納米科技是 21 世紀最重要的科學技術之一，由于其廣泛的應用及重要價值，吸引了人們的關注與深入研究。應運而生的納米材料在電學、力學、磁學與光學上，具有獨特的性能，通常具有表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應和量子隧道效應。納米材料是指在其三個維度中，至少有一維處于納米尺寸（0.1~100 nm），并由它們作為結構單元和主要部分而構成的材料。納米材料顛覆了人們提對材料學的傳統認識，重新定義了材料的結構，為解決材料領域的難點問題提供了新思路。

    傳統陶瓷即為黏土或其他物質經粉碎、成型、燒結等一系列工藝所得到的產品。后經過不斷的發展，其材料范圍已從硅酸鹽領域延伸到無機非金屬材料范圍。但是，其脆性大、強度差、難加工等缺點，極大地制約了它的應用和發展。納米陶瓷是指晶界寬度、晶粒尺寸、缺陷尺寸和第二相分布都在納米量級上。其尺寸的納米化大大提升了晶界數量，使材料的超塑性和力學性能大為提高，極為有效地克服了傳統陶瓷的弊端。

    1 納米陶瓷

    1.1 納米陶瓷的制備工藝概述

    簡單來說，單相與復相的納米陶瓷工藝流程一般為：首先通過一定的物理或化學方法得到納米級粉體，然后對其進行加壓成型，最后通過某種燒結方式使其變致密。其中，每個過程都直接決定最終成體的品質。

    1.2 納米陶瓷

    粉末納米陶瓷粉末的制備直接關乎最終納米陶瓷成品的質量。影響納米陶瓷粉末的因素包括尺寸大小、尺寸分布、形貌、表面特性和團聚度等。目前合成納米陶瓷粉末的方法有物理方法和化學方法，或根據合成時的條件不同，分為固相、液相和氣相法。在實驗室中固相法運用較多，因為所用設備較簡單，條件適宜，但是得到的納米陶瓷粉體純度較低，且顆粒分布較寬。通過氣相法制得的粉體具有較低的團聚度，且純度較高，燒結性能優良。但是這種方法對實驗設備的要求較大，且產量較低，這極大地限制了其應用。

    目前，應用較廣泛且合成質量較高的是液相合成法。

    此方法設備簡單，試驗中無需較高的真空度，得到的粉體較純凈，聚合度較低，因此成為當今及以后制備納米陶瓷粉體的主流方法。

    1.2.1 物理法

    早期，科研人員常用物理方法制備納米陶瓷粉末，包括機械粉碎法、高能機械球磨法、蒸發冷凝法和電火花爆炸法，其中較經典的方法為蒸發冷凝法。

    蒸發冷凝法又稱物理氣相沉積法，是將高純低壓的惰性氣體充入真空蒸發腔室中，之后通過高頻和等離子體等高溫熱源加熱納米材料源，使其蒸發并在腔體中逃散。當蒸發而成的原子霧與高純度的氬氣或氮氣相接觸時，原子霧能量大幅降低，并冷凝成納米級別的微型團簇，并在低溫介質上聚集，最后形成納米粉體。

    蒸發冷凝法可以直接得到納米陶瓷材料，在早期受到了極大的青睞。20 世紀 90 年代，科研人員運用這種方法就得到直徑為 5~20 nm 的 TiO 2 納米陶瓷粉體。

    但是，當納米材料源的熔點較高時，此方法需消耗大量能量，具有很大的局限性，且此設備投資較大，得到的粒徑分布范圍較寬。Yang G 等 [1] 運用電子束物理氣相沉積法制備了氧化釔穩定氧化鋯（YSZ）納米陶瓷隔熱涂層（Thermal barrier coatings, TBCs），結果表明，EB-PVD 涂層的微納米結構特征對其輻射性能具有重要影響，涂層的紅外光譜反射率和透射率受到主要柱狀形態和孔結構的影響。進一步的研究表明，由不同的微結構引起的散射效應可以極大地影響涂層的輻射傳輸。通過適當地優化涂層的微結構以增強其反向散射效應，可以有效地增加光譜反射率并降低光譜透射率，從而減少輻射熱流并為金屬基材提供更好的熱保護。Apostpl 等 [2] 把極性物理氣相沉積法和電泳沉積法相結合，在 1000~800 ℃下制備了 22~25μm 厚的 MgTiO 3 納米陶瓷薄膜，用于替代傳統的陶瓷組件。Silva 等 [3] 通過 PVD 非平衡磁控管濺射技術制備了 TiAlSiN 納米粉體薄涂層，并且使用能量分散光譜（EDS）、原子力顯微鏡（AFM）、顯微硬度儀（MH）和劃痕試驗進行分析，研究了其形態、厚度、粗糙度、化學組成和結構、硬度和與基材的膜粘附性等性質。

    1.2.2 化學氣相沉積法

    化學氣相沉積法（CVD）主要由三種方法組成：

    火焰氣相沉積法（FCVD）、氣相熱解法和氣相合成法。

    其原理可歸納為：通過一定的方法產生目的金屬化合物的蒸氣，并通過化學反應來合成目標納米粒子。通過該方法得到的納米顆粒分散性好，粒徑較小，表面圓潤，化學活性較高。CVD 法可以通過改變濃度、氣體流速和溫度以及不同元素的配比等，來調控整個反應的進程和最終產物的形貌、組成與尺寸。在早期，根據熱解的方式不同，還衍生出激光誘導氣相沉積法和等離子氣相沉積法。

    Cao Huiyang 等 [4] 通過碳納米管（CNT）和 Ni 納米顆粒在旋轉 CVD 反應器中，使用二茂鎳作為前體，在 Al 2 O 3 粉末上共沉淀，提出了制造 Al 2 O 3 -Ni-CNT納米復合材料的新途徑。此方法將細的 Ni 納米顆粒和 CNT 均勻地分散在攪拌的 Al 2 O 3 粉末上。在 1923 K放電等離子體燒結 0.6 ks 后，Al 2 O 3 -Ni-CNT 納米復合材料顯示均勻的微觀結構和增強的機械性能。高溫處理后，結合在鎳中的碳從無定形狀態變為結晶相狀態，未發現其他雜質，并且發現 CNT 和 Ni 的加入提高了 Al 2 O 3 的相對密度和機械性能。該方法有望用于制造高性能 CNT-陶瓷復合材料。Zhang Yulei 等 [5] 運用化學氣相沉積（CVD）和超音速氣氛等離子體噴涂（SAPS）技術，制備了 SiC 納米線增韌的 ZrB 2 -Si多相涂層，改善了碳/碳（C/C）復合材料的耐燒蝕性。

    在 4800 kW/m 2 的熱通量下燒蝕 60 s 后，ZrB 2 -SiC 涂層的線性和塊狀燒蝕率從 4 μm/s 和 2.3×10 -3  g/s 降低到 2.8 μm/s 和 1.4×10 -3  g/s。Pallier 等 [6] 通過化學氣相沉積方法在 900~1000 ℃、5 kPa 的條件下，以CH 3 SiCl 3 /BCl 3 /H 2 氣體混合物為前驅體，制備出了Si-B-C 納米陶瓷，并通過改變溫度，探究其形態與晶相的變化。

    火焰氣相沉積法逐漸成熟，且因其粒徑可控，純度較高，試驗工藝較便捷，已成為納米材料領域的研究重點之一。孫等[7] 運用火焰氣相沉積法分別以C 3 H 8 /Air/TiCl 4 和 C 3 H 8 /Air/TiCl 4 /SiCl 4 為原料，制備了TiO 2 納米粉體、C/TiO 2 及 SiO 2 /TiO 2 復合納米粉體，研究了改變條件對顆粒物性的影響。通過 XRD、TEM、EDS 能譜等儀器對其進行表征，結果表明所制得的顆粒平均尺寸在 20~60 nm 之間，主要為銳鈦相，C/TiO 2 含碳量為 0%~22.3%。

    1.2.3 水熱法

    水熱法（Hydrothermal preparation）是指在密閉的高壓反應釜中，以水為溶劑，通過升溫和水產生的壓力來使原始混合物進行反應。在該高溫、高壓、水熱條件下，能使前驅體充分溶解，并達到過飽和狀態，最終成核并結晶成納米晶和粉體。根據反應過程的不同，水熱法可細分為水熱氧化、水熱沉淀、水熱晶化、水熱合成、水熱分解、水熱還原等 [8] 。

    由于此方法在特殊環境下進行，因此可實現在通常條件下不能進行的反應。此方法無需燒結，從而避免了因燒結而產生的團聚和雜質，而且產物的純度極高，且顆粒均一，顆粒粒徑分布窄。通過調控反應溫度、pH 值和原料等，可得到不同組成、晶型和尺寸的顆粒，因此操作十分簡單。Baek 等 [9] 運用簡單的水熱法，合成了均勻的 Ba 1-x Sr x TiO 3 （BST）納米粉體，合成粉末的均勻性隨乙醇和二甘醇（DEG）的加入而變化。在加入氨溶液期間形成無定形膠體沉淀。

    Khanfekr A 等 [10] 運用微波水熱法，合成了納米粉體BaTi 1-x Nb x O 3 （x=0.00，0.01，0.03，0.06，0.09），并研究了施主濃度對結構性能的影響，通過 XRD、拉曼光譜等觀察了其形態、表面和微觀結構等。San 等[11] 通過水熱法制備的 BaTiO3 顆粒，并討論了丙酸對其影響。加入丙酸 24 h 后，可以在 200 ℃下獲得具有更均勻粒度的、較小尺寸的 BaTiO 3 粉末，發現該酸能很好地減小尺寸和降低尺寸分布。Leonarska A等 [12] 通過水熱法獲得了 PbTiO 3 粉末，并通過燒結形成納米陶瓷成體。粉末晶粒中的微晶尺寸在14~22 nm之間變化。當微晶尺寸減小 30%時，在將粉末燒結成陶瓷后，晶粒尺寸有所增加。

    1.2.4 溶膠凝膠法

    溶膠凝膠法是濕化學法的一種，是以液體為原料，將這些原料均勻地混合在一起，經過一定的水解、縮合等化學反應，在溶液中形成穩定的透明溶膠液體系，溶膠經過陳化，膠粒間緩慢聚合，形成以前驅體為骨架的三維網狀結構。此時，雖然在網絡中間充滿著溶劑，但是溶劑已經失去流動性，即凝膠。凝膠經過脫去溶劑，最終成為多孔隙的氣凝膠，經過煅燒后，即可成為納米材料 [13] 。

    溶膠凝膠法的工藝簡單，所用設備低廉，得到的粉體強度和韌性較高，合成時無需過高溫度。在整個過程中，可以精確地控制凝膠的微觀結構，從而調控最后所得的粉體性質。Zhang Yun 等 [14] 運用溶膠凝膠法制備了 CoTiNb 2 O 8 微波電解質陶瓷。通過將 TiO 2和中間相 CoNb 2 O 6 在 800 ℃下反應，得到了粒徑為34 nm 的高反應性 CoTiNb 2 O 8 納米粉末。在 1000  /4  ℃h 的條件下，CoTiNb 2 O 8 陶瓷具有最佳的微波介電性質，ε r 為 64.19。Shet Tukaram 等 [15] 用檸檬酸鹽輔助的溶膠-凝膠途徑合成包含 Sr 2 Bi 4 Ti 5 O 18 （SBT）納米晶體的納米粉體，通過改變燒結溫度和持續時間來制造具有不同晶粒尺寸（93 nm~1.42 μm）的陶瓷。KlotzMichaela 等 [16] 使用超臨界 CO 2 輔助溶膠-凝膠法合成了含有 3%和 8%（摩爾分數）氧化釔的納米級氧化鋯粉末，分別稱為 3Y-ZrO 2 和 8Y-ZrO 2 ，此合成方法較好地控制了粉體的尺寸和形態。使用放電等離子體燒結（SPS）來燒結粉末并保持具有小晶粒尺寸的精細微觀結構，與常規制備的樣品相比，此方法在高溫范圍內獲得較低的電導率，比由 SPS 制備的 3Y-ZrO 2樣品高 2 倍。

    1.2.5 粉體團聚

    在納米陶瓷粉體的合成及成型階段，必會發生團聚現象。團聚是納米粉體由于物理或化學作用聚集在一起，形成較大的聚集體。團聚會導致粉體中存在大量的氣孔，這些氣孔不僅需要較高的燒結溫度或較長的時間來除去，并會對材料的成型及性能產生較大的影響 [17—18] 。在干燥粉體過程中要用有溶劑洗滌，或用其他方法對其進行特殊處理 [17] ，而在制備粉體的后期，可以加入分散劑，或用超聲波處理。Wee 等 [19]

    研究了納米 ZrB 2 和納米 SiC 在非水溶劑中的共分散行為和相互作用，并采用聚偏二氟乙烯（PVDF）和油酸作為分散劑，研究非水溶劑中的穩定共分散機理。研究發現，具有 PVDF 的混合物比具有油酸的混合物更均勻。SEM 和 FT-IR 分析表明，PVDF 和油酸化學吸附在顆粒表面。

    1.3 成型納米陶瓷

    粉體的成型直接影響粉體的排列和之后進行的燒結 [20—21] 。將粉體固化的方法眾多且工藝簡單，但要獲得致密性較高且均勻的生坯，仍是納米陶瓷制備中的難點問題。科學家發現，用較高的成形圧力可使團聚的粉體破裂，并有利于后期致密化，得到較高的生坯密度 [22] 。M. Azar [23] 和 I-Wei Chen [24] 等發現，堆積方式若較均勻，則會降低最大致密化所對應的溫度，燒結密度也會急劇提高。因此，生坯的均勻性相對于生坯密度，對形成高質量的納米陶瓷具有重要影響，這給了科研人員極大的啟發。目前成型方法較多，可分為干法、濕法和半干法。干法可分為冷等靜壓成型法、超高壓成型法、橡膠等靜壓成型法；濕法種類較多，最經典的有原位成型法、凝膠直接成型法、凝膠澆注成型法、滲透固化制備法。

    干法成型速度快，所用模具的價格較低，形成的坯體較均勻，但是此方法一般暴露在空氣中，很容易吸附雜質。同時其粉末較松散，裝填時極易引入空氣，不利于坯體的燒結。Ghadami S 等 [25] 用冷等靜壓法和五孔燒結法制備了 Al 2 O 3 /SiC 納米復合材料。掃描電子顯微鏡照片顯示，SiC 納米顆粒抑制了Al 2 O 3 的晶粒生長并相應地減小了基體的晶粒尺寸。高等 [26] 運用高壓成型制備了 Y-TZP 納米陶瓷。通過采用新的成型方法，在 5000 噸六面頂壓機上實現了高達 3 GPa 的超高壓成型，獲得了相對密度達 60%的 3%（摩爾分數）Y 2 O 3 -ZrO 2 陶瓷素坯，比在 450 MPa 下冷等靜壓成型所得素坯的密度高出 13%。這種超高壓成型所得素坯具有極佳的燒結性能，可在 1050~1100 ℃下經無壓燒結致密化。

    研究表明，這種素坯燒結性能好的主要原因是素坯的相對密度比較高，從而大大增加了物質的遷移通道。由于燒結溫度極低，有利于制備 ZrO 2 晶粒尺寸<100 nm 的納米陶瓷。在 1050  /5 h ℃ 的條件下，可燒結得到相對密度達 99%以上的 Y-TZP 納米陶瓷，平均晶粒僅為 80 nm。

    濕法成型 [27] 的種類極多且衍生方法較繁雜，與干法相比，它能極大程度地減少雜質的數量和團聚程度。但是其工藝較復雜，條件苛刻，沒有干法成型應用的成熟。半干合成法 [28] 是對干法成型方式的一種改進，其主要合成方法與干法相似，但是在成型過程中加入了少量的水分，用以減少分層開裂現象，提高成品率。

    1.4 燒結

    燒結是坯體在加熱條件下，實現其致密化和晶體生長的過程 [29] 。在燒結過程中，納米晶粒迅速生長，晶粒極易長大。因此，如何將顆粒粒徑限制在納米級別上，成為了一個難點問題。目前，燒結方法分無壓燒結和壓力燒結。無壓燒結包括反應燒結和氣氛燒結，壓力燒結包括熱壓燒結、放電等離子燒結、超高壓燒結、熱等靜壓燒結和高壓氣相反應燒結等。

    無壓力燒結是在常壓下對材料進行燒結，溫度成為唯一的因素。因此，材料最終的質量受粉體特性、素坯密度等的影響較多。所以，人們常用易于燒結的粉體或加入其他添加劑來實現致密化過程。此外，根據加熱方法的不同，衍生出微波加熱、等離子體加熱等方法。因為此過程中可調控的因素不多，所以此方法設備簡單，應用較為廣泛，成為制備納米陶瓷最基本的方法之一。Ghadami S 等以微米 Al 2 O 3 粉末與納米 SiC 粉末為原料，通過無壓燒結和冷等靜壓法制備了 Al 2 O 3 /SiC 納米復合材料，分析成品的物理和機械性能，包括密度、硬度和斷裂韌性以及顯微結構。結果表明，通過將 SiC 的體積分數提高至 5%，硬度和斷裂韌性均有所提高。掃描電子顯微鏡照片顯示，SiC納米顆粒抑制 Al 2 O 3 的晶粒生長，并相應地減小基體的晶粒尺寸。

    壓力燒結，是在燒結的同時施加一定的外壓，可以提升燒結過程中的驅動力，縮短時間并降低一定的溫度，同時還能抑制晶粒生長 [30—31] 。靳等 [32] 以高溫氨氣氮化合成的納米 Cr 1-x Ti x N 為原料，通過放電等離子燒結工藝，于 1100 ℃制備了晶粒尺寸在 100 nm以下的高致密 Cr 1-x Ti x N 納米陶瓷，并對材料的燒結、顯微結構和性能展開了研究。研究發現，放電等離子燒結工藝的應用以及 TiN 在 CrN 中的固溶，可有效地抑制 CrN 在燒結過程中的熱分解，并且 Cr 1-x Ti x N納米陶瓷的晶粒生長速率、硬度和導電率隨 TiN 固溶量的增加而逐漸增大。Nasiri Z 等 [33] 成功地通過熱壓和冷等靜壓（CIP）法將混合粉末 ZrB 2 -SiC-C-sf 復合材料在 2100 ℃和 2150 ℃下燒結。

    1.5 納米陶瓷性能

    1.5.1 力學性能

    納米陶瓷的力學性能主要體現在硬度、彎曲強度、延展性和斷裂韌度等。就硬度而言，納米陶瓷是普通陶瓷的 5 倍甚至更高。在 100 ℃下，納米 TiO 2陶瓷的硬度為 1.3 GPa，而普通陶瓷則為 0.1 GPa 左右。Sun Z 等 [34] 制備了 Al 2 O 3 納米陶瓷，具有 97.6%的理論密度和 1.1 μm 的平均粒度，其硬度高達 23GPa，遠遠高于普通 Al 2 O 3 陶瓷。納米陶瓷材料有高于普通陶瓷的韌性，這是其最大的優點之一。由于納米陶瓷具有較大的晶界界面，在界面上原子排列無序，在外界應力的作用下很容易發生遷移，因此展現出優于普通陶瓷的延展性與韌性。通常認為，顆粒增強、裂紋偏轉和晶粒拔出是最主要的增韌機制。為獲得更強的斷 裂韌性，人們嘗試在陶瓷中添加不同的物質來形成復合物 [35] 。Nekouee K A 等 [36] 通過火花等離子體燒結 （SPS）方法制備了完全致密的β-SiAlON/TiN 復合材料，納米粉體具有低于 155 nm的平均粒度。 機械性能評價表明，通過添加微尺寸TiO 2 ，獲得了 14.6 GPa 的硬度和 63 MPa/m 2 的斷裂韌性的最佳機械性能。

    1.5.2 超塑性  

    超塑性是指在拉伸試驗中，在一定的應變速率下，材料會產生較大的拉伸形變。普通陶瓷是一種脆性材料，在常溫下沒有超塑性，很難發生形變。原因是其內部滑移系統少，錯位運動困難，錯位密度小。

    只有達到 1000 ℃以上，陶瓷才具有一定的塑形。一般認為，若想具有超塑性，則需要有較小的粒徑和快速的擴散途徑。納米陶瓷不但粒徑較小，且界面的原子排列較復雜、混亂，又含有眾多的不飽和鍵。原子在變形作用下很容易發生移動，因此表現出較好的延展性和韌性。Wananuruksawong 等 [37] 在 1300 ℃、300MPa 下，通過放電等離子體燒結（SPS）成功地制備了致密的納米晶氮化硅（Si 3 N 4 ）樣品。該納米陶瓷樣品在 10 -3 ~10 -2  s -1 的高應變速率下表現出超塑性變形，在變形樣品中未觀察到顯著的顯微結構變化，且在大變形后沒有腔損壞。Zhang J 等 [38] 經過拉伸負載分子動力學模擬，顯示納米晶 SiC 不僅具有韌性，在室溫下，當晶粒尺寸減小到接近 2 nm 時，會表現出超塑性變形。計算的應變速率靈敏度為 0.67，說明在室溫和典型應變速率（10 -2  s -1 ）下能達到 1000％的應變。他們認為，超塑性的實現與在 d=2 nm 時的滑移速率異常上升到 10 6 s -1 有關。

    1.5.3 鐵電性

    陶瓷的晶體尺寸直接影響其鐵電性能。隨著晶粒尺寸的降低，其鐵電性能會逐漸降低。當其尺寸小到一定值時，材料的整個鐵電性能會消失。所以，科研人員在這一臨界值上做了很多的研究。Buscaglia M T等 [39] 發現，當納米晶體 BaTiO 3 的尺寸為 30nm 時，雖然它是非立方晶型結構，但仍觀察到較高的介電常數（1600 左右）。Xiaohui W 等 [40] 制備并研究了平均粒徑為 8nm 的鈦酸鋇（BTO）陶瓷。 拉曼光譜顯示，當溫度從 360 K 增加到 673 K 時，BTO 納米陶瓷發生從菱形到正交、正方形和立方的連續轉變。介電測量顯示，在 390 K 下，得到最大介電常數（1800）。所有這些結果表明，鐵電性可保留在具有直徑小至 8 nm的晶粒尺寸的 BTO 陶瓷中。肖等 [41] 在 6 GPa、1000 ℃條件下燒結得到了 BaTiO 3 陶瓷，并用介電轉變峰表征了其鐵電性。當頻率為 1 kHz 時，在 120 ℃附近有1 個寬的節點轉變峰，且介電常數為 1920。高壓得到的鈦酸鋇納米陶瓷的鐵電性消失的臨界尺寸小于 30nm。

    1.6 應用

    因納米陶瓷與普通陶瓷相比，具有特殊的物理和化學性能。因此，其在新材料與新技術方面將具有極其重要的地位。

    1.6.1 防護與涂層

    現階段，納米陶瓷最廣泛的應用在涂層與包覆材料方面。因為納米陶瓷具有極小的熱導率和特殊的電磁性能，所以人們常通過一定的物理和化學方法，將其均勻地包覆在物體表面，用作隔熱 [42,43] 、抗氧化 [44] 、耐磨、生物 [45] 、壓電和吸波涂層 [46] 。

    Chen等 [47] 通過溶膠-凝膠法和固態燒結法合成出Ce 1-x Sm x O 2-x/2 型納米陶瓷涂層。隨著 Sm 2 O 3 含量的增加，由于 Sm 3+ 的電負性高于 Ce 4+ ，其熱膨脹系數降低。由于取代的原子和氧空位引起的聲子散射，它們在 1000 ℃下的熱導率為 1.62~2.02 W/（m×K），因此可以用作新型熱障涂層（TBC）的陶瓷候選物。王等 [48]

    通過等離子噴涂技術制備了納米 ZrO 2 /Y 2 O 3 隔熱涂層，通過與常規涂層相比，發現納米結構的熱震次數大大高于普通陶瓷。

    除隔熱外，納米陶瓷 Al 2 O 3 /TiO 2 具有優異的耐磨性能和強韌性，其已經廣泛運用于工業中。王等 [49]

    揭示了噴涂技術的增韌原理：加入的納米稀土使Al 2 O 3 /TiO 2 呈現三維網狀結構。使用納米級涂層，其耐磨性能比普通涂層高出 4~8 倍。對于納米陶瓷涂層，壓電材料也是其重要的應用領域。陳等 [50] 通過等離子噴涂工藝制備了鈦酸鋇鉛納米涂層，其孔隙率低于 2.4%，平均結合強度為 44.25 MPa，孔隙率為 2.4%，能滿足實際需求。

    Ma R 等 [51] 將納米陶瓷用于儲能材料中。他們使用新型雙涂層方法制備了具有高均勻性和分散性的亞微米 BaTiO 3 @La 2 O 3 @SiO 2 顆粒。單分散的亞微米BaTiO 3 顆粒（直徑約 240 nm）形成鐵電芯，分別涂覆有 La 2 O 3 和 SiO 2 作為改性層和高電阻層，兩個殼的厚度約為 20 nm。然后在空氣中燒結 2 h，溫度為1240 ℃，獲得具有相同顆粒結構且較致密的細晶粒BaTiO 3 基儲能陶瓷（晶粒尺寸？300 nm）。隨著 SiO 2含量的增加，四方相的含量和致密化先增加后減小。

    當 SiO 2 的質量分數超過 9.0%時，出現具有 Ba 2 TiSi 2 O 8的第二相，并且核-殼結構消失。BaTiO 3 ·La 2 O 3 ·SiO 2陶瓷滿足 X8R 要求，在 6.0%的 SiO 2 下具有最大介電常數（3362）和在室溫下的低介電損耗（<0.020，最小為 0.011）。殘余極化從 13.80 μC/cm 2 降低到 1.21μC/cm 2 ，而隨著 SiO 2 涂層的量從 0.0%增加到 12.0%，能量存儲密度先升高然后降低。對于含有 9.0%SiO 2的樣品，在 13.6 kV/mm 的最大極化場下，放電儲能密度最高（0.54 J/cm 3 ），并且陶瓷的能量儲存效率>85%。

    在防護材料方面，納米陶瓷也展現出驚人的優勢。普通陶瓷由于韌性極差 [52] ，在受到撞擊后會出現 界面破壞、裂紋擴展等過程，這大大地制約了陶瓷在抗彈方面的發展。而納米陶瓷的韌性優良，能極好地抵抗沖擊。將納米陶瓷引入到坦克裝甲材料中，可以有效提高坦克的抗彈能力；將其引入到炮筒和槍管等表面，可以提高其抗沖擊力和抗燒蝕性。由納米陶瓷和碳納米管制成的防彈衣，具有極優的抗彈效果 [53] 。

    1.6.2 生物醫學材料

    隨著人們對納米陶瓷研究的不斷深入，其在生物醫學應用方面的潛力得到了較大的挖掘。要使生物陶瓷契合某些特殊的生理行為，必須滿足以下要求： （1）對生物體友好，無毒、無刺激、無致癌等效果；（2）滿足一定的應力要求，能起到支撐、摩擦等特殊作用；（3）能與人體其他組織相互結合。納米陶瓷材料極好地滿足了以上條件，這為其在生物醫學方面的發展奠定了基礎。

    經納米級碳化硅摻雜的羥基磷灰石復合陶瓷的性能比單獨的羥基磷灰石陶瓷要提高很多，其抗彎強度、斷裂韌性、抗壓強度均有顯著提高，達到了生物硬組織的水平 [54] 。納米顆粒在體內傳輸方便，這一特點被科學家應用到放射療法中。在納米陶瓷微粒中摻雜可以放射出 β 射線的化學元素，將它們制成 β 射線源材料，植入到標的物附近，即可對癌變組織進行精準治療。目前，硅酸鋁釔納米陶瓷材料可基本滿足這些要求。

    在抗菌方面，新發展起來的抗菌陶瓷，是抗菌劑、抗菌技術與陶瓷材料結合的產物。由于納米材料具有量子尺寸效應、小尺寸效應、表面與界面效應，其抗菌效果與傳統陶瓷相比，具有很大的飛躍。按照機理劃分，抗菌陶瓷可分為兩類：銀系緩釋型抗菌陶瓷和納米鈦系光觸媒型抗菌陶瓷。余海霞等 [55] 制備了納米磷酸鋯載銀抗菌粉體陶瓷釉，其具有緩釋特性，使載銀抗菌瓷具有持久的抗菌型。

    1.6.3 新型刀具

    由合肥工業大學主持的納米TiN、AlN改性的TiC基金屬陶瓷刀具制造技術，已經通過了有關部門的鑒定，這標志著我國利用納米陶瓷制備的新型刀具正式誕生。此類刀具具有良好的韌性與強度，現已得到了較大的發展。

    石等 [56] 利用真空燒結工藝和表面氮化處理工藝，制備了納米復合 Ti（C,N）基金屬陶瓷可轉位刀片和功能梯度轉位刀片。該材料切削正火態 45 # 鋼、淬火態 45 # 鋼和奧氏體不銹鋼時，與 YT15、YG8、TN20刀具材料相比，表現出更強的切削性能與耐磨性能，且其表面硬度提高了 2.2HRA，很大程度上提高了刀具的抗熱沖擊能力。N Liu 等 [57] 利用 TiN 改性 TiC 基金屬陶瓷刀具，并測試了其切削與磨損性能。結果表明，在切割標準化鋼的試驗中，特別是在較低的切削速度下，納米陶瓷刀具比 YT15 和 YG8 硬質合金刀具具有更長的耐久性。在低切削速度、低進給速率和低切削深度的條件下，納米陶瓷刀具還顯示出優良的耐久性，但是每當上述參數被提高到某個值時，它們的耐久性將明顯下降。呂等 [58] 對 Si 3 N 4 /TiC 納米復合陶瓷材料的微觀組織、結構和成分進行了研究。結果表明，TiC 納米顆粒彌散分布在基體 β-Si 3 N 4 晶內和晶界，所制備的材料為晶內/晶間混合型納米復合陶瓷。通過對 Si 3 N 4 /TiC 納米復合陶瓷材料斷裂方式進行觀察，可知材料斷裂為沿晶斷裂和穿晶斷裂復合型，納米粒子對裂紋擴展起偏轉和釘扎作用。用此類材料制備的刀具比微米復合陶瓷刀具具有更優異的力學和切削性能。

    2 結語

    納米陶瓷在化學、力學、光吸收、磁性等方面具有卓越的性質，因此，在今后的特殊材料與特殊技術方面都將會起到極其重要的作用，其應用范圍將會越來越廣。但是，在納米陶瓷的應用過程中，有幾點仍需要繼續研究：（1）納米陶瓷粉體產生過程中的團聚機理與解決方法； （2）形成納米陶瓷特殊性質的機理；（3）納米陶瓷燒結動力學分析和相應的物理化學反應機理；（4）簡便、耗能較少的制備工藝。

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org

責任編輯：王元

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事
投稿聯系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414