纳米陶瓷及其应用

纳米陶瓷及其应用

摘要介绍了纳米材料的特性阻及钠米陶瓷的制备方法，针对纳米陶瓷特有的特性，介绍了纳米陶瓷材料在信息、生物、抗菌、压电、增韧、军事、涂料工业以及汽车工业等领域的特殊应用，并对纳米陶瓷的应用前景提出了几个发展方向。关键词纳米陶瓷；制备；特性；应用

Abstract Introduces the characteristics of nano material and nano resistance ceramic preparation method, aiming at the characteristic of nano ceramics, nanometer ceramic materials in information, biology, antibacterial, piezoelectric, toughening, military, coating industry and the automotive industry in areas such as special application, and the application prospect of nano ceramic put forward several development directions. Keyword Nano ceramic; preparation; characteristics; application

1 引言

纳米陶瓷的研究始于20世纪80年代中期，它是指通过有效的分散、复合使异质相纳米颗粒均匀、弥散地保留于陶瓷基质结构中而得到的复合材料，当其具有某种特殊功能时便称之为纳米功能陶瓷。现今，通过对纳米尺度的复杂多元氧化物体系的物理、化学及结构、组成、性能和使用效能等相互关系的研究，并借助于离子置换、掺杂等方法调节优化其功能，已经出现了许多具有优异性能或特殊性能的纳米陶瓷。

目前，各国都相继加大了对纳米陶瓷研究的力度，以便能使性能优良的陶瓷材料与新兴的纳米科技结合，产生1+1>2的效果，使纳米陶瓷具有特殊的使用性能。通过往陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等，使晶粒、晶界以及他们之间的结合都达到纳米水平，使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。纳米陶瓷克服了工程陶瓷许多不足，对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生了重要影响，为工程陶瓷开拓了新的应用领域1。

2 纳米陶瓷

所谓纳米陶瓷是指在显微结构中物相所具有的纳米级尺度的陶瓷材料，就是说晶粒尺寸，晶界的宽度，第二相分布，缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上，它被认为是陶瓷研究发展的第三个台阶。陶瓷粉料颗粒大小决定了陶瓷材料的徽观结构和宏观性能。

3 纳米陶瓷的制备方法2

3.1 气相合成法

气相合成法主要有热化学气相反应法，激光气相法和等离子体气相合成法。

3.1.1 热化学气相反应法(CVD法)

CVD法是目前世界上用于制备纳米粉体的常用方法，CVD法制备纳米粉体工艺是一个热化学气相反应和形核生长的过程．在高于热力学计算，临界反应温度条件下，反应产物的蒸气形成很高的过饱和蒸气压，使得反应产物自动凝聚形成大量的核，这些核在加热区不断地长大聚积成颗粒，在合适的温度下会晶化成为徽晶．随着载气气流的输运和真空的抽送，反应产物迅速离开加热区进入低温区，颗粒生长、聚集、晶化过程停止，最后进入收集室收集起来，就可以获得所需的纳米粉体．此工艺过程可通过调节浓度、流速、温度和组成比例等工艺参数获得最佳工艺条件，实现对纳米粉体组成、形貌、尺寸和晶相等的控制．CVD 法可制备出SiC，Si3N4等单相粉体，并且被用来制备各种复合粉体．能制备出小于35姗的无定形SiC／Si3N4纳米粉体，且做到SiC／Si3N4比例可调，该设备简单，采用电阻炉外加热方式，通过工艺参数调节，制备不同晶型和尺寸的粉体，全套工艺便于放大，但是产物便于在炉管壁沉淀成型，产率不高。

3.1.2 激光气相法

以激光为快速加热热源，利用反应气体分子对特定激光束的吸收布产生热解或化学反应，在瞬间完成了气相反应的成核，长大或终止，形成超细微粒。通常采用连续波CO2激光器，式加热速率快，高温驻留时间短，迅速冷却，可获得均匀超细，最低尺寸小于10 nm的粉体。此法污染小。

3.2 湿化学法3

湿化学法主要使用于纳米氧化物粉体，它具有无需高真空、易放大的特点，并能得到性能优异的粉体。对纳米的粒子团聚体的形成或强度的控制是该法关键。可通过共沸蒸馏有机溶剂的洗涤等方法进行有效的控制，可致密度可达到理论上的98.5％以上。湿化学法包括化学深沉淀法，高压水热法和乳浊液法等几种方法。

3.3 溶胶凝胶法

此方法的基本的工艺过程包括醇盐或无机盐水解→SOL→GEL→干燥、焙烧→纳米粉体，也可以运用有机金属化合物作起始原料，制备非氧化物超细陶瓷粉体，溶液的PH值、浓度、反应温度和反应时间的几个重要参数对溶胶凝胶化过程有着重要影响。

4 纳米陶瓷的特性4

4.1 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-223℃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有较大程度的改善。

4.2 高韧性

传统的陶瓷由于其粒径较大，表现出很强的脆性!而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。

4.3 超塑性

所谓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。普通陶瓷材料只有在1000℃以上!应变速率＜10-4s-1时才表现出塑性" 而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％。

4.4 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。

4.5 磁学性能

纳米颗粒由于尺寸超细!一般为单畴颗粒，其磁化过程由晶粒的磁各向异性和晶粒间的磁相互作用所决定。晶粒的磁各向异性与颗粒的形状，晶体结构内应力以及晶粒表面的原子状况有关。另外在纳米材料中存在大量的界面成分，当晶粒尺寸减小到纳米级时，晶粒之间的铁磁性相互作用并开始对材料的宏观磁性产生重要影响。

5 纳米陶瓷的应用5

5.1 信息领域