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1、纳米陶瓷材料及其在军事领域的应用前景一纳米陶瓷及其发展历程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杂志上撰文道：“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。”中国的陶器可追溯到900年0前,瓷器也早在40年0前0出现。最初利用火煅烧粘土制成陶器
2、。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。新型陶瓷诞生于20世纪二三十年代,科学技术高速发展,对材料提出了更高的要求。在传统陶瓷基础上,一些强度高、性能好的新型陶瓷不断涌现,它们的玻璃相含量都低于传统陶瓷。纳米陶瓷的研究始于80年代中期。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、缺陷尺寸都限于以下，是上世纪年代中期发展起来的新型陶瓷材料。由于纳米陶瓷晶粒的细化，品界数量大幅度增加，可使材料的韧性和塑性大为提高并对材料的电学、热学、
3、磁学、光学等性能产生重要的影响，从而呈现出与传统陶瓷不同的独特性能，成为当今材料科学研究的热点。二纳米陶瓷的制备方法12物理制备方法物理制备方法主要是蒸发凝聚法和高能机械球磨法两种。蒸发凝聚法：在真空蒸发室内充入低压惰性气体，加热金属或化合物蒸发源，由此产生的原子雾与惰性气体原子碰撞而失去能量，凝聚而成纳米尺寸的团簇，并在液氮冷却棒上聚集起来，最后得到纳米粉体。年美国实验室的米用此法成功地制备了纳米陶瓷粉体，粉体粒径为一。高能机械球磨法：利用机械摩擦的方法得到纳米晶粒。是将粉体放在一个密闭的容器中，随着容器的旋转、振动或剧烈摇动而得到超细微粒。米用此法已制备了左右的压电陶瓷粉体。此外还有机械粉
4、碎、电火花爆炸法等其他物理制备技术。一般说来，纳米陶瓷粉体物理制备方法的工艺条件较为苛刻，应用范围较窄，粉体粒径控制较为困难，而化学制备方法是在液相和气相条件下，首先形成离子或原子，然后逐步长大，形成所需要的粉体，容易得到粒径小、纯度高的超细粉体。22化学制备方法化学制备方法分为气相化学法和液相化学法。气相化学法：是在远高于热力学计算临界反应温度条件下，反应产物蒸气形成很高的过饱和蒸汽压，使其自动凝聚形成大量的晶核。这些晶核在加热区不断长大，聚集成颗粒。随着气流进入低温区，颗粒生长、聚集、晶化过程停止，最终在收集室内收集得到纳米陶瓷粉体。上海硅酸盐研究所的研究人员在C温度下，分别用、作为硅、碳
5、、氮源和载气，制得了平均粒径为的纳米粉和平均粒径小于无定形/纳米复合粉体。气相化学合成按加热热源可分为电阻法、等离子体法、激光法和电子束法等。对于原料容易挥发、蒸汽压高、反应温度不是太高的、反应性高的有机硅、金属氯化物或其它化合物，采用电阻加热法即可。目前有产业化趋势的制备方法是等离子体法和激光法。等离子体法是纳米陶瓷粉体制备的常用方法之一，用该方法制得了、/iir等氮化物纳米陶瓷粉体。激光诱导气相沉积23法的3基4本原3理4是利用反应气体分子（或光敏剂分子）对特定波长激光束的吸收，引起反应气体分子激光光解、激光热解、激光光敏化和激光诱导化学合成反应，经成核生长成超细粉末。液相化学方法是通过液
6、相来合成粉体，包括沉淀、溶胶凝胶、喷雾热解、水热合成。沉淀法：在金属盐溶液中加入适当的沉淀剂得到陶瓷前驱体沉淀物，再将其煅烧形成纳米陶瓷粉体。为了避免严重的硬团聚，往往引入冷冻干燥、超临界干燥、共沸蒸馏等技术手段。已制备和一粉体。溶胶凝胶法：是世纪年代发展起来的一种方法，早期主要用于制备陶瓷材料，其原理是将醇盐溶解于有机溶剂中，通过加入蒸馏水使醇盐水解、聚合、形成溶胶，然后随着水的加入转变成凝胶。凝胶在真空状态下低温干燥，得到疏松的干凝胶，再将其高温煅烧，可得到氧化物纳米陶瓷粉体。采用溶胶凝胶法很容易合成、以及氧化物复合粉等纳米粉体。天津大学的侯峰等人也因此法制备了钙钛矿纳米陶瓷薄膜。喷雾热解
7、法：将金属盐溶液以雾状喷人高温气氛中，此时立即引起溶剂的蒸发和金属盐的热分解，随后因过饱和而析出固相，从而直接得到氧化物纳米粉体。或者将溶液喷人高温气氛中干燥，然后再经热处理形成粉体。赵新等用喷雾热解法合成了纳米复合粒子水热合成法：是在密闭反应器中以水溶液作为反应体系，通过将水溶液加热至临界温度（或接近临界温度）来进行材料制备。利用超临界的水热合成装置，可连续获得、等一系列纳米氧化物粉体。国外采用气相氢氧焰水解法大批量生产纳米二氧化钛粉体，对于、n、等纳米粉体都可用热合成。三.纳米陶瓷的性能材料的力学性能：根据关系aa-式中o为屈服应力；a是移动单个位错所需的克服点阵摩擦的力；是常数；是平均晶
8、粒尺寸。如果用硬度来表示，则可用下式表示，、=、Q-+-K、式中，值为正数。由上面公式可知，材料的屈服强度与晶粒尺寸的平方根成反比，这表明随晶粒的细化材料强度显著增加。此外，大体积的界面区提供足够的晶界滑移机会，导致形变增加。当普通陶瓷成为纳米陶瓷后，因品粒尺寸减小，故材料的硬度和强度提高，一般要高出倍。如在下，纳米陶瓷的显微硬度为/m而普通陶瓷的显微硬度低于/。在陶瓷基体中引入纳米分散相并进行复合，所制得的纳米陶瓷复合材料的综合力学性能更是得到大幅度提高。现已成功制备出多种体系的纳米陶瓷复合材料，材料的力学性能得到明显改善。对于/系统来说，纳米复合材料的强度比单相氧化铝的强度提高了倍。此外纳
9、米晶与单品或粗颗粒压缩体的相应值比，性能更好，而烧结温度却要低一C,且烧结不需要任何的添加剂，可形成高密度、细晶粒的材料，这对需高温烧结的陶瓷材料的生成特别有利。材料的超塑性：所谓超塑性是指材料在一定的应变速率下，产生较大的拉伸形变。尽管人们发现、2等陶瓷材料在高温时一C具有超塑性，但普通陶瓷室温超塑性却未见报道。而纳米陶瓷因其超微颗粒的小尺寸效应、表面和界面效应、量子尺寸和宏观量子隧道效应，使其在材料形成过程和结构中有突出表现，从而使纳米陶瓷呈现出独特性能。由此，人们追求的陶瓷超塑性问题有望在纳米陶瓷中解决。这是因为界面的流变性是超塑性出现的重要条件，它可以由下式表示A式中：为应变速率；A是
10、附加应力；为粒径；，和分别为应力和应变指数；是与温度和扩散有关的系数，它可以表示为式，即OC-/对超塑性陶瓷材料，和的典型数字范围为一3是与晶界扩散密切相关的参数。当扩散速率大于形变速率时，界面表现为塑性，反之，界面表现为脆性。因而界面中原子的高扩散性是有利于陶瓷材料的超塑性的。从发现纳米陶瓷超塑性以来，国内外先后开展了许多研究工作。等发现纳米陶瓷材料在C经受弯曲而不产生裂纹，其塑性变形高达，表现出优良的韧性；世纪8年,代我国开始陶瓷超翅性的研究，已取得了一些成果。上海硅酸盐研究所制备的纳米相陶瓷在经室温循环拉伸试验后，其样品的断口区域发生了局部超翅性形变，形变量高达38，；南京化工学院与南京
11、航空航天大学合作开展了陶瓷材料及超塑性成形技术的研究。对平均晶粒尺寸的无压烧结材料，在C空气炉巾，初始应变速率下最大拉伸量达%。纳米级陶瓷在C下可产生以上的形变。总之，纳米陶瓷材料的超塑性潜力，给陶瓷材料在低温度、高应变速率下进行塑性成型加工带来了希望。它将变革现有的烧结工艺，使成型和烧结可能一次完成，为开发新型结构陶瓷开辟了一条新途径。四纳米陶瓷在军事领域中的应用及趋势虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的室温和高温力学性能、拉弯强度、断裂韧性使其在切削工具、轴承、发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景
12、。41防护材料普通陶瓷在被用作防护材料时，由于其韧性差，受到弹丸撞击后容易在撞击区出现显微破坏、垮晶、界面破坏、裂纹扩展等一系列破坏过程，从而降低了陶瓷材料的抗弹性能。纳米陶瓷高活性和耐冲击的性能，可有效提高主战坦克复合装甲的抗弹能力；增强速射武器陶瓷衬管的抗烧蚀性和抗冲击性；由防弹陶瓷外层和碳纳米管复合材料作衬底，可制成坚硬如钢的防弹背心；在离射武器方面如火炮、鱼雷等，纳米陶瓷可提高其抗烧结冲击能力，延长使用寿命。目前，国外复合装甲已经采用高性能的高弹材料。在未来的战争中，若能把纳米陶瓷用于车辆装甲防护，会具有更好抗弹、抗爆震、抗击穿的能力，提供更为有力的保护。42高温材料纳米陶瓷高耐热性、
13、良好的高温抗氧化性、低密度、高断裂韧性、抗腐蚀性和耐磨性，这对提高航空发动机的涡轮前温度，进而提高发动机的推重比和降低燃料消耗具有重要作用，有望成为舰艇、军用涡轮发动机高温部件的理想材料，以提高发动机效率、可靠性与工作寿命。43吸波材料陶瓷材料除具有优良的力学性能和热物理性能外，高的机械强度、化学稳定性好，同时又具有吸波功能，能满足隐身要求，已被广泛用作吸收剂。据报道，隐身飞机的尾喷管上用的就是陶瓷吸波材料，可以承受C3高温，法国采用陶瓷复合纤维也制造出了无人驾驶的隐身飞机。随着技术的进步，吸波材料向“薄”、“轻”化发展；兼容吸收毫米波、厘米波和米波；追求宽频带吸收。而纳米材料在这方面具有得天
14、独厚的条件：良好的吸波性能；宽频带、兼容性好、质量轻、厚度薄等特点，使得纳米陶瓷材料成为陶瓷吸波材料研究重要方向之一。目前研究较多的纳米碳化硅陶瓷吸波材料，不仅吸波性能好、能减弱发动机红外信号，而且具有密度小、强度高、韧性好、电阻率大等特点，是国内外发展很快的吸收剂之一。此外，有的纳米陶瓷材料润滑作用十分突出，可使坦克炮塔转动灵活，可使枪管润滑而提高弹丸初速15，同时提高武器使用寿命。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。总之，纳米陶瓷作为一种新型高性能材料，越来越受到世界各国材料科学工作者的关注。目前，纳米陶瓷材料在军事领域的应用研究尚属起步，许多问题有待解决，但纳米陶瓷材料潜在的应用前景为其研究增添了活力，而科学技术的迅速发展也必将进一步加快纳米陶瓷材料研究的步伐。参考文献【】张中太，林元华，唐子龙，等.纳米材料及其技术的应用前景【】.材料工程，200，03：42【】陈煌，林新华，曾毅，等.热喷涂纳米陶瓷涂层研究进展【.硅酸盐学报，0:【】朱教群，梅炳初，陈艳林.纳米陶瓷材料的制备和力学性能】.佛山陶瓷，：【】，.，
