纳米陶瓷的性能
1 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600 ℃,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 致密性
由粉末压缩体烧结加工的材料,多数希望在zui终产品中有细化的显微组织,并达到*的致密化。对纳米陶瓷而言,也希望致密性好、晶粒细,同时保持纳米晶粒的特性,但要两个目标同时实现,就出现二难推理,原因是在烧结过程中,致密化总伴随着显微组织的粗化。换言之,致密化越好,晶粒就长得越粗,zui终导致失去纳米特性的结果。因此采用何种烧结工艺和烧结参数,使纳米陶瓷达到zui大致密度又不失去纳米特性,为研究者所关注。
纳米陶瓷的复合材料烧结后所达到的致密度在很大程度上由二次分布相（非氧化物） 的加入量及烧结条件而决定。对于al2o3/ sic 纳米复合材料来说,当sic 的含量不超过5 %（体积分数） 时,在1 600 ℃下热压烧结可以达到近的致密度。
3 弯曲强度
日本首先报道了在al2o3 粉末中加入纳米级的sic 大幅度增强了陶瓷材料的抗弯强度和韧性。从此研究人员对al2o3/ sic 体系进行了大量的研究,并取得了一定的成果。
根据niihara 等的报道,当sic 的含量为5 %（体积分数） 时,al2o3/ sic 复相陶瓷的抗弯强度从单相al2o3陶瓷的300～400mpa 提高到1 gpa ,经过1 300 ℃热处理后其抗弯强度可达1. 5 gpa ,材料的断裂韧性提高幅度在40 %以上。
4 硬度
许多纳米陶瓷材料的硬度比普通陶瓷材料的硬度高出4～5 倍。例如,在100 ℃下,纳米tio2 陶瓷的显微硬度为1. 3 gpa ,而普通tio2 陶瓷的显微硬度低于0. 2gpa 。虽然,目前对al2o3/ si3n4 复相陶瓷的研究还不多,但我国的研究工作者近几年对al2o3/ si3n4 复相陶瓷的研究以取得了一定的成果。武汉理工大学的杨明辉等采用无压烧结的方法制备了al2o3/ si3n4 纳米复相陶瓷,并对其力学性能进行了测试分析,其峰值抗弯强度比纯al2o3 陶瓷提高了30 % ,峰值硬度提高了近60 % ,但韧性有所下降。经研究人员分析得到材料性能有所改善的原因有:
1） 烧结过程中出现的硅铝氧氮（sialon） 相（si3n4和al2o3 反应生成的β- sialon 相） 抑制了al2o3 基体晶粒的异常长大且使晶粒细化,使组织结构更均匀。
2） 在纳米复合陶瓷中形成了*的“内晶型”结构而使得材料得到增强。
5 断裂韧性
纳米超微粒制成的纳米陶瓷材料具有良好的韧性,是由于超微粒制成的固体材料具有很大的界面,界面原子排列相当混乱,原子在外力变形条件下容易迁移,因此表现出较好的韧性与一定的延展性。室温下的纳米tio2 陶瓷晶体表现出很高的韧性,压缩至原长度的1/4 仍不破碎。2004 年,韩保红等采用基于shs 冶金技术制备的纳米al2o3-zro2 共晶复相陶瓷,其相对密度为98.6 % ,维氏硬度22.1 gpa ,断裂韧性18. 8mpa·m1/ 2 。可见该纳米复相陶瓷材料具有很好的力学性能,其断裂韧性比同等条件下制得的al2o3 （4.5mpa·m1/2） 陶瓷提高了317.8%。
6 超塑性
超塑性纳米陶瓷在高温下具有类似金属的超塑性,这已成为纳米陶瓷领域zui令人注目的焦点之一。超塑性是指在应力作用下产生异常大的拉伸形变而不发生破坏的能力。*,陶瓷材料是具有方向性的离子键和共价键的过渡键型,并且位错密度小,晶界难以滑移,使得陶瓷硬度大,脆性高,普通陶瓷材料在常温下几乎不产生塑性形变。只有当温度达到1 000℃以上,由于质点的热运动加速,陶瓷才具有一定的塑性。研究发现,随着粒径的减小,纳米tio2 和zno 陶瓷的形变率敏感度明显提高,主要由于试样中气孔减少,可以认为这种趋势是细晶陶瓷所固有的。zui细晶粒处的形变率敏感度大约为0. 04 ,表明这些陶瓷具有延展性,尽管没有表现出室温超塑性,但随着晶粒的进一步减小,这一可能是存在的。
一般认为陶瓷具有超塑性应该具有2 个条件:较小的粒径;快速的扩散途径（增强的晶格、晶界扩散能力） 。纳米陶瓷具有较小的晶粒及快速的扩散途径,所以有望具有室温超塑性。纳米陶瓷具有超塑性,克服了陶瓷产品难以加工的缺陷,有利于陶瓷产品的商业化。细晶al2o3 陶瓷具有超塑性,但由于细晶al2o3 在高温变形过程中会产生严重的动态再结晶和空穴,晶粒迅速长大,导致显著的应变硬化。因此,研究者在al2o3 基体中添加第二相金属氧化物（如tio2 、mgo、cuo 等） 来抑制晶粒生长,减小应变硬化,改善拉伸延展性。10 %（体积分数） zro2 颗粒可以更有效地提高拉伸塑性,在1 500 ℃和1. 7 ×10 - 4s - 1应变速率下延伸率高达550 %。takigawa 等研究发现:分散20 %（体积分数） 的镁铝尖石颗粒的al2o3 陶瓷在1 550 ℃和2. 4 ×10-4s -1的应变速率下延伸率可达396 %。
7 纳米陶瓷的其它性能
纳米陶瓷具有极小的热导率,因而有可能成为有价值的热阻涂层或包覆材料。纳米陶瓷材料的光透性可以通过控制其晶粒尺寸和气孔率来控制,因此使得纳米晶陶瓷材料在传感器和过滤技术方面具有潜在用途。电学特性,陶瓷粉体晶粒的纳米化会造成晶界数量的大大增加、晶界变得很薄,这样可大大减小晶界物质对材料的不利影响,可提高陶瓷材料的绝缘性、介电性等性能。如果生产的陶瓷材料是以晶界效应来体现其性能的,如半导体中的正温度系数（ptc） 陶瓷,则纳米细化晶粒又将可能提高它的灵敏度及稳定性。纳米陶瓷不仅具有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能,还具有高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗和光吸收效应等性能。这些*的性能都有待于人们的进一步研究和应用。
8 纳米陶瓷的应用及其展望
纳米陶瓷在力学、化学、光吸收、磁性、烧结等方面具有很多优异的性能,因此,在今后的新材料与新技术方面将会起到重要的作用。随着纳米陶瓷制备技术的提高和精密技术对粉体微细化的要求,纳米陶瓷将在许多领域得到应用（如纳米陶瓷在结构陶瓷、功能陶瓷、电子陶瓷、生物陶瓷等领域） 。不过从目前的研究来看,纳米陶瓷获得应用的性能有以下几个方面:
1） 室温超塑性是纳米陶瓷应用前景的性能之一。纳米陶瓷克服了普通陶瓷的脆性,使陶瓷的锻造、积压、拉拔等加工工艺成为可能,从而能够制得各种特殊的部件,应用到精密设备中去。
2） 高韧性是纳米陶瓷另一个具有很高应用的性能。陶瓷韧性的提高使得陶瓷的应用领域极度的扩大,因为今后纳米陶瓷就可以像钢铁、塑料等主流材料一样的应用,而不是人们心目中的“易碎品”。
3） 纳米陶瓷的应用还可以节约能源、减少环境污染（传统的陶瓷工业能耗高、污染重） 。纳米陶瓷的烧结温度比普通陶瓷的低几,而且还可能继续下降,这样不仅可节省大量能源,还有利于环境的净化。
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2 致密性
由粉末压缩体烧结加工的材料,多数希望在zui终产品中有细化的显微组织,并达到*的致密化。对纳米陶瓷而言,也希望致密性好、晶粒细,同时保持纳米晶粒的特性,但要两个目标同时实现,就出现二难推理,原因是在烧结过程中,致密化总伴随着显微组织的粗化。换言之,致密化越好,晶粒就长得越粗,zui终导致失去纳米特性的结果。因此采用何种烧结工艺和烧结参数,使纳米陶瓷达到zui大致密度又不失去纳米特性,为研究者所关注。
纳米陶瓷的复合材料烧结后所达到的致密度在很大程度上由二次分布相（非氧化物） 的加入量及烧结条件而决定。对于al2o3/ sic 纳米复合材料来说,当sic 的含量不超过5 %（体积分数） 时,在1 600 ℃下热压烧结可以达到近的致密度。
3 弯曲强度
日本首先报道了在al2o3 粉末中加入纳米级的sic 大幅度增强了陶瓷材料的抗弯强度和韧性。从此研究人员对al2o3/ sic 体系进行了大量的研究,并取得了一定的成果。
根据niihara 等的报道,当sic 的含量为5 %（体积分数） 时,al2o3/ sic 复相陶瓷的抗弯强度从单相al2o3陶瓷的300～400mpa 提高到1 gpa ,经过1 300 ℃热处理后其抗弯强度可达1. 5 gpa ,材料的断裂韧性提高幅度在40 %以上。
4 硬度
许多纳米陶瓷材料的硬度比普通陶瓷材料的硬度高出4～5 倍。例如,在100 ℃下,纳米tio2 陶瓷的显微硬度为1. 3 gpa ,而普通tio2 陶瓷的显微硬度低于0. 2gpa 。虽然,目前对al2o3/ si3n4 复相陶瓷的研究还不多,但我国的研究工作者近几年对al2o3/ si3n4 复相陶瓷的研究以取得了一定的成果。武汉理工大学的杨明辉等采用无压烧结的方法制备了al2o3/ si3n4 纳米复相陶瓷,并对其力学性能进行了测试分析,其峰值抗弯强度比纯al2o3 陶瓷提高了30 % ,峰值硬度提高了近60 % ,但韧性有所下降。经研究人员分析得到材料性能有所改善的原因有:
1） 烧结过程中出现的硅铝氧氮（sialon） 相（si3n4和al2o3 反应生成的β- sialon 相） 抑制了al2o3 基体晶粒的异常长大且使晶粒细化,使组织结构更均匀。
2） 在纳米复合陶瓷中形成了*的“内晶型”结构而使得材料得到增强。
5 断裂韧性
纳米超微粒制成的纳米陶瓷材料具有良好的韧性,是由于超微粒制成的固体材料具有很大的界面,界面原子排列相当混乱,原子在外力变形条件下容易迁移,因此表现出较好的韧性与一定的延展性。室温下的纳米tio2 陶瓷晶体表现出很高的韧性,压缩至原长度的1/4 仍不破碎。2004 年,韩保红等采用基于shs 冶金技术制备的纳米al2o3-zro2 共晶复相陶瓷,其相对密度为98.6 % ,维氏硬度22.1 gpa ,断裂韧性18. 8mpa·m1/ 2 。可见该纳米复相陶瓷材料具有很好的力学性能,其断裂韧性比同等条件下制得的al2o3 （4.5mpa·m1/2） 陶瓷提高了317.8%。
6 超塑性
超塑性纳米陶瓷在高温下具有类似金属的超塑性,这已成为纳米陶瓷领域zui令人注目的焦点之一。超塑性是指在应力作用下产生异常大的拉伸形变而不发生破坏的能力。*,陶瓷材料是具有方向性的离子键和共价键的过渡键型,并且位错密度小,晶界难以滑移,使得陶瓷硬度大,脆性高,普通陶瓷材料在常温下几乎不产生塑性形变。只有当温度达到1 000℃以上,由于质点的热运动加速,陶瓷才具有一定的塑性。研究发现,随着粒径的减小,纳米tio2 和zno 陶瓷的形变率敏感度明显提高,主要由于试样中气孔减少,可以认为这种趋势是细晶陶瓷所固有的。zui细晶粒处的形变率敏感度大约为0. 04 ,表明这些陶瓷具有延展性,尽管没有表现出室温超塑性,但随着晶粒的进一步减小,这一可能是存在的。
一般认为陶瓷具有超塑性应该具有2 个条件:较小的粒径;快速的扩散途径（增强的晶格、晶界扩散能力） 。纳米陶瓷具有较小的晶粒及快速的扩散途径,所以有望具有室温超塑性。纳米陶瓷具有超塑性,克服了陶瓷产品难以加工的缺陷,有利于陶瓷产品的商业化。细晶al2o3 陶瓷具有超塑性,但由于细晶al2o3 在高温变形过程中会产生严重的动态再结晶和空穴,晶粒迅速长大,导致显著的应变硬化。因此,研究者在al2o3 基体中添加第二相金属氧化物（如tio2 、mgo、cuo 等） 来抑制晶粒生长,减小应变硬化,改善拉伸延展性。10 %（体积分数） zro2 颗粒可以更有效地提高拉伸塑性,在1 500 ℃和1. 7 ×10 - 4s - 1应变速率下延伸率高达550 %。takigawa 等研究发现:分散20 %（体积分数） 的镁铝尖石颗粒的al2o3 陶瓷在1 550 ℃和2. 4 ×10-4s -1的应变速率下延伸率可达396 %。
7 纳米陶瓷的其它性能
纳米陶瓷具有极小的热导率,因而有可能成为有价值的热阻涂层或包覆材料。纳米陶瓷材料的光透性可以通过控制其晶粒尺寸和气孔率来控制,因此使得纳米晶陶瓷材料在传感器和过滤技术方面具有潜在用途。电学特性,陶瓷粉体晶粒的纳米化会造成晶界数量的大大增加、晶界变得很薄,这样可大大减小晶界物质对材料的不利影响,可提高陶瓷材料的绝缘性、介电性等性能。如果生产的陶瓷材料是以晶界效应来体现其性能的,如半导体中的正温度系数（ptc） 陶瓷,则纳米细化晶粒又将可能提高它的灵敏度及稳定性。纳米陶瓷不仅具有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能,还具有高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗和光吸收效应等性能。这些*的性能都有待于人们的进一步研究和应用。
8 纳米陶瓷的应用及其展望
纳米陶瓷在力学、化学、光吸收、磁性、烧结等方面具有很多优异的性能,因此,在今后的新材料与新技术方面将会起到重要的作用。随着纳米陶瓷制备技术的提高和精密技术对粉体微细化的要求,纳米陶瓷将在许多领域得到应用（如纳米陶瓷在结构陶瓷、功能陶瓷、电子陶瓷、生物陶瓷等领域） 。不过从目前的研究来看,纳米陶瓷获得应用的性能有以下几个方面:
1） 室温超塑性是纳米陶瓷应用前景的性能之一。纳米陶瓷克服了普通陶瓷的脆性,使陶瓷的锻造、积压、拉拔等加工工艺成为可能,从而能够制得各种特殊的部件,应用到精密设备中去。
2） 高韧性是纳米陶瓷另一个具有很高应用的性能。陶瓷韧性的提高使得陶瓷的应用领域极度的扩大,因为今后纳米陶瓷就可以像钢铁、塑料等主流材料一样的应用,而不是人们心目中的“易碎品”。
3） 纳米陶瓷的应用还可以节约能源、减少环境污染（传统的陶瓷工业能耗高、污染重） 。纳米陶瓷的烧结温度比普通陶瓷的低几,而且还可能继续下降,这样不仅可节省大量能源,还有利于环境的净化。
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