納米陶瓷

隨著納米技術的廣泛應用，納米陶瓷隨之產生，希望以此來克服

陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金屬似柔韌性和可加工性。

英國材料學家Cahn指出，納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰略途徑。納米耐高溫陶瓷粉塗層材料是一種通過化學反應而形成耐高溫陶瓷塗層的材料

利用納米技術開發的納米陶瓷材料是指在陶瓷材料的顯微結構中，晶粒、晶界以及它們之間的結合都處在納米水平（1～100nm），使得材料的強度、韌性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的許多不足，並對材料的力學、電學、熱學、磁學、光學等性能產生重要影響，為替代工程陶瓷的應用開拓了新領域。

納米陶瓷粉體是介於固體與分子之間的具有納米數量級（0.1～100nm）尺寸的亞穩態中間物質。隨著粉體的超細化，其表面電子結構和晶體結構發生變化，產生了塊狀材料所不具有的特殊的效應。

具體地說納米粉體材料具有以下的優良性能：極小的粒徑、大的比表面積和高的化學性能，可以顯著降低材料的燒結溫度、節能能源；使陶瓷材料的組成結構緻密化、均勻化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性；可以從納米材料的結構層次（l～100nm）上控制材料的成分和結構，有利於充分發揮陶瓷材料的潛在性能。

另外，由於陶瓷粉料的顆粒大小決定了陶瓷材料的微觀結構和宏觀性能。如果粉料的顆粒堆積均勻，燒成收縮一致且晶粒均勻長大，那麼顆粒越小產生的缺陷越小，所製備的材料的強度就相應越高，這就可能出現一些大顆粒材料所不具備的獨特性能。

納米陶瓷的製備工藝主要包括納米粉體的製備、成型和燒結。世界上對納米陶瓷粉體的製備方法多種多樣，但應用較廣且方法較成熟的主要有氣相合成和凝聚相合成2種，再加上一些其它方法。

氣相合成：主要有氣相高溫裂解法、噴霧轉化法和化學氣相合成法，這些方法較具實用性。化學氣相合成法可以認為是惰性氣體凝聚法的一種變型，它既可製備納米非氧化物粉體，也可製備納米氧化物粉體。這種合成法增強了低溫下的可燒結性，並且有相對高的純凈性和高的表面及晶粒邊界純度。原料的坩堝中經加熱直接蒸發成氣態，以產生懸浮微粒和或煙霧狀原子團。原子團的平均粒徑可通過改變蒸發速率以及蒸發室內的惰性氣體的壓強來控制，粒徑可小至3～4nm，是製備納米陶瓷最有希望的途徑之一。

凝聚相合成（溶膠一凝膠法）：是指在水溶液中加入有機配體與金屬離子形成配合物，通過控制PH值、反應溫度等條件讓其水解、聚合，經溶膠→凝膠而形成一種空間骨架結構，再脫水焙燒得到目的產物的一種方法。此法在製備複合氧化物納米陶瓷材料時具有很大的優越性。凝聚相合成已被用於生產小於10nm的SiO2、Al2O3和TiO2納米團。

從納米粉製成塊狀納米陶瓷材料，就是通過某種工藝過程，除去孔隙，以形成緻密的塊材，而在緻密化的過程中，又保持了納米晶的特性。方法有：沉降法：如在固體襯底上沉降；原位凝固法：在反應室內設置一個充液氮的冷卻管，納米團冷凝於外管壁，然後用刮板刮下，直接經漏斗送人壓縮器，壓縮成一定形狀的塊材；燒結或熱壓法：燒結溫度提高，增加了物質擴散率，也就增加了孔隙消除的速率，但在燒結溫度下，納米顆粒以較快的速率粗化，製成塊狀納米陶瓷材料。

90年代初，日本Niihara首次報道了以納米尺寸的碳化硅顆粒為第二相的納米復相陶瓷，具有很高的力學性能。納米顆粒Si3N4、SIC超細微粉分佈在材料在內部晶粒內，增強了晶界強度，提高了材料的力學性能，易碎的陶瓷可以變成富有韌性的特殊材料。

納米陶瓷的特性主要在於力學性能方面，包括納米陶瓷材料的硬度，斷裂韌度和低溫延展性等。納米級陶瓷複合材料的力學性能，特別是在高溫下使硬度、強度得以較大的提高。有關研究表明，納米陶瓷具有在較低溫度下燒結就能達到緻密化的優越性，而且納米陶瓷出現將有助於解決陶瓷的強化和增韌問題。在室溫壓縮時，納米顆粒已有很好的結合，高於500℃很快緻密化，而晶粒大小隻有稍許的增加，所得的硬度和斷裂韌度值更好，而燒結溫度卻要比工程陶瓷低400～600℃，且燒結不需要任何的添加劑。其硬度和斷裂韌度隨燒結溫度的增加（即孔隙度的降低）而增加，故低溫燒結能獲得好的力學性能。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度。因此，如果陶瓷材料以納米晶的形式出現，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。

由於納米陶瓷具有的獨特性能，如做外牆用的建築陶瓷材料則具有自清潔和防霧功能。隨著高技術的不斷出現，人們對納米陶瓷寄予很大希望，世界各國的科研工作者正在不斷研究開發納米陶瓷粉體並以此為原料合成高技術納米陶瓷。