极具市场潜力的纳米陶瓷

陶瓷材料作为全球材料业的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。目前，国际陶瓷市场需求最大的建筑陶瓷年贸易额达50亿美元，并以每年12％～15％的速度增长。据统计仅在欧洲市场2002年工程陶瓷 的市场价值为12.75亿欧元，美国13.48亿美元，预计2009年欧洲和美国工程陶瓷的消费将分别达到17.05亿欧元和16．55亿美元。 由于存在脆性(裂纹)、均匀性差、可靠性低、韧性、强度较差等的缺陷，因而使其应用受到了一定的限制。但随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，它克服了陶瓷材料的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生重要影响，为陶瓷材料的应用开拓了新领域使陶瓷材料跨入了一个新的历史时期，所以纳米陶瓷被称为是21世纪陶瓷。 纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，通过在陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等，使晶粒、晶界以及他们之间的结合都达到纳米水平，使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。具有优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性，在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景。 性能 超塑性： 超塑性纳米陶瓷具有类似金属的超塑性，这己成为纳米陶瓷领域最令人注目的焦点之一。普通陶瓷材料在常温下几乎不产生塑性形变，只有在很高的温度下才有扩散蠕变，表现出塑性。而纳米陶瓷在较低的温度下就能表现出超塑性，使其韧性大为提高，在900℃可发生无裂纹形变，同时断裂韧性提高了5％。 在1 550℃ 和2 4 X 10 S。的应变速率下延伸率可将近400％；室温下合成的TiO2 陶瓷，它可以弯曲，其塑性变形高达100％ ，韧性极好。 烧结性能： 纳米陶瓷的的烧结温度大幅度降低，比传统的晶粒陶瓷低500～600℃ ，而烧结速率却增加了，使得烧结过程大大缩短，这对需高温烧结的陶瓷材料有利。 致密性： 在传统陶瓷材料高致密性和细结晶是相互矛盾的，难以实现。纳米材料的引入，使得无需添加任何助剂，就能够形成高密度、细晶粒的陶瓷材料。纳米陶瓷经过高温热压烧结可以达到将近百分百的致密性。 弯曲强度：添加少量的纳米材料就能使得陶瓷材料的抗弯强度和韧性。其中，断裂韧性提高40％以上，抗拉强度冲300MPa提高到1GPa，经过高温热处理后其抗弯强度可达1 5GPa 硬度：纳米陶瓷材料比普通的陶瓷材料的硬度要高5～6倍。对其力学性能的测试表明峰值抗拉强度能提高30％ ，峰值硬度提高了60％ 。 断裂韧性：室温下的纳米陶瓷具有很高的韧性，压缩至原长的1／4而不破碎，断裂韧性比普通陶瓷材料提高3倍多。 磁学性能：与铁磁原子类似，根据相互作用的大小，纳米品粒体可表现出超顺磁性、超铁磁性、超自旋玻璃态等特性。 电学性能：陶瓷粉体晶粒的纳米化可提高陶瓷材料的绝缘性、介电性等性能。陶瓷材料制备的半导体中的正温度系数(PVC)陶瓷，可提高它的灵敏度及稳定性。 市场潜力 纳米陶瓷在建筑行业、纳米陶瓷电子领域、抗茵(杀菌)方面、生物领域、军事领域、精密设备领域、精密设备领域、环境领域都有广泛的应用。 近十年来，我国陶瓷墙地砖就产量而言，已成为世界大国。但不少功能特性的品种、高档墙地砖的彩色釉料须进口；卫生陶瓷、装饰陶瓷无论是结构、功能，还是造型、色调、釉面质量等方面的差距更大，高档卫生陶瓷仍大量采用进口货。 纳米复合功能建筑卫生陶瓷的开发，将使功能性建筑卫生陶瓷得到发展，例如荧光墙地砖、氧敏变色和具有保洁、抗茵功能特性的墙地砖。另外，高韧性是纳米陶瓷另一个具有很高应用的性能。陶瓷韧性的提高使得陶瓷的应用领域极度的扩大，因为今后纳米陶瓷就可以像钢铁、塑料等主流材料一样的应用。 纳米陶瓷可作为电子陶瓷应用于基板、包装、感测器、电容器、压电蜂呜器和热敏电阻等。如纳米Y2 O3和ZrO2。在较低温度烧结的陶瓷。具有很高的韧性和强度，可用于轴承和刀具等耐磨器件：用纳米Nd2O3 和Sm2O3等制作的多层电容和微波器件，性能都得到了很大的提高。由于具有超高纯度、好的热导性和长久的耐干扰性能可以使微处理器集成化程度更高、运行速度更快，作为下一代电脑芯片。 纳米抗菌粉体的抗菌效果将更强，抗茵率可达到99．9％。因此它在保持陶瓷制品原有使用功能和装饰效果的同时增加消毒杀菌及化学降解的功能。从而能够广泛用于卫生、医疗、家庭装饰、民用或工业建筑，已成为高技术产品研究开发的热点之一。实验证明用纳米磷酸锆载银抗茵粉体可用于11 00～1300oC一次烧成的日用瓷和卫生瓷产品中，抗菌时间可维持20年以上。 生物功能陶瓷是具有某些特殊生理行为的陶瓷，具有生物的降解性和生物地相容性，如人造牙齿、人造骨等。纳米陶瓷材料硅酸铝钇(YAS)就可以应用于癌症的治疗，初步临床表明，用这种材料治疗可以大大延长病人的寿命i纳米氧化氧化锆陶瓷坚硬、耐磨、耐腐蚀且具有生物相容性。 同时还具有多孔承载能力强等特性。代替传统医用植入体中的材料可以提高使用效果，降低费用；研究发现，采用纳米颗粒进行复合制备的磷酸钙骨水泥，与肌体亲和性好，无异物反应，并且材料具有可降解性。能被新生骨逐步吸收。生物医学领域也能发挥巨人的作用和影响。 纳米功能防弹陶瓷以其优异的防弹性能、较轻的质量及相对便宜的价格已成为使用最为广泛的防弹材料。目前，国内外主要使用的特种防弹陶瓷有A12O3、B4C、SiC、TiB2、AlN、Si3N4 等。 ???纳米陶瓷的红外发射率可达0．3～0.95范围，根据需要广范围可调，且对高频电磁波的吸波率和透波特性也广范围可调，已广泛应用于军工攻防武器装置和重要军事设施。 室温超塑性是纳米陶瓷最具应用前景的性能之一。纳米陶瓷克服了普通陶瓷的脆性，使陶瓷的锻造、积压、拉拔等加工工艺成为可能，从而能够制得各种特殊的部件，应用到精密设备中去。 纳米陶瓷的烧结温度比普通陶瓷的低几百度，可以节能源、减少环境污染。另外利用纳米陶瓷的光学催化性消除和降解有机物污染，可用于污水处理、室内有害气体的分解等领域。此外，已应用于易产生的一氧化碳等有害气体的装置，如汽车或能源发动装置中可以减少环境污染。 前景透视 纳米陶瓷作为一种新型高性能陶瓷，是近年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，将越来越受到世界各国科学家的关注，纳米陶瓷的研究与发展必将引起陶瓷工业的发展与变革。目前，国外纳米陶瓷已开始产业化，我国还处于在陶瓷纳米粉体的研制阶段，纳米陶瓷要真正实现产业化，还需要社会各界共同努力，产学研共携手，加快科技成果的转化。纳米陶瓷以其巨大的潜在的优异性能，特别是室温超塑性、高韧性、低温烧结性等，给陶瓷工业注入了新的活力。随着社会对高性能的要求，纳米陶瓷将具有令人瞩目的前景，巨大的市场潜力。