纳米陶瓷的性能特点、制备及发展趋势

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纳米陶瓷的性能特点、制备及发展趋势

工程陶瓷又叫结构陶瓷，因其具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀以及质量轻、导热性能好

等优点，得到了广泛的应用。陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起

着举足轻重的作用。但由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，可靠性低因而使其应用

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，正好克服了陶瓷材料的上

述缺陷，使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。为此，有材料专家指出，纳米陶瓷是解

决陶瓷脆性的战略途径，因此受到业内人士的广泛关注。

1 神奇的纳米技术孕育着技术变革

纳米科技是 20 世纪 90 年代初诞生并迅速发展和渗透到各学科领域的一门崭新的高科技。

由于它在 21 世纪产业革命中具有战略地位，因而受到世界的普遍关注。有人说，70 年代微电

子学产生了世界性的信息革命，那么纳米科技将是 21 世纪信息革命的核心。

“ ”目前被各界炒得沸沸扬扬的纳米 ,其实只是一种几何尺寸的计量单位，如同厘米、分米和米一

样，1nm 相当于四五十个原子排到一起来的长度，还不到头发丝粗细的十万分之一。纳米结构

通常是指尺寸在 100nm 以下的微小结构。一门以 0.1~100nm 长度为研究对象、在这一水平上对

物质和材料进行研究、处理的技术，这就是纳米技术。

纳米技术以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的原子、分子世界，它的最终目的是直接以原

子成分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物

“ ”质的技术，也称之为分子制造学 , “ ”可称得上是在针尖上跳舞的技术。世界各国的很多科学家

──都认定：由化学、物理学、生物学、电子学等各种学科交叉形成的新学科纳米技术，正昭

示着产业革命的曙光，其影响将比20 世纪后半叶微电子学所起的作用还要大。正如微电子技

术引发了信息革命一样，纳米科学技术将成为新世纪信息时代的核心。

纳米技术源于这样一种机理：当材料被加工到纳米一级的技术状态时，其物理性能和化学性质

会发生出于意料的变化，主要表现在强度、韧度、比热、导电率、扩散率、磁化率以及对电磁

“吸收性发生巨大变化等等，因此，利用纳米技术选定原子构成分子，制造出各种各样具有特

”异功能的新材料，将这些功能特异的新材料添加到产品中，可以使产品表现出意想不到的新

性能。

目前纳米技术已在新材料、通信、医药等领域得到普遍应用。例如在陶瓷中掺入少量纳米粉，

可使其具有类似于铁的可弯曲性；使金属产生室温下的超塑性；将材料表面纳米化，可大大提

高材料的强度。纳米颗粒还有防静电、防紫外线、抗菌等多种功能。

21 世纪的技术革新，很大程度上是靠弄清更加微观的现象和据此发展操作技术来支撑的。但

是，基于宏观的角度，追求更加微观的世界这种传统的技术开发，在很多领域都将迎来极限。

如果没有与传统技术根本不同的新发现，就无法登上新的台阶。利用纳米技术开发的纳米陶瓷

材料是指在陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米水平

（1~100nm），使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的许多不足，并

对材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响，为替代工程陶瓷的应用开拓了

新领域。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使

陶瓷具有像金属似柔韧性和可加工性。纳米耐高温陶瓷粉涂层材料是一种通过化学反应而形成

耐高温陶瓷涂层的材料。

纳米技术就是发现量子效果的人工的独特的结构技术。也就是说，它在本质上从一开始就是以

量子论支配世界为前提的。

21 “ ” “ ” “ ”世纪被称为光的时代、高度信息化时代和生物工程时代等，但是无论哪一个，它的技

术的关键都是量子效果。因此纳米技术有可能引起计算机革命、光革命甚至生物工程革命，其

影响将不亚于电力代替蒸汽的革命。

更为重要的是纳米技术本身所涉及的是科技发展到一定阶段必须解决的一个问题，是信息和生

命科学技术能够进一步发展的共同基础，所以，纳米技术的意义已远远超过了信息技术和生命

科学。利用纳米化材料特殊的磁、光、电等性质，可以开发出难以计数的新的元器件、在信息

工程、生物工程等方面发挥重要作用，从而衍生出新的技术、新的高科技产业群。纳米技术渗

入生物学领域还将迅速改变农业和医学的面貌，人类生活方式将在这两项科技的结合中迅速出

现革命性的变化，今后的科学发展方向和手段将依赖纳米技术。

2 纳米陶瓷的性能特点突显

90 年代初，日本首次报道了以纳米尺寸的碳化硅颗粒为第二相的纳米复相陶瓷，具有很高的力

学性能。纳米颗粒 Si3N4,SiC 超细微粉-纳米氧化锆（VK-R50）分布在材料的内部晶粒内，增

强了晶界强度，提高了材料的力学性能，易碎的陶瓷可以变成富有韧性的特殊材料。

据介绍，纳米材料可以接收外界环境的能量，比如光能和热能，吸收这些能量之后，由低能转

向高能，再由高能转向低能，在能量的转换过程中释放出2~18mm 的原红外线。而 2~18mm 的

原红外线也正是人类的生命波长，易被人体吸收。纳米保健杯就是利用其自身的这种特性，在

陶瓷釉面加入纳米材料。纳米材料能使水的大分子团断裂变小，更接近人体细胞水，更容易被

人体吸收，且能有效杀灭水中的有害细菌，降解有害物质，沉淀重金属等。长期饮用，它可以

促进新陈代谢、改善微循环、稳定血压、预防动脉硬化、防止结石，达到排毒养颜、延年益寿

的功效。

所谓纳米陶瓷，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。陶瓷业是我国一个比较古老的行

业，但我国新型陶瓷品种还不能满足日益发展的市场需要，把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，将使这一现状得到改变。

纳米陶瓷的特性主要在于力学性能方面，包括纳米陶瓷材料的硬度，断裂韧度和低温延展性

等。纳米级陶瓷复合材料的力学性能，特别是在高温下使硬度、强度得以较大的提高。有关研

究表明，纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性，而且纳米陶瓷出现将有助

于解决陶瓷的强化和增韧问题。在室温压缩时，纳米颗粒已有很好的结合，高于 500℃很快致

密化，而晶粒大小只有稍许的增加，所得的硬度和断裂韧度值更好，而烧结温度却要比工程陶

瓷低 400~600℃,且烧结不需要任何的添加剂。其硬度和断裂韧度随烧结温度的增加（即孔隙度

的降低）而增加，故低温烧结能获得好的力学性能。通常，硬化处理使材料变脆，造成断裂韧

度的降低，而就纳米晶而言，硬化和韧化由孔隙的消除来形成，这样就增加了材料的整体强

度。因此，如果陶瓷材料以纳米晶的形式出现，可观察到通常为脆性的陶瓷可变成延展性的，

在室温下就允许有大的弹性形变。

目前，人们着眼于不同层次微观复合陶瓷研究，大量的韧化理论和近年来的实验资料表明，纳

米陶瓷复合材料（CNC）的强度可得到明显的改善，特别是高温性能.

微米陶瓷复合材料是在陶瓷基体材料中引入微米级的颗粒、片晶、品须和纤维等第二相而形成

的复合材料，其主要目的是改善陶瓷材料的断裂韧性。纳米陶瓷复合材料是新近发展起来的一

种陶瓷复合材料，复合体系中至少有一相为纳米尺寸。陶瓷纳米材料的研究发现不仅可使基体

材料的室温力学性能（如常温硬度度、强度和断裂韧性等）得到提高，而且可显着改善材料的

高温性能（如高温硬度、强度、蠕变拉力、耐热冲击性能等），同时发现具有可切削加工性和

超塑性。

纳米复合陶瓷与普通陶瓷材料相比，在力学性能、表面光洁度、耐磨性以及高温性能诸方面都

有明显改善。近年来国内外对纳米复相陶瓷的研究表明，在微米级基体中引入纳米分散相进行

复合，可使材料的断裂强度、断裂韧性提高2~4 倍，使最高使用温度提高400~600℃,同时还可

提高材料的硬度和弹性模量，提高抗蠕变性和抗疲劳破坏性能。由于纳米陶瓷具有的独特性

能，如作外墙用的建筑陶瓷材料则具有自清洁和防雾功能。纳米粉体具有体积效应、表面效

应、量子尺寸效应、介电限域效应等各种效应，所以纳米粉体表现出强吸光能力、高活性、高

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摘要：

纳米陶瓷的性能特点、制备及发展趋势工程陶瓷又叫结构陶瓷，因其具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀以及质量轻、导热性能好等优点，得到了广泛的应用。陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。但由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，可靠性低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，正好克服了陶瓷材料的上述缺陷，使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。为此，有材料专家指出，纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径，因此受到业内人士的广泛关注。1神奇的纳米技术孕育着技术变革纳米科技是20世纪90年代初诞生并迅速发展和渗透到各学科领域的一门崭新的高科...

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