纳米陶瓷的应用及发展趋势

纳米陶瓷的应用及发展趋势摘要:介绍了纳米材料的特性以及纳米陶瓷的制备方法。

针对纳米陶瓷特有的性能,进一步分析了纳米技术在陶瓷领域的最新应用及发展状况，并认为纳米陶瓷将在工程领域乃至日常生活中得到更广泛的应用。

关键词:纳米技术; 纳米陶瓷;前景预测前言当人们在研究中发现，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，近几十年来纳米材料备受世界各国的关注。

纳米材料的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。

传统的陶瓷材料质地较脆，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。

所谓纳米陶瓷材料，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。

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。

1纳米技术与纳米陶瓷1.1 纳米技术与纳米复合材料纳米技术是20 世纪90年代出现的一门新兴技术,它是在0.10- 100nm的尺度空间内,研究电子、原子和分子的运动规律和特性。

纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点, 其相应发展起来的纳米技术,被公认为21世纪最有前途的科研领域。

在纳米材料中,纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序,通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级;高浓度晶界及晶界原子的特殊结构,导致材料的力学性能、磁性、光学性能乃至热力学性能的改变。

纳米相材料与普通的金属、陶瓷和其它固体材料都是由同样的原子组成,只不过这些原子排列成了纳米级的原子团,成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。

纳米材料具有常规粗晶粒材料所不具备的奇异特性和反常特性,例如纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高12倍;纳米相铜的强度比普通的铜坚固 5倍,而且硬度随颗粒尺寸的减小而增大。

利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料,就是由纳米级显微结构组成的新型陶瓷材料,是在纳米长度范围内(1-100 nm) 的纳米复合材料。

2．纳米陶瓷的特性2.1 表面效应纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后,所引起的性质上的变化。

当粒径在10 nm以下时,将显著增加表面原子的比例。

当粒径降到1 nm 时,表面原子的比例达到90 %以上,原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。

由于纳米粒子表面原子数的增多,表面原子的配位数不足和高的表面能,使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来,故具有很高的化学活性。

2.2 体积效应由于纳米粒子的体积极小,所包含的原子数很少,相应地质量极小。

因此,许多现象就不能用通常由无限个原子组成的块状物质的性质加以说明, 这种特殊的现象称之为体积效应。

2.3量子尺寸效应当纳米粒子的尺寸下降到某一值时,金属粒子界面附近电子能级由准连续变为离散能级;并且纳米半导体微粒存在不连续的分子轨道能级使得能隙变宽的现象,称为纳米材料的量子尺寸效应。

3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尺寸( 1-100 nm) 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。

具体地讲,纳米粉体材料具有以下优异的性能: ( 1)纳米陶瓷材料具有极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能, 可以降低材料的烧结致密化程度、节约能源;( 2)使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;( 3)可以从纳米材料的结构层次( 1- 100 nm)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,而使纳米材料的组织结构和性能的定向设计成为可能。

另外,陶瓷是由陶瓷原料成型后烧结而成的,而且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,则颗粒越小产生的缺陷就越小,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。

4.纳米陶瓷的制备方法4．1物理制备方法物理制备方法主要是蒸发凝聚法和高能机械球磨法两种。

蒸发凝聚法：在真空蒸发室内充入低压惰性气体，加热金属或化合物蒸发源，由此产生的原子雾与惰性气体原子碰撞而失去能量，凝聚而成纳米尺寸的团簇，并在液氮冷却棒上聚集起来，最后得到纳米粉体。

1987年美国Argonne实验室的Siegles采用此法成功地制备了Ti02纳米陶瓷粉体，粉体粒径为5—20nm。

高能机械球磨法：利用机械摩擦的方法得到纳米晶粒。

是将粉体放在一个密闭的容器中，随着容器的旋转、振动或剧烈摇动而得到超细微粒。

采用此法已制备了19nm左右的压电陶瓷粉体。

此外还有机械粉碎、电火花爆炸法等其他物理制备技术。

一般说来，纳米陶瓷粉体物理制备方法的工艺条件较为苛刻，应用范围较窄，粉体粒径控制较为困难，而化学制备方法是在液相和气相条件下，首先形成离子或原子，然后逐步长大，形成所需要的粉体，容易得到粒径小、纯度高的超细粉体。

4．2化学制备方法化学制备方法分为气相化学法和液相化学法。

气相化学法：是在远高于热力学计算临界反应温度条件下，反应产物蒸气形成很高的过饱和蒸汽压，使其自动凝聚形成大量的晶核。

这些晶核在加热区不断长大，聚集成颗粒。

随着气流进入低温区，颗粒生长、聚集、晶化过程停止，最终在收集室内收集得到纳米陶瓷粉体。

上海硅酸盐研究所的研究人员在1100～1400℃温度下，分别用Si(CH3)2C12、NH3、H2作为硅、碳、氮源和载气，制得了平均粒径为30～50nm的SiC纳米粉和平均粒径小于35nm无定形SiC／Si3N4纳米复合粉体。

气相化学合成按加热热源可分为电阻法、等离子体法、激光法和电子束法等。

对于原料容易挥发、蒸汽压高、反应温度不是太高的、反应性高的有机硅、金属氯化物或其它化合物，采用电阻加热法即可。

目前有产业化趋势的制备方法是等离子体法和激光法。

等离子体法是纳米陶瓷粉体制备的常用方法之一，用该方法制得了A1203、Si3N4、Si3N4／SiC、AlN、ZrN、TiN等氮化物纳米陶瓷粉体。

激光诱导气相沉积法的基本原理是利用反应气体分子(或光敏剂分子)对特定波长激光束的吸收，引起反应气体分子激光光解、激光热解、激光光敏化和激光诱导化学合成反应，经成核生长成超细粉末。

液相化学方法是通过液相来合成粉体，包括沉淀、溶胶凝胶、喷雾热解、水热合成。

沉淀法：在金属盐溶液中加入适当的沉淀剂得到陶瓷前驱体沉淀物，再将其煅烧形成纳米陶瓷粉体。

为了避免严重的硬团聚，往往引入冷冻干燥、超临界干燥、共沸蒸馏等技术手段。

已制备Y-TZP和Y203一Zr02粉体。

溶胶凝胶法：是20世纪60年代发展起来的一种方法，早期主要用于制备陶瓷材料，其原理是将醇盐溶解于有机溶剂中，通过加入蒸馏水使醇盐水解、聚合、形成溶胶，然后随着水的加入转变成凝胶。

凝胶在真空状态下低温干燥，得到疏松的干凝胶，再将其高温煅烧，可得到氧化物纳米陶瓷粉体。

采用溶胶凝胶法很容易合成A1203、Fe23、Zr02以及氧化物复合粉等纳米粉体。

喷雾热解法：将金属盐溶液以雾状喷人高温气氛中，此时立即引起溶剂的蒸发和金属盐的热分解，随后因过饱和而析出固相，从而直接得到氧化物纳米粉体。

或者将溶液喷人高温气氛中干燥，然后再经热处理形成粉体。

水热合成法：是在密闭反应器中以水溶液作为反应体系，通过将水溶液加热至临界温度(或接近临界温度)来进行材料制备。

利用超临界的水热合成装置，可连续获得Fe203、Ti02、Zr02、BaO·6Fe23、Fe34、NiO、Ce02等一系列纳米氧化物粉体。

国外采用气相氢氧焰水解法大批量生产纳米二氧化钛粉体，对于CdS、In2S3、ZnS、SnS2、CoS2等纳米粉体都可用热合成。

5.纳米陶瓷的应用及其发展趋势纳米陶瓷是纳米材料的一个分支，是指平均晶粒尺寸小于100nm的陶瓷材料。

纳米陶瓷属于三维的纳米粉体材料，其晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的。

从以上纳米陶瓷的微观结构分析，纳米陶瓷最可能获得的性能有以下几方面：室温超塑性是纳米陶瓷最具吸引力的潜在性能之一，也是纳米陶瓷最具应用前景的方面之一。

众所周知．普通陶瓷材料由于太硬太脆，加工极困难．很难像金属一样进行切割、钻孔等操作，这也是普通陶瓷材料的应用受局限的原因之一。

纳米陶瓷的室温超塑性将使得陶瓷在保留其耐化学腐蚀、耐高温高压等优良性能的前提上，有可能像其他材料一样进行锻造、挤压、拉拔、弯曲等特种加工，不需磨削，直接制备精密尺寸的零件。

高韧性是纳米陶瓷的另一项潜在的优良性能。

陶瓷材料尽管有耐磨损、耐腐蚀等优异性能，但由于其固有的脆性，在人们心妇中总是以一种“易碎品”的形象存在，其应用范围远远小于钢铁、塑料等主流的应用材料，纳米陶瓷的出现将有可能彻底改变其形象。

研究已充分表明，纳米陶瓷可在比普通陶瓷低几百度的温度下完成烧结。

不少纳米陶瓷材料都已实现在1000℃以下致密化，而且还有可能继续大幅降低。

这样不仅可以节省大量宝贵的能源，同时也有利于环境的净化。

除了以上所列举的基于结构性能方面的应用，纳米陶瓷另一重要性能是在功能方面。

陶瓷材料的电、磁、光、声等性能常常与其晶界相有很大的关系。

由于纳米陶瓷的晶粒小，单位体积中晶界相的比例远远高于普通的粗晶粒陶瓷，同时晶界相的组成也可能与普通粗晶粒陶瓷有极大的不同，因此有可能给陶瓷的性能带来很多意想不到的变化。

纳米陶瓷作为一种新型的高性能陶瓷,将越来越受到世界各国科学家的关注。

纳米陶瓷材料的发展是现代物理和先进技术结合的产物, 是近年来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之一。

纳米陶瓷的研究与发展,必将引起陶瓷工业的发展与变革,引起陶瓷学理论上的发展乃至新的理论体系的建立,以适应纳米尺度的研究需要,从而使纳米陶瓷材料具有更佳的性能,使其在工程领域乃至日常生活中得到更广泛的应用。