什么是納米陶瓷-納米陶瓷的制備工藝

什么是納米陶瓷

為了克服傳統(tǒng)陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金屬似柔韌性和可加工性，研究人員結合納米技術，開發(fā)除了納米陶瓷隨之產(chǎn)生。納米陶瓷是將納米級陶瓷顆粒、晶須、纖維等引入陶瓷母體，以改善陶瓷的性能而制造的復合型材料，其提高了母體材料的室溫力學性能，改善了高溫性能，并且此材料具有可切削加工和超塑性。納米陶瓷是近20年發(fā)展起來的新型超結構陶瓷材料。

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。 納米耐高溫陶瓷粉涂層材料是一種通過化學反應而形成耐高溫陶瓷涂層的材料。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(chǎn)生重要影響，為替代工程陶瓷的應用開拓了新領域。

納米陶瓷的特性

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。

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（0.1～100nm）尺寸的亞穩(wěn)態(tài)中間物質(zhì)。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(chǎn)生了塊狀材料所不具有的特殊的效應。

納米粉體材料具的優(yōu)良性能包括

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溫度、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(chǎn)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。

納米陶瓷的制備工藝

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。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。

1、氣相合成工藝

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。

化學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(jīng)加熱直接蒸發(fā)成氣態(tài)，以產(chǎn)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(nèi)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Z有希望的途徑之一。

2、凝聚相合成（溶膠一凝膠法）

凝聚相合成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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)小于10nm的SiO2、Al2O3和TiO2納米團。

從納米粉體制成塊狀納米陶瓷材料，就是通過某種工藝過程，除去孔隙，以形成致密的塊狀納米陶瓷材料，而在致密化的過程中，又保持了納米晶的特性。方法有：

（1）原位凝固法：在反應室內(nèi)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(jīng)漏斗送入壓縮器，壓縮成一定形狀的塊狀納米陶瓷材料。

（2）沉降法：如在固體襯底上沉降。

（3）燒結或熱壓法：燒結溫度提高，增加了物質(zhì)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。

納米陶瓷的應用

我們以氧化鋯納米陶瓷為例來了解下納米陶瓷的應用。

氧化鋯納米陶瓷硬度高、耐磨損、斷裂韌性高，被譽為“陶瓷鋼”。

在結構陶瓷方面，由于氧化鋯陶瓷具有高韌性、高抗彎強度和高耐磨性，優(yōu)異的隔熱性能，熱膨脹系數(shù)接近于鋼等優(yōu)點，因此被廣泛應用于結構陶瓷領域。主要有：Y-TZP磨球、分散和研磨介質(zhì)、噴嘴、球閥球座、氧化鋯模具、微型風扇軸心、光纖插針、光纖套筒、拉絲模和切割工具、耐磨刀具、服裝紐扣、表殼及表帶、手鏈及吊墜、滾珠軸承、高爾夫球的輕型擊球棒及其它室溫耐磨零器件等。

在功能陶瓷方面，其優(yōu)異的耐高溫性能作為感應加熱管、耐火材料、發(fā)熱元件使用。氧化鋯陶瓷具有敏感的電性能參數(shù)，主要應用于氧傳感器、固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）和高溫發(fā)熱體等領域。ZrO2具有較高的折射率（N-21^22），在超細的氧化鋯粉末中添加一定的著色元素（V2O5, MoO3, Fe2O3等），可將它制成多彩的半透明多晶ZrO2材料，像天然寶石一樣閃爍著絢麗多彩的光芒，可制成各種裝飾品。另外，氧化鋯在熱障涂層、催化劑載體、醫(yī)療、保健、耐火材料、紡織等領域正得到廣泛應用。