高韌、高硬、高強是結(jié)構(gòu)材料開發(fā)應(yīng)用的經(jīng)典主題。

由于陶瓷粉料的顆粒大小決定了陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能，如果粉料的顆粒堆積均勻，燒成收縮一致且晶粒均勻長大，那么顆粒越小產(chǎn)生的缺陷越小，所制備的材料的強度就相應(yīng)越高，這就可能出現(xiàn)一些大顆粒材料所不具備的獨特性能。隨著許多領(lǐng)域?qū)Σ牧咸岢隽烁叩囊蠛?a title="納米材料" href="http://shpa18.com/powder/dlist.html/?id=127" target="_blank" style="color:blue">納米材料及技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米陶瓷材料應(yīng)運而生。

Q:我對納米陶瓷材料不熟，簡單來說它是什么東西呢？

A:納米陶瓷材料依據(jù)性能可分為兩大類型：一類是納米結(jié)構(gòu)陶瓷，另一類是納米功能陶瓷。

前者是在傳統(tǒng)陶瓷粉體中通過加入納米顆粒，或是將傳統(tǒng)陶瓷粉體納米化，通過在燒結(jié)凝固時控制凝固或結(jié)晶相的大小和分布，從而改變陶瓷顯微結(jié)構(gòu)以提高其力學性能所制得的納米陶瓷材料，這些力學性能有硬度、強度、塑性和韌性等。

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(guī)微米級時未能完全表現(xiàn)出來的通過超細化而具有特殊功能的納米陶瓷材料，對于納米功能陶瓷在保證一定功能的基礎(chǔ)上有時需要兼顧一定的力學性能。它們的出現(xiàn)，克服了工程陶瓷的許多不足，并對材料的力學、電學、熱學、磁光學等性能產(chǎn)生重要影響，為代替工程陶瓷的應(yīng)用開拓了新領(lǐng)域。

納米陶瓷材料的特性主要在于力學性能方面，包括納米陶瓷材料的硬度，斷裂韌度和低溫延展性等。納米級陶瓷復合材料的力學性能，特別是在高溫下使硬度、強度得以較大的提高。有關(guān)研究表明，納米陶瓷具有在較低溫度下燒結(jié)就能達到致密化的優(yōu)越性，而且納米陶瓷出現(xiàn)將有助于解決陶瓷的強化和增韌問題。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強度，是因為它是由磷酸鈣等納米材料組成的。

Q:聽說納米陶瓷里有納米晶，它起什么作用？

A:納米陶瓷粉體是介于固體與分子之間的具有納米數(shù)量級（0.1～100nm）尺寸的亞穩(wěn)態(tài)中間物質(zhì)，是利用納米粉體對現(xiàn)有陶瓷進行改性，通過往陶瓷中加入或生成納米級顆粒、晶須、晶片纖維等，使晶粒、晶界以及他們之間的結(jié)合都達到納米水平。

通常，硬化處理使材料變脆，造成斷裂韌度的降低，而就納米晶而言，硬化和韌化由孔隙的消除來形成，這樣就增加了材料的整體強度。因此，如果陶瓷材料以納米晶的形式出現(xiàn)，可觀察到通常為脆性的陶瓷可變成延展性的，在室溫下就允許有大的彈性形變。具有納米結(jié)構(gòu)的材料強度與粒徑成反比。納米材料的位錯密度很低，位錯滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其臨界位錯圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后位錯塞積的平均間距一般比晶粒大，所以納米材料中位錯滑移和增殖不會發(fā)生，這就是納米晶強化效應(yīng)。

▲ 納米陶瓷齒輪微觀組織

隨著粉體的超細化，其表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)都會發(fā)生變化，使材料的強度、韌性和超塑性大幅度提高，產(chǎn)生了塊狀材料所不具有的特殊的效應(yīng)。

Q:納米陶瓷材料都用在什么地方，我怎么沒有見過？

A:使用納米陶瓷技術(shù)制成的陶瓷、纖維廣泛地應(yīng)用于航空、航天、航海、石油鉆探等惡劣環(huán)境下使用。

▲用碳納米管可制造出質(zhì)輕高性能的航天復合材料

納米陶瓷技術(shù)可以對拋光磚起到防污作用。主要是利用納米的小分子的結(jié)構(gòu)對拋光磚的表面形成一個處理層，像疏水和疏油的處理層，通過這個處理層可以防止水，油進入到釉面，即進行防污處理；其次，納米陶瓷技術(shù)的大分子結(jié)構(gòu)的作用就是在拋光磚表面形成一個致密性的，堅硬的，高效的滲透性的保護膜，通過這個保護膜就可以阻止像墨水，咖啡以及油性污漬的侵入，這樣就可以起到防污性能；同時，納米陶瓷拋光磚耐磨、堅硬，長久使用、摩擦都不會使拋光磚的磚面上出現(xiàn)劃痕等現(xiàn)象，所以能夠保持住拋光磚的整潔。

▲（左圖）納米陶瓷拋光磚保護膜，（右圖）普通拋光磚

金屬陶瓷作為刀具材料已有幾十年歷史，詳情請戳 《陶瓷刀具進化史》，由于金屬陶瓷的混合燒結(jié)和晶粒粗大的原因，其力學強度一直難以有大的提高。雖然硬度足夠大，但是卻非常易碎，容易崩瓷。應(yīng)用納米技術(shù)制成超細或納米晶粒材料時，其韌性、強度、硬度大幅提高，使其在難以加工材料刀具等領(lǐng)域占據(jù)了主導地位，比如現(xiàn)在正逐漸走入平常百姓家的氧化鋯陶瓷刀。上等的陶瓷刀采用的都是極細的納米氧化鋯，硬度僅次于金剛石，且比粗顆粒的陶瓷刀更加細膩、光澤度更佳，且韌性更大。

▲陶瓷刀切東西時，切面非常平滑

納米陶瓷具有非常多的獨特性能，隨著高技術(shù)的不斷出現(xiàn)，人們對納米陶瓷寄予的希望越來越大，世界各國的科研工作者正在不斷研究開發(fā)納米陶瓷粉體并以此為原料合成高技術(shù)納米陶瓷。

參考文獻：

[1]林冠發(fā).納米陶瓷材料及其制備與應(yīng)用[J].陶瓷,2002,(05):18-21.

 粉體圈 作者：小黑楊