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陶瓷材料追求纳米级的原因
日期:2022-06-08    浏览次数:
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纳(na)(na)米科技(ji)(ji)是21 世纪最重(zhong)要(yao)的(de)(de)科学技(ji)(ji)术之一,其中应(ying)运而生的(de)(de)纳(na)(na)米材料(liao)(liao)(liao)(liao),因(yin)具有(you)独特的(de)(de)性能(neng)而被广泛使(shi)用。纳(na)(na)米材料(liao)(liao)(liao)(liao)不(bu)仅颠(dian)覆(fu)了(le)人(ren)们提(ti)对材料(liao)(liao)(liao)(liao)学的(de)(de)传(chuan)统认识,重(zhong)新定义了(le)材料(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)结构,而且(qie)为解决材料(liao)(liao)(liao)(liao)领域的(de)(de)难点问题(ti)提(ti)供了(le)新思路(lu)。传(chuan)统陶瓷(ci)(ci)材料(liao)(liao)(liao)(liao)由(you)于质地较脆,韧性、强度较差,因(yin)而使(shi)其应(ying)用受到了(le)很大限制(zhi)。但随着(zhe)纳(na)(na)米材料(liao)(liao)(liao)(liao)开始(shi)运用在陶瓷(ci)(ci)中,极大地改善了(le)传(chuan)统陶瓷(ci)(ci)的(de)(de)性能(neng)短(duan)板,使(shi)得陶瓷(ci)(ci)材料(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)应(ying)用跨上了(le)一个新台阶。那(nei)么(me)(me)究竟是什么(me)(me)原因(yin)使(shi)得人(ren)们开始(shi)追求纳(na)(na)米陶瓷(ci)(ci),它又与传(chuan)统陶瓷(ci)(ci)有(you)什么(me)(me)不(bu)同之处(chu)。

陶瓷材料追求纳米级的原因 

图片来源:pixabay

一、什么(me)是纳(na)米陶瓷

所谓纳米陶瓷是指显微结构中的物相具有纳米级尺(chi)度的陶瓷(ci)材料也就(jiu)是(shi)说晶粒尺寸(cun)、晶界宽度、第二相分布(bu)﹑缺陷尺寸等(deng)都是(shi)在纳米(mi)量级的水平(ping)上。其尺寸的纳米(mi)化大大提升了晶界数量,使材料的超塑性和力学性能大为(wei)提高,极为(wei)有效(xiao)地克服了传统(tong)陶瓷(ci)的弊端(duan)。

二、纳米陶瓷的(de)分类

纳(na)(na)米(mi)陶(tao)瓷(ci)材料依据性(xing)能可分为2大类型:一类是纳(na)(na)米(mi)结构陶(tao)瓷(ci),另一类是纳(na)(na)米(mi)功能陶(tao)瓷(ci)。

纳(na)米(mi)陶瓷分类

原理

作用

纳米结(jie)构陶瓷

在陶瓷(ci)粉(fen)体中加入纳(na)米(mi)颗粒,或是将陶瓷(ci)粉(fen)体纳(na)米(mi)化,通过在烧结凝(ning)固时控(kong)制(zhi)凝(ning)固或结晶(jing)相的大小和分布,从而改变(bian)陶瓷(ci)显微(wei)结构。

提高陶瓷其力(li)学性能(硬度(du)、强度(du)、塑性和韧(ren)性)

纳(na)米功(gong)能陶瓷

添加具(ju)有独特功能(neng)(neng)的(de)纳米相(xiang)或颗粒,或本身在常规微(wei)米级(ji)时未能(neng)(neng)完全表现出来的(de)通过超(chao)细化而具(ju)有特殊功能(neng)(neng)的(de)纳米陶瓷(ci)材料。

获得(de)特殊功能(声学(xue)、光学(xue)、电(dian)学(xue)﹑磁学(xue)、生物活性,对环(huan)境的敏感性等(deng)),但需兼顾一定的力学(xue)性能。

纳米陶瓷(ci)分类

三、“纳米(mi)级”带来的优势

纳米氧化物粉体(ti)(ti)是介(jie)于固体(ti)(ti)与分子之间的(de)(de)(de)具有(you)纳米尺(chi)寸(1~100 nm)的(de)(de)(de)亚稳态中间物质。随着粉体(ti)(ti)的(de)(de)(de)超细化,表面的(de)(de)(de)电子结构和(he)晶(jing)体(ti)(ti)结构发(fa)生变化,具有(you)表面效(xiao)应、小(xiao)尺(chi)寸效(xiao)应、量子尺(chi)寸效(xiao)应等特(te)殊效(xiao)应。因此(ci),纳米陶瓷粉体(ti)(ti)材料在电学(xue)(xue)、力学(xue)(xue)、磁学(xue)(xue)具有(you)优异的(de)(de)(de)性能。

(1)力学性能

因为(wei)纳米(mi)材(cai)料具有(you)大的(de)(de)界面,界面的(de)(de)原子排列是相(xiang)当混乱的(de)(de),原子在外力(li)变形的(de)(de)条件下很容易迁移(yi),因此表现出甚佳的(de)(de)韧性与一定的(de)(de)延展性,使陶(tao)瓷材(cai)料具有(you)新奇(qi)的(de)(de)力(li)学性质(zhi)。

(2)超塑性(xing)

超塑(su)性是指(zhi)在拉伸试(shi)验(yan)中,在一定的应变速率下(xia),材料会产生较(jiao)大的拉伸形(xing)变。普通陶瓷(ci)是一种脆性材料,在常(chang)温下(xia)没有(you)(you)超塑(su)性,很难发生形(xing)变。而纳米陶瓷(ci)由于粒径较(jiao)小,且界(jie)面的原子排列较(jiao)复杂、混乱,又含有(you)(you)众多的不饱和键。原子在变形(xing)作(zuo)用下(xia)很容易发生移动,因此(ci)表现(xian)出较(jiao)好的延展性和韧性。

(3)铁(tie)电性(xing)

陶瓷(ci)的(de)晶体尺(chi)寸(cun)直接(jie)影(ying)响(xiang)其(qi)铁电(dian)性(xing)(xing)(xing)能(neng)。随着晶粒尺(chi)寸(cun)的(de)降(jiang)(jiang)低(di),其(qi)铁电(dian)性(xing)(xing)(xing)能(neng)会(hui)逐渐(jian)降(jiang)(jiang)低(di)。当其(qi)尺(chi)寸(cun)小到一定值时(shi),材料的(de)整个(ge)铁电(dian)性(xing)(xing)(xing)能(neng)会(hui)消(xiao)失。

(4)高(gao)的化学活(huo)性(xing)

纳(na)米(mi)材(cai)料(liao)固有(you)的(de)表面(mian)效(xiao)应(ying)使(shi)其表面(mian)原子(zi)存(cun)在(zai)许多悬空键,并(bing)且有(you)不饱(bao)和(he)性(xing)(xing)质,具有(you)很高的(de)化学活性(xing)(xing)。这一特(te)性(xing)(xing)可以增加该材(cai)料(liao)的(de)生(sheng)物活性(xing)(xing)和(he)成骨诱导能力(li),实现植入(ru)材(cai)料(liao)在(zai)体内的(de)早期固定。

四、“纳米(mi)级(ji)”陶瓷的应用

由(you)于(yu)尺(chi)寸的(de)(de)(de)(de)纳米(mi)化大大提升了晶(jing)界数量(liang),使材料的(de)(de)(de)(de)超塑性(xing)和力学性(xing)能(neng)大为提高,极为有效地克服(fu)了传统陶(tao)瓷(ci)(ci)的(de)(de)(de)(de)弊端。同时,材料性(xing)质主要由(you)原子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)短程序性(xing)决定,可望通过原子(zi)(zi)排列的(de)(de)(de)(de)变化而使材料具(ju)有新的(de)(de)(de)(de)性(xing)能(neng)。纳米(mi)颗粒与光子(zi)(zi)、电子(zi)(zi)或(huo)位(wei)错(cuo)的(de)(de)(de)(de)相互作(zuo)用(yong)﹐能(neng)导致产生不(bu)寻常(chang)且有用(yong)的(de)(de)(de)(de)光学、电子(zi)(zi)及磁、力学等性(xing)能(neng)。这(zhei)些,都为陶(tao)瓷(ci)(ci)产业带(dai)来了更(geng)为广阔(kuo)的(de)(de)(de)(de)应用(yong)未(wei)来。

(1)防(fang)护与涂(tu)层领域(yu)

现阶段,陶(tao)瓷的(de)(de)(de)纳(na)(na)米(mi)化(hua)最广泛的(de)(de)(de)应用在(zai)涂层(ceng)与(yu)包覆材料方面。因为(wei)纳(na)(na)米(mi)化(hua)陶(tao)瓷具有极(ji)小的(de)(de)(de)热(re)导率和特殊的(de)(de)(de)电磁性(xing)能(neng),所以人们常通过一定的(de)(de)(de)物(wu)理和化(hua)学(xue)方法(fa),将(jiang)其均(jun)匀地包覆在(zai)物(wu)体表面,用作隔热(re)、抗(kang)氧化(hua)、耐磨、生物(wu)、压电和吸(xi)波涂层(ceng)。如:

陶瓷材料追求纳米级的原因 

防护与涂层领域(yu)应用(yong)

陶瓷材料追求纳米级的原因 

喷陶(tao)瓷三(san)槽分线轮(lun)拉丝机导轮(lun) 图片来源:泓智机械

(2)生(sheng)物(wu)医学材料

随着人们(men)对纳米(mi)陶(tao)瓷研(yan)究(jiu)的(de)不断深入(ru),其在生物(wu)医学应用(yong)方(fang)面的(de)潜力(li)得到了(le)较(jiao)大的(de)挖掘(jue)。要使生物(wu)陶(tao)瓷契合(he)某些特殊的(de)生理(li)行为,必须(xu)满(man)足(zu)以(yi)下(xia)要求:

(1)对生物体(ti)友(you)好(hao),无(wu)(wu)毒、无(wu)(wu)刺激、无(wu)(wu)致癌等效果(guo);

(2)满足一定(ding)的应力要求,能起到支撑、摩擦等(deng)特(te)殊(shu)作用;

(3)能与人(ren)体其他组织相(xiang)互结合(he)。

纳(na)米陶瓷材料极好地满足了(le)以上条件,这为其(qi)在(zai)生物(wu)医(yi)学(xue)方面的发(fa)展奠定了(le)基础。

陶瓷材料追求纳米级的原因 

生物(wu)医学材料方(fang)面应(ying)用

陶瓷材料追求纳米级的原因 

纳米(mi)生物陶(tao)瓷远(yuan)红(hong)外(wai)临床应用 图片(pian)来源:网络(luo)

(3) 新(xin)型刀具

陶瓷(ci)(ci)(ci)刀具(ju)是现(xian)代结(jie)构陶瓷(ci)(ci)(ci)的(de)一个重要应用领域。陶瓷(ci)(ci)(ci)刀具(ju)不仅具(ju)有高硬度、高耐磨性(xing)(xing),同时在高温下仍保(bao)持优良的(de)力(li)学性(xing)(xing)能(neng),成为(wei)制(zhi)(zhi)造切削刀具(ju)的(de)理想材料。如:合肥工业大学主持的(de)纳米(mi)TiN、AIN改(gai)性(xing)(xing)的(de)TiC基金属陶瓷(ci)(ci)(ci)刀具(ju)制(zhi)(zhi)造技术通过了有关部门的(de)鉴定(ding)﹐这标志着我国利(li)用纳米(mi)陶瓷(ci)(ci)(ci)制(zhi)(zhi)备的(de)新型刀具(ju)正式诞生。此类(lei)刀具(ju)具(ju)有良好的(de)韧(ren)性(xing)(xing)与强度,现(xian)已得到了较大的(de)发展。

陶瓷材料追求纳米级的原因

新型刀具应(ying)用

陶瓷材料追求纳米级的原因

 火候纳米陶(tao)瓷刀(dao) 图片来源(yuan):小米有品

总结

陶(tao)瓷(ci)(ci)纳(na)(na)米(mi)(mi)(mi)化在化学(xue)、力学(xue)、光吸收、磁性等方(fang)面(mian)具有(you)卓(zhuo)越(yue)的(de)(de)(de)性质,因(yin)此(ci),在今后的(de)(de)(de)特(te)殊材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)与特(te)殊技(ji)术方(fang)面(mian)都将(jiang)会起到极其重要的(de)(de)(de)作用(yong),其应用(yong)范围将(jiang)会越(yue)来越(yue)广(guang)。纳(na)(na)米(mi)(mi)(mi)陶(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)作为一种新(xin)型高性能材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao),越(yue)来越(yue)受(shou)到世(shi)界各(ge)国材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)科(ke)学(xue)工(gong)作者的(de)(de)(de)关注。目前(qian)纳(na)(na)米(mi)(mi)(mi)陶(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)尚属起步(bu),许多工(gong)艺问题(ti)有(you)待解决。纳(na)(na)米(mi)(mi)(mi)陶(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)广(guang)泛应用(yong)前(qian)景为其研(yan)究(jiu)(jiu)方(fang)向增添巨大动力,而科(ke)学(xue)技(ji)术的(de)(de)(de)迅速发展也必将(jiang)加速纳(na)(na)米(mi)(mi)(mi)陶(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)研(yan)究(jiu)(jiu)的(de)(de)(de)进程。

 

参考文献:

1、纳米陶瓷的研究进展  张强宏

2、纳米陶瓷材料研(yan)究与应用  张文毓

3、纳米陶(tao)瓷的(de)特性和(he)烧结  肖长江等

4、纳(na)米陶(tao)瓷涂(tu)层的特(te)性及研究(jiu)现状  宋子(zi)豪等(deng)

5、纳米陶瓷及其在刀具中(zhong)的应用与研究  许(xu)崇海(hai)等

6、纳米生物医用陶瓷的应(ying)用及展望  涂浩等(deng)

 

作者(zhe):晴天