納米陶瓷的產生

      工程陶瓷又叫結構陶瓷，因其具有硬度高、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕以及質量輕、導熱性能好等優(yōu)點，得到了廣泛的應用。但是工程陶瓷的缺陷在于它的脆性（裂紋）、均勻性差、可靠性低、韌性、強度較差，因而使其應用受到了較大的限制。隨著納米技術的廣泛應用，納米陶瓷隨之產生，希望以此來克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金屬似柔韌性和可加工性。英國材料學家Cahn指出，納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑。 
納米技術與納米陶瓷 
      利用納米技術開發(fā)的納米陶瓷材料是指在陶瓷材料的顯微結構中，晶粒、晶界以及它們之間的結合都處在納米水平（1～100nm），使得材料的強度、韌性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的許多不足，并對材料的力學、電學、熱學、磁學、光學等性能產生重要影響，為替代工程陶瓷的應用開拓了新領域。 
1．納米陶瓷粉體 
      納米陶瓷粉體是介于固體與分子之間的具有納米數(shù)量級（1～100nm）尺寸的亞穩(wěn)態(tài)中間物質。隨著粉體的超細化，其表面電子結構和晶體結構發(fā)生變化，產生了塊狀材料所不具有的特殊的效應。 
      具體地說納米粉體材料具有以下的優(yōu)良性能：極小的粒徑、大的比表面積和高的化學性能，可以顯著降低材料的燒結致密化程度、節(jié)能能源；使陶瓷材料的組成結構致密化、均勻化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性；可以從納米材料的結構層次（l～100nm）上控制材料的成分和結構，有利于充分發(fā)揮陶瓷材料的潛在性能。另外，由于陶瓷粉料的顆粒大小決定了陶瓷材料的微觀結構和宏觀性能。如果粉料的顆粒堆積均勻，燒成收縮一致且晶粒均勻長大，那么顆粒越小產生的缺陷越小，所制備的材料的強度就相應越高，這就可能出現(xiàn)一些大顆粒材料所不具備的獨特性能。 
2.納米陶瓷的制備 
      納米陶瓷的制備工藝主要包括納米粉體的制備、成型和燒結。目前世界上對納米陶瓷粉體的制備方法多種多樣，但應用較廣且方法較成熟的主要有氣相合成和凝聚相合成2種，再加上一些其它方法。 
      氣相合成：主要有氣相高溫裂解法、噴霧轉化法和化學氣相合成法，這些方法較具實用性?；瘜W氣相合成法可以認為是惰性氣體凝聚法的一種變型，它既可制備納米非氧化物粉體，也可制備納米氧化物粉體。這種合成法增強了低溫下的可燒結性，并且有相對高的純凈性和高的表面及晶粒邊界純度。原料的坩堝中經加熱直接蒸發(fā)成氣態(tài)，以產生懸浮微粒和或煙霧狀原子團。原子團的平均粒徑可通過改變蒸發(fā)速率以及蒸發(fā)室內的惰性氣體的壓強來控制，粒徑可小至3～4nm，是制備納米陶瓷最有希望的途徑之一。 
      凝聚相合成（溶膠一凝膠法）：是指在水溶液中加入有機配體與金屬離子形成配合物，通過控制PH值、反應溫度等條件讓其水解、聚合，經溶膠→凝膠而形成一種空間骨架結構，再脫水焙燒得到目的產物的一種方法。此法在制備復合氧化物納米陶瓷材料時具有很大的優(yōu)越性。凝聚相合成已被用于生產小于10nm的SiO2、Al2O3和TiO2納米團。 
      從納米粉制成塊狀納米陶瓷材料，就是通過某種工藝過程，除去孔隙，以形成致密的塊材，而在致密化的過程中，又保持了納米晶的特性。方法有：沉降法：如在固體襯底上沉降；原位凝固法：在反應室內設置一個充液氮的冷卻管，納米團冷凝于外管壁，然后用刮板刮下，直接經漏斗送人壓縮器，壓縮成一定形狀的塊材；燒結或熱壓法：燒結溫度提高，增加了物質擴散率，也就增加了孔隙消除的速率，但在燒結溫度下，納米顆粒以較快的速率粗化，制成塊狀納米陶瓷材料。 
3.納米陶瓷的特性 
      90年代初，日本Niihara首次報道了以納米尺寸的碳化硅顆粒為第二相的納米復相陶瓷，具有很高的力學性能。納米顆粒Si3N4、SIC超細微粉分布在材料在內部晶粒內，增強了晶界強度，提高了材料的力學性能，易碎的陶瓷可以變成富有韌性的特殊材料。 
      納米陶瓷的特性主要在于力學性能方面，包括納米陶瓷材料的硬度，斷裂韌度和低溫延展性等。納米級陶瓷復合材料的力學性能，特別是在高溫下使硬度、強度得以較大的提高。有關研究表明，納米陶瓷具有在較低溫度下燒結就能達到致密化的優(yōu)越性，而且納米陶瓷出現(xiàn)將有助于解決陶瓷的強化和增韌問題。在室溫壓縮時，納米顆粒已有很好的結合，高于500℃很快致密化，而晶粒大小只有稍許的增加，所得的硬度和斷裂韌度值更好，而燒結溫度卻要比工程陶瓷低400～600℃，且燒結不需要任何的添加劑。其硬度和斷裂韌度隨燒結溫度的增加（即孔隙度的降低）而增加，故低溫燒結能獲得好的力學性能。通常，硬化處理使材料變脆，造成斷裂韌度的降低，而就納米晶而言，硬化和韌化由孔隙的消除來形成，這樣就增加了材料的整體強度。因此，如果陶瓷材料以納米晶的形式出現(xiàn)，可觀察到通常為脆性的陶瓷可變成延展性的，在室溫下就允許有大的彈性形變。 
      由于納米陶瓷具有的獨特性能，如做外墻用的建筑陶瓷材料則具有自清潔和防霧功能。隨著高技術的不斷出現(xiàn)，人們對納米陶瓷寄予很大希望，世界各國的科研工作者正在不斷研究開發(fā)納米陶瓷粉體并以此為原料合成高技術納米陶瓷。