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纳米陶瓷材料的结构和性能电信1302班赵昊辉摘要: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。关键词:纳米陶瓷,性能,应用1.引言中国的陶器可追溯到9000年前，瓷器也早在4000年前出现。最初利用火煅烧粘土制成陶器。经历了漫长的发展，陶瓷质量有了很大提高。后来提高燃烧温度的技术出现，发现高温烧制的陶器，由于局部熔化而变得更加致密坚硬，完全改变了陶器多孔、透水的缺点。以粘土、石英、长石等矿物原料烧制而成的瓷器登上了历史舞台。一种坚硬易碎的物体,缺乏韧性,缺乏塑性，这是一般陶瓷在人们日常生活中的映像。但是现代科技制造的陶瓷已经远远冲出了这样的范畴。在学术上，陶瓷学家把陶瓷看成是用无机非金属化合物粉体,经高温烧结而成,以多晶聚集体为主的固态物。这一定义虽同时指出了材料的制备特征和结构特征,但却把玻璃、搪瓷、金属陶瓷等摒除在外。所以,在许多场合,陶瓷泛指一切经高温处理而获得的无机非金属材料。陶瓷材料在日常生活、工业生产及国防领域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很大限制。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。英国著名材料科学家卡恩在Nature杂志上撰文道：“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。”所谓纳米陶瓷，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。2.纳米陶瓷材料的研究现状2.1纳米陶瓷的显微结构随着今年微观技术的发展，人们在微观尺寸的认识越来越深入，而陶瓷方面也得到了发展。这使得人们认识到,材料的性能和它的晶粒尺寸关系极为密切,诸如强度、蠕变、硬度、电学性能、光学性能等,无一不与晶粒尺寸成一定的指数关系。以正方形的晶粒密堆积计算,当晶界相的厚度约为晶粒长度的45%时,两者的体积相当,晶界相的厚度是有限度的,一般为数个纳米,这意味着晶粒尺寸减小时,晶界相的相对体积增加,晶相占据整个体积的比例增大,晶界相的作用对整个性能的影响更为显著。由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性都将引起材料物理性能上的变更,故当晶粒尺寸小到一定程度时,某些性能将会发生突变。如:由于晶粒尺寸的减小将使材料的力学性能有数量级的提高,同时,由于晶界数量的大大增加,使可能分布于晶界处的第二相物质的数量减小,晶界变薄使晶界物质对材料性能的负影响减少到最低程度;晶粒的细化使材料不易造成穿晶断裂,有利于提高材料的断裂韧性;并且将有助于晶粒间的滑移,使材料具有塑性行为。因此,诸如高硬度、高强度和陶瓷超塑性的材料不断出现,若这些新型的陶瓷材料具有纳米级水平显微结构,即晶粒尺寸,晶界宽度,第二相分布,气孔尺寸,缺陷尺寸等都限于100nm量级,则为纳米陶瓷。就就是纳米材料的产生以及来源。纳米陶瓷材料是80年代中期发展起来的先进材料的代表。纳米陶瓷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于纳米尺寸水平。包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都是纳米级。由于纳米陶瓷的晶粒细化，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。2.2纳米陶瓷材料的性能研究2.2.1力学性能研究表明当陶瓷材料成为纳米材料后，材料的力学性能得到极大改善，主要表现在以下三个方面:1)断裂强度大大提高；2)断裂韧性大大提高；3)耐高温性能大大提高。与此同时，材料的硬度、弹性模量、热膨胀系数都会发生改变。不少纳米陶瓷材料的硬度和强度比普通陶瓷材料高出4～5倍。在陶瓷基体中引入纳米分散相并进行复合，不仅可大幅度提高其断裂强度和断裂韧性，明显改善其耐高温性能，而且也能提高材料的硬度、弹性模量和抗热震、抗高温蠕变的性能。2.2.2低温超塑性陶瓷的超塑性是由扩散蠕变引起的晶格滑移所致，扩散蠕变率与扩散系数成正比，与晶粒尺寸的3次方成反比，普通陶瓷只有在很高的温度下才表现出明显的扩散蠕变。而纳米陶瓷的扩散系数提高了3个数量级，晶粒尺寸下降了3个数量级，因而其扩散蠕变率较高，在较低的温度下，因其较高的扩散蠕变速率而对外界应力做出迅速反应，造成晶界方向的平移，表现出超塑性，使其韧性大为提高。2.2.3扩散与烧结性能由于纳米陶瓷材料存在着大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径，与单晶材料相比，纳米陶瓷材料具有较高的扩散率。增强扩散能力的同时又使纳米陶瓷的烧结温度大为降低。实验也表明烧结温度降低是纳米材料的普遍现象。2.2.4磁学性能晶粒中的磁各向异性与颗粒的形状、晶体结构、内应力以及晶粒表面的原子状况有关。由于纳米颗粒尺寸超细，其磁学性能与粗晶粒材料有着显著的区别，表现出明显的小尺寸效应。另外在纳米材料中存在大量的界面成分。当晶粒尺寸减小到纳米级时，晶粒之间的铁磁相互作用开始对材料的宏观磁性有着重要影响。与铁磁原子类似，根据相互作用的大小，纳米晶粒体可表现出超顺磁性、超铁磁性、超自旋玻璃态等特性。2.2.5电学性能高性能的电子陶瓷材料一个重要的发展趋势是：用纳米粉体作为原材料生产诸如陶瓷电容器、压电陶瓷，将纳米材料应用到陶瓷工艺中去，生产纳米复合或纳米改性的高技术陶瓷。蔡晓红等人利用化学沉淀法制备了锆钛酸铅(PZT)超微细粉，用此超微细粉制备的PZT圧电陶瓷与传统的圧电陶瓷比较发现:圧电电压常数d33、介电常数εT33/ε0都比普通PZT数值有很大提高，同时材料的密度较传统低，具有优良的压电、介电、声电等电学性能，因此PZT纳米粉体被广泛用来制备压电陶瓷、微位移驱动器、超声换能器等电子元器件。2.2.6纳米陶瓷的其它性能纳米陶瓷具有极小的热导率，因而有可能成为有价值的热阻涂层或包覆材料。纳米陶瓷材料的光透性可以通过控制其晶粒尺寸和气孔率来控制，因此使得纳米晶陶瓷材料在传感器和过滤技术方面具有潜在用途。电学特性，陶瓷粉体晶粒的纳米化会造成晶界数量的大大增加、晶界变得很薄，这样可大大减小晶界物质对材料的不利影响，可提高陶瓷材料的绝缘性、介电性等性能。如果生产的陶瓷材料是以晶界效应来体现其性能的，如半导体中的正温度系数(PTC)陶瓷，则纳米细化晶粒又将可能提高它的灵敏度及稳定性。纳米陶瓷不仅具有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能，还具有高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗和光吸收效应等性能。这些独特的性能都有待于人们的进一步研究和应用。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.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。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。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。特别是诗文超塑性，高韧性，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萍乡高等专科学校学报2005年第4期[2]张中太,林元华,唐子龙,等.纳米材料及其技术的应用前景[J].材料工程,2000,3:42[3]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海军航空工程学院学报第21卷第1期2006年1月[4]李咏梅,刘欣,贾虎生.纳米α-Al2O3粉添加对氧化铝陶瓷性能的影响[J].太原理工大学学报,2007,38(2):98-100[5]梁忠友.纳米陶瓷制备中的几个问题[J].耐火材料,1999,33(3):173-175[6]蔡晓红,王德石,许跃彩.高灵敏度纳米PZT水声换能器机电参数研究[J].纳米器件与技术,2007,4(2):26-28