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1、納米陶瓷的特性

與傳統(tǒng)的陶瓷材料相比,運(yùn)用宣城晶瑞新材料有限公司生產(chǎn)的納米氧化物燒結(jié)出來(lái)的陶瓷具有如下特性:

1.1　力學(xué)性能

納米氧化物陶瓷的力學(xué)性能,包括納米陶瓷材料的硬度、斷裂韌度和低溫延展性等。特別是在高溫下硬度、強(qiáng)度得到較大的提高,納米陶瓷的出現(xiàn)將有助于解決陶瓷的強(qiáng)化和增韌問(wèn)題。

對(duì)納米二氧化鈦（VK-T25）進(jìn)行研究[1],發(fā)現(xiàn)在室溫壓縮時(shí),納米顆粒已有很好的結(jié)合性,高于500℃很快致密化,而晶粒大小只有稍許的增加,所得的硬度和斷裂韌度值更好,而燒結(jié)溫度卻要低400~600℃,且燒結(jié)不需要任何的添加劑。納米二氧化鈦（VK-T25）其硬度和斷裂韌度隨燒結(jié)溫度的增加（即孔隙度的降低）而增加。在800℃~900℃溫度范圍燒結(jié),與經(jīng)優(yōu)化燒結(jié)的塊狀陶瓷相比,兩者的硬度和斷裂韌度值相符。低溫?zé)Y(jié)后,納米二氧化鈦（VK-T25）就能獲得較好的力學(xué)性能。納米二氧化鈦（VK-T25）經(jīng)800℃燒結(jié)后,維氏硬度H=630,斷裂韌度KIC（MPa·m1/2）為2.8,孔隙度為10%;而1000℃燒結(jié)后,H=925,KIC=2.8,孔隙度為5%。

1.1.1　強(qiáng)度、硬度和韌性

許多納米陶瓷材料的硬度和強(qiáng)度比普通陶瓷材料高出4~5倍。如在100℃下, 納米二氧化鈦（VK-T25）陶瓷的顯微硬度為1300kgf/mm2,而普通TiO2陶瓷的顯微硬度低于200kgf/mm2。

納米超微粒制成的納米陶瓷材料具有良好的韌性,是由于超微粒制成的固體材料具有大的界面,界面原子排列相當(dāng)混亂,原子在外力變形條件下容易遷移,因此表現(xiàn)出較好的韌性與一定的延展性。室溫下的納米二氧化鈦（VK-T25）陶瓷晶體表現(xiàn)出很高的韌性,壓縮至原長(zhǎng)度的1/4仍不破碎。

1.1.2　超塑性

納米氧化物陶瓷在高溫下具有類似金屬的超塑性,這已成為納米氧化物陶瓷領(lǐng)域最令人注目的焦點(diǎn)之一。超塑性是指在應(yīng)力作用下產(chǎn)生異常大的拉伸形變而不發(fā)生破壞的能力。眾所周知,陶瓷材料是具有方向性的離子鍵和共價(jià)鍵的過(guò)渡鍵型,并且位錯(cuò)密度小,晶界難以滑移,使得陶瓷硬度大,脆性高,普通陶瓷材料在常溫下幾乎不產(chǎn)生塑性形變。只有當(dāng)溫度達(dá)到1000℃以上,由于質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)加速,陶瓷才具有一定的塑性。

最近研究發(fā)現(xiàn),隨著粒徑的減少, 納米二氧化鈦（VK-T25）和納米氧化鋅（VK-J30）陶瓷的形變率敏感度明顯提高,主要由于試樣中氣孔減少,可以認(rèn)為這種趨勢(shì)是細(xì)晶陶瓷所固有的。最細(xì)晶粒處的形變率敏感度大約為0.04,表明這些陶瓷具有延展性,盡管沒(méi)有表現(xiàn)出室溫超塑性,但隨著晶粒的進(jìn)一步減小,這一可能是存在的。一般認(rèn)為陶瓷具有超塑性應(yīng)該具有兩個(gè)條件:（1）較小的粒徑;（2）快速的擴(kuò)散途徑（增強(qiáng)的晶格、晶界擴(kuò)散能力）。納米陶瓷具有較小的晶粒及快速的擴(kuò)散途徑,所以有望具有室溫超塑性。

納米陶瓷具有超塑性,克服了陶瓷產(chǎn)品難以加工的缺陷,有利于陶瓷產(chǎn)品的商業(yè)化。如Nieh等人在納米二氧化鋯（VK-R200）中加入Y2O3的陶瓷材料中觀察到超塑性達(dá)800%。Si3N4納米陶瓷同樣存在超塑性行為,是微米級(jí)Si3N4陶瓷的21.4%。晶粒尺寸為300nm的Y-TZP陶瓷材料的起始應(yīng)變速率為1×10-2s-1,壓縮應(yīng)變可達(dá)350%。當(dāng)晶粒尺寸減至150nm時(shí),材料可在1250℃下呈現(xiàn)出超塑性,且起始應(yīng)變速率達(dá)到3×10-2s-1,壓縮應(yīng)變量達(dá)到380%。

通過(guò)原子力顯微鏡發(fā)現(xiàn)納米釔穩(wěn)定二氧化鋯（VK-R200Y3）陶瓷（50nm）在經(jīng)室溫循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)后,其樣品的斷口區(qū)域發(fā)生了局部超塑性形變,并從斷口側(cè)面觀察到了大量通常出現(xiàn)在金屬斷口的滑移線。

納米陶瓷材料產(chǎn)生超塑性的機(jī)理尚不完全清楚,一般認(rèn)為這是由于擴(kuò)散蠕變引起的晶界滑移所致,擴(kuò)散蠕變速率與擴(kuò)散系數(shù)成正比,與晶粒尺寸的3次方成反比。與普通材料相比,納米材料的擴(kuò)散系數(shù)提高了3個(gè)數(shù)量級(jí),晶粒尺寸降低了3個(gè)數(shù)量級(jí),擴(kuò)散蠕變速率提高1012倍。因此,在較低的溫度下,納米陶瓷材料因其高的擴(kuò)散蠕變速率可對(duì)外應(yīng)力作出迅速反應(yīng),造成晶界方向的平移,從而表現(xiàn)出超塑性。

2、應(yīng)用前景

由于納米陶瓷具有獨(dú)特的化學(xué)、物理和機(jī)械特性,因此它們將被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

2.1下一代電腦芯片

納米陶瓷材料由于具有超高純度、好的熱導(dǎo)性和長(zhǎng)久的耐干擾性能,可以使微處理器集成化程度更高、運(yùn)行速度更快。美國(guó)各地的實(shí)驗(yàn)室還在創(chuàng)造原子級(jí)或分子級(jí)計(jì)算機(jī)電路,這個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域就是“納米技術(shù)”?？梢灶A(yù)見(jiàn),未來(lái)人類會(huì)擁有被嵌入到鋼筆、衣服、眼睛甚至我們身體中的、與網(wǎng)絡(luò)相連接的計(jì)算機(jī)。

2.2良好的保溫材料

通過(guò)Sol-Gel法合成的納米陶瓷具有多孔并且特別輕的特性,但能承受于自身重量100倍以上的力,它可以廣泛用于辦公室和家庭,作隔熱、承載用,節(jié)約能源,減少環(huán)境污染。此外,還可用這種材料使窗戶變得智能化.當(dāng)陽(yáng)光太強(qiáng)時(shí),它能自動(dòng)使室內(nèi)變暗;當(dāng)陽(yáng)光不太強(qiáng)時(shí).它又能使之變亮。

2.3更堅(jiān)硬的切削工具

由納米陶瓷材料制成的陶瓷工具將比傳統(tǒng)的陶瓷工具更加耐磨損、耐腐蝕、耐高溫,因而提高了工作效率,降低了制造成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.4消除環(huán)境污染

納米材料具有特別大的晶界表面,其化學(xué)、物理、機(jī)械性能特別活躍,因此它可以用作毒性氣體如一氧化碳、氮氧化物的催化劑,用于汽車或能源發(fā)動(dòng)裝置中,可以減少環(huán)境污染。

2.5高能磁性物質(zhì)

磁鐵的強(qiáng)弱可以用矯頑磁力和飽和磁化強(qiáng)度來(lái)衡量.這些參數(shù)隨晶粒的減小和表面積的增大而提高。由納米材料制成的磁性物質(zhì)具有不尋常的磁性性能,可用在潛艇、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、陸地動(dòng)力發(fā)生裝置、輪船發(fā)動(dòng)機(jī)、超敏感分析儀器、醫(yī)學(xué)分析磁共振等裝置上。

2.6高靈敏度的傳感器

傳感器本身的靈敏度依賴于制造傳感器材料的化學(xué)、物理、機(jī)械性能。由納米陶瓷材料制成的傳感器具有較高的敏感性,其典型應(yīng)用有煙霧檢測(cè)器、飛機(jī)器翼上冰層檢測(cè)器、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能傳感器等。

3、結(jié)束語(yǔ)

納米陶瓷作為一種新型高性能陶瓷,是近年發(fā)展起來(lái)的一門全新的科學(xué)技術(shù),它將成為新世紀(jì)最重要的高新技術(shù),將越來(lái)越受到世界各國(guó)科學(xué)家的關(guān)注。納米陶瓷的研究與發(fā)展必將引起陶瓷工業(yè)的發(fā)展與變革,以及引起陶瓷學(xué)理論上的發(fā)展乃至建立新理論體系,以適應(yīng)納米尺度的研究需要,使納米陶瓷材料具有更佳的性能以致使新的性能、功能的出現(xiàn)成為可能。我們期待著納米陶瓷在工程領(lǐng)域乃至日常生活中得到更廣泛的應(yīng)用。