米陶瓷材料的应用实例
在航空航天领域的应用
高强度与轻量化
纳米陶瓷材料具有高强度和轻量化的特点，适用于航空航 天器的结构部件，如发动机部件和机身材料，可有效减轻 整体重量，提高飞行性能。
耐高温性能
纳米陶瓷材料具有出色的耐高温性能，能够在高温环境下 保持稳定的物理和化学性质，适用于航空发动机的耐高温 部件。
抗氧化和抗腐蚀性能
纳米陶瓷材料具有优异的抗氧化和抗腐蚀性能，能够抵抗 极端环境下的氧化和腐蚀作用，提高航空航天器的使用寿 命。
利用纳米陶瓷材料的耐磨、耐高温和绝缘性能，应用于汽车发动 机、刹车片和传感器等领域。
能源领域
利用纳米陶瓷材料的优异电学性能，应用于太阳能电池、燃料电 池和超级电容器等新能源领域。
加强纳米陶瓷材料的基础研究
深入研究纳米陶瓷材料的制备原理和工艺控制
探索更高效、环保的制备方法和工艺参数，为大规模生产和应用提供技术支持。
药物载体
纳米陶瓷材料可用于药物载体，通过控制药物释放速度和靶向作用，实现药物的定向输送 和治疗。
医学诊断
纳米陶瓷材料可用于医学诊断试剂的标记和分离，提高检测灵敏度和特异性，如免疫分析 、核酸检测等。
05
纳米陶瓷材料的未来展望
提高纳米陶瓷材料的性能
增强韧性
通过优化制备工艺和添加增韧剂 ，提高纳米陶瓷材料的韧性，使 其在承受冲击和压力时不易破裂 。
机械合金化法
原理
通过高能球磨将陶瓷粉末与金属粉末混合并进行 机械合金化，制备出纳米复合材料的方法。
优点
可制备出具有优异力学性能和抗氧化性能的纳米 复合材料，且工艺简单、成本低。
缺点
球磨过程中容易引入杂质和缺陷，影响材料的性 能。
04
纳米陶瓷材料的应用实例
在航空航天领域的应用
高强度与轻量化
纳米陶瓷材料具有高强度和轻量化的特点，适用于航空航 天器的结构部件，如发动机部件和机身材料，可有效减轻 整体重量，提高飞行性能。
耐高温性能
纳米陶瓷材料具有出色的耐高温性能，能够在高温环境下 保持稳定的物理和化学性质，适用于航空发动机的耐高温 部件。
抗氧化和抗腐蚀性能
纳米陶瓷材料具有优异的抗氧化和抗腐蚀性能，能够抵抗 极端环境下的氧化和腐蚀作用，提高航空航天器的使用寿 命。
纳米陶瓷
二、表面效应 纳米微粒尺寸小，表面积大，位于表面的原子 占相当大的比例。随着粒径减小，表面积急剧变大， 引起表面原子数迅速增加，粒子活性随之增加。 三、量子尺寸效应
当粒子尺寸下降到最低时，费米能级附近的电 子能级发生了由准连续变为离散能级的现象，即能 级发生分裂。
上述三个效应是纳米微粒与纳米固体的基本特 性。它使纳米微粒和纳米固体呈现出许多奇异的物 理、化学性质，出现了一些“反常现象”。 如：金属为导体，但纳米金属微粒在低温下呈 现绝缘性；当粒径为十几纳米时，氮化硅组成纳米 陶瓷时电阻变小；化学惰性的金属铂制成的纳米微 粒后即成为活性很高的催化剂。
稀土氧化物巨磁阻材料是指在外加磁场下，材料 电阻极大下降的一类稀土锰氧化物。 Jin等人利用脉冲激光沉积结合热处理在LaAlO3单 晶基体上制得La-Ca-Mn-O单晶薄膜，其磁阻比为 100 000%。
R R0 RH 磁阻比定义： CMR R R H H
R0为零外加磁场下的电阻，RH为外加磁场下的电 阻。
碳 纳 米 管 显 微 结 构
碳 纳 米 管 立 体 结 构 想 像 图
1.导电性
CNT导电性的显著特点是其不确定性。虽 然石墨是电的良导体，但CNT导电性会随着其 结构改变而改变，它可能是半导体，也可能是 导体，甚至可能是超导体。 2.场致发射特性 场致发射电流密度的值越大，表明材料场 致发射能力越强，如果将其制成显示器或发光 器件，其亮度就越大。场致发射电流密度越稳 定，表明其发射性能的稳定性和可靠性越好。 而CNT及其阵列——薄膜的场致发射特性正好 具有上述特点。其电流密度高达1A/cm2，相比 之下金属Mo微尖的电流密度在1×10-3 A/cm2左 右，整整低了3个数量级。
纳米陶瓷的成形
纳米陶瓷成形过程中，为了提高坯体密度，通常有 以下几种方法。 干法成形： （1） 连续加压成形。第一次加压导致软团聚体的破 碎。第二次加压导致颗粒的重排，使颗粒之间很好的 接触。 （2） 脉冲电磁力成形。 （3） 超高压成形。
功能无机材料课件 纳米陶瓷
纳米陶瓷的应用：
1、应用于提高陶瓷材料的机械强度
短片
结构陶瓷是以强度、刚度、韧性、耐磨性、 硬度、疲劳强度等力学性能为特征的材料。
用纳米陶瓷粉体制备的陶瓷材料能有效减 少材料表面的缺陷，获得形态均一和平滑的表 面，能增强界面活性，提高材料单晶的强度， 还能有效降低应力集中，减少磨损,特别是可以 有效提高陶瓷材料的韧性。
2、应用于提高陶瓷材料的超塑性
只有陶瓷粉体的粒度小到一定程度才能在陶 瓷材料中产生超塑性行为， 原因：晶粒的纳米化有助于晶粒间产生相对 滑移,使材料具有塑性行为。
3、应用于制备电子(功能)陶瓷
纳米陶瓷粉体广泛地用于制备电子陶瓷。 原因：在于陶瓷粉体晶粒的纳米化会造成晶界 数量的大大增加，当陶瓷中的晶粒尺寸减小一个 数量级,则晶粒的表面积及晶界的体积亦以相应的 倍数增加
纳 米 陶 瓷 的 定 义
纳米陶瓷是指显微结构中，晶粒、晶界 以及它们之间的结合都处于纳米尺寸水平 的陶瓷材料。包括晶粒尺寸、晶界宽度、 第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都是纳 米级。 由于纳米陶瓷的晶粒细化，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，甚至出现许多特殊的 物理与化学性质。 。
这些都确认了纳米陶瓷材料存在着拉伸超塑性。
4、扩散与烧结特性 纳米陶瓷材料的烧结温度比传统陶瓷材料约低600℃， 烧结过程也大大缩短。 例如：12 nm的TiO2粉体，不加任何烧结助剂，可以 在低于常规烧结温度 400-600℃下进行烧结，同时陶瓷的 致密化速率也迅速提高。 合理控制烧结的条件，可获得晶粒分布均匀的纳米陶 瓷块体。 原因：纳米陶瓷材料存在大量界面，这些界面为原子提供 了短的扩散途径。不仅使烧结时间缩短，也使得烧结温度 下降。
纳米陶瓷kejian
1、气相法
气相法是直接利用气体，或 者通过 各种手段将物质转变为气体，使之 在气体状态下发生物理变化或者化 学反应，最后在冷却过程中凝聚长 大形成纳米粒子的方法。 优点：制得的纳米陶瓷粉体的纯 度较高，团聚较少，烧结性能较好 缺点：产量低，设备昂贵，不易 普及。
2、液相法
液相法则是选择一种或多种合适的可溶性 金属盐类，按所制备的材料组成计量配制 成溶液，使各元素呈郭或分子态，再选择 一种合适的沉淀剂或用蒸发、升华、水解 等操作，使金属离子均匀沉淀或结晶出来， 最后将沉淀或结晶脱水或者加热分解而得 到纳米陶瓷粉体 优点：设备较简单，粉体较纯，团聚少， 易工业化生产 因此很有发展前途,是现在和今后制备纳 米陶瓷粉体的重要方法。
湿法成形能够控制坯体中颗粒的团聚及杂质含 量,减少坯体缺陷并可成形复杂形状的陶瓷部件 而发展很快,近年来湿法的成形应用得到了很大 的进步,并在某些领域取得了很好的应用。 例如,离心注浆成形是通过调节pH 值等手段使 粉体在液体中均匀分散,而后高速离心使颗粒沉 降获得素坯,以及靠有机单体聚合来完成坯体固 化的凝胶浇注成形和靠化学势成形的渗透固化 法等。
3、固相法
指纳米粉体是由固相原料制得，按其加工 的工艺特点可分为机械粉碎法和固相反应 法两 类。 优点：所用设备较简单，方便操作 缺点：纯度较低，料度分布较广，适合对 粉体要求比较低的生产场合。 因此,目前固相法在实验室使用较多,要实 现大规模工业化生产还有一定的距离。
目前我国能够生产CaCO3 、SiO2 、Al2O3 、 TiO2 、ZrO2 、CeO2 、CaO、Fe2O3 、 SiC、Si3N4 等陶瓷粉末,生产规模较大的是 纳米CaCO3 粉体。今后纳米陶瓷粉体制备 的重点有以下几点: 1) 研究制备过程中纳米粉体的形成、生长 机制及各种条件的影响、纳米粉体在化学 制备过程中的团聚体形成机理等;
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而不呈现脆性。
例
3mol%氧化钇的 四方多晶氧化锆
子 陶瓷、纳米TiO2
纳米钛酸钡陶瓷
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加了纳米SiO2的AlN 陶瓷
5
纳米陶瓷的应用
❖ 军事领域
纳米陶瓷具有高活性和耐冲击的性能。因此，可以
大大地改善武器和装甲的抗烧蚀性和抗冲击性、提
高硬度、减轻重量、延长使用寿命等。
形纳
纳
战米
米
机吸 波
❖ 随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随 之产生。利用纳米技术开发的纳米陶瓷 材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改 性，使材料的强度、韧性和超塑性大幅 度提高，克服了工程陶瓷的许多不足， 为陶瓷的应用开拓了新领域。
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4
纳米陶瓷的特性
种类 超塑性
铁电性能
增韧
在一定的应变 随着晶粒尺寸的变 由于纳米陶瓷的晶粒
优点：设备较简单，粉体较纯，团聚少，
易工业化生产
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3、固相法：指纳米粉体是由固相原 料制得，按其加工的工艺特点可分 为机械粉碎法和固相反应法两 类。
优点：所用设备较简单，方便操作
缺点：纯度较低，料度分布较广
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素坯成型:是将粉末转变成具有一定形状、
体积和强度的坯体的过程,素坯的相对 密 度和显微结构的均匀性对陶瓷在烧结过 程 中的致密化有极大的影响
由于颗粒的线度减少而引起表面效应 和体积效应，使得材料的物理、化学性质 发生一系列变化，而且甚至出现许多特殊 的物理与化学性质。
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3
概况
❖ 陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在 日常生活及工业生产中起着举足轻重的 作用。但是，由于传统陶瓷材料质地较 脆，强度较差，使它的应用受到了较大 的限制。
1、高强度：
纳米陶瓷材料在压制、烧结后，其强度比
普通陶瓷材料高出4-5倍，如在 100度下，纳米
TiO2陶瓷的显微硬度为13000KN/mm2，而普通
TiO2陶瓷的显微硬度低于2000KN/mm2。日本 的新原皓一制备了纳米陶瓷复合材料，并测定
了其相关的力学性能，研究表明纳米陶瓷复合
材料在韧性和强度上都比原来基体单相材料均
防
材
弹
料
背
军
心
用
隐
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6
特点
❖ 陶瓷材料的几大优点： ❖ 耐高温、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、低膨胀
系数、质轻等优点 ❖ 缺点：脆 、延展性差
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7
纳米材料的制备： 纳米粉体的合成 素坯的成型 产品的烧结
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8
粉体合成按合成条件分类：
1、气相法：气相法是直接利用气体，或 者通过各种手段将物质转变为气体，使之 在气体状态下发生物理变化或者化学反应， 最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米粒子 的方法。
形变量高达380%，并从断口侧面观察到
了大量通常出现在金属断口的滑移线，这
些都确认了纳米陶瓷材料存在着拉伸超塑
性。
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4、烧结特性
纳米陶瓷材料的烧结温度比传统陶瓷材料
约低600℃,烧结过程也大大缩短。12nm的
TiO2粉体，不加任何烧结助剂，可以在低于 常规烧结温度 400-600℃下进行烧结，同时
有较大程度的改善，对 Al2O3/SiC 系统来说， 纳米复合材料的强陶度比单相氧化铝的强度提
高了3-4倍。
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2、韧性 传统的陶瓷由于其粒径较大，在外表
现出很强的脆性，但是纳米陶瓷由于其 晶粒尺寸小至纳米级，在受力时可产生 变形而表现出一定的韧性。如室温下的 纳米TiO2陶瓷表现出很高的韧性，压缩 至原长度的 1/4仍不破碎。1988年Lzaki 等人首先用纳米碳化硅补强氮化硅陶瓷 使氮化硅陶瓷力学性能显著改善。
纳米陶瓷
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1
纳米陶瓷：
指显微结构中的物相(包括晶粒尺寸、晶界 宽度、第二相分布、气孔与尺寸缺陷等)都 在纳米量级的水平上的陶瓷材料。
纳米陶瓷的晶粒、晶界以及它们之间的结合 都处在纳米尺在微 米级的水平。当其晶粒尺寸变小到纳米级 的范围时，晶粒的表面积和晶界的体积会 以相应的倍数增加，晶粒的表面能亦随之 剧增。
陶瓷的致密化速率也迅速提高。通过对加
3%Y2O3的ZrO2纳米陶瓷粉体的致密化和晶 粒生长这 2个高温动力学过程研究表明，由
于晶粒尺寸小，分布窄，晶界与气孔的分离
区减小，烧结温度的降低使得烧结过程中不
易出现晶粒的异常生长。控制烧结的条件，
素坯的成型方法：
传统方法：干压成型、离心注浆法、挤压 法、注射法
新型方法：凝胶注膜法、直接凝固注模成 型
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烧结：
陶瓷材料致密化、晶体长大、晶界形成的 过程
纳米陶瓷烧结过程的关键：
如何在控制晶粒长大很少的前提下实现致 密化
烧结方法：（传统）无压烧结、热压烧结
仍广泛使用。（新）微波烧结、等离子体
速率下，材料 小，铁电材料的铁 尺寸极小，纳米材料
产生较大的拉 电性能降低，而且 具有很大的比表面积，
特 伸形变。因此 存在一个临界尺寸，表面的原子排列混乱，
表现出甚佳的 当材料的晶粒大小 纳米晶粒易在其它晶
性 韧性与延展性。低于这个尺寸时， 粒上运动，使纳米陶
铁电材料的铁电性 瓷在受力时易于变形
消失。
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3、超塑性
超塑性是指在拉伸试验中，在一定的
应变速率下，材料产生较大的拉伸形变。
如 Nieh 等人在四方二氧化锆中加入 Y2O3 的陶瓷材料中观察到超塑性达800%.上海
硅酸盐研究所研究发现，纳米 3Y-TZP陶
瓷(100nm左右)在经室温循环拉伸试验后，
其样品的断口区域发生了局部超塑性形变，
烧结、高压烧结、爆炸烧结
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制备方法评价
❖ 不论哪种制备方法一般需满足以下标准： 1.化学纯度高，均匀性好，粉体流动性好。 2.晶相稳定性好，表面清洁度高。 3.粒径小于100nm，粒度分布范围窄。 4.团聚程度小，粒子几何形状规一，颗粒一般为自形
晶形。
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纳米陶瓷的性能：
优点：制得的纳米陶瓷粉体的纯度较 高，团聚较少，烧结性能较好
缺点：产量低，设备昂贵
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9
2、液相法 ：液相法则是选择一种或多 种合适的可溶性金属盐类，按所制备的 材料组成计量配制成溶液，使各元素呈 郭或分子态，再选择一种合适的沉淀剂 或用蒸发、升华、水解等操作，使金属 离子均匀沉淀或结晶出来，最后将沉淀 或结晶脱水或者加热分解而得到纳米陶 瓷粉体