納米陶瓷，陶瓷應(yīng)用的下一個風(fēng)口！

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在千姿百態(tài)的物質(zhì)界，大自然給予了我們數(shù)量眾多的天然材料，人們在長期的使用實(shí)踐過程中，根據(jù)物質(zhì)的物理化學(xué)屬性將其分為三大類：金屬材料、高分子材料以及無機(jī)非金屬材料。陶瓷作為無機(jī)非金屬材料的一部分，在華夏5000年的歷史中扮演著重要的角色。但由于易碎、密度較大等，陶瓷越來越受到高分子材料和金屬材料的挑戰(zhàn)。

先進(jìn)陶瓷的出現(xiàn)，使得陶瓷不僅僅是藝術(shù)品和日常用品，它極大的擴(kuò)展了陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域，將其應(yīng)用到航空、能源、冶金機(jī)械、交通、家電等。納米陶瓷是陶瓷發(fā)展的第三個階段，它賦予了陶瓷前所未有的特性，極有可能是陶瓷應(yīng)用的下一個風(fēng)口！

 一  傳統(tǒng)陶瓷，以食器、裝飾為主

陶瓷是陶器和瓷器的總稱。中國人早在約公元前8000－2000年（新石器時代）就發(fā)明了陶器。傳統(tǒng)陶瓷是以天然硅酸鹽礦物（瓷石、粘土、長石、石英砂等）為原料，經(jīng)粉碎、磨細(xì)、調(diào)和、塑形、干燥、鍛燒等傳統(tǒng)工藝制作而成。由于燒成溫度較低，傳統(tǒng)陶瓷僅是一種含有較多氣孔、質(zhì)地疏松的未完全燒成制品。

圖：傳統(tǒng)陶瓷的加工流程

傳統(tǒng)陶瓷材料一般硬度較高，但可塑性較差，絕大部分應(yīng)用在食器、裝飾中。如下圖所示：

圖：陶瓷半成品

 二  先進(jìn)陶瓷，陶瓷也能上天入地！

20世紀(jì)初，陶瓷研究進(jìn)入第二個階段——先進(jìn)陶瓷階段。先進(jìn)陶瓷極大地拓展了陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域，先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷可應(yīng)用至密封套管、軸承、缸套、活塞及切削刀具等，先進(jìn)功能陶瓷則是利用其電、磁、光、聲、熱等直接的性能或其耦合效應(yīng)應(yīng)用至高容抗陶瓷電容器、傳感器元件、自動報警設(shè)備等。

那么問題來了，和傳統(tǒng)陶瓷相比，為什么先進(jìn)陶瓷能夠具備如此多的優(yōu)異特性？

圖：碳化硅陶瓷材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

我們知道陶瓷的性能取決于其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。在顯微鏡下可觀察到陶瓷內(nèi)部組織主要有三種結(jié)構(gòu)：晶體相、玻璃相和氣孔。

晶體態(tài)組織（即晶體相）是由原子有序排列而形成的組織結(jié)構(gòu)緊湊致密的晶態(tài)結(jié)構(gòu)，這是陶瓷的基本結(jié)構(gòu)，也是陶瓷具有優(yōu)良性能的良種結(jié)構(gòu)。

玻璃態(tài)組織（即玻璃相）是原子排列紊亂的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)及其微氣孔是造成陶瓷質(zhì)脆及影響別的性能的劣質(zhì)結(jié)構(gòu)。因玻璃態(tài)組織比晶體態(tài)組織結(jié)構(gòu)疏松，且受熱易軟化從而降低了陶瓷的強(qiáng)度、硬度和抗熱沖擊性能，同時也影響到其它的功能性能。

可見，減少陶瓷內(nèi)部玻璃態(tài)組織、微氣孔及微裂紋的含量，增大陶瓷內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的精細(xì)度和致密性是改善陶瓷使用性能（包含力學(xué)性能和功能性能）以獲得先進(jìn)陶瓷的關(guān)鍵。先進(jìn)陶瓷在原料、工藝方面有別于傳統(tǒng)陶瓷，通常采用高純、超細(xì)原料，通過組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計并采用精確的化學(xué)計量和新型制備技術(shù)制成性能優(yōu)異的陶瓷材料。

在成形方面，先進(jìn)陶瓷有等靜壓成形、熱壓注成形、注射成形、離心注漿成形、壓力注漿成形等成形方法。

圖：注射成型，來源于興榮精密

在燒結(jié)方面，則有熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)、快速燒結(jié)、微波燒結(jié)、自蔓延燒結(jié)等。

圖：真空燒結(jié)爐（碳管加熱），來源于晨華科技

在先進(jìn)陶瓷階段，采用的原料已不再使用或很少使用黏土等傳統(tǒng)原料，而已擴(kuò)大到化工原料和合成礦物，甚至是非硅酸鹽、非氧化物原料，組成范圍也延伸到無機(jī)非金屬材料范圍。

圖：二氧化鋯原材料，來源于東方鋯業(yè)

但是，這一階段的先進(jìn)陶瓷，無論從原料、顯微結(jié)構(gòu)中所體現(xiàn)的晶粒、晶界、氣孔、缺陷等在尺度上還只是處在微米級的水平，故又可稱之為微米級先進(jìn)陶瓷。

 三  納米陶瓷，陶瓷應(yīng)用的下一個風(fēng)口！

到20世紀(jì)90年代，陶瓷研究已進(jìn)入第三個階段--納米陶瓷階段。所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相就有納米級尺度的陶瓷材料。它包括晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸等均在納米量級的尺度上。

納米陶瓷將陶瓷賦予了前所未有的特性，材料的強(qiáng)度、韌性和超塑性大大提高，另外還可能產(chǎn)生一些先進(jìn)陶瓷所不具備的特性，納米陶瓷極有可能是陶瓷應(yīng)用的下一個風(fēng)口！

圖：納米陶瓷粉體微觀圖，來源于儀器信息網(wǎng)

具體來講，由于納米陶瓷內(nèi)部的超細(xì)微晶相顆粒（這大約是數(shù)十個或者數(shù)百個原子的大?。┲性踊螂x子的個數(shù)有限，相應(yīng)的電子數(shù)目也有限，而且處于顆粒邊界（晶相界面）上的原子或離子的個數(shù)與處于顆粒內(nèi)部原子或離子的個數(shù)相接近。這將導(dǎo)致納米陶瓷的電磁學(xué)性質(zhì)等發(fā)生明顯的變化。由于晶粒微細(xì)化引起的表面能的增加，則將引起其他一些物理化學(xué)性質(zhì)的變化！

表：傳統(tǒng)陶瓷、先進(jìn)陶瓷和納米陶瓷的區(qū)別

圖：納米陶瓷刀具

圖：納米微晶鋯陶瓷在3C產(chǎn)品中的應(yīng)用

由于兼具質(zhì)感和優(yōu)異力學(xué)性能（包括高硬度和韌性的改善），目前納米氧化鋯陶瓷已應(yīng)用在智能移動設(shè)備中，相信在不久的將來，納米陶瓷將在其他領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

注：本文參考了黃海云先生PPT《工程陶瓷介紹》《微晶鋯陶瓷助力CMF創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)》、leeshichun的PPT《材料講堂，先進(jìn)陶瓷材料》（百度文庫）、985631399h的PPT《先進(jìn)陶瓷材料》（百度文庫）、chengfy007的PDF《先進(jìn)陶瓷及其應(yīng)用集錦》（百度文庫），艾邦高分子華仔編輯整理，轉(zhuǎn)載請先聯(lián)系我們，郵箱：editor@polytpe.com

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