13000kN／mm2，而普通陶瓷的显
微硬度低于2000kN／mm2。在陶
瓷基体中引入纳米分散相并进行
复合，所制得的纳米陶瓷复合材
料的强度大幅提高。
材料的超塑性：所谓超塑性是指材料在一定的应变 速率下，产生较大的拉伸形变。
尽管人们发现A1203、Si3N4等陶瓷材料在高温 时(1100一1600℃)具有超塑性，但普通陶瓷室温超 塑性却未见报道。而纳米陶瓷因其超微颗粒的小尺 寸效应、表面和界面效应、量子尺寸和宏观量子隧 道效应，使其在材料形成过程和结构中有突出表现， 从而使纳米陶瓷呈现出独特性能。由此，人们追求 的陶瓷超塑性问题有望在纳米陶瓷中解决。
气象高温裂解法、喷雾转化法、化学气 相合成法
气
化学气相合成法可以认为是惰性气体凝
相
胶法第一种变型，它既可以制备纳米非
合
氧化物粉体，也可制备纳米氧化物粉体
成
法
原料的坩蝸中经加热直接蒸发为气态，
以产生悬浮微粒或烟雾状原子团，原子
团的平均粒径可通过改变蒸发速率以及
蒸发室内的惰性气体的压制来控制
化学气相合成法增强了低温下的可烧结性， 并且有相对高的纯净性和高的表面及晶粒 边界纯度
高
韧
传统的陶瓷由于粒径较大，
性
在外表现出很强的脆性，
能
但是纳米陶瓷由于其粒径
尺寸小至纳米级，在受力
时可产生变形而表现出一
定的韧性
烧 结
由于纳米陶瓷材料存在着 大量的界面，这些界面为
性
原子提供了短程扩散途径，
能
与单晶材料相比，纳米陶
瓷材料具有较高的扩散率，
增强扩散能力的同时又使
纳米陶瓷材料的烧结温度
纳米结构陶瓷
结构陶瓷改变的力学 性能包括：硬度、强
度、塑性、韧性
通过添加具有独特功能的 纳米相或颗粒，或本身功 能在常规微米级时未能完 全表现出来的，在通过超 细化后而得到表现，从而 具有特殊功能的纳米陶瓷 材料
纳米功能陶瓷
这些特殊功能包括： 声学、光学、电学、 磁学、生物活性、对
环境的敏化性
物 理 制 备 方 法
纳米粉体材料具有以下优异的性能:
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纳米陶瓷材料具 有极小的粒径、 大的比表面积和 高的化学性 能, 可以降低材 料的烧结致密化 程度、节约能源;
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使材料的组成 结构致密化、 均匀化,改善陶 瓷材料的性能, 提高其使用可 靠性;
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可以从纳米材料的 结构层次上控制材 料的成分和结构,有 利于充分发挥陶瓷 材料的潜在性能,而 使纳米材料的组织 结构和性能的定向 设计成为可能。
随着纳米技术的应用，纳米陶瓷 随之产生，利用纳米技术开发的 纳米陶瓷材料，使得材料的强度、 韧性、和超塑性大幅度提高，克 服了工程陶瓷的许多不足
很多化学家研究各种材料的陶瓷， 如纳米陶瓷，大大扩展了应用领 域，因此如何提高陶瓷的利用率 和陶瓷的实用化，应成为目前陶 瓷的热点。
纳米陶瓷分类
在传统陶瓷粉底中通过加 入纳米颗粒，或者将传统 陶瓷粉体纳米化，通过烧 结凝固时控制凝固或晶体 相的大小和分布，从而改 变陶瓷显微结构以提高其 力学性能，制得纳米陶瓷 材料。
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凝
聚
在水溶液中加入有机配体与
相 合
金属离子形成配合物，通过 控制PH值、反应温度等条件 让其水解、聚合，经溶胶、
成
凝胶而形成一种空间骨架结
法
构，在脱水焙烧得到目的产 物的一种方法。
素胚成型
干压成型、离心 注浆法、挤压法、 注射法
传统 方法
将粉末转变成具有一定 形状、体积和强度的胚 体的过程，素胚的形状 密度和显微镜结构的均 匀性对陶瓷在烧结构成 中的致密化有极大的影 响
瓷原料及其显微结构中所体现的晶粒、晶界、气
孔和缺陷分布等的尺得到极大的改善，以至发生突变而
出现的新性能。
重要性及现状特点
陶瓷材料作为材料的三大支柱之 一，在生产生活中起着举足轻重 的作用。
传统陶瓷的材料质地较脆，韧性、 强度较差，因而其应用受很大限 制，一般仅用于摆放。
应用
军事领域 更坚硬的切削工具 高灵敏度的传感器
航空领域
生物领域 抗菌方面 汽车工业
发展前景
纳米陶瓷作为一种新型的 高性能陶瓷,将越来越受到 世界各国科学家的关注。 纳米陶瓷材料的发展是现 代物理和先进技术结合的 产物, 是近年来发展起来的 一门全新的科学技术,它将 成为新世纪最重要的高新 技术之一。纳米陶瓷的研 究与发展,必将引起陶瓷工 业的发展与变革,引起陶瓷 学理论上的发展乃至新的 理论体系的建立,以适应纳 米尺度的研究需要,从而使 纳米陶瓷材料具有更佳的 性能,使其在工程领域乃至 日常生活中得到更广泛的 应用。
浅谈纳米材料在陶瓷中 的运用及发展
纳米陶瓷材料
重要性及现状特点
纳米陶瓷分类 纳米陶瓷制备 纳米陶瓷性能 应用 发展前景
目 录
提起陶瓷，人们很容易想到日常生活中的饭碗、
纳
茶具、坛坛罐罐。其典型性格是"脆"，十足的易碎 品。然而神通广大的高科技却神奇地改变着陶瓷
米
脆弱和笨重的本性，使之成为制造高新技术兵器 的重要材料。
陶
瓷
陶瓷在历史上出现过3次大飞跃：从陶瓷到瓷器， 这是第一次重大飞跃。20世纪四五十年代，一些
材
强度高、性能好的陶瓷材料出现了，并被广泛应 用于工业领域，从传统陶瓷到工程陶瓷，这是陶
料
瓷发展史上的第二次重大飞跃。现在陶瓷业正从
工程陶瓷进入到纳米陶瓷的阶段，这是陶瓷发展
史上的第三次重大飞跃。所谓纳米陶瓷，是指陶
新型 方法
凝胶注膜法、直接 凝固注膜成型
烧结
无压烧结、 热压烧结
传统 方法
陶瓷材料致密化、 晶体长大、晶体形 成的过程
新型 方法
微波烧结、等离子体 烧结、高压烧结、 爆炸烧结
纳米陶瓷的性能
高强度
超塑性能
力学性能
纳米陶瓷 的性能
高韧性能
烧结性能
力
学
不少纳米陶瓷材料的硬度
性
和强度比普通陶瓷材料高
能
氧化铝陶瓷的烧结是通过表面张力来使物质迁移而得到实
现的。高温氧化物较难烧结，主要是它们有较大的晶格能和较 稳定的结构状态。指点迁移需要较高的活化能。采用纯度高， 粒径小，比表面积大，表面活性高的单分散超细a1203粉料， 由于颗粒间扩散距离短，只需要较低的烧结温度和烧结活化能。 如果氧化铝尺寸能降低到30nm以下，则烧结温度能较低到 100度以下。另外，氧化铝颗粒粒度的分布范围要尽可能窄， 颗粒均匀。
化 学 制 备 方 法
物理制备方法
蒸发凝聚法：
高能机械球磨法：
在真空蒸发室内充入低压惰性气体，加热金属 或化合物蒸发源，由此产生的原子雾与惰性气 体原子碰撞而失去能量，凝聚而成纳米尺寸的 团簇，并在液氮冷却棒上聚集起来，最后得到 纳米粉体。1987年美国Argonne实验室的 Siegles采用此法成功地制备了Ti02纳米陶瓷粉 体，粉体粒径为5—20nm。
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大为降低，添加10%纳米
二氧化锆（VK-R30Y3）
可使普通陶瓷降低烧结温
度50-100C。
以氧化铝纳米陶瓷为例： 由于氧化铝陶瓷胚体熔点高，烧结温度高达1800℃，较
难烧结，大大消耗了能源，因此，实现氧化铝快速低温烧结是 降低氧化铝陶瓷能耗和生产成本的关键。一般情况下，加入某 种添加剂可改善烧结性能，促进烧结。预烧氧化铝结构陶瓷时， 通常要加入适量添加剂，如硼酸盐、高纯纳米a1203等，可降 低预烧温度，促进晶型转化。
出4-5倍，在陶瓷基体中引
入纳米分散相并进行复合，
不仅可大幅度提高其断裂
强度和断裂韧性，明显改
善其耐高温性能，而且也
能提高材料的硬度、弹性
模量和抗热震、抗高温蠕
变的性能。
根据Hall-Petch关系
σy=σ0+Kd（-½）
式中:σy为屈服应力；σ0是移动单个位错所需的克服点阵 摩擦的力；K是常数；d是平均晶粒尺寸。如果用硬度来表 示，则可用下式表示，
化学制备方法
气相化学法
液相化学法
纳米陶瓷制备
纳米粉体的合成
素胚的成型
产品的烧结
纳米粉体
气相 合成
凝聚相 合成
固相 合成
随着粉体的超细化 ，其表面电子结构 和晶体结构发生变 化产生了块状材料 所不有的特殊的效
应
纳米 粉体
纳米陶瓷粉体使介 于固体与分子之间 的具有纳米数量级 尺寸的亚稳态中间
物质。
超
塑
陶瓷的超塑性是由扩散蠕变引起的 晶格滑移所致，扩散蠕变率与扩散
性
系数成正比，与晶粒尺寸的3次方
能
成反比，普通陶瓷只有在很高的温 度下才表现出明显的扩散蠕变，而
纳米二氧化锆陶瓷的扩散系数提高
了3个数量级，晶粒尺寸下降了3个
数量级，因而其扩散蠕变率较高，
在较低的温度下，因其较高的扩散
蠕变速率而对外界应力做出迅速反
应，造成晶界方向的平移，表现出
超塑性，使其韧性大为提高。
室温超塑性是纳米陶瓷最具吸引力的潜在性 能之一，也是纳米陶瓷最具应用前景的方面之一。 众所周知．普通陶瓷材料由于太硬太脆，加工极 困难．很难像金属一样进行切割、钻孔等操作， 这也是普通陶瓷材料的应用受局限的原因之一。 纳米陶瓷的室温超塑性将使得陶瓷在保留其耐化 学腐蚀、耐高温高压等优良性能的前提上，有可 能像其他材料一样进行锻造、挤压、拉拔、弯曲 等特种加工，不需磨削，直接制备精密尺寸的零 件。