中國粉體網訊 20世紀80年代初期，納米技術出現。幾年后，該技術滲透到先進陶瓷領域，納米陶瓷的概念隨之產生。1987年，Karch等研究發現，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。當時，另一位學者Cahn曾指出：“納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰略途徑”。
所謂納米陶瓷，是指顯微結構中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料。也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級(<100nm)的水平上。
納米陶瓷表現出的驚艷特性
納米陶瓷的性能特點主要體現在力學性能、超塑性、鐵電性等幾個方面。
力學性能
納米陶瓷的力學性能主要體現在硬度、彎曲強度、延展性和斷裂韌度等。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。
納米陶瓷材料有高于普通陶瓷的韌性，這是其最大的優點之一。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韌性。
超塑性
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性。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。
鐵電性
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，納米陶瓷的這方面特性也引起了科研人員的注意。
納米陶瓷的應用
納米陶瓷材料依據性能可分為２大類型：一類是納米結構陶瓷，另一類是納米功能陶瓷。前者是在傳統陶瓷粉體中通過加入納米顆粒，或是將傳統陶瓷粉體納米化，通過在燒結凝固時控制凝固或結晶相的大小和分布，從而改變陶瓷顯微結構以提高其力學性能所制得的納米陶瓷材料。后者是通過添加具有獨特功能的納米相或顆粒，或本身在常規微米級時未能完全表現出來的通過超細化而具有特殊功能的納米陶瓷材料，這些特殊功能包括聲學、光學、電學、磁學、生物活性、對環境的敏感性等。
圍繞這兩大方向，納米陶瓷的應用非常廣泛。例如憑借出色的力學性能，納米陶瓷在切削刀具、軸承、研磨體、汽車發動機部件等多方面大有用武之地，并在許多超高溫、強腐蝕等苛刻的環境下起著其它材料不可替代的作用。納米陶瓷在人工關節、人工骨、人工齒以及牙種植體、耳聽骨修飾體等人工器官制造及臨床應用領域也有廣闊的應用前景。
目前，納米陶瓷應用領域主要包括防護材料、耐高溫材料、人工器官的制造與臨床應用、吸波材料、電子陶瓷、抗菌殺菌、新型刀具等。
納米陶瓷，想說愛你不容易
一般來講，要制備納米陶瓷，就需要完成兩項重要工作：粉體原料與工藝。原料方面，一般要求：
（1）純度高；
（2）顆粒均勻，粒徑分布窄；
（3）形狀規則；
（4）分散性好，無團聚或團聚少。但這方面目前不是最大的難題。
最大的難題出現在制備工藝方面，主要是燒結方面。
一方面，氣孔的存在會降低材料的抗壓強度，提高致密度可有效防止陶瓷在應用過程中強度較低帶來的開裂問題，因此在燒結時我們需要盡量的排除氣孔。另一方面，由于塑性變形最易發生于晶界處，降低晶粒尺寸有利于獲得具有高屈服強度的陶瓷材料。
這也指明，要獲得令人滿意的納米陶瓷，需要做到：致密度得上去，但晶粒不能長大！這似乎很難實現，因為在燒結時，如要提高致密度，要不就提高燒結溫度，要不就增加燒結時間，這樣做的的代價便是促進了陶瓷晶粒的長大，這不是我們所希望看到的。
為此，人們圍繞降低燒結溫度和壓縮燒結時間，在原料、成型、燒結制度以及燒結設備等方面展開了廣泛的研究，但距離當初設想中的所謂超塑性、超高強度相差甚遠，且成本巨大。
那么，納米陶瓷是不是就沒有前途了呢？也不能這么說。納米陶瓷現在遇到的困難，其實關鍵問題還是由于難度太大。如今更實用的是將納米陶瓷粉加入普通陶瓷基體中形成納米復相陶瓷材料以提高綜合性能。例如在氧化鋁陶瓷中添加納米α-Al2O3粉，隨著納米α-Al2O3粉添加量的增加和成型壓力的提高,陶瓷的維氏硬度和斷裂韌性都有所提高。
因此，許多專家認為，如能解決單相納米陶瓷的燒結過程中抑制晶粒長大的技術問題，從而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的納米陶瓷，則它將具有高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統陶瓷難以企及的優點。而這將依靠陶瓷制備技術的進一步發展突破了。
總之，真正的納米陶瓷所具備的優良特性還是非常誘人的。
參考來源：
[1]張文毓.納米陶瓷材料研究與應用
[2]聊聊“納米陶瓷”的興起和沉寂.李衛聊科技
[3]張強宏.納米陶瓷的研究進展
[4]江炎蘭等.納米陶瓷材料的性能及其應用
（中國粉體網編輯整理/山川）
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