纳米陶瓷的发展及研究现状刘刚

纳米陶瓷的发展及研究现状_刘刚

纳米陶瓷的发展及研究现状

刘刚王铀

( 哈尔滨工业大学材料学院150001)

摘要综述了纳米陶瓷材料近年来的发展与应用, 重点论述了纳米陶瓷的制备、性能及应用现状, 并对纳米陶瓷的未来

发展进行了展望。

关键词纳米陶瓷发展性能应用

材料、能源与信息被称为现代文明的三大支柱, 可

见材料对人类发展的重要性。材料不仅是人类进化的

标志, 而且是现代化的物质基础与先导。新型材料的

研究、开发与应用能够极大地推动社会生产力的发展,

提高国家的综合国力。

1 纳米材料

1. 1 纳米材料的概念和发展

纳米材料是指晶粒尺寸小于100 nm 的单晶体或

多晶体, 是介于宏观和微观之间的一种介观体系[ 1] 。

大约在1861 年, 随着胶体化学的建立, 科学家提

出并对直径为1~ 100 nm 的粒子进行研究; 直到20 世

纪60 年代科学家们才有意识地提出纳米粒子, 并把纳米粒子作为研究对象来探索其中的奥秘; 在20 世纪80 年代末、90 年代初掀起了纳米科技的热潮, 1990 年7 月在美国巴尔的摩召开的全世界第一届纳米科学技术学术会议, 标志着/ 纳米热潮0 的到来。纳米材料被认为是21 世纪最有前途的材料[ 2~ 3] 。

1. 2 纳米粒子的特性

纳米数量级的介观粒子具有许多微观和宏观物质

所不具有的独特性质, 主要包括表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、KUBO 效应等。1. 2. 1 表面效应

当粒子直径远远大于原子直径时( > 0. 1 Lm) 表面

原子可以忽略, 但当粒子直径逐渐接近原子直径时, 表面原子的数目及作用就不能忽略, 而且这时粒子的比

表面积、表面能和表面结合能都发生了很大的变化, 人们把这种特殊效应称为表面效应[ 4~ 5] 。由于表面原子数量的增多, 原子配位不足及高的表面能, 使这些表面原子具有高的活性, 极不稳定, 容易与其他原子结合, 这是纳米具有强烈活性的根源。

1. 2. 2 体积效应

当物质的体积减小时, 可以改变物质本身的性质,

因为纳米粒子是由有限个原子或分子组成, 改变了原

来无数个原子或分子组成的集体属性, 如金属纳米微

粒的电子结构与大块金属截然不同, 这就是纳米粒子

的体积效应。

1. 2. 3 量子尺寸效应

量子尺寸效应又称为小尺寸效应, 当粒子尺寸降

低到纳米级别时, 金属费米能级附近的电子能级由准

连续变为离散能级的现象和半导体微粒存在不连续的

最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能

级、能隙变宽现象均成为量子尺寸效应。从而导致了

纳米微粒磁、光、声、热、电, 以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。

1. 2. 4 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[ 6] 。

近年来, 人们发现一些宏观量( 如微颗粒的磁化强度和

量子相干器中的磁通量等) 也具有隧道效应, 被称为宏

观量子隧道效应。对于纳米颗粒, 这一特性的研究对

发展微电子器件具有重要的理论与实际意义, 它同量

子尺寸效应一起确定了微电子器件进一步微型化的极

限, 也限定了采用磁带进行信息储存的最短时间。

1. 3 纳米材料的性能及其应用

由于纳米颗粒具有上述的奇特性质, 使得纳米材# 8 # 陶瓷2006. No. 1

料出现了许多优良的性能。由于纳米晶体材料有很大

的比面积, 杂质在界面的浓度便大大降低, 从而提高了材料的力学性能。纳米材料晶界原子间隙的增加和气

孔的存在, 使其杨氏模量减小了30% 以上; 由于纳米

晶粒减小到纳米量级, 使纳米材料的强度和硬度比粗

晶高4~ 5 倍。

纳米材料具有超顺磁性, 其原因为: 在小尺寸下,

当各项性能减小到与热运动能可相比拟时, 磁化方向

就不再固定在一个易磁化方向, 易磁化方向做无规律

的变化, 结果导致超顺磁性的出现。纳米材料另一个

重要的磁学性质是磁热效应, 这将有广泛的用途。

纳米材料与粗晶相比比热容较大, 纳米微粒的熔

点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体低得多。

纳米颗粒的表面效应和量子效应对其光学性能有

很大影响, 主要表现为: 宽频带强度吸收、蓝移和红移。另外, 纳米材料的荧光性能、紫外到可见光的发射光谱等光学性能都有自己新的特点。

由于纳米材料具有较高的化学活性, 使其在化学

领域具有很大的应用前景, 纳米材料可以作为化学反

应的催化剂或催化剂的载体, 还可以提高化学反应的

选择性等。

正是由于纳米材料的这些优异的性能, 使得纳米

材料在许多领域取得了广泛的应用, 也产生了许多新

兴的学科, 比如纳米电子学、纳米材料学、纳米生物学、纳米制造学、纳米显微学等等。其中纳米材料学中的

纳米陶瓷的研究更是取得了巨大的进步, 不但提高了

陶瓷的传统性能, 而且还在一定程度上克服了陶瓷材

料的缺点, 极大地扩大了陶瓷材料的应用范围和领域。

2 陶瓷材料

2. 1 陶瓷的概念

传统上的陶瓷概念是以粘土和其他天然矿物为原

料, 经过粉碎、成形、烧结等工艺过程所制得的各种制品, 亦即/ 普通陶瓷0的概念。

随着人们对陶瓷材料需求的增加、工业生产的需

求, 以及各国对陶瓷工艺的研究和陶瓷产业巨大的进步, 陶瓷生产所采用的原料已经扩大到化工原料和人

工合成矿物原料, 其组成范围已经从传统的硅酸盐领

域扩展到无机非金属材料。因此, 广义的陶瓷概念是

泛指一切经高温处

理而获得的无机非金属材料。