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陶瓷材料追求纳米级的原因
2021年08月26日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:190
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纳米科技是21 世纪最重要的科学技术之一,其中应运而生的纳米材料,因具有独特的性能而被广泛使用。纳米材料不仅颠覆了人们提对材料学的传统认识,重新定义了材料的结构,而且为解决材料领域的难点问题提供了新思路。传统陶瓷材料由于质地较脆,韧性、强度较差,因而使其应用受到了很大限制。但随着纳米材料开始运用在陶瓷中,极大地改善了传统陶瓷的性能短板,使得陶瓷材料的应用跨上了一个新台阶。那么究竟是什么原因使得人们开始追求纳米陶瓷,它又与传统陶瓷有什么不同之处。

 

图片来源:pixabay

一、什么是纳米陶瓷

所谓纳米陶瓷是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布﹑缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。其尺寸的纳米化大大提升了晶界数量,使材料的超塑性和力学性能大为提高,极为有效地克服了传统陶瓷的弊端。

二、纳米陶瓷的分类

纳米陶瓷材料依据性能可分为2大类型:一类是纳米结构陶瓷,另一类是纳米功能陶瓷。

纳米陶瓷分类

原理

作用

纳米结构陶瓷

在陶瓷粉体中加入纳米颗粒,或是将陶瓷粉体纳米化,通过在烧结凝固时控制凝固或结晶相的大小和分布,从而改变陶瓷显微结构。

提高陶瓷其力学性能(硬度、强度、塑性和韧性)

纳米功能陶瓷

添加具有独特功能的纳米相或颗粒,或本身在常规微米级时未能完全表现出来的通过超细化而具有特殊功能的纳米陶瓷材料。

获得特殊功能(声学、光学、电学﹑磁学、生物活性,对环境的敏感性等),但需兼顾一定的力学性能。

纳米陶瓷分类

三、“纳米级”带来的优势

纳米氧化物粉体是介于固体与分子之间的具有纳米尺寸(1~100 nm)的亚稳态中间物质。随着粉体的超细化,表面的电子结构和晶体结构发生变化,具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等特殊效应。因此,纳米陶瓷粉体材料在电学、力学、磁学具有优异的性能。

(1)力学性能

因为纳米材料具有大的界面,界面的原子排列是相当混乱的,原子在外力变形的条件下很容易迁移,因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性,使陶瓷材料具有新奇的力学性质。

(2)超塑性

超塑性是指在拉伸试验中,在一定的应变速率下,材料会产生较大的拉伸形变。普通陶瓷是一种脆性材料,在常温下没有超塑性,很难发生形变。而纳米陶瓷由于粒径较小,且界面的原子排列较复杂、混乱,又含有众多的不饱和键。原子在变形作用下很容易发生移动,因此表现出较好的延展性和韧性。

(3)铁电性

陶瓷的晶体尺寸直接影响其铁电性能。随着晶粒尺寸的降低,其铁电性能会逐渐降低。当其尺寸小到一定值时,材料的整个铁电性能会消失。

(4)高的化学活性

纳米材料固有的表面效应使其表面原子存在许多悬空键,并且有不饱和性质,具有很高的化学活性。这一特性可以增加该材料的生物活性和成骨诱导能力,实现植入材料在体内的早期固定。

四、“纳米级”陶瓷的应用

由于尺寸的纳米化大大提升了晶界数量,使材料的超塑性和力学性能大为提高,极为有效地克服了传统陶瓷的弊端。同时,材料性质主要由原子的短程序性决定,可望通过原子排列的变化而使材料具有新的性能。纳米颗粒与光子、电子或位错的相互作用﹐能导致产生不寻常且有用的光学、电子及磁、力学等性能。这些,都为陶瓷产业带来了更为广阔的应用未来。

(1)防护与涂层领域

现阶段,陶瓷的纳米化最广泛的应用在涂层与包覆材料方面。因为纳米化陶瓷具有极小的热导率和特殊的电磁性能,所以人们常通过一定的物理和化学方法,将其均匀地包覆在物体表面,用作隔热、抗氧化、耐磨、生物、压电和吸波涂层。如:

 

防护与涂层领域应用

 

喷陶瓷三槽分线轮拉丝机导轮 图片来源:泓智机械

(2)生物医学材料

随着人们对纳米陶瓷研究的不断深入,其在生物医学应用方面的潜力得到了较大的挖掘。要使生物陶瓷契合某些特殊的生理行为,必须满足以下要求:

(1)对生物体友好,无毒、无刺激、无致癌等效果;

(2)满足一定的应力要求,能起到支撑、摩擦等特殊作用;

(3)能与人体其他组织相互结合。

纳米陶瓷材料极好地满足了以上条件,这为其在生物医学方面的发展奠定了基础。

 

生物医学材料方面应用

 

纳米生物陶瓷远红外临床应用 图片来源:网络

(3) 新型刀具

陶瓷刀具是现代结构陶瓷的一个重要应用领域。陶瓷刀具不仅具有高硬度、高耐磨性,同时在高温下仍保持优良的力学性能,成为制造切削刀具的理想材料。如:合肥工业大学主持的纳米TiN、AIN改性的TiC基金属陶瓷刀具制造技术通过了有关部门的鉴定﹐这标志着我国利用纳米陶瓷制备的新型刀具正式诞生。此类刀具具有良好的韧性与强度,现已得到了较大的发展。

新型刀具应用

 火候纳米陶瓷刀 图片来源:小米有品

总结

陶瓷纳米化在化学、力学、光吸收、磁性等方面具有卓越的性质,因此,在今后的特殊材料与特殊技术方面都将会起到极其重要的作用,其应用范围将会越来越广。纳米陶瓷材料作为一种新型高性能材料,越来越受到世界各国材料科学工作者的关注。目前纳米陶瓷材料的研究尚属起步,许多工艺问题有待解决。纳米陶瓷材料的广泛应用前景为其研究方向增添巨大动力,而科学技术的迅速发展也必将加速纳米陶瓷材料研究的进程。

 

参考文献:

1、纳米陶瓷的研究进展  张强宏

2、纳米陶瓷材料研究与应用  张文毓

3、纳米陶瓷的特性和烧结  肖长江等

4、纳米陶瓷涂层的特性及研究现状  宋子豪等

5、纳米陶瓷及其在刀具中的应用与研究  许崇海等

6、纳米生物医用陶瓷的应用及展望  涂浩等

 

 

 

 

作者:晴天

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