纳米陶瓷材料及其在军事领域的应用前景

纳米材料导论

纳米陶瓷材料及其在军事领域的应用前景

纳米陶瓷材料及其在军事领域的应用前景

摘要：近期以来外军专家纷纷指出：纳米军事离我们并不遥远，纳米技术革命并非海市蜃楼，纳米

战争从实验室走向未来战场将使新知世界大门洞开，届时联合作战态势更加复杂多变，战争更加扑朔

迷离……进入21世纪，科技发展如火如荼，军事变革风起云涌。站在历史新起点上审视，到底什么科

技能够像核能和微电子技术一样，对未来军事发展产生革命性的深远影响，并将主导新一轮军事变革？

国外专家不约而同地指出：“纳米技术将在21世纪引发重大变革，并成为新的技术革命的核心！”

Abstract: since the recent foreign experts have pointed out that: nano military is not far away from us, not the Nanotechnology Revolution mirage, nano war from the laboratory to the battlefield of the future will make the new world the gate opens, then joint combat situation more complex, more whirling war...... Enter the twenty-first Century, science and technology development like a raging fire, military reform be raging like a storm. Standing on the new historical starting point to examine, what technology can be like nuclear and microelectronic technology, bringing revolutionary far-reaching influence on the future military development, and will lead the new revolution in military affairs? Foreign scholars pointed out: "nanotechnology will cause great change in twenty-first Century, and become the core of the new technological revolution!"

一．纳米陶瓷及其发展历程

陶瓷材料在日常生活、工业生产及国防领域中起着举足轻重的作用。但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了很大限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服传统陶瓷的脆性，使其具有像金属一样的柔韧性和可加工性。与传统陶瓷相比。纳米陶瓷的原子在外力变形条件下自己容易迁移，因此表现出较好的韧性与一定的延展性，因而从根本上解决了陶瓷材料的脆性问题。英国著名材料科学家卡恩在Nature杂志上撰文道：“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。”

中国的陶器可追溯到9000年前,瓷器也早在4000年前出现。最初利用火煅烧粘土制成陶器。后来提高燃烧温度的技术出现, 发现高温烧制的陶器, 由于局部熔化而变得更加致密坚硬, 完全改变了陶器多孔、透水的缺点, 以粘土、石英、长石等矿物原料烧制而成的瓷器登上了历史舞台。新型陶瓷诞生于20 世纪二三十年代, 科学技术高速发展,对材料提出了更高的要求。在传统陶瓷基础上, 一些强度高、性能好的新型陶瓷不断涌现, 它们的玻璃相含量都低于传统陶瓷。纳米陶瓷的研究始于80 年代中期。

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、缺陷尺寸都限于100nm以下，是上世纪80年代中期发展起来的新型陶瓷材料。由于纳米陶瓷晶粒的细化，品界数量大幅度增加，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，从而呈现出与传统陶瓷不同的独特性能，成为当今材料科学研究的热点。

二．纳米陶瓷的制备方法

2．1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Ti0

2

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。2．2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(CH

3)

2

C1

2

、NH

3

、H

2

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／Si

3N

4

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A1

20

3

、Si

3

N

4

、Si

3

N

4

／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Y

20

3

一Zr0

2

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A1

20

3

、Fe

2

3

、Zr0

2

以及氧化物复合粉等纳米粉体。天津大学的侯峰等人

也因此法制备了钙钛矿纳米陶瓷薄膜。