纳米陶瓷材料

纳米陶瓷材料引言：陶瓷是人类最早使用的材料之一，在人类发展史上起着重要的作用。由于传统的陶瓷材料脆性大,韧性和强度较差、可靠性低,使陶瓷材料的应用领域受到较大限制。随着纳米技术的广泛应用,纳米陶瓷随之产生。纳米陶瓷材料不仅能在低温条件象金属材料那样可任意弯曲而不产生裂纹,而且能够象金属材料那样进行机械切削加工甚至可以做成陶瓷弹簧。纳米陶瓷材料的这些优良力学性能,使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等多方面得到广泛应用[1-2]。正文：纳米陶瓷是指在陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米水平，使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响，为替代工程陶瓷的应用开拓了新领域。陶瓷材料在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了较大的限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷象金属似的具有柔韧性和可加工性。英国材料学家Cahn就指出，纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。在纳米材料中，纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料跟普通的金属、陶瓷和其他固体材料都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。由于纳米材料具有常规粗晶粒材料所不具备的奇异特性和反常特性，例如，纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高12倍；纳米材料的铜比普通的铜坚固5倍，而且硬度随颗粒尺寸的减小而增大。利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料就是由纳米级显微结果组成的新型陶瓷材料，是在纳米长度范围(1-100nm)内的纳米复合材料。纳米陶瓷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。纳米级陶瓷复合材料的力学性能，特别是在高温下使硬度、强度得以较大的提高。有关研究表明纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性，而且纳米陶瓷的出现将有助于解决陶瓷的强化和增韧问题。在室温压缩时，纳米颗粒已有很好的结合，高于500℃很快致密化，而晶粒大小只有稍许的增加，所得的硬度和断裂韧度值更好，而烧结温度却要低400-600℃，且烧结不需要任何的添加剂。其硬度和断裂韧度随烧结温度的增加（即孔隙度的降低）而增加，低温烧结后就能获得好的力学性能。通常硬化处理使材料变脆，造成断裂韧度的降低，而就纳米晶而言，硬化和韧化由孔隙的消除来形成，这样就增加了材料的整体强度。如果陶瓷材料以纳米晶的形式出现，可观察到通常为脆性的陶瓷变成延展性的，在室温下就允许有大的弹性形变，如可达100%。随着现代科学技术的发展,隐身技术在各国军事高科技领域越来越重要,吸波材料作为实现隐身技术的方式之一,其研究也越来越广泛。早期应用的多属于磁性吸收材料,如铁氧体吸波材料、金属微粉吸波材料、多晶铁纤维吸波材料。这些材料一个很重要的特点就是在高温下失去磁性,从而失去吸波性能,因此磁性吸波材料一般只能用于武器常温部位的隐身。武器装备高温部位的隐身必须采用高温吸波材料,通常为陶瓷吸波材料,其吸收剂为陶瓷吸收剂。与传统的材料相比,纳米陶瓷材料除具有优良的力学性能和热物理性能外,由于结构特殊,使它在制备吸波材料方面具有其他常规材料所不具备的优点,如矫顽力比较高,可引起磁滞损耗,界面极化,多重散射,这些都是吸波材料所必需的,因此纳米陶瓷材料可用来制备吸波材料,用于武器装备高温部位的隐身[3]。随着纳米材料研究的深入,纳米生物陶瓷材料的优势将逐步显现,其强度、韧性、硬度以及生物相容性都有显著提高。例如当羟基磷灰石粉末中添加10%～70%的ZrO2粉末时,材料经1300～1350℃热压烧结,其强度和韧性随烧结温度的提高而增加。纳米SiC增强羟基磷灰石复合材料比纯羟基磷灰石陶瓷的抗弯强度提高1.6倍、断裂韧性提高2倍、抗压强度提高1.4倍,与生物硬组织的性能相当[4]。Erbe等用纳米技术制备出纳米磷酸三钙,它不仅可以作为骨髓细胞的细胞骨架,还可以加速骨的形成[5]。纳米胶原与羟基磷灰石陶瓷复合,其强度比羟基磷灰石陶瓷提高两三倍,胶原膜还有利于孔隙内新生骨的长入,植入狗股骨后仅4周,新骨即已充满大的孔隙[6]。压电陶瓷广泛用于电子技术、激光技术、通讯、生物、医学、导航、自动控制、精密加工、传感技术、计量检测、超声和水声、引燃引爆等军用、商用及民用领域。结束语：纳米陶瓷作为一种新型高性能陶瓷，将越来越受到世界各国科学家的关注。纳米陶瓷材料的发展是现代物理和先进技术社会的产物，是近年发展起来的一门全新的科学技术，它将成为新世纪最重要的高新技术。纳米陶瓷的研究与发展必将引起陶瓷工业的发展与变革，以及引起陶瓷学理论上的发展乃至建立新的理论体系，以适应纳米尺度的研究需要，使纳米陶瓷材料具有更佳的性能以致使新的性能、功能的出现成为可能。我们展望纳米陶瓷在工程领域乃至日常生活中得到更广泛的应用。参考文献：[1]黄德欢.纳米技术与应用[M].上海:中国纺织大学出版社,2001:142-148.[2]高濂,李蔚.纳米陶瓷[M].北京:化学工业出版社,2000:114-127.[3]李爱兰,曹腊梅.航空发动机高温材料的研究现状[J].材料导报,2003,17(2):26-28.[4]王竹菊,韩文波,陶树青.纳米生物陶瓷材料面对骨科应用中强度和韧性的挑战[J].中国组织工程研究与临床康复,2007,11(1):160-163.[5]ErbeEM,MarxJc,ClineffTD,etal.Potentialofanultraporousbeta-tricalciumphosphatesyntheticcancellousbonevoidfillerandbonemarrowaspiratecompositegraft[J].EurSpineJ,2001,10(Suppl2):141-146.[6]王为,程杰,刘俊丽,等.雷达吸波材料的研究现状[J].雷达与对抗,1999(1):30-33.