纳米陶瓷特性及其应用领域浅析
2020-12-18 17:42:10
陶瓷材料在日常生活、工业、军事等领域中起着举足轻重的作用。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。纳米陶瓷的出现，极大的改善了传统陶瓷的性能短板，使得陶瓷材料的应用跨上了一个新台阶。纳米陶瓷是纳米材料的一个分支，是指平均晶粒尺寸小于100nm的陶瓷材料。纳米陶瓷其晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的。从纳米陶瓷的微观结构分析，纳米陶瓷将在以下几方面突破传统陶瓷的性能短板：
1、纳米陶瓷的室温超塑性
普通陶瓷材料由于太硬太脆，加工极困难．很难像金属一样进行切割、钻孔等操作，这也是普通陶瓷材料的应用受局限的原因之一。纳米陶瓷的室温超塑性将使得陶瓷在保留其耐化学腐蚀、耐高温高压等优良性能的前提上，有可能像其他材料一样进行锻造、挤压、拉拔、弯曲等特种加工，不需磨削，直接制备精密尺寸的零件。
2、高韧性是纳米陶瓷的另一项优良性能。陶瓷材料尽管有耐磨损、耐腐蚀等优异性能，但由于其固有的脆性，其应用范围远远小于钢铁、塑料等主流的应用材料，纳米陶瓷的出现将有可能彻底改变这个局面。
3、纳米陶瓷可低温烧结
不少纳米陶瓷材料都已实现在1000℃以下致密化，而且还有可能继续大幅降低。这样不仅可以节省大量宝贵的能源，同时也有利于环境的净化。
4、除了以上所列举的基于结构性能方面的应用，纳米陶瓷另一重要性能是在功能方面。陶瓷材料的电、磁、光、声等性能常常与其晶界相有很大的关系。由于纳米陶瓷的晶粒小，单位体积中晶界相的比例远远高于普通的粗晶粒陶瓷，同时晶界相的组成也可能与普通粗晶粒陶瓷有极大的不同，因此有可能给陶瓷的性能带来很多意想不到的变化。
纳米陶瓷性能的应用领域
1、电子元器件及压电陶瓷制造领域
电子陶瓷的应用范围日趋广阔，包括基板、传感器、感测器、电容器、压电蜂鸣器和热敏电阻等。纳米陶瓷粉体之所以广泛地用于制备电子陶瓷，原因在于陶瓷粉体晶粒的纳米化会造成晶界数量的大大增加，当陶瓷中的晶粒尺寸减小一个数量级，晶粒的表面积及晶界的体积亦以相应的倍数增加。
纳米陶瓷晶体结构上没有对称中心，具有压电效应。压电陶瓷具有易于制造、成本低、不受尺寸和形状的限制等很多优点。通过精选材料组成体系和添加物改性，可以获得高性能和低温烧结兼优的压电纳米陶瓷材料。通过控制纳米晶粒的生长可获得量子限域效应，以及性能奇异的铁电体，以提高压电热解材料机电转换和热释性能。近年迅速发展的各类压电变压器、压电驱动器、大功率超声焊接技术、压电式振动给料器、超声CVD新工艺和核电站相配套的大功率超声工程都是纳米陶瓷在压电方面的应用。
2、轴承制造领域
纳米功能陶瓷很好地解决了陶瓷的脆性问题，将纳米金属颗粒尤其是高温合金相制成的纳米颗粒，加入到陶瓷材料中，可以使陶瓷的韧性和抗冲击力得到很大的提高，又不降低原有的强度和硬度，综合了陶瓷和金属两方面的优势，应用领域十分广泛。特别是轴承工业，目前，陶瓷材料己被成功地用来制造机床滚动轴承、水泵滑动轴承等。如水泵中的陶瓷滑动轴承，由于它能够在含有泥沙类固相颗粒的液体中运转，并且具有良好的耐腐蚀性，因而对于直接输送海水或江水的船用泵来说，具有特别重要的意义。加之良好的导热性能，使泵在一定的干运转期间，不会因过高的升温而发生烧毁。
3、耐高温材料
纳米陶瓷具有优异的耐高温及高强度、高韧性特点，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。同时纳米陶瓷还适用于冶金、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作为防腐、炉外降温涂料。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，使燃料的热效率提高。
4、军事防护材料领域
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。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，提供更为有力的保护。
5、卫生洁具领域应用
将纳米液态聚合硅均布于陶瓷表面，经高温处理后得到具有纳米量级膜层的陶瓷。聚合硅成膜后能大大降低陶瓷的表面张力，使液体在陶瓷表面呈半球状，不易挂沾，易于清洁。纳米陶瓷具有明显的易洁特性，在使用中便于清洗节水，也会减少因使用化学清洁剂而造成的环境污染。同时纳米陶瓷材料还具有一定的抗菌性。所以其在墙地砖及卫生洁具的应用有着十分广阔的前景和重要的环保意义。
6、生物医疗领域
纳米生物功能陶瓷能够模仿人体某些特殊生理行为，可以用来构成牙齿和骨骼等某些人体部位，甚至可望部分或整体地修复或替换人体的某种组织器官，或者增加其功能。
小结：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的改善。目前，纳米陶瓷材料的研究已涉及到有机和无机材料。它的发展使陶瓷材料跨人了一个新的历史时期。随着纳米技术的高速发展，纳米陶瓷材料的应用将越来越广泛。纳米陶瓷粉体将飞速发展，在各领域的应用将全面展开，并将产生一批新技术、新产品；在电子、通信等高技术领域的广泛应用，将成为经济发展的新的增长点。
(：沐恩）