纳米陶瓷的性能及其应用

1、纳米陶瓷的性能及其应用纳米陶瓷的性能及其应用班级：06材料物理学号：日期：2008/12/28纳米陶瓷的性能及其应用摘要：纳米陶瓷是近几年来发展起来的先进材料，受纳米微粒基本物 理效应的作用，在力、光、电、热、磁等方面具有许多优异性能特别 是室温超塑性、高韧性、低温易烧结等潜在性能将大大拓宽陶瓷材料 的应用领域1。关键词:纳米陶瓷;性能;应用概述陶瓷材料在日常生活、工业生产及国防领域中起着举足轻重的作用。但是， 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。 随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服传统陶瓷的脆性， 使其具有像金属一样的柔韧性和可加工性。

2、与传统陶瓷相比，纳米陶瓷的原子在 外力变形条件下自己容易迁移，因此表现出较好的韧性与一定的延展性，因而从 根本上解决了陶瓷材料的脆性问题。英国著名材料科学家卡恩在Nature杂志上 撰文道：“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。”所谓纳米陶瓷，是指陶瓷材料的显微结构中，晶粒尺寸、晶界宽度、第二相 分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都限于100nm以下，是上世纪80年代中期发展起来 的新型陶瓷材料。由于纳米陶瓷晶粒的细化，晶界数量大幅度增加，可使材料的 韧性和塑性大为提高并对材料的电学、热学、磁学、光学等性能产生重要的影响， 从而呈现出与传统陶瓷不同的独特性能，成为当今材料科学研究的热点。纳米陶瓷的性能2.

3、1力学性能大量研究表明,纳米陶瓷材料具有超塑性性能,所谓超塑性是指材料在一定 的应变速率下产生较大的拉伸应变。纳米TiO2陶瓷在室温下就能发生塑性形变， 在180C下塑性变形可达100%。若试样中存在微裂纹，在180C下进行弯曲时，也 不会发生裂纹扩展。4或掺杂Y2O3四方氧化锆多晶体纳米陶瓷材料(Y-TZP),当晶 粒尺寸为15nm时，材料可在1250C下呈现超塑性，且起始应变速率达到3X 10-2s-1,压缩应变量达380%。对晶粒尺寸为350nm的3Y-TZD陶瓷进行循环拉伸 试验发现,在室温下就已出现形变现象。另外纳米ZnO陶瓷也具有超塑性性能。 纳米Si3N4陶瓷在1300C下即可产

4、生200%以上的形变。关于纳米陶瓷生产超塑性的原因，一般认为是扩散蠕变引起晶界滑移所致。 扩散蠕变速率与扩散系数成正比，与晶粒尺寸的三次方成反比，当纳米粒子尺寸 减小时，扩散系数非常高，从而造成扩散蠕变异常。因此在较低温度下，因材料具 有很高的扩散蠕变速率，当受到外力后能迅速作出反应,造成晶界方向的平移，从 而表现出超塑性,塑性的提高也使其韧性大为提高。纳米陶瓷的硬度和强度也明显高于普通材料。在100C下,纳米TiO2陶瓷的 显微硬度为12740N/mm2,而普通TiO2陶瓷的显微硬度低于1960N/mm2。在陶瓷基 体中引入纳米分散相进行复合，对材料的断裂强度、断裂韧性会有大幅度的提高, 还

5、能提高材料的硬度、弹性模量、抗热震性以及耐高温性能。又如纳米SiC弥散 到Si3N4基体中形成的纳米复合材料，其韧性常数KIC为4. 5 7. 5MPa m1/2, 断裂强度os为850 1400MPa,最高工作温度可达12001500C。72.2电学性能高性能的电子陶瓷材料一个重要的发展趋势是:用纳米粉体作为原材料生产 诸如陶瓷电容器、压电陶瓷，将纳米材料应用到陶瓷工艺中去，生产纳米复合或纳 米改性的高技术陶瓷。利用化学沉淀法制备了锆钛酸铅(PZT )超微细粉，用此超微 细粉制备的PZT压电陶瓷与传统的压电陶瓷比较发现:压电电压常数d33、介电 常数e T33/ e 0都比普通PZT数值有很

6、大提高，同时材料的密度较传统低，具有优 良的压电、介电、声电等电学性能，因此PZT纳米粉体被广泛用来制备压电陶瓷、 微位移驱动器、超声换能器等电子元器件8。2.3光学性能随着现代科学技术的发展，隐身技术在各国军事高科技领域越来越重要，吸 波材料作为实现隐身技术的方式之一，其研究也越来越广泛。早期应用的多属于 磁性吸收材料，如铁氧体吸波材料、金属微粉吸波材料、多晶铁纤维吸波材料。 这些材料一个很重要的特点就是在高温下失去磁性，从而失去吸波性能，因此磁 性吸波材料一般只能用于武器常温部位的隐身。武器装备高温部位的隐身必须采 用高温吸波材料,通常为陶瓷吸波材料，其吸收剂为陶瓷吸收剂。与传统的材料相比

7、，纳米陶瓷材料除具有优良的力学性能和热物理性能外， 由于结构特殊，使它在制备吸波材料方面具有其他常规材料所不具备的优点，如 矫顽力比较高，可引起磁滞损耗，界面极化，多重散射，这些都是吸波材料所必需 的，因此纳米陶瓷材料可用来制备吸波材料，用于武器装备高温部位的隐身。2.4磁学性能晶粒中的磁各向异性与颗粒的形状、晶粒结构、内应力以及晶粒表面的原 子状况有关。由于纳米颗粒尺寸超细，其磁学性能与粗晶材料有着显著的区别， 表现出明显的小尺寸效应。另外在纳米材料中存在大量的界面成分，当晶粒尺寸 减小到纳米级时，晶粒之间的铁磁相互作用影响材料的宏观磁性。与铁磁原子类 似,根据相互作用的大小，纳米晶粒体可表

8、现出超顺磁性、超铁磁性、超自旋玻璃 态等特性9。2.5超塑性超塑性纳米陶瓷具有类似金属的超塑性，这己成为纳米陶瓷领域最令人注目 的焦点之一。普通陶瓷材料在常温下几乎不产生塑性形变，只有在很高的温度下 才有扩散蠕变，表现出塑性。而纳米陶瓷在较低的温度下就能表现出超塑性，使 其韧性大为提高，在900C可发生无裂纹形变，同时断裂韧性提高了 5%。在1550C 和2.4X10- 4s-1的应变速率下延伸率可将近400%；室温下合成的TiO2陶瓷， 它可以弯曲，其塑性变形高达100%，韧性极好10。2.6烧结性能由于纳米材料中有大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径及较高 的扩散速率，并使得材料的

9、烧结驱动力也随之剧增，这大大加速了整个烧结过程， 使得烧结温度大幅度降低。纳米陶瓷烧结温度约比传统晶粒陶瓷低600C，烧结过 程也大大缩短。纳米陶瓷的烧结温度降低，而烧结速率却增加了。不需任何添加 剂，就能很好的完成烧结过程，达到高致密化、形成高密度、细晶粒的材料，这对 需高温烧结的陶瓷材料的生成特别有利。2.7较高的强度和韧性陶瓷的性能取决于其微观组织结构，其中晶粒尺寸和气孔率是两个主要因素, 陶瓷强度随气孔率的增加按指数级下降，同时强度与晶粒尺寸的平方根成反比， 纳米陶瓷中晶粒尺寸和气孔尺寸都是纳米级，因而具有较高的强度和韧性，一般 比普通陶瓷高出35倍9。纳米材料的应用3. 1纳米陶瓷在

10、军事领域中的应用及趋势虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的室温和高温力学性能、 拉弯强度、断裂韧性使其在切削工具、轴承、发动机部件等诸多方面都有广泛的 应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用， 具有广阔的应用前景。3.1.1防护材料普通陶瓷在被用作防护材料时，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、垮晶、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。纳米陶瓷高活性和耐冲击的性能，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烧蚀性和抗冲击性；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

11、的防弹背心；在高射武器方面如 火炮、鱼雷等，纳米陶瓷可提高其抗烧结冲击能力，延长使用寿命。目前，国外 复合装甲已经采用高性能的高弹材料12。在未来的战争中，若能把纳米陶瓷用于 车辆装甲防护，会具有更好抗弹、抗爆震、抗击穿的能力，提供更为有力的保护。 3.1.2吸波材料陶瓷材料除具有优良的力学性能和热物理性能外，高的机械强度、化学稳定 性好，同时又具有吸波功能，能满足隐身要求，已被广泛用作吸收剂。据报道， F-117隐身飞机的尾喷管上用的就是陶瓷吸波材料，可以承受1093C的高温，法 国采用陶瓷复合纤维也制造出了无人驾驶的隐身飞机。随着技术的进步，吸波材 料向“薄”、“轻”化发展；兼容吸收毫米波

12、、厘米波和米波；追求宽频带吸收。 而纳米材料在这方面具有得天独厚的条件：良好的吸波性能；宽频带、兼容性好、 质量轻、厚度薄等特点，使得纳米陶瓷材料成为陶瓷吸波材料研究重要方向之一。 目前研究较多的纳米碳化硅陶瓷吸波材料，不仅吸波性能好、能减弱发动机红外 信号，而且具有密度小、强度高、韧性好、电阻率大等特点，是国内外发展很快 的吸收剂之一。3. 2纳米陶瓷粉体在日用功能制品领域中的应用高性能的纳米陶瓷粉体材料具有其多种奇特和优良的功能特性，在国外最先 应用于军事领域，或以军事为背景的电子、信息、航空和航天等领域，随后逐渐 向民用领域发展，在军事、能源、化学化工、敏感材料、光电、环保食品和生物 医

13、药等国民经济的各个领域有着十分广阔的应用前景，在人们的日用生活制品领 域可涉及衣、食、住、行的各个方面，可显著地改善人们的生活环境、身体健康 和生活质量。目前在纺织纤维、塑料橡胶、日用化学、饮食容器、建筑涂料、家 用电器和陶瓷制品中，已有许多相关纳米陶瓷功能产品问世并开始销售。这些产 品大多由于采用纳米材料，其纳米效应(量子尺寸效应等)使得其制品具有奇异 和优良的光电特性和化学活性13，如电饭煲、电压力锅的内锅需要采用纳米陶瓷 涂料。该项目研制的涂料采用无机质的陶瓷经过纳米技术处理和机能性添加剂结 合，加水分解和缩合过程后，最终形成精密的、高强度的纳米陶瓷涂料，以金属 为基质的内锅表面经过超硬

14、化处理后，在低温下(200摄氏度以下)固化成形， 表面硬度高，无任何毒性和腐蚀性物质，无任何气味，具有节能、耐高温、不粘、 安全等特点。采用纹路技术的电饭煲、电压力锅的风锅，其特征在于锅体内壁均 布多边形或圆形或椭圆形凹槽，特点是内锅加热辐射面积增加，扩大内锅受热面 积，节约热源。大米或烹饪的食物与锅体均布有间隙，水填充其中，加热时水汽 传热更充分，底部受热均匀，不糊底.143. 3纳米陶瓷在汽车工业中的应用纳米陶瓷不仅由于其烧成温度降低数百度而使能耗大幅度减少，成本降低， 有利于推广应用，还因为纳米陶瓷有其独特的与传统陶瓷无与伦比的优良性能而 将会被广泛应用。比如，纳米陶瓷由于具有高硬度、低

15、温、超塑性、高韧性、耐 磨性以及耐高温高压性、抗腐性、气敏性、易加工可切削性等性能而拓展了它在 汽车工业中应用的领域。纳米陶瓷既可作连杆、推杆、轴承、气缸内衬、活塞顶等材料，又可作 氧传感器材料以用于检测汽车尾气，还可制造用于燃料电池汽车中的高温燃料电 池。如纳米Zr O陶瓷材料等。用纳米陶瓷作为气缸内衬材料时，因耐高温且高温 高强，可促使燃料燃烧，使燃料的热效率提高。纳米陶瓷作为汽车发动机的零部件材料和抗腐蚀材料，如纳米Si3N;陶瓷 等。纳米陶瓷粒子涂覆于汽车玻璃表面可起到防污和防雾、隔热作用，还具 有保洁杀菌功能。纳米陶瓷粒子掺入高分子塑料和橡胶中能显著提高拉伸强度、冲击韧性、 弹性模量

16、、静电屏蔽性和耐老化性、阻燃自熄灭性，不仅汽车内饰材料轻便化、 抗菌自洁、抗静电、防变脆，降低材料破坏速率和摩擦磨损，还可以阻燃防火， 使轮胎使用寿命延长；掺入油漆中，不仅能抗老化变脆、防脱落，极大地提高粘 接性能、耐污染性能和汽车面漆的耐候性能，而且还具有吸波隐身功能和自修补 功能。纳米陶瓷具有特殊的的磁学性能，可作为磁致冷的工作物质。纳米陶瓷粉体引起耐磨损、减摩擦等性质，可作抗磨减磨的润滑材料， 且润滑效果很好15。3. 4纳米陶瓷在轴承工业中的应用轴承在机械工业中的应用极其广泛.传统的轴承材料多为金属，以油作为润 滑介质.但上述材料和工况下的轴承有许多缺点，如成本高、结构复杂、污染环 境

17、等，已愈来愈不能满足实际工作的需要.陶瓷材料具有高硬度、耐高温、耐腐蚀、刚度高、热膨胀系数小、导热性好、 比重小、耐磨等诸多优点，和传统轴承材料相比，它特别适用于高温、高速、强 磁场及腐蚀性环境等特殊场合.目前，陶瓷材料己被成功地用来制造机床的滚动 轴承、水泵的滑动轴承等.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，使泵在一定的十 运转期间，不会因过高的温升而发生烧毁.为使陶瓷材料在轴承工业中得到更广泛地应用，除了良好自润滑效果外，关 键问题就是提高陶瓷材料的韧性

18、.使用纳米陶瓷就是提高陶瓷材料韧性（同时提 高强度等综合性能）的有效办法之一目前纳米陶瓷在轴承中的应用主要有以下几 个方面：1）制成全陶瓷的纳米陶瓷，使制品与常规陶瓷材料相比，其综合性能，尤其 是断裂韧性有大幅度的提高；2）将纳米陶瓷添加到橡胶等轴承材料中，改善原材料的强度和耐磨性；3）通过在原轴承材料表面涂覆纳米陶瓷涂层，提高原轴承材料的耐磨性和使 用寿命1们结语纳米陶瓷作为一种新型高性能陶瓷，是近年发展起来的一门全新的，将成为 新世纪重要的高新技术产品。越来越受到世界各国科学家的关注。纳米陶瓷的研 究与发展必将引起陶器工业的发展与变革。目前，国外纳米陶瓷已开始产业化。 我国还处于陶瓷纳米粉

19、体的研制阶段。纳米陶瓷要真正使产业化。还需社会各界 共同努力，产学研共携手。加快科技成果的转化。纳米陶瓷以其巨大的潜在的优 异性能。特别是诗文超塑性，高韧性，低温烧结性等，给陶瓷工业注入了新的活 力。如纳米陶瓷在建筑行业、电子领域、生物领域、军事领域、精密设备领域、 环保领域以及在某些领域中的抗菌方面都有广泛的应用。随着社会对高性能陶瓷 的要求，纳米陶瓷将具有令人瞩目的前景，市场潜力巨大。参考文献：王献忠 纳米陶瓷研究现状及技术发展 萍乡高等专科学校学报2005年第 4期张中太，林元华，唐子龙，等.纳米材料及其技术的应用前景J.材料工 程,2000,3:42江炎兰，王杰 纳米陶瓷材料的性能、制备及其在军事领域的应用前景 海 军航空工程学院学报 第21卷第1期2006年1月梁忠友.纳米材料性能及应用展望.陶瓷研究，1999, 14（1）: 13Hayashi H, Kishida M, Wakabayashi K. Metal-support in-teraction and catalysis of the cataly