1、納米陶瓷及其主要性能簡析摘要 納米陶瓷的超細(xì)晶粒、高濃度晶界以及晶界原子鄰近狀況決定了它們具有明顯區(qū)別于普通陶瓷的特異性能。本文對納米陶瓷的這些主要的特異性能進(jìn)行了闡述。關(guān)鍵詞 納米陶瓷、顯微結(jié)構(gòu)、晶界、擴(kuò)散、燒結(jié)、強(qiáng)度、韌性、超塑性引言 陶瓷材料作為材料的三大支柱之一 ,在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。但是 ,由于傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆 ,韌性、強(qiáng)度較差 ,因而使其應(yīng)用受到了較大的限制。隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用 ,納米陶瓷隨之產(chǎn)生 ,希望以此來克服陶瓷材料的脆性 ,使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。英國著名材料專家 Cahn在自然雜志上撰文說：納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑。一

2、、納米陶瓷及其結(jié)構(gòu)簡介 所謂納米陶瓷是指在陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)中，晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸等都是納米水平的一類陶瓷。 我們知道陶瓷的燒結(jié)中粉料的粒度是重要的影響因素。粒度越小，粉粒的表面積越大，表面能越大，燒結(jié)的推動力越大；同時晶界所占體積越大，擴(kuò)散越容易，因而燒結(jié)速度越快。當(dāng)陶瓷中晶粒尺寸減小一個數(shù)量級，晶粒的表面積及晶界的體積亦以相應(yīng)的倍數(shù)增加。如晶粒尺寸為，晶界的厚度為時，晶界的體積約占整個體積的。由于晶粒細(xì)化引起表面能的急劇增加。 納米陶瓷由納米量級的粉料燒結(jié)而成，是晶粒尺寸在之間的多晶陶瓷。所以結(jié)構(gòu)中包含納米量級的晶粒、晶界和缺陷。由于晶粒細(xì)化，晶界數(shù)量大幅度

3、增加。當(dāng)晶粒尺寸在以下，若晶界厚度為，則晶界處原子百分?jǐn)?shù)達(dá)，單位體積晶界的面積達(dá)，晶界濃度達(dá)。納米陶瓷這樣的特殊結(jié)構(gòu)，使得其具有特殊的性能。二、納米陶瓷的主要性能及其簡析 納米陶瓷中納米量級的晶粒、晶界和缺陷決定了它們具有區(qū)別于普通陶瓷的特殊性能，是納米陶瓷性能優(yōu)于普通陶瓷的根本原因所在。1、 較低的燒結(jié)溫度和較快的致密化速度納米顆粒粒徑小，比表面積大，表面能高，表面原子數(shù)多。這些表面原子近鄰配合不全，活性大，因此納米顆粒熔化時所需的內(nèi)能較小，使其熔點急劇下降，一般為塊體材料熔點的。所以對納米粉料進(jìn)行燒結(jié)時，只需不高的溫度即可將其熔化并燒結(jié)成陶瓷。因而納米陶瓷的燒結(jié)溫度比普通陶瓷降低很多。由于

4、在納米陶瓷的晶粒邊界含有大量的原子，無數(shù)的界面為原子提供了高密度的短程環(huán)形擴(kuò)散途徑，因此，與普通陶瓷相比，它們具有較高的擴(kuò)散率。因而用納米粉料進(jìn)行燒結(jié)，致密化速度快，也可以降低燒結(jié)溫度。2、 力學(xué)性能人們認(rèn)為納米陶瓷是解決陶瓷韌性和提高強(qiáng)度的戰(zhàn)略途徑。與普通陶瓷相比，納米陶瓷的基本特征是晶粒尺寸非常小，晶界占有相當(dāng)大的比例，并且純度高，可使陶瓷材料的力學(xué)性能大為提高。材料的斷裂強(qiáng)度與晶粒尺寸有以下函數(shù)關(guān)系： 因為晶粒越細(xì)，晶粒上的應(yīng)力相對均勻，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中；同時，晶粒越細(xì)，晶界越多，越曲折，不利于裂紋傳播。所以晶粒細(xì)化有利于強(qiáng)度和韌性的提高。而納米陶瓷由于晶粒細(xì)小，強(qiáng)度和韌性較普通陶瓷都有

5、明顯提高。 除晶粒尺寸外，顯微結(jié)構(gòu)中氣孔常成為應(yīng)力的集中點而影響材料的強(qiáng)度。納米陶瓷具有較高的擴(kuò)散率，在燒結(jié)過程中易于通過表面擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散和晶格擴(kuò)散而填充氣孔，同時通過晶界移動抑制晶粒的異常生長，從而降低了陶瓷中的氣孔率，增大了其強(qiáng)度。 日常生活中最常用的陶瓷材料具有硬而脆的特點，脆是指它經(jīng)不住沖擊。而納米陶瓷由于氣孔率低，以及材料中界面的各向同性，使得通常易碎的陶瓷變得具有韌性，達(dá)到類似于鐵的耐彎曲性。從而克服了普通陶瓷相比于金屬易碎的缺點。實驗發(fā)現(xiàn)，納米TiO2陶瓷材料在室溫下具有優(yōu)良的韌性，在180經(jīng)受彎曲而不產(chǎn)生裂紋。3、 超塑性超塑性是指材料在斷裂前產(chǎn)生很大的伸長量（大于或等于，為

6、伸長量，為原始試樣長度）。這種現(xiàn)象通常發(fā)生在經(jīng)歷中溫以及中等到較低的應(yīng)變速率條件下的細(xì)晶材料中。超塑性機(jī)制目前還有爭議，但是從實驗中可以得出晶界和擴(kuò)散率在這一過程中起著主要作用。普通陶瓷只有在以上，應(yīng)變速率小于時才表現(xiàn)出塑性，而納米陶瓷在時塑性變形可達(dá)。納米、也在低溫下出現(xiàn)了塑性變形。上海硅酸鹽研究所首次在國際上發(fā)現(xiàn)和證實了納米陶瓷（左右）室溫循環(huán)拉伸斷口表面的某些微觀區(qū)域已發(fā)生了超塑性形變，從斷口側(cè)面觀察到大量彎曲的滑移線，說明晶粒尺寸大小是陶瓷室溫循環(huán)變形的關(guān)鍵，指出納米陶瓷裂紋尖端的微區(qū)內(nèi)發(fā)生的室溫超塑性變形的微觀機(jī)制為位錯的滑移運(yùn)動所致。由于陶瓷多為離子鍵和共價鍵的結(jié)合，故其產(chǎn)生超塑性

7、的條件為：具有較大的晶格應(yīng)變能力；較小的粒徑，且變形時能保持顆粒尺寸穩(wěn)定性；較高的試驗溫度；具有較低的應(yīng)力指數(shù)；快速的擴(kuò)散途徑（增強(qiáng)的晶格、晶界擴(kuò)散能力）。納米陶瓷具有較小的晶粒及快速的擴(kuò)散途徑，所以晶粒尺寸小于的納米陶瓷有望具有室溫超塑性，具有非常高的斷裂韌性，從而根本上克服陶瓷材料的脆性。陶瓷超塑性的出現(xiàn)將使陶瓷的成型方法發(fā)生變革，并是復(fù)雜形狀部件的成型成為可能。它將變革現(xiàn)有的燒結(jié)工藝，使成型和燒結(jié)有可能一次完成，為開發(fā)新型結(jié)構(gòu)陶瓷開辟了一條新途徑。利用陶瓷的超塑性，通過熱煅等手段調(diào)整、優(yōu)化結(jié)構(gòu)，從而可以根據(jù)材料設(shè)計原則來獲得所需結(jié)構(gòu)，制備特殊性能的新型材料。（下圖為粒徑為的納米氧化鋯陶瓷

8、在下表現(xiàn)出的超塑性）4、 電學(xué)性質(zhì)由于納米陶瓷中龐大體積分?jǐn)?shù)的界面使平移周期性在一定范圍內(nèi)遭到嚴(yán)重破壞，顆粒尺寸愈小，電子平均自由程愈短。納米陶瓷偏離理想周期場，必將引起電學(xué)性能的變化。一般納米材料的電阻高于常規(guī)材料。主要原因是納米材料中存在大量的晶界，幾乎使大量的電子運(yùn)動局限在小顆粒范圍。晶界原子排列越混亂，晶界厚度越大，對電子的散射能力就越強(qiáng)，界面這種高能壘使電阻升高。另外，盡管電阻很小，但納米材料的電導(dǎo)溫度曲線的斜率比體相材料的要大。改變納米陶瓷中具有電導(dǎo)的組分就可以使陶瓷的電導(dǎo)發(fā)生數(shù)量級的改變。納米陶瓷有高的介電常數(shù)，這是界面極化（空間電荷極化）、轉(zhuǎn)向極化和松弛極化對介電常數(shù)的貢獻(xiàn)比普

9、通陶瓷高得多引起的。此外，人們在納米非晶氮化硅塊體上觀察到了強(qiáng)的壓電效應(yīng)。5、 光學(xué)性質(zhì)納米陶瓷具有紅外吸收、可見光發(fā)射以及非線性光學(xué)效應(yīng)、光伏特性和磁場作用下的發(fā)光效應(yīng)等。三、納米陶瓷應(yīng)用的幾點見解1、如將納米陶瓷退火使晶粒長大到微米量級，又將恢復(fù)通常陶瓷的特性。因此，可以利用納米陶瓷的范性對陶瓷進(jìn)行擠壓與扎制加工，隨后進(jìn)行熱處理，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)陶瓷，或進(jìn)行表面熱處理，使材料內(nèi)部保持韌性，但表面卻顯示出高硬度、高耐磨性與抗腐蝕性。例如，采用納米陶瓷制備的納米滾球，韌性和硬度遠(yuǎn)超過鋼，具有永不生銹、永不腐蝕、耐磨、自潤滑等功能。2、從應(yīng)用的角度發(fā)展高性能納米陶瓷最重要的是降低納米粉料的成本，在

10、制備納米粉體的工藝上除了保證納米粉體的質(zhì)量外，還要求生產(chǎn)量大。所以尋找低成本高質(zhì)量的制備納米粉體的方法是發(fā)展納米陶瓷最重要的環(huán)節(jié)之一。3、在目前納米粉體的生產(chǎn)成本較高的情況下，如何利用盡量少的納米粉體，發(fā)揮其盡量大的作用也可以成為提高陶瓷性能的課題之一。近兩年來，科學(xué)工作者為了擴(kuò)大納米粉體在陶瓷改性中的應(yīng)用，提出了添加納米粉體室常規(guī)陶瓷綜合性能得到改善的想法。例如，把納米氧化鋁粉體加入粗晶粉體中提高氧化鋁的致密度和耐熱疲勞性能；英國把納米氧化鋁與二氧化鋯進(jìn)行混合在實驗室已獲得高韌性的陶瓷材料，燒結(jié)溫度可降低。 總之，納米陶瓷可能具有的低溫超塑性、延展性和極高的斷裂韌性，將使其成為兼具常規(guī)陶瓷和金屬的優(yōu)良特性（如高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、易加工等）的新的結(jié)構(gòu)和功能材料，在航空、航天