关于纳米陶瓷材料的三问三答
2020-12-18 17:41:42
高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。
由于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，那么颗粒越小产生的缺陷越小，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。随着许多领域对材料提出了更高的要求和纳米材料及技术的广泛应用，纳米陶瓷材料应运而生。
Q:我对纳米陶瓷材料不熟，简单来说它是什么东西呢？
A:纳米陶瓷材料依据性能可分为两大类型：一类是纳米结构陶瓷，另一类是纳米功能陶瓷。
前者是在传统陶瓷粉体中通过加入纳米颗粒，或是将传统陶瓷粉体纳米化，通过在烧结凝固时控制凝固或结晶相的大小和分布，从而改变陶瓷显微结构以提高其力学性能所制得的纳米陶瓷材料，这些力学性能有硬度、强度、塑性和韧性等。
后者是通过添加具有独特功能的纳米相或颗粒，或本身在常规微米级时未能完全表现出来的通过超细化而具有特殊功能的纳米陶瓷材料，对于纳米功能陶瓷在保证一定功能的基础上有时需要兼顾一定的力学性能。它们的出现，克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生重要影响，为代替工程陶瓷的应用开拓了新领域。
纳米陶瓷材料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。纳米级陶瓷复合材料的力学性能，特别是在高温下使硬度、强度得以较大的提高。有关研究表明，纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性，而且纳米陶瓷出现将有助于解决陶瓷的强化和增韧问题。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料组成的。
Q:听说纳米陶瓷里有纳米晶，它起什么作用？
A:纳米陶瓷粉体是介于固体与分子之间的具有纳米数量级（0.1～100nm）尺寸的亚稳态中间物质，是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，通过往陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等，使晶粒、晶界以及他们之间的结合都达到纳米水平。
通常，硬化处理使材料变脆，造成断裂韧度的降低，而就纳米晶而言，硬化和韧化由孔隙的消除来形成，这样就增加了材料的整体强度。因此，如果陶瓷材料以纳米晶的形式出现，可观察到通常为脆性的陶瓷可变成延展性的，在室温下就允许有大的弹性形变。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。
▲ 纳米陶瓷齿轮微观组织
随着粉体的超细化，其表面电子结构和晶体结构都会发生变化，使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高，产生了块状材料所不具有的特殊的效应。
Q:纳米陶瓷材料都用在什么地方，我怎么没有见过？
A:使用纳米陶瓷技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。
▲用碳纳米管可制造出质轻高性能的航天复合材料
纳米陶瓷技术可以对抛光砖起到防污作用。主要是利用纳米的小分子的结构对抛光砖的表面形成一个处理层，像疏水和疏油的处理层，通过这个处理层可以防止水，油进入到釉面，即进行防污处理；其次，纳米陶瓷技术的大分子结构的作用就是在抛光砖表面形成一个致密性的，坚硬的，高效的渗透性的保护膜，通过这个保护膜就可以阻止像墨水，咖啡以及油性污渍的侵入，这样就可以起到防污性能；同时，纳米陶瓷抛光砖耐磨、坚硬，长久使用、摩擦都不会使抛光砖的砖面上出现划痕等现象，所以能够保持住抛光砖的整洁。
▲（左图）纳米陶瓷抛光砖保护膜，（右图）普通抛光砖
金属陶瓷作为刀具材料已有几十年历史，详情请戳 《陶瓷刀具进化史》，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因，其力学强度一直难以有大的提高。虽然硬度足够大，但是却非常易碎，容易崩瓷。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位，比如现在正逐渐走入平常百姓家的氧化锆陶瓷刀。上等的陶瓷刀采用的都是极细的纳米氧化锆，硬度仅次于金刚石，且比粗颗粒的陶瓷刀更加细腻、光泽度更佳，且韧性更大。
▲陶瓷刀切东西时，切面非常平滑
纳米陶瓷具有非常多的独特性能，随着高技术的不断出现，人们对纳米陶瓷寄予的希望越来越大，世界各国的科研工正在不断研究开发纳米陶瓷粉体并以此为原料合成高技术纳米陶瓷。
参考文献：
[1]林冠发.纳米陶瓷材料及其制备与应用[J].陶瓷,2002,(05):18-21.
：小黑杨