由于陶瓷粉料的顆粒大小決定了陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能，如果粉料的顆粒堆積均勻，燒成收縮一致且晶粒均勻長(zhǎng)大，那么顆粒越小產(chǎn)生的缺陷越小，所制備的材料的強(qiáng)度就相應(yīng)越高，這就可能出現(xiàn)一些大顆粒材料所不具備的獨(dú)特性能。隨著許多領(lǐng)域?qū)Σ牧咸岢隽烁叩囊蠛图{米材料及技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米陶瓷材料應(yīng)運(yùn)而生。

    Q1：我對(duì)納米陶瓷材料不熟，簡(jiǎn)單來說它是什么東西呢？

    A：納米陶瓷材料依據(jù)性能可分為兩大類型：一類是納米結(jié)構(gòu)陶瓷，另一類是納米功能陶瓷。

    前者是在傳統(tǒng)陶瓷粉體中通過加入納米顆粒，或是將傳統(tǒng)陶瓷粉體納米化，通過在燒結(jié)凝固時(shí)控制凝固或結(jié)晶相的大小和分布，從而改變陶瓷顯微結(jié)構(gòu)以提高其力學(xué)性能所制得的納米陶瓷材料，這些力學(xué)性能有硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性等。

    后者是通過添加具有獨(dú)特功能的納米相或顆粒，或本身在常規(guī)微米級(jí)時(shí)未能完全表現(xiàn)出來的通過超細(xì)化而具有特殊功能的納米陶瓷材料，對(duì)于納米功能陶瓷在保證一定功能的基礎(chǔ)上有時(shí)需要兼顧一定的力學(xué)性能。它們的出現(xiàn)，克服了工程陶瓷的許多不足，并對(duì)材料的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、磁光學(xué)等性能產(chǎn)生重要影響，為代替工程陶瓷的應(yīng)用開拓了新領(lǐng)域。

    納米陶瓷材料的特性主要在于力學(xué)性能方面，包括納米陶瓷材料的硬度，斷裂韌度和低溫延展性等。研究發(fā)現(xiàn)，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料組成的。有關(guān)研究表明，納米陶瓷具有在較低溫度下燒結(jié)就能達(dá)到致密化的優(yōu)越性，而且納米陶瓷出現(xiàn)將有助于解決陶瓷的強(qiáng)化和增韌問題。

    Q2：聽說納米陶瓷里有納米晶，它起什么作用？

    A：納米陶瓷粉體是介于固體與分子之間的具有納米數(shù)量級(jí)（0.1～100nm）尺寸的亞穩(wěn)態(tài)中間物質(zhì)，是利用納米粉體對(duì)現(xiàn)有陶瓷進(jìn)行改性，通過往陶瓷中加入或生成納米級(jí)顆粒、晶須、晶片纖維等，使晶粒、晶界以及他們之間的結(jié)合都達(dá)到納米水平。

    通常，硬化處理使材料變脆，造成斷裂韌度的降低，而就納米晶而言，硬化和韌化由孔隙的消除來形成，這樣就增加了材料的整體強(qiáng)度。因此，如果陶瓷材料以納米晶的形式出現(xiàn)，可觀察到通常為脆性的陶瓷可變成延展性的，在室溫下就允許有大的彈性形變。

    具有納米結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度與粒徑成反比。納米材料的位錯(cuò)密度很低，位錯(cuò)滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其臨界位錯(cuò)圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后位錯(cuò)塞積的平均間距一般比晶粒大，所以納米材料中位錯(cuò)滑移和增殖不會(huì)發(fā)生，這就是納米晶強(qiáng)化效應(yīng)。

    ▲ 納米陶瓷齒輪微觀組織

    隨著粉體的超細(xì)化，其表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生變化，使材料的強(qiáng)度、韌性和超塑性大幅度提高，產(chǎn)生了塊狀材料所不具有的特殊的效應(yīng)。

    Q3：納米陶瓷材料都用在什么地方，我怎么沒有見過？

    A：使用納米陶瓷技術(shù)制成的陶瓷、纖維廣泛地應(yīng)用于航空、航天、航海、石油鉆探等惡劣環(huán)境。

    ▲用碳納米管可制造出質(zhì)輕高性能的航天復(fù)合材料

    納米陶瓷技術(shù)可以對(duì)拋光磚起到防污作用。主要是利用納米的小分子的結(jié)構(gòu)對(duì)拋光磚的表面形成一個(gè)處理層，像疏水和疏油的處理層，通過這個(gè)處理層可以防止水、油進(jìn)入到釉面，即進(jìn)行防污處理；其次，納米陶瓷技術(shù)的大分子結(jié)構(gòu)的作用就是在拋光磚表面形成一個(gè)致密性的、堅(jiān)硬的、高效的滲透性的保護(hù)膜，通過這個(gè)保護(hù)膜就可以阻止像墨水、咖啡以及油性污漬的侵入，這樣就可以起到防污性能；同時(shí)，納米陶瓷拋光磚耐磨、堅(jiān)硬，長(zhǎng)久使用、摩擦都不會(huì)使拋光磚的磚面上出現(xiàn)劃痕等現(xiàn)象，所以能夠保持拋光磚的整潔。

    ▲（左圖）納米陶瓷拋光磚保護(hù)膜，（右圖）普通拋光磚

    金屬陶瓷作為刀具材料已有幾十年歷史，詳情請(qǐng)戳《陶瓷刀具進(jìn)化史》。由于金屬陶瓷的混合燒結(jié)和晶粒粗大的原因，其力學(xué)強(qiáng)度一直難以有大的提高。雖然硬度足夠大，但是卻非常易碎，容易崩瓷。應(yīng)用納米技術(shù)制成超細(xì)或納米晶粒材料時(shí)，其韌性、強(qiáng)度、硬度大幅提高，使其在難以加工材料刀具等領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位，比如現(xiàn)在正逐漸走入平常百姓家的氧化鋯陶瓷刀。上等的陶瓷刀采用的都是極細(xì)的納米氧化鋯，硬度僅次于金剛石，且比粗顆粒的陶瓷刀更加細(xì)膩、光澤度更佳，且韌性更大。

    ▲陶瓷刀切東西時(shí)，切面非常平滑

    納米陶瓷具有非常多的獨(dú)特性能，隨著高技術(shù)的不斷出現(xiàn)，人們對(duì)納米陶瓷寄予的希望越來越大。世界各國(guó)的科研工作者正在不斷研究開發(fā)納米陶瓷粉體，并以此為原料合成高技術(shù)納米陶瓷。

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