中國(guó)粉體網(wǎng)訊 所謂納米陶瓷通常是指陶瓷晶相的晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等均在100nm以?xún)?nèi)的先進(jìn)陶瓷材料。納米化是陶瓷工業(yè)中的一次變革，受到世界各產(chǎn)瓷國(guó)的普遍重視，那么，納米技術(shù)的出現(xiàn)解決了陶瓷材料的哪些“毛病”呢？
“納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑”
由于陶瓷材料以離子鍵及共價(jià)鍵為主要結(jié)合鍵，故陶瓷材料具有較高的抗壓強(qiáng)度及硬度。但是，陶瓷的脆性極大，斷裂韌性以及彎曲強(qiáng)度偏低，這限制了陶瓷材料的應(yīng)用。
氧化鋁陶瓷，圖片來(lái)源：浙江蔚藍(lán)航盾精密陶瓷科技有限公司
早在1990年，Cahn就指出：“納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑”。
由于納米陶瓷具有較大的晶界界面，在界面上原子排列無(wú)序，在外界應(yīng)力的作用下很容易發(fā)生遷移，因此展現(xiàn)出優(yōu)于普通陶瓷的延展性與韌性。
1987年，Karch等首次報(bào)道了所研制的納米陶瓷具有高韌性與超塑性行為。其研究發(fā)現(xiàn)，若將平均粒徑約8nm的TiO2經(jīng)真空加壓(~5GPa)獲得的納米晶TiO2陶瓷放置于特制的模具中，于180℃加載1s即可將平板試樣彎曲180°，而且具有預(yù)裂紋的試樣不發(fā)生裂紋擴(kuò)展，表現(xiàn)出良好的韌性。隨后，各種單相或雙相納米陶瓷材料相繼出現(xiàn)。
提升硬度及可塑性
就硬度而言，納米陶瓷是普通陶瓷的5倍甚至更高。在100℃下，納米TiO2陶瓷的硬度為1.3GPa，而普通陶瓷則為0.1GPa左右。SunZ等制備了Al2O3納米陶瓷，具有97.6%的理論密度和1.1μm的平均粒度，其硬度高達(dá)23GPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通Al2O3陶瓷。
超塑性方面，超塑性是指在拉伸試驗(yàn)中，在一定的應(yīng)變速率下，材料會(huì)產(chǎn)生較大的拉伸形變。普通陶瓷是一種脆性材料，在常溫下沒(méi)有超塑性，很難發(fā)生形變。原因是其內(nèi)部滑移系統(tǒng)少，錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)困難，錯(cuò)位密度小。只有達(dá)到1000℃以上，陶瓷才具有一定的塑形。一般認(rèn)為，若想具有超塑性，則需要有較小的粒徑和快速的擴(kuò)散途徑。納米陶瓷不但粒徑較小，且界面的原子排列較復(fù)雜、混亂，又含有眾多的不飽和鍵。原子在變形作用下很容易發(fā)生移動(dòng)，因此表現(xiàn)出較好的延展性。
影響鐵電性
鐵電性方面，陶瓷的晶體尺寸直接影響其鐵電性能。隨著晶粒尺寸的降低，其鐵電性能會(huì)逐漸降低。當(dāng)其尺寸小到一定值時(shí)，材料的整個(gè)鐵電性能會(huì)消失。所以，科研人員在這一臨界值上做了很多的研究。有研究者在6GPa、1000℃條件下燒結(jié)得到了BaTiO3陶瓷，并用介電轉(zhuǎn)變峰表征了其鐵電性。當(dāng)頻率為1kHz時(shí)，在120℃附近有1個(gè)寬的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)變峰，且介電常數(shù)為1920。高壓得到的鈦酸鋇納米陶瓷的鐵電性消失的臨界尺寸小于30nm。
此外，納米化優(yōu)勢(shì)還有：隨著粉體顆粒尺寸的減小更有利于在低溫下實(shí)現(xiàn)陶瓷的致密性。
納米陶瓷的發(fā)揮空間
1、防護(hù)材料
在防護(hù)材料方面，納米陶瓷展現(xiàn)出驚人的優(yōu)勢(shì)。普通陶瓷由于韌性極差，在受到撞擊后會(huì)出現(xiàn)界面破壞、裂紋擴(kuò)展等過(guò)程，這大大地制約了陶瓷在抗彈方面的發(fā)展。而納米陶瓷的韌性?xún)?yōu)良，能極好地抵抗沖擊。將納米陶瓷引入到坦克裝甲材料中，可以有效提高坦克的抗彈能力；將其引入到炮筒和槍管等表面，可以提高其抗沖擊力和抗燒蝕性。由納米陶瓷和碳納米管制成的防彈衣，具有極優(yōu)的抗彈效果。
防彈陶瓷材料，圖片來(lái)源：山東華美新材料科技股份有限公司
2、生物陶瓷
隨著納米材料研究的深入，納米生物陶瓷材料的優(yōu)勢(shì)將逐步顯現(xiàn)，其強(qiáng)度、韌性、硬度以及生物相容性都會(huì)有顯著提高。經(jīng)納米級(jí)碳化硅摻雜的羥基磷灰石復(fù)合陶瓷的性能比單獨(dú)的羥基磷灰石陶瓷要提高很多，其抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性、抗壓強(qiáng)度均有顯著提高，達(dá)到了生物硬組織的水平。納米顆粒在體內(nèi)傳輸方便，這一特點(diǎn)被科學(xué)家應(yīng)用到放射療法中。在納米陶瓷微粒中摻雜可以放射出β射線的化學(xué)元素，將它們制成β射線源材料，植入到標(biāo)的物附近，即可對(duì)癌變組織進(jìn)行精準(zhǔn)治療。
3、高溫材料
納米陶瓷材料高耐熱性、良好的高溫抗氧化性、低密度、高斷裂韌性、抗腐蝕性和耐磨性，這對(duì)提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和降低燃料消耗都具有重要作用，有望成為艦艇、軍用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的理想材料，這樣可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、可靠性與工作壽命。
此外，還可以將納米陶瓷以涂層的方式作用在基體上，通過(guò)與常規(guī)涂層相比，發(fā)現(xiàn)納米陶瓷涂層的熱震次數(shù)大大高于普通陶瓷涂層。
4、吸波材料
納米陶瓷材料除具有優(yōu)良的力學(xué)性能和熱物理性能外，高機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性好，同時(shí)又具有吸波功能，能滿(mǎn)足隱身要求，已被廣泛用作吸收劑。
5、刀具材料
陶瓷刀具是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)陶瓷的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。陶瓷刀具不僅具有高硬度、高耐磨性，同時(shí)在高溫下仍保持優(yōu)良的力學(xué)性能，成為制造切削刀具的理想材料�，F(xiàn)有的陶瓷刀具材料難以廣泛應(yīng)用于更高的切削速度，而納米陶瓷刀具同傳統(tǒng)的陶瓷刀具相比擁有優(yōu)異的性能，它的研制成功必將擴(kuò)大現(xiàn)有陶瓷刀具的加工范圍，提高刀具的切削速度、力學(xué)性能、切削可靠性和刀具的壽命，從而大大提高生產(chǎn)率。
納米陶瓷粉末直接關(guān)乎最終成品質(zhì)量
納米陶瓷的制備過(guò)程與普通陶瓷無(wú)較大差異，但需要全面綜合考慮影響致密化和晶粒粗化的所有影響因素，因此對(duì)粉末制備與燒結(jié)有更嚴(yán)格的要求。其中納米陶瓷粉末的制備直接關(guān)乎最終納米陶瓷成品的質(zhì)量，目前合成納米陶瓷粉末的方法有物理方法和化學(xué)方法，濕法研磨是得到納米陶瓷粉體比較有效的一種方法，它既避免了化學(xué)法制備納米粉體的高成本，又能達(dá)到節(jié)能減排，同時(shí)也避免了一些傳統(tǒng)機(jī)械法研磨細(xì)度難以達(dá)到納米級(jí)粉體的不足，其中納米砂磨機(jī)是濕法研磨的一大利器。
億富機(jī)械NCP-400納米砂磨機(jī)
2023年3月9-10日，中國(guó)粉體網(wǎng)將在江西萍鄉(xiāng)舉辦“2022第五屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”，我們邀請(qǐng)到東莞市億富機(jī)械科技有限公司總經(jīng)理陳呂先生作題為《雙碳時(shí)代下對(duì)陶瓷材料納米研磨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)》的報(bào)告。屆時(shí)，陳總將對(duì)納米砂磨機(jī)在先進(jìn)陶瓷制備中的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行介紹，以期給予納米陶瓷廠家一些設(shè)備選擇方面的參考。
參考來(lái)源：
[1]雷輝聰，謝志鵬.納米陶瓷的分散復(fù)合技術(shù)與燒結(jié)工藝的研究進(jìn)展
[2]張文毓.納米陶瓷材料研究與應(yīng)用
[3]張強(qiáng)宏.納米陶瓷的研究進(jìn)展
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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