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1、纳米陶瓷材料综述Summary of nano-ceramic material摘要： 本文是一片比较全面的纳米陶瓷材料的综述文章。主要内容涵盖了陶瓷的发 展，纳米陶瓷的发展，纳米陶瓷的结构与性能(力学性能、电学性能、超塑性等)、 纳米陶瓷的应用(防护材料、耐高温材料、生物材料、压电材料、信息材料等)、 纳米陶瓷的制备方法，包括纳米粉的制备，成型及烧结。此外还有纳米材料的发 展展望。关键词：纳米陶瓷 结构与性能 应用 制备方法 展望Abstract:This paper is a comprehensive review article of the nano-ceramic material
2、. The main content covers the development of the ceramic, the development of nano-ceramic nano-ceramic structure and properties (mechanical properties, electrical properties, superplasticity, etc.), the application of nano-ceramic (protective materials, high temperature materials, bio-materials, pie
3、zoelectric materials, information materials, etc.), nano-ceramic preparation methods, including nano-powders, molding and sintering. In addition to the development of nanomaterials Outlook.Keywords: nano-ceramic structure and performance preparation method Prospects引言：著名的诺贝尔奖获得者Feynman在1959年就曾预言：“如果
4、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。”英国著名科学家莱恩Cahn在Nature杂志上撰文说：“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。” 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。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
5、能等问题，有可能在纳米陶瓷中解决。1、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。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。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。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。2、纳米材料
6、纳米陶瓷简介:纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm。1 nm=10(-9) m=10埃。把组成相或晶粒结构的尺寸控制在 1-100 纳米范围的具有特殊功能的材料称为 纳米材料。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。 纳米陶瓷是20世纪80年代中期发展起来的先进材料。陶瓷材料作为材料的三大支柱之一 ,在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。 陶瓷又可分为结构陶瓷和功能陶瓷，结构陶瓷具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀以及 质量轻、导热性能好等优点;功能陶瓷在力学、电学、热学、磁光学和其它方面 具有一些特殊的
7、功能，使陶瓷在各个方面得到了广泛应用1。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 , 使陶瓷具有象金属一样的柔韧性 和可加工性。目前，虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的保温 和高温力学性能，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等许多方面都有广泛 的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻环境下起着其他材料不可替代的作用。3、纳米陶瓷的发展自 20 世纪 70 年代纳米颗粒材料问世以来， 80 年代中期在实验室合成了纳 米块体材料。纳米材料已有近 30 多年的发展
8、历史，其发展历程，大致可以分为 以下三个阶段：第一阶段（1990 年以前），主要是指实验室的工作研究，具体包括：探索用各种手段制备各种各样的纳米粉末；合成块体（包括薄膜）纳米材 料；研究评估表征的方法；探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。第二阶段（19901994 年），人们关注的热点是如何利用纳米材料奇特的物 理、化学和力学性能，设计纳米复合材科。第三阶段（1994 年到现在），纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料 体系越来越受到人们的关注。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。4、纳米陶瓷的结构与性能纳米材料是由极细晶粒组成，特征维度尺寸在
9、纳米数量级（1100 nm）的固体 材料。也有人称纳米材料是晶粒度为纳米级的多晶材料。陶瓷是由晶粒和晶界组 成的一种多晶烧结体，由于工艺上的关系，很难避免其中存在气孔和微小裂纹。 决定陶瓷材料性能的主要因素是：化学组成、物相和显微结构。4.1、力学性能人们认为纳米陶瓷是解决陶瓷韧性和提高强度的战略途径，因而其力学性能 的研究就十分重要。与普通陶瓷相比，纳米陶瓷的基本特征是晶粒尺寸非常小， 晶界占有相当大的比例，并且纯度高，可使陶瓷材料的力学性能大为提高。过去 对材料力学性能建立的位错理论、加工硬化理论、晶界理论是否适用于纳米结构 材料，一直是人们十分关注的问题。不少纳米陶瓷的硬度和强度比普通陶
10、瓷高45倍或更高。4.2、超塑性纳米陶瓷晶粒细化，晶界数量大幅度增加，扩散性高，可提高陶瓷材料的韧 性和产生超塑性。因此，人们追求的陶瓷增韧和超塑性问题可望由纳米陶瓷来解 决。纳米陶瓷具有较小的晶粒及快速的扩散途径，所以晶粒尺寸小于50nm的纳 米陶瓷有望具有室温超塑性，从而根本上克服陶瓷材料的脆性。纳米陶瓷超塑性 有重大的应用价值。利用这一特性可进行陶瓷的超塑性成型和超塑性连接。如日 本用于发动机活塞环的超塑性弯曲成型制活塞环。陶瓷超塑性的出现将使陶瓷的 成型方法发生变革，并使复杂形状部件的成型成为可能。另外，陶瓷超塑性的出现将变革现有的烧结工艺，使成型和烧结有可能 一次完成，为开发新型结构
11、陶瓷开辟了新途径。4.3、电学性质纳米材料中，由于界面的体积分数较大，使平移周期性在一定范围内遭到严 重破坏，颗粒尺寸愈小，电子平均自由程愈短。纳米材料偏离理想周期场，必将 引起电学性能的变化。4.3.1 电阻纳米材料的电阻高于常规材料。主要原因是纳米材料中存在大量的晶界，几 乎使大量的电子运动局限在较小颗粒范围。晶界原子排列越混乱，晶界厚度越大， 对电子的散射能力就越强，界面这种高能垒使电阻升高。4.3.2、介电性纳米材料的介电常数和介电损耗与颗粒尺寸有很强的依赖关系；纳米材料的 电场频率对介电行为有极强的影响，并显示出比常规粗晶材料强的介电性。4.3.3、压电效应我国科技工作者在纳米非晶氮
12、化硅块体上观察到强的压电效应，这主要是由 于未经退火和烧结的纳米非晶氮化硅界面中存在大量的悬键 （如在 Si 一 Si3、 SiSiN3等中的Si悬键，NNSi2中的氮悬键等）以及NH、SiH、Si0和 SiOH 等键。4.3.4、光学性质纳米材料的红外吸收研究近年来比较活跃，主要集中在纳米氧化物、氮化物 和纳米导体材料上。通常发光效应很低的 Si、Ge 半导体材料，当晶粒尺寸减小 到V5nm时，可观察到很强的可见光发射。Al2O3 、TiO2 、SnO2 、CdS 、CuCl2 、ZnO 、Bi2O3 、Fe2O3 、CaSO4 等， 当它的晶粒尺寸减小到纳米量级时，也同样观察到常规材料中根
13、本没有的发光现 象。根本不发光的纯A12O3和纯Fe2O3纳米材料复合在一起，所获得的细晶材料 在蓝绿光波段出现了一个较宽的光致发光带。此外，纳米材料还有非线性光学效 应、光伏特性和磁致发光效应等。总之，纳米材料的光学性质的研究还处于初始 阶段，许多问题值得深入研究。此外，纳米材料还具有优异的热学、磁学、化学（催化、耐腐蚀）等性能。纳 米材料基本物理性质的研究将进一步揭示纳米材料的本质，为开发新材料打下基 础。纳米陶瓷可能具有的低温超塑性、延展性和极高的断裂韧性，将使其成为兼 具陶瓷和金属的优良特性（如高强度、高硬度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、易加 工等）的新结构和功能材料，在航空、航天、机械、
14、电子信息等众多领域具有无 限广阔的应用前景。5、纳米陶瓷的应用以上纳米陶瓷性能的特点决定了纳米陶瓷具有广泛的应用领域：5.1、硬性防护和软性保护材料普通陶瓷在用作防护材料时，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、跨晶、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。纳米陶瓷具有高韧性的性能，提高了陶瓷材料的抗冲击性能， 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腐蚀性和 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，会具有更好的抗弹、 抗爆震、抗击穿能力，提
15、供更为有力的保护。纳米Y2O3和ZrO2在较低温度烧 结的陶瓷具有很高的韧性和强度，被用于轴承和刀具等耐磨器件4。5.2、耐高温材料纳米陶瓷粉末涂料在高温环境下具有优异的隔热保温效果，不脱落、不燃烧，耐水、防潮，无毒、对环境无污染，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，适用于冶金、化工工业、电厂的 热力锅炉及焦化煤气等热力设备和热力管网等高温设备的防腐、炉外降温，并 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。在汽车工业也有着广阔前景，如用纳米陶瓷作为气缸内衬材料， 因耐高温可提高燃料燃烧温度，使燃料的热效率
16、提高；涂覆于汽车玻璃表面可起 到防污和防雾、隔热作用9。53、生物材料、临床应用材料表1纳米复相套磁材料的力学性能a抗弯强度断裂韧性最高使用温(MPa)度代)韧性、硬人心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、 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%7鯛的龙越粉末时，材料经13001350热压烧结 其强度和韧性随烧结温度 的提高而增加。纳米sicn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。从表1可看出纳米陶瓷材料的力学性能。Erbe等用纳米技术制备出纳米磷酸钙，它不仅可以作为骨髓细胞的细胞骨架，还可以加速细胞的形成。生物功能陶瓷能够模
