08化本班 05号 黄榕 纳米材料在陶瓷领域的应用新进展_纳米陶瓷的发展现状
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纳米材料在陶瓷领域的应用新进展
黄榕
（琼州学院理工学院 海南 五指山 572200）
摘要:纳米陶瓷是近几年来发展起来的先进材料,受纳米微粒基本物理效应的作用,在力、光、电、热、磁等方面具有许多优异性能,特别是室温超塑性、高韧性、低温易烧结等潜在性能将大大拓宽陶瓷材料的应用领域[1]。
关键词:纳米陶瓷;性能;应用
1.引言
先进陶瓷材料在高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，然而，脆性是陶瓷材料难以克服的弱点。英国材料学家Cahn曾评述，通过改进工艺和化学组分等方法来克服陶瓷脆性的尝试都不太理想，无论是固溶掺杂的氮化硅、相变增韧的氧化锆要在实际中作为陶瓷发动机材料还不能实现。纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径之一[2]。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。2.纳米技术与纳米陶瓷
利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料-纳米氧化锆（VK-R50）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，晶界数量大幅度增加，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，为替代工程陶瓷的应用开拓了新领域[3]。
2.1 纳米陶瓷的性能
(1)纳米陶瓷材料具有极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能，可以降低材料的烧结致密化程度、节约能源；
(2)使材料的组成结构致密化、均匀化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性；(3)可以从纳米材料的结构层次(1～100 nm)上控制材料的成分和结构，有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能，而使纳米材料的组织结构和性能的定向设计成为可能。
另外，陶瓷是由陶瓷原料成型后烧结而成的，而且陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能。如果粉料的颗粒堆积均匀、烧成收缩一致且晶粒均匀长大，则颗粒越小产生的缺陷就越小，所制备的材料的强度就相应越高，这就可能出现一些大颗粒材料所不具备的独特性能。纳米陶瓷最重要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，特别是在高温下使硬度、强度得以较大的提高[4]。
2.2 纳米陶瓷的研发
纳米陶瓷具有类似于金属的超塑性是纳米材料研究中令人注目的焦点。例如，纳米氟化钙和纳米氧化钛陶瓷在室温下即可发生塑性形变，180℃时，塑性形变可达100%。存在预制裂纹的试样在180℃下弯曲时，也不发生裂纹扩展。九十年代初，日本的新原皓一（Niihara）报道用纳米SiC颗粒复合氧化铝材料的强度可达到1GPa以上，而常规的氧化铝基陶瓷强度只有350-600MPa。Al2O3/SiC纳米复合材料在1300℃氩气中退火2小时后强度提高到1.5GPa，它的高力学性能是与纳米复相陶瓷的精细显微结构直接相关的。德国马普冶金材料研究所的科研人员将聚甲基硅氮烷在高温下裂解后，制得的-Si3N4微米晶与-SiC纳米晶复合陶瓷材料。它具有良好的高温抗氧化性能，可在1600℃的高温使用（氮化硅材料的最高使用温度一般为1200-1300℃）。他们最新进展是通过添加硼化物提高材料的热稳定性，利用生成BN的包覆作用稳定纳米氮化硅晶粒，将这种Si-B-C-N陶瓷的使用温度进一步提高到2000℃，这是迄今国际上使用温度最高的块体陶瓷材料[2]。3.纳米陶瓷的应用
3.1 纳米陶瓷在军事领域中的应用及趋势
虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的室温和高温力学性能、拉弯强度、断裂韧性使其在切削工具、轴承、发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景。
3.1.1 防护材料
普通陶瓷在被用作防护材料时，由于其韧性差，受到弹丸撞击后容易在撞击区出现显微破坏、垮晶、界面破坏、裂纹扩展等一系列破坏过程，从而降低了陶瓷材料的抗弹性能。纳米陶瓷高活性和耐冲击的性能，可有效提高主战坦克复合装甲的抗弹能力；增强速射武器陶瓷衬管的抗烧蚀性和抗冲击性；由防弹陶瓷外层和碳纳米管复合材料作衬底，可制成坚硬如钢的防弹背心；在高射武器方面如火炮、鱼雷等，纳米陶瓷可提高其抗烧结冲击能力，延长使用寿命。目前，国外复合装甲已经采用高性能的高弹材料。在未来的战争中，若能把纳米陶瓷用于车辆装甲防护，会具有更好抗弹、抗爆震、抗击穿的能力，提供更为有力的保护。3.1.2 吸波材料
陶瓷材料除具有优良的力学性能和热物理性能外，高的机械强度、化学稳定性好，同时又具有吸波功能，能满足隐身要求，已被广泛用作吸收剂。据报道，F-117隐身飞机的尾喷管上用的就是陶瓷吸波材料，可以承受1093℃的高温，法国采用陶瓷复合纤维也制造出了无人驾驶的隐身飞机。随着技术的进步，吸波材料向“薄”、“轻”化发展；兼容吸收毫米波、厘米波和米波；追求宽频带吸收。而纳米材料在这方面具有得天独厚的条件：良好的吸波性能；宽频带、兼容性好、质量轻、厚度薄等特点，使得纳米陶瓷材料成为陶瓷吸波材料研究重要方向之一。目前研究较多的纳米碳化硅陶瓷吸波材料，不仅吸波性能好、能减弱发动机红外信号，而且具有密度小、强度高、韧性好、电阻率大等特点，是国内外发展很快的吸收剂之一[5]。3.2 纳米陶瓷粉体在日用功能制品领域中的应用
高性能的纳米陶瓷粉体材料具有其多种奇特和优良的功能特性，在国外最先应用于军事领域，或以军事为背景的电子、信息、航空和航天等领域，随后逐渐向民用领域发展，在军事、能源、化学化工、敏感材料、光电、环保食品和生物医药等国民经济的各个领域有着十分广阔的应用前景，在人们的日用生活制品领域可涉及衣、食、住、行的各个方面，可显著地改善人们的生活环境、身体健康和生活质量。目前在纺织纤维、塑料橡胶、日用化学、饮食容器、建筑涂料、家用电器和陶瓷制品中，已有许多相关纳米陶瓷功能产品问世并开始销售。这些产品大多由于采用纳米材料，其纳米效应（量子尺寸效应等）使得其制品具有奇异和优良的光电特性和化学活，如电饭煲、电压力锅的内锅需要采用纳米陶瓷涂料。该项目研制的涂料采用无机质的陶瓷经过纳米技术处理和机能性添加剂结合，加水分解和缩合过程后，最终形成精密的、高强度的纳米陶瓷涂料，以金属为基质的内锅表面经过超硬化处理后，在低温下（200摄氏度以下）固化成形，表面硬度高，无任何毒性和腐蚀性物质，无任何气味，具有节能、耐高温、不粘、安全等特点。采用纹路技术的电饭煲、电压力锅的风锅，其特征在于锅体内壁均布多边形或圆形或椭圆形凹槽，特点是内锅加热辐射面积增加，扩大内锅受热面积，节约热源。大米或烹饪的食物与锅体均布有间隙，水填充其中，加热时水汽传热更充分，底部受热均匀，不糊底[6]。
3.3 纳米陶瓷在汽车工业中的应用 纳米陶瓷不仅由于其烧成温度降低数百度而使能耗大幅度减少，成本降低，有利于推广应用，还因为纳米陶瓷有其独特的与传统陶瓷无与伦比的优良性能而将会被广泛应用。比如，纳米陶瓷由于具有高硬度、低温、超塑性、高韧性、耐磨性以及耐高温高压性、抗腐性、气敏性、易加工可切削性等性能而拓展了它在汽车工业中应用的领域。
(l)纳米陶瓷既可作连杆、推杆、轴承、气缸内衬、活塞顶等材料，又可作氧传感器材料以用于检测汽车尾气，还可制造用于燃料电池汽车中的高温燃料电池。如纳米ZrO陶瓷材料等。用纳米陶瓷作为气缸内衬材料时，因耐高温且高温高强，可促使燃料燃烧，使燃料的热效率提高。
(2)纳米陶瓷作为汽车发动机的零部件材料和抗腐蚀材料，如纳米Si3N;陶瓷等。(3)纳米陶瓷粒子涂覆于汽车玻璃表面可起到防污和防雾、隔热作用，还具有保洁杀菌功能。
(4)纳米陶瓷粒子掺入高分子塑料和橡胶中能显著提高拉伸强度、冲击韧性、弹性模量、静电屏蔽性和耐老化性、阻燃自熄灭性，不仅汽车内饰材料轻便化、抗菌自洁、抗静电、防变脆，降低材料破坏速率和摩擦磨损，还可以阻燃防火，使轮胎使用寿命延长;掺入油漆中，不仅能抗老化变脆、防脱落，极大地提高粘接性能、耐污染性能和汽车面漆的耐候性能，而且还具有吸波隐身功能和自修补功能。
(5)纳米陶瓷具有特殊的的磁学性能，可作为磁致冷的工作物质。
(6)纳米陶瓷粉体引起耐磨损、减摩擦等性质，可作抗磨减磨的润滑材料，且润滑效果很好[7]。
3.4 纳米陶瓷在轴承工业中的应用
轴承在机械工业中的应用极其广泛.传统的轴承材料多为金属，以油作为润滑介质.但上述材料和工况下的轴承有许多缺点，如成本高、结构复杂、污染环境等，已愈来愈不能满足实际工作的需要.陶瓷材料具有高硬度、耐高温、耐腐蚀、刚度高、热膨胀系数小、导热性好、比重小、耐磨等诸多优点，和传统轴承材料相比，它特别适用于高温、高速、强磁场及腐蚀性环境等特殊场合.目前，陶瓷材料己被成功地用来制造机床的滚动轴承、水泵的滑动轴承等.如水泵中的陶瓷滑动轴承，由于它能够在含有泥沙类固相颗粒的液体中运转，并且具有良好的耐腐蚀性，因而对于直接输送海水或江水的船用泵来说，具有特别重要的意义;加之良好的导热性能，使泵在一定的干运转期间，不会因过高的温升而发生烧毁.为使陶瓷材料在轴承工业中得到更广泛地应用，除了良好自润滑效果外，关键问题就是提高陶瓷材料的韧性.使用纳米陶瓷就是提高陶瓷材料韧性(同时提高强度等综合性能)的有效办法之一目前纳米陶瓷在轴承中的应用主要有以下几个方面: l)制成全陶瓷的纳米陶瓷，使制品与常规陶瓷材料相比，其综合性能，尤其是断裂韧性有大幅度的提高;2)将纳米陶瓷添加到橡胶等轴承材料中，改善原材料的强度和耐磨性;3)通过在原轴承材料表面涂覆纳米陶瓷涂层，提高原轴承材料的耐磨性和使用寿命[8]。
4.结语
纳米陶瓷作为一种新型高性能陶瓷，是近年发展起来的一门全新的、将成为新世纪重要的高新技术产品产业，越来越受到世界各国科学家的关注。纳米陶瓷的研究与发展必将引起陶器工业的发展与变革。目前，国外纳米陶瓷已开始产业化，但我国还处于陶瓷纳米粉体的研制阶段。纳米陶瓷要真正使产业化，还需社会各界共同努力，产学研共携手。加快科技成果的转化。纳米陶瓷以其巨大的潜在的优异性能，特别是超塑性，高韧性以及低温烧结性等，给陶瓷工业注入了新的活力。如纳米陶瓷在建筑行业、电子领域、生物领域、军事领域、精密设备领域、环保领域以及在某些领域中的抗菌方面都有广泛的应用。随着社会对高性能陶瓷的要求，纳米陶瓷将具有令人瞩目的前景，市场潜力巨大。
参考文献：
[1]王献忠.纳米陶瓷研究现状及技术发展[J].萍乡高等专科学校学报 2005，4 [2]翟华嶂,李建保,黄勇.纳米材料和纳米科技的进展、应用及产业化现状[J].清华大学新型陶瓷与精细化工国家重点实验室,2002.[3]Hayashi H, Kishida M, Wakabayashi K.Metal-support in-teraction and catalysis of the catalysts prepared using micro-emulsion.Catalysis Surveys Jap, 2002, 6(2): 9 [4]肖长江,邓相荣,栗正新.纳米陶瓷的特性和烧结.佛山陶瓷,2010 [5]江炎兰,王杰.纳米陶瓷材料的性能、制备及其在军事领域的应用前景[J].海军航空工程学院学报 2006,21(1)[6]康军军.纳米陶瓷的性能及其应用.材料物理,2008 [7]张先禹,浦鸿汀,王莹,杨妙粱.纳米陶瓷及其在汽车工业中的应用[J].上海汽车,2003,9:35-37 [8]吴光杰,王海宝.纳米陶瓷及其在轴承工业中的应用[J].西南民族大学学报,自然科学版 2003,3(29):341-343
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