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關于納米陶瓷材料的三問三答

2017-06-13 16:04:30 作者：本網整理來源：粉體圈分享至：

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，這就可能出現一些大顆粒材料所不具備的獨特性能。隨著許多領域對材料提出了更高的要求和納米材料及技術的廣泛應用，納米陶瓷材料應運而生。

Q1：我對納米陶瓷材料不熟，簡單來說它是什么東西呢？

A：納米陶瓷材料依據性能可分為兩大類型：一類是納米結構陶瓷，另一類是納米功能陶瓷。

前者是在傳統陶瓷粉體中通過加入納米顆粒，或是將傳統陶瓷粉體納米化，通過在燒結凝固時控制凝固或結晶相的大小和分布，從而改變陶瓷顯微結構以提高其力學性能所制得的納米陶瓷材料，這些力學性能有硬度、強度、塑性和韌性等。

后者是通過添加具有獨特功能的納米相或顆粒，或本身在常規微米級時未能完全表現出來的通過超細化而具有特殊功能的納米陶瓷材料，對于納米功能陶瓷在保證一定功能的基礎上有時需要兼顧一定的力學性能。它們的出現，克服了工程陶瓷的許多不足，并對材料的力學、電學、熱學、磁光學等性能產生重要影響，為代替工程陶瓷的應用開拓了新領域。

納米陶瓷材料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。研究發現，人的牙齒之所以具有很高的強度，是因為它是由磷酸鈣等納米材料組成的。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越性，而且納米陶瓷出現將有助于解決陶瓷的強化和增韌問題。

Q2：聽說納米陶瓷里有納米晶，它起什么作用？

A：納米陶瓷粉體是介于固體與分子之間的具有納米數量級（0.1～100nm）尺寸的亞穩態中間物質，是利用納米粉體對現有陶瓷進行改性，通過往陶瓷中加入或生成納米級顆粒、晶須、晶片纖維等，使晶粒、晶界以及他們之間的結合都達到納米水平。

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，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。

具有納米結構的材料強度與粒徑成反比。納米材料的位錯密度很低，位錯滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其臨界位錯圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后位錯塞積的平均間距一般比晶粒大，所以納米材料中位錯滑移和增殖不會發生，這就是納米晶強化效應。

▲ 納米陶瓷齒輪微觀組織

隨著粉體的超細化，其表面電子結構和晶體結構都會發生變化，使材料的強度、韌性和超塑性大幅度提高，產生了塊狀材料所不具有的特殊的效應。

Q3：納米陶瓷材料都用在什么地方，我怎么沒有見過？

A：使用納米陶瓷技術制成的陶瓷、纖維廣泛地應用于航空、航天、航海、石油鉆探等惡劣環境。

▲用碳納米管可制造出質輕高性能的航天復合材料

納米陶瓷技術可以對拋光磚起到防污作用。主要是利用納米的小分子的結構對拋光磚的表面形成一個處理層，像疏水和疏油的處理層，通過這個處理層可以防止水、油進入到釉面，即進行防污處理；其次，納米陶瓷技術的大分子結構的作用就是在拋光磚表面形成一個致密性的、堅硬的、高效的滲透性的保護膜，通過這個保護膜就可以阻止像墨水、咖啡以及油性污漬的侵入，這樣就可以起到防污性能；同時，納米陶瓷拋光磚耐磨、堅硬，長久使用、摩擦都不會使拋光磚的磚面上出現劃痕等現象，所以能夠保持拋光磚的整潔。

▲（左圖）納米陶瓷拋光磚保護膜，（右圖）普通拋光磚

金屬陶瓷作為刀具材料已有幾十年歷史，詳情請戳《陶瓷刀具進化史》。由于金屬陶瓷的混合燒結和晶粒粗大的原因，其力學強度一直難以有大的提高。雖然硬度足夠大，但是卻非常易碎，容易崩瓷。應用納米技術制成超細或納米晶粒材料時，其韌性、強度、硬度大幅提高，使其在難以加工材料刀具等領域占據了主導地位，比如現在正逐漸走入平常百姓家的氧化鋯陶瓷刀。上等的陶瓷刀采用的都是極細的納米氧化鋯，硬度僅次于金剛石，且比粗顆粒的陶瓷刀更加細膩、光澤度更佳，且韌性更大。