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纳米陶瓷纳米陶瓷是20世纪80年代中期发展起来的先进材料。1.概述1.1纳米陶瓷的定义1.2纳米陶瓷的发展1.1纳米陶瓷定义纳米陶瓷是指在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、缺陷尺寸等都处于纳米水平的一类陶瓷材料。小尺寸效应、表面和界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，导致了纳米陶瓷呈现出与微米陶瓷不同的独持性能。由此，人们追求的陶瓷增韧和超塑性，以及奇特的功能等问题，有可能在纳米陶瓷中解决。一、小尺寸效应当超微粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导太的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，声、电磁和热力学等特性均会呈现新的尺寸效应。例如：纳米微粒尺寸小到一定临界值时主超顺磁状态，α-铁、四氧化三铁和α-三氧化二铁粒径分别为5nm、16nm、20nm时变成超顺磁体。二、表面效应纳米微粒尺寸小，表面积大，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面积急剧变大，引起表面原子数迅速增加，粒子活性随之增加。三、量子尺寸效应当粒子尺寸下降到最低时，费米能级附近的电子能级发生了由准连续变为离散能级的现象，即能级发生分裂。上述三个效应是纳米微粒与纳米固体的基本特性。它使纳米微粒和纳米固体呈现出许多奇异的物理、化学性质，出现了一些“反常现象”。如：金属为导体，但纳米金属微粒在低温下呈现绝缘性；当粒径为十几纳米时，氮化硅组成纳米陶瓷时电阻变小；化学惰性的金属铂制成的纳米微粒后即成为活性很高的催化剂。20世纪80年代中期才发展起来的纳米陶瓷，已成为材料科学研究的热点。纳米陶瓷的研究，不仅对先进陶瓷的制备和表征有新的发展和创新，而且对现有的陶瓷理论也将发生重大变革，甚至可形成新的理论体系。纳米陶瓷被认为是陶瓷研究发展的第二个台阶。从微米级的先进陶瓷到纳米级的纳米陶瓷是当前陶瓷研究的趋势之一。著名的诺贝尔奖获得者Feynman（费恩曼）在1959年就曾预言：“如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量异于寻常的特性，就会看到材料性能产生丰富的变化。”研究发现，纳米TiO2陶瓷在室温下表现出良好的韧性，在180℃时弯曲而不产生裂纹。这一突破性进展，使那些为陶瓷增韧奋斗了半个世纪的材料学家看到了希望。英国著名材料专家Cahn（卡恩）在Nature杂志上撰文说：纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。1.2纳米陶瓷的发展纳米陶瓷是纳米材料的重要组成部分，纳米陶瓷的发展基本上和与纳米材料同步进行的。纳米陶瓷的发展包括以下几个方面：①制备合成方法的创新；②特殊性能的探索；③纳米复合陶瓷。陶瓷是一种多晶材料，其显微结构的构成除了晶相和晶界相以外，还存在气孔和微裂纹。对陶瓷性能具有决定性影响的因素主要是晶相及晶界相(包括杂质)的种类、组成、含量、形态及分布等。其中晶粒的尺寸大小及分布有时对性能产生着至关重要的影响。现有陶瓷材料的晶粒尺寸一般处于微米级水平，这是由所采用的常规制备工艺所决定的。进入20世纪80年代中期以后，陶瓷材料工作者开始尝试通过工艺上的改进而制备出使晶粒尺寸降低到具有纳米级水平的纳米陶瓷。当陶瓷中的晶粒尺寸减小一个数量级，则晶粒的表面积及晶界的体积亦以相当倍数增加。如晶粒尺寸为3～6nm和晶界的厚度为1~2nm时，晶界体积约占整个材料体积的50％。晶粒被高度细化之后，具有巨大的比表面积。另外，处于表面和界面附近的原子的结构既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序的非晶体。实验表明，相比于通常结构下的同成分材料，纳米陶瓷在力、热、光、磁、敏感、吸收或透波等方面，具有很多特殊的性能，进而在化学性质上体现出迥然不同的特性。纳米陶瓷技术已成为无机低维材料--微粉(零维)、纤维(一维)、薄膜(二维)技术向更深研究层次发展的基础。这是因为低维材料中相当多的原子处在表面和界面上，使得低维材料的物理和化学性质与块状材料很不相同。纳米陶瓷技术同时也是精细复合功能材料由微米或亚微米复合材料(复合线度在微米或亚微米量级)向纳米复合功能材料(复合线度进入到纳米量级)发展的基础。在电、磁、声、光等领域中，功能材料的使用频率变得越来越高，电磁波和弹性波在媒质中传播时的波长非常小(500～5000nm)。这就是说，对光电子应用来说，复合线度应该在5～500nm范围内。而对复合线度已达到纳米量级的精细复合材料来说，结构中的低维材料本身的性能变异及奇异的界面效应和耦合效应，将为材料科学开拓更为广泛的研究天地。由于晶粒细化引起表面能的急剧增加，势必将引起其他物理、化学性质上的一系列变化。这将导致整个陶瓷工艺和陶瓷学研究的变革。很多传统的工艺将不能适应，原有的陶瓷学理论和规律也许也不适用，结果必然导致陶瓷研究的具有变革意义的发展。纳米陶瓷的产生，为陶瓷材料制备工艺学、陶瓷学理论、陶瓷材料新性能的发现开拓了一系列崭新的研究内容，从而极大地扩展了陶瓷材料的应用范围。为获得高性能纳米陶瓷，应从以下七个方面进行研究：(1)研究制备更细、无团聚陶瓷粉末的新技术，寻求新的表征方法，研究其对成型、烧结和纳米陶瓷性能的影响。(2)研究纳米粉体在烧结中出现的新问题。如研究纳米粉体烧结引起的烧结动力学变化和重结晶的新变化，必须研究新的烧结技术及工艺控制。(3)研究晶粒尺寸变小到纳米范围时，对材料力学、电学、磁学、光学、热学等性能的影响。(4)晶粒纳米化将对晶体结构中的其他行为产生影响。如晶体的相变与它的尺寸团聚的影响就很明显。此外，晶粒的细化亦将促使产生孪晶、微畴以及取向性等结构上的变化，使陶瓷的结构行为出现突变。(5)纳米化晶粒同样可引起材料中的内在气孔或缺陷尺寸的减小。当这种尺寸小到一定程度时，缺陷对材料性质产生的影响，无论在宏观上还是微观上都将出现新的变化。(6)晶粒纳米化的结果，有可能使陶瓷的原有性能得到很大的改善，以至在性能上发生突变或呈现新的性能，这为陶瓷的性能研究提供了新的内容。(7)具有高性能或新性能的纳米陶瓷，在应用上必将扩展到新的领域，这为材料的应用提出了新的课题。现代陶瓷工艺的进展已为制备纳米陶瓷准备了充分条件，许多新的粉体制备技术已可能获得几个至几十个纳米的粉末，它能降低烧结温度，获得纳米晶粒陶瓷。新的烧结技术可使陶瓷坯体在更低温度和更短时间内达到致密化，从而阻止晶粒长大。纳米陶瓷的提出将引起整个陶瓷研究领域的扩展，无论从陶瓷的工艺、陶瓷学的研究、陶瓷的性能及应用方面都将带来更多更新的内容。