中國粉體網訊 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以內的先進陶瓷材料。納米化是陶瓷工業中的一次變革，受到世界各產瓷國的普遍重視，那么，納米技術的出現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略途徑”
由于陶瓷材料以離子鍵及共價鍵為主要結合鍵，故陶瓷材料具有較高的抗壓強度及硬度。但是，陶瓷的脆性極大，斷裂韌性以及彎曲強度偏低，這限制了陶瓷材料的應用。
氧化鋁陶瓷，圖片來源：浙江蔚藍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序，在外界應力的作用下很容易發生遷移，因此展現出優于普通陶瓷的延展性與韌性。
1987年，Karch等首次報道了所研制的納米陶瓷具有高韌性與超塑性行為。其研究發現，若將平均粒徑約8nm的TiO2經真空加壓(~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°，而且具有預裂紋的試樣不發生裂紋擴展，表現出良好的韌性。隨后，各種單相或雙相納米陶瓷材料相繼出現。
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23GPa，遠遠高于普通Al2O3陶瓷。
超塑性方面，超塑性是指在拉伸試驗中，在一定的應變速率下，材料會產生較大的拉伸形變。普通陶瓷是一種脆性材料，在常溫下沒有超塑性，很難發生形變。原因是其內部滑移系統少，錯位運動困難，錯位密度小。只有達到1000℃以上，陶瓷才具有一定的塑形。一般認為，若想具有超塑性，則需要有較小的粒徑和快速的擴散途徑。納米陶瓷不但粒徑較小，且界面的原子排列較復雜、混亂，又含有眾多的不飽和鍵。原子在變形作用下很容易發生移動，因此表現出較好的延展性。
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，其鐵電性能會逐漸降低。當其尺寸小到一定值時，材料的整個鐵電性能會消失。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℃條件下燒結得到了BaTiO3陶瓷，并用介電轉變峰表征了其鐵電性。當頻率為1kHz時，在120℃附近有1個寬的節點轉變峰，且介電常數為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，納米化優勢還有：隨著粉體顆粒尺寸的減小更有利于在低溫下實現陶瓷的致密性。
納米陶瓷的發揮空間
1、防護材料
在防護材料方面，納米陶瓷展現出驚人的優勢。普通陶瓷由于韌性極差，在受到撞擊后會出現界面破壞、裂紋擴展等過程，這大大地制約了陶瓷在抗彈方面的發展。而納米陶瓷的韌性優良，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，具有極優的抗彈效果。
防彈陶瓷材料，圖片來源：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勢將逐步顯現，其強度、韌性、硬度以及生物相容性都會有顯著提高。經納米級碳化硅摻雜的羥基磷灰石復合陶瓷的性能比單獨的羥基磷灰石陶瓷要提高很多，其抗彎強度、斷裂韌性、抗壓強度均有顯著提高，達到了生物硬組織的水平。納米顆粒在體內傳輸方便，這一特點被科學家應用到放射療法中。在納米陶瓷微粒中摻雜可以放射出β射線的化學元素，將它們制成β射線源材料，植入到標的物附近，即可對癌變組織進行精準治療。
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，這對提高航空發動機的渦輪前溫度，進而提高發動機的推重比和降低燃料消耗都具有重要作用，有望成為艦艇、軍用渦輪發動機高溫部件的理想材料，這樣可以提高發動機效率、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，通過與常規涂層相比，發現納米陶瓷涂層的熱震次數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良的力學性能和熱物理性能外，高機械強度、化學穩定性好，同時又具有吸波功能，能滿足隱身要求，已被廣泛用作吸收劑。
5、刀具材料
陶瓷刀具是現代結構陶瓷的一個重要應用領域。陶瓷刀具不僅具有高硬度、高耐磨性，同時在高溫下仍保持優良的力學性能，成為制造切削刀具的理想材料。現有的陶瓷刀具材料難以廣泛應用于更高的切削速度，而納米陶瓷刀具同傳統的陶瓷刀具相比擁有優異的性能，它的研制成功必將擴大現有陶瓷刀具的加工范圍，提高刀具的切削速度、力學性能、切削可靠性和刀具的壽命，從而大大提高生產率。
納米陶瓷粉末直接關乎最終成品質量
納米陶瓷的制備過程與普通陶瓷無較大差異，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，因此對粉末制備與燒結有更嚴格的要求。其中納米陶瓷粉末的制備直接關乎最終納米陶瓷成品的質量，目前合成納米陶瓷粉末的方法有物理方法和化學方法，濕法研磨是得到納米陶瓷粉體比較有效的一種方法，它既避免了化學法制備納米粉體的高成本，又能達到節能減排，同時也避免了一些傳統機械法研磨細度難以達到納米級粉體的不足，其中納米砂磨機是濕法研磨的一大利器。
億富機械NCP-400納米砂磨機
2023年3月9-10日，中國粉體網將在江西萍鄉舉辦“2022第五屆新型陶瓷技術與產業高峰論壇”，我們邀請到東莞市億富機械科技有限公司總經理陳呂先生作題為《雙碳時代下對陶瓷材料納米研磨的機遇與挑戰》的報告。屆時，陳總將對納米砂磨機在先進陶瓷制備中的實際應用情況進行介紹，以期給予納米陶瓷廠家一些設備選擇方面的參考。
參考來源：
[1]雷輝聰，謝志鵬.納米陶瓷的分散復合技術與燒結工藝的研究進展
[2]張文毓.納米陶瓷材料研究與應用
[3]張強宏.納米陶瓷的研究進展
（中國粉體網編輯整理/山川）
注：圖片非商業用途，存在侵權告知刪除
