纳米陶瓷
摘要：本文简介了陶瓷的发展历史，详细阐述了纳米陶瓷的性能、合成方法，并说明了纳米陶瓷材料以后的应用，为以后的发展做参考。
关键词：纳米陶瓷，发展历史，性能，发展趋势
一、陶瓷的发展历史
陶瓷是人类最早利用自然界提供的原料制造而成的材料。旧石器时代，人们就发现经火煅烧过的粘土，其硬度和强度都大大提高，而且不再被水瓦解，于是，就有了利用粘土的可塑性，将其加工成所需的形状，然后用火烧制成的陶器。随着金属冶炼术的发展，人类掌握了通过鼓风机提高燃烧温度的技术，并且发现，有一些经高温烧制的陶器，由于局部熔化变得更加致密坚硬,完全改变了陶器多孔,透水的缺点。经过长期的摸索和经验积累，以粘土，石英，长石等矿物原料配制而成的瓷器出现了。
从陶器发展到瓷器，是陶瓷发展过程中的一次重大飞跃。这种传统的瓷器，从结构上来看，是由玻璃相结合在一起的、由许多微小的晶粒构成的物体。
随着科学技术的高速发展，人们迫切需要大量强度很高，绝缘性能良好的陶瓷材料。此时，人们发现,尽管陶瓷中的玻璃相使陶瓷变得坚硬、致密,然而它却妨碍了陶瓷强度的提高。同时，玻璃相也是陶瓷绝缘性能，特别是高频绝缘性能不好的根源，于是，玻璃相含量比传统陶瓷低的一些强度高，性能好的材料不断涌现。
从传统陶瓷到先进陶瓷，是陶瓷发展过程中的第二次重大飞跃。两者的区别在于，在原材料、制备工艺、显微结构等方面存在相当的差别或侧重。传统陶瓷多数采用天然矿物原料，或经过处理的天然原料，而先进陶瓷则多数采用合成的化学原料，有时甚至是经特殊工艺合成的化学原料。
近年来，先进陶瓷在材料和制备技术方面的研究都取得了很大的进展，特别是把陶瓷的制备、组成、结构和性能联系起来进行。综合研究的结果使陶瓷学家认识到，陶瓷的显微结构有着举足轻重的作用。即使化学组成完全相同，采用不同的制备工艺技术，有时甚至只有很微小的差别便可能导致显微结构发生很明显的变化，材料的性能常常相差非常大。
从先进陶瓷发展到纳米陶瓷是陶瓷发展过程中的第三次飞跃。纳米陶瓷将给人们提供更新更好的材料。
纳米陶瓷是80年代中期发展起来的先进材料。由于它是界于宏观物质和微观原子、分子的中间研究领域,它的出现开拓了人们认识物质世界的新层次，对材料的工艺，制备科学，以至整个材料科学带来了新的研究内涵。虽然，电子显微镜，包括扫描电子显微镜和透射电子显微镜以及高分辨电镜和分析电镜等现代表征技术的发展，使人们能进入到纳米量级(10-9m)线度上来研究纳米陶瓷中晶界的化学组分及显微结构，但由纳米材料所引起的诸如超微粉体学，烧结动力学，各种掺入纯物质的纳米陶瓷的显微结构以及由此引起的物理性能的变化，都是当今研究陶瓷的热门话题,还有待于人们进一步的研究。
二、纳米陶瓷的性能
纳米陶瓷具有优异性能：
    纳米陶瓷材料具有极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能，可以降低材料的烧结致密化程度、节约能源；使材料的组成结构致密化、均匀化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性；可以从纳米材料的结构层次100 nm上控制材料的成分和结构，有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能，而使纳米材料的组织结构和性能的定向设计成为可能。
另外，陶瓷是由陶瓷原料成型后烧结而成的，而且陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能。如果粉料的颗粒堆积均匀、烧成收缩一致且晶粒均匀长大，则颗粒越小产生的缺陷就越小，所制备的材料的强度就相应越高，这就可能出现一些大颗粒材料所不具备的独特性能。
纳米陶瓷最重要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，特别是在高温下使硬度、强度得以较大的提高。例如：当纳米颗粒Si3N4、SiC超细微粉分布于材料的内部晶粒内，增强了晶界强度，提高了材料的力学性能，从而使易碎的陶瓷可以变成富有韧性的特殊材料近年来国内外对纳米复相陶瓷的研究表明，在微米级基体中引入纳米分散相进行复合，可使材料的断裂强度、断裂韧性提高2～4倍，使最高使用温度提高400～600℃，同时还可提高材料的硬度和弹性模量，提高抗蠕变性和抗疲劳破坏性能。
三、纳米陶瓷的合成方法
纳米粉末的制备： 
要制成纳米陶瓷，主要包括两大步骤：一是制取纳米陶瓷粉，二是致密化成块状纳米材料。纳米粉的制备技术有气相合成和凝聚相合成两大类，再加上一些其它方法。
纳米陶瓷的合成方法主要有：
物理法：惰性气体冷凝法，电子蒸发法，激光剥离法等等。
化学法：化学气相沉积法，沉淀法，溶胶凝胶法等等。
这里简单介绍气相合成法和溶胶-凝胶法气相合成法。主要有气相高温裂解法、喷雾转化工艺和化学气相合成法，这些方法具有较高的实用性和适用性。化学气相合成法可以认为是惰性气体凝聚法的一种变型，它既可以制备纳米非氧化物粉体，也可以制备纳米氧化物粉体。这种合成法增强了低温下的可烧结性，并且有相对高的纯净性和高的表面及晶粒边界纯度溶胶一凝胶法是指在水溶液中加入的有机配体与金属离子形成配合物，通过控制pH值、反应温度等条件使其水解、聚合；历经溶胶向凝胶转变而形成一种空间骨架结构，经过脱水焙烧得到目的产物的一种方法。此法在制备复合氧化物纳米陶瓷材料时具有很大的优越性。凝聚相合成已被用于产生纳米团，在各类系统中产生<10nm的SiO2、Al2O3、和
TiO2纳米团。要获得纳米结构，可引入具有最终平衡相结晶陶瓷的晶粒进行催化成核，在基体中引入晶核的目的是为了降低形成所需相的成核能，反应生成水中的结晶状金属氧化物的悬浮物纳米团。
四、高性能陶瓷与纳米陶瓷的发展趋势
1、高性能陶瓷材料的发展趋势
高性能陶瓷的市场发展预测从一些主要工业国家的高性能陶瓷(包括纳米陶瓷)、工程陶瓷的市场统计和预测可以看出,高性能陶瓷每5年的销售额翻一番,在2000年达到大约500亿美元的市场，平均每年的增长率在14%~15%左右，发展是极其迅速的。从工程陶瓷在高性能陶瓷中所占的比例来看，也是不断增长的，这说明在高性能陶瓷中，工程陶瓷的发展更快更有前景。而具有高性能的纳米陶瓷如在高温下具有高强度、高硬度以及优良抗氧化性、耐磨性、耐腐蚀性的产品市场前景更是看好。
2、 高性能陶瓷与纳米陶瓷的应用前景 
纳米复合陶瓷与普通陶瓷材料相比，在力学性能、表面光洁度、耐磨性以及高温性能诸方
面都有明显改善。近年来国内外对纳米复相陶瓷的研究表明，在微米级基体中引入纳米分散相进行复，,可使材料的断裂强度、断裂韧性提高2~4倍，使最高使用温度提高400~600℃，同时还可提高材料的硬度和弹性模量,提高抗蠕变性和抗疲劳破坏性能。西方发达国家特种复合陶瓷材料的增长速度每年平均不低于15%。
由于纳米陶瓷具有不同于传统陶瓷的独特性能,纳米陶瓷材料制成的烧结体可作为储氢材料、热交换器、微孔过滤器以及检测温度气体的多功能传感器。它的发展使陶瓷材料跨入了一个新的历史时期。
五、总结 
陶瓷材料作为材料业的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。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科学技术，它将成为新世纪最重要的高新技术，将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。 
纳米科技的产业化前景广阔。我们期待着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】李晓俊，刘丰，刘小兰. 纳米材料的制备与应用研究，山东大学出版社， 济南，2006 
【2】 戴金辉，葛兆明编.无机非金属材料概论,哈尔滨:工业大学出版社, 1999
【3】 刘焕彬，陈小泉. 纳米科学与技术导论，化学工业出版社，北京，2000
【4】 杜伟坛,杜海清.无机化学学报.1996
【5】 林宗寿主编.无机非金属材料工学.武汉:工业大学出版社，1999

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