一文认识纳米陶瓷的性能与应用

1、纳米陶瓷的种类 

根据纳米陶瓷材料的性能可分为纳米结构陶瓷和纳米功能陶瓷两类。

①纳米结构陶瓷：

在传统陶瓷粉体中通过加入纳米颗粒，或者将传统陶瓷粉体纳米化，通过烧结凝固时控制凝固或晶体相的大小和分布，从而改变陶瓷的显微结构来提高其力学性能，从而制得的纳米陶瓷材料。

纳米结构陶瓷改变的力学性能包括：硬度、强度、塑性、韧性。

②纳米功能陶瓷：

通过添加具有独特功能的纳米相或颗粒，或本身功能在常规微米级状态但未能完全表现出来，但在通过超细化后能够表现出来的具有特殊功能的纳米陶瓷材料。

这些特殊功能包括：声学、光学、电学、磁学、生物活性、对环境的敏化性等。

2、纳米陶瓷的特性

（1）表面效应：是指纳米粒子的表面原子数和总原子数之比会随着粒径的变小而急剧增大，从而引起性质上的变化。

（2）体积效应：由于纳米粒子的体积极小，所包含的原子数就很少，相应的质量就极小。因此许多现象就不能用通常由无限个原子组成的块状物质的性质来加以说明，这种特殊现象称之为体积效应。

（3）量子尺寸效应：当纳米粒子的尺寸下降到某一数值时，金属粒子界面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的分子轨道能级使得能隙变宽的现象，成为纳米材料的量子尺寸效应。

3、纳米陶瓷的制备方法 

（1）物理制备法：主要是蒸发凝聚法和高能机械球磨法两种。

①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，凝聚成纳米尺寸的团簇，并在液氮冷却棒上聚集起来，最终得到纳米粉体。

②高能机械球磨法：将粉体放在一个密闭容器中，随容器的旋转、振动或剧烈摇动而获得超细微粒。

此外还有机械粉碎、电火花爆炸法等其他物理制备技术。

（2）化学制备方法：主要分为气相化学法和液相化学法。

①气象化学法：是在远高于热力学计算临界反应温度的条件下，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，最后再收集室内收集得到纳米陶瓷粉体。

②液相化学法：是通过液相来合成粉体，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。并且为了避免严重的硬团聚，通常会引入冷冻干燥、超临界干燥、共沸蒸馏等技术手段。

·  溶胶凝胶法：该法原理是将醇盐溶解于有机溶剂中，通过加入蒸馏水来使醇盐水解、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，接着高温煅烧得到氧化物纳米陶瓷粉体。

·  喷雾热解法：将金属盐溶液以雾状喷入高温气氛中，并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，由此直接获得氧化物纳米粉体。也可将溶液喷入高温气氛中干燥，再经热处理形成粉体。

·  水热合成法：是在密封反应器中以水溶液作为反应体系，通过将水溶液加热至（或接近）临界温度来进行材料制备。

4、纳米陶瓷的应用举例 

纳米陶瓷的上述性能克服了多数工程陶瓷自身材质的不足，在超高温、强腐蚀等极端环境下发挥着不容忽视的作用，市场前景十分可观。其在防护材料、高温材料、汽车工业等领域中的应用情况如下：

①防护材料

普通陶瓷韧性较差，遭受弹丸撞击后容易在碰触区出现显微破坏、跨晶、界面破坏、裂纹扩散等一系列连锁反应，很大程度降低了防护陶瓷产品的抗弹性能。

具备高断裂强度、断裂韧性的纳米陶瓷材料其硬度和弹性模量也很强，再加上优越的耐冲击性能，纳米陶瓷在军事上的装甲、坦克、舰艇、军机、火箭以及军事防护材料的制作商发挥着强大作用。

具体应用举例如下：

（1）纳米陶瓷优异的耐冲击性有效提高主战坦克复合装甲的抗弹能力，增强速射武器陶瓷管的抗烧蚀性和抗冲击性；

（2）利用防弹陶瓷涂层和纳米管复合材料制作衬底，可制成抗击实力超强的防弹背心；

（3）纳米陶瓷的耐高温、抗氧化性能可以提高火炮、鱼雷等武器的抗烧冲击能力，并延长使用寿命。

在民用领域，纳米陶瓷在防护领域的性能发挥在轿车上，缓冲意外事故对车内人员的伤害。

②高温材料

纳米陶瓷具有的高耐热性，优异的高温抗氧化性、低密度、高断裂韧性、抗腐蚀性和耐磨性，对提高航空发动机的涡轮线温度，进而提高发动机的推重比和降低燃烧的能量消耗可以发挥重要作用。不仅如此，纳米陶瓷具有的低温超塑性在制造上较为容易，有望成为舰艇、军用涡轮和其他高温部件的理想材料，以此提高发动机的效率、可靠性和工作寿命。

③汽车工业

纳米陶瓷可作为汽车连杆、推杆、轴承、气缸内衬、活塞顶等材料，也可用于作氧传感器来检测汽车尾气，还可用于制造燃料电池汽车中的高温燃料电池。

纳米陶瓷的电学性能使其可作为压电陶瓷材料，从而根据产品需要广泛应用于电子、激光、通讯、生物、医学、导航、自动控制、精密加工、压电传感、计量检测、超声水声、引燃引爆等军用、商用和民用等领域。

参考来源：

[1]闫鹏飞《精细化学品化学》化学工业出版社

[2]郑衡，宋宜诺，王建明，朱宗奎《纳米陶瓷的应用及发展趋势》

[3]雷秀娟《纳米材料的力学性能》

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