纳米材料在陶瓷工业中的应用

　　纳米材料是一种新型材料，具有独特的物理和化学性质，现如今纳米已经在很多领域达到广泛应用。本文主要综述了纳米材料在陶瓷方面的应用。

　　《功能材料与器件学报》(双月刊)于1995年创刊，是由中国材料研究学会和中国科学院上海微系统与信息技术研究所共同主办的全国性学术期刊。读者对象为功能材料与器件领域的科研工作者、工程技术人员和高等学校师生。

　　自80年代初，德国科学家提出纳米晶体材料的概念以来，世界各国科技界和产业界对纳米材料产生了浓厚的兴趣并引起广泛关注。到90年代，国际上掀起了纳米材料制备和研究的高潮。纳米微晶随其尺寸的减小，显示出与体材料截然不同的特异性质，如各种量子效应、非定域量子相干效应、量子涨落和混沌、多体关联效应和非定域线性光学效应等。正是由于纳米材料这种独特的效应，从而使得纳米材料具有一系列优异的功能特性。纳米材料在陶瓷方面的应用已成为陶瓷行业关注的热点。

　　1 应用方式

　　纳米材料在陶瓷方面的应用方式，根据材料使用性能的要求，可采用两类方法。一种是制备陶瓷复合材料，另一种是将纳米材料以一定方式加入釉中。纳米陶瓷复合材料是指在陶瓷中加入纳米级第二相颗粒从而提高其性能的材料。制备纳米陶瓷复合材料的目标是把纳米级颗粒均匀分散到微米陶瓷基体中，并使其进入基体晶体内部，形成/ 晶内型0结构。Bowen指出： 能生产出等轴的、窄粒子分布的、分散的、不团聚的、化学结构均匀的陶瓷亚微米粒子，是非常有用的。例如，由这些细陶瓷粒子固化的坯体可以在较低的温度下烧结，化学合成陶瓷的进展已有人评述。当材料其它性能符合要求，可仅对陶瓷的表面进行加工，此时，可将纳米材料加入釉中。加入时，可经干法混合制成熔块，以熔块形式加入到釉中，也可将所有纳米材料配成悬浊液，代替部分水加入到釉中制成釉浆。

　　2 在功能陶瓷方面的应用

　　通过控制纳米晶粒的生长来获得量子限域效应，从而制得性能奇异的铁电体。铁电体具有丰富的物理性质，包括介电、压电、热释电、光学效应。铁电体有非常广泛的应用价值，如BaTiO3 是电容器中重要的电介质材料，PbTiO3，Pb( Zr; Ti) O3是重要的热电或热释电材料。而传统的BaTiO3、PbTiO3，( Ba、Sr、Pb) Nb2O6 等陶瓷，由于其晶粒尺寸在微米量级难以满足薄层电容器电介质均匀的要求，铁电体纳米复合材料则不同。用简并四波混频法对PTS，PZTS等材料的非线性响应进行了研究，这些材料的三阶非线性系数高达10- 11eus。电学性能测试也观测到电滞回线，介电常数则降到10- 100，表明铁电纳米复合结构可提高压电热释材料机电转换和热释电性能。利用超微颗粒的大比表面积，可制成温敏、压敏、气敏等多种传感器，优点是仅需微量的超微颗粒便可发挥大的功能。有人利用溶胶) 凝胶技术制得了LiCl/ SiO2纳米复合薄膜温敏材料，取得了较好的结果。用硬脂酸盐

　　( SAG) 法和So-l Gel 法合成的BaTiO3 纳米晶，由于电导率随温度变化显著，可逆性好，也成为一种优秀的温敏材料。用一价离子掺杂法制得的纳米ZnO陶瓷的非线性指数高，浪涌吸收能力强，性能稳定，是一种良好的压敏陶瓷。山西煤化所等用超临界流体干燥法制备纳米SnO2 粉末并经过掺杂PdCe2，SiO2 制成气敏陶瓷元件，对CO具有很高的灵敏度，具有低功耗的特点。

　　3 在结构陶瓷方面的应用

　　陶瓷材料在通常情况下呈现脆性，而由纳米超微粒制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。这是由于纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子排列相当混乱，原子在外力变形条件下自己容易迁移，因此表现出甚佳的韧性和一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。对纳米复相陶瓷的研究表明，通过对显微结构不同相互间的化学共存和物理性能匹配的适当选择和设计，可制备出具有较高力学性能的复相陶瓷材料。我国科学家已研制出摔不碎的纳米陶瓷碗。用硬脂酸凝胶法制备的Y2O3 纳米晶弥散到金属中，得到强化的超导耐热合金以及制备高强、高韧的稳定氧化锆陶瓷。美国学者报道，CaF2纳米材料在室温下可大幅度弯曲而不断裂。人的牙齿之所以有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。纳米金属固体的硬度要比传统的粗晶材料硬3～5倍，而金属陶瓷复合材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，应用前景十分广阔。纳米相陶瓷一次成形塑性形变的可能性也是可以实现的。Karch和Bringger在900e 已把纳米相TiO2 比形变到所希望得到的形状，且表面光滑，并发现断裂韧性增加了015。H. hahn和他的同事们已做出了纳米相TiO2 在高温( 800e ) 无裂缝的形变。崔作林的试验也表明纳米结构陶瓷在熔点以下的温度能被使用拉伸应力塑性形变。虽然总的应变仍然是小的，但说明实现纳米陶瓷的较大的形变和次成形的形变是可能的。

　　4 在生物医药方面的应用

　　以修复骨骼为目的的陶瓷研究陆续开展，其中纳米级陶瓷的研究最引人瞩目。如把初称作人体活性陶瓷的Na2O-CaO-SiO2-P2O5 系的生物玻璃，烧结羟基磷石灰[ Ca10( PO4)6( OH)2] ，析出磷石灰和硅灰石( CaO#SiO2) 微晶玻璃等，制成颗粒在纳米级的陶瓷颗粒或多孔体埋入骨骼的缺损部，新生骨就会侵入颗粒的缝隙间或多孔中和陶瓷形成一体，渐渐成为骨骼。具有梯度构造的CaO-P2O5-Al2O3-B2O3系生物纳米陶瓷，与天然牙齿有相近的色泽和外观，可用于人工齿冠修复。对体内癌部进行局部放射线照射方面，如把直径为20～ 30Lm的Y2O3-Al2O3-SiO2 系玻璃球用中子束照射，成分中只有89Y被放射化。如把这种颗粒分散到生理食盐水中，送入患癌部，可阻塞毛细血管，从而断绝癌部由毛细血管供给的营养，同时又只会对周围癌进行直接照射，不会照射到远处的正常组织( B线的射程只有1cm左右) 。另外，铁钙硅铁磁体微晶陶瓷可将磁带生热所需要的强磁性和良好的生物相容性结合，能满足温热治癌的要求。

　　5 总结

　　纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学 ，主要包括纳米电子学纳米材料学和纳米生物学等。21世纪是纳米技术的时代，国家科委中科院将纳米技术定位为“21世纪最重要最前沿的科学”纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源人类健康和环境保护等重大问题。21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种新型的材料和器件通过纳米材料科学技术对传产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品，目前已出现可喜的苗头，具备了形成21世纪经济新增长点的基础。

　　参考文献

　　[1] 杜仕国，施冬梅，邓辉. 纳米材料的特异效应及其应用[J].自然杂志，1999，22(2)： 101- 106

　　[2] 代淑芬.纳米材料的特性和发展[J].无锡南洋学院学报，2008，7(4)： 49-52

　　[3] 杨剑，滕凤思. 纳米材料综述[J]. 材料导报，1997，11(2)： 6-10

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