纳米陶瓷材料的应用与发展

纳米陶瓷材料的应用与发展

新材料技术是介于基础科技与应用科技之间的应用性基础技术。而军用新材料技术则是用于军事领域的新材料技术，这部分技术是发展高技术武器的物质基础。目前，世界范围内的军用新材料技术已有上万种，并以每年5％的速

度递增，正向高功能化、超高能化、复合轻量和智能化的方向发展。常见的军用新材料技术：高级复合材料，先进陶瓷材料，高分子材料，非晶态材料，功能材料。

先进陶瓷材料是当前世界上发展最快的高技术材料，它已经由单相陶瓷发展到多相复合陶瓷，由微米级陶瓷复合材料发展到纳米级陶瓷复合材料。先进陶瓷材料主要有功能陶瓷材料和结构陶瓷材料两大类。其中，在结构材料中，人们已经研制出氮化硅高温结构陶瓷，这种材料不仅克服了陶瓷的致命的脆弱性，而且具有很强的韧性、可塑性、耐磨性和抗冲击能力，与普通热燃气轮机相比，陶瓷热机的重量可减轻 30％，而功率则提高 30％，节约燃料 50％。

陶瓷是人类最早使用的材料之一, 在人类发展史上起着重要的作用。但是, 由于传统的陶瓷材料脆性大, 韧性和强度较差、可靠性低, 使陶瓷材料的应用领域受到较大限制。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, 是指陶瓷材料的显微结构中, 晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都是在纳米级的水平上。纳米陶瓷复合材料通过有效的分散、复合而使异质纳米颗粒均匀弥散地保留于陶瓷基质结构中, 这大大改善了陶瓷材料的韧性、耐磨性和高温力学性能。纳米陶瓷材料不仅能在低温条件象金属材料那样可任意弯曲而不产生裂纹, 而且能够象金属材料那样进行机械切削加工甚至可以做成陶瓷弹簧。纳米陶瓷材料的这些优良力学性能, 使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等多方面得到广泛应用并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用。纳米陶瓷在人工关节、人工骨、人工齿以及牙种植体、耳听骨修饰体等人工器官制造及临床应用领域有广阔的应用前景。此外, 纳米陶瓷的高磁化率、高矫顽率、低饱和磁矩、低磁耗, 特别是光吸收效应都成为材料开拓应用的新领域, 是当今材料科学研究的热点。

表1 纳米陶瓷材料力学性能的改善

图1 氧化铝陶瓷试片的维氏硬度、断裂韧性与纳米α- Al2O3 粉添加量的关系一纳米陶瓷材料的性能及应用

1 优良的力学性能

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。与此同时, 材料的硬度、弹性模量、热膨胀系数都会发生改变。早在20 世纪90 年代就发现纳米陶瓷CaF2 和TiO2 在常温下具有很好的韧性和延展性能。这种纳米陶瓷材料在80~180 ℃内可产生约100%的塑性形变, 而且烧结温度降低, 能在比大晶粒样品低600 ℃的温度下达到类似于普通陶瓷的硬度。新原皓一在陶瓷基体中引入纳米分散相进行复合后, 发现复合后不同系列的纳米复相陶瓷材料, 断裂强度提高2~3 倍; 断裂韧性提高2~4 倍; 最高使用温度可达到1 200~1 500 ℃, 力学性能有了显著的改善 ( 表1) 。在氧化铝陶瓷中添加纳米α- Al2O3 粉, 发现随着纳米α- Al2O3 粉添加量的增加和成型压力的提高, 陶瓷的维氏硬度和断裂韧性都有所提高。这是因为随着纳米α- Al2O3 粉添加量的增加, 微米颗粒形成的孔隙被填充减小, 堆积密度提高, 陶瓷烧结后的密度也得到提高。此外, 添加纳米α- Al2O3 粉后, 小尺

寸晶粒增多,使裂纹扩展途径弯折, 增加了裂纹扩展长度, 降低了裂纹扩展速率, 有利于氧化铝陶瓷韧性的提高。图1 给出了氧化铝陶瓷试片的维氏硬度、断裂

韧性与纳米α-Al2O3 粉添加量的关系。虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决, 但其优良的力学性能使其具有广阔的应用前景。

2 良好的光学性能

随着现代科学技术的发展, 隐身技术在各国军事高科技领域越来越重要,

吸波材料作为实现隐身技术的方式之一, 其研究也越来越广泛。早期应用的多

属于磁性吸收材料, 如铁氧体吸波材料、金属微粉吸波材料、多晶铁纤维吸波

材料。这些材料一个很重要的特点就是在高温下失去磁性, 从而失去吸波性能, 因此磁性吸波材料一般只能用于武器常温部位的隐身。武器装备高温部位的隐

身必须采用高温吸波材料, 通常为陶瓷吸波材料, 其吸收剂为陶瓷吸收剂。与

传统的材料相比, 纳米陶瓷材料除具有优良的力学性能和热物理性能外, 由于

结构特殊, 使它在制备吸波材料方面具有其他常规材料所不具备的优点, 如矫

顽力比较高, 可引起磁滞损耗, 界面极化, 多重散射,这些都是吸波材料所必需的, 因此纳米陶瓷材料可用来制备吸波材料, 用于武器装备高温部位的隐身。

3 优良的电学性能

高性能的电子陶瓷材料一个重要的发展趋势是:用纳米粉体作为原材料生产诸如陶瓷电容器、压电陶瓷, 将纳米材料应用到陶瓷工艺中去, 生产纳米复合

或纳米改性的高技术陶瓷。蔡晓红等人利用化学沉淀法制备了锆钛酸铅( PZT)

超微细粉, 用此超微细粉制备的PZT 圧电陶瓷与传统的圧电陶瓷比较发现: 圧

电电纳米!- Al2O3 的质量分数/%压常数d33、介电常数εT都比普通PZT 数值

有很大提高, 同时材料的密度较传统低, 具有优良的压电、介电、声电等电学

性能, 因此PZT 纳米粉体被广泛用来制备压电陶瓷、微位移驱动器、超声换能

器等电子元器件。

二应用

1 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; 在高射武器方面

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防弹材料, 在未来的战争中, 若能把纳米陶瓷

用于车辆装甲防护, 会具有更好的抗弹、抗爆震、抗击穿能力, 提供更为有力

的保护。

2 高温材料

纳米陶瓷高耐热性、良好的高温抗氧化性、低密度、高断裂韧性、抗腐蚀

性和耐磨性, 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