纳米陶瓷是将纳米级陶瓷颗粒、晶须、纤维等引入陶瓷母体,以改善陶瓷的性能而制造的复合型材料,其提高了母体材料的室温力学性能,改善了高温性能,并且此材料具有可切削加工和超塑性。因纳米陶瓷与普通陶瓷相比,具有特殊的物理和化学性能。因此,其在新材料与新技术方面将具有极其重要的地位。

1.防护与涂层

现阶段,纳米陶瓷最广泛的应用在涂层与包覆材料方面。因为纳米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。

在防护材料方面,纳米陶瓷也展现出惊人的优势。普通陶瓷由于韧性极差,在受到撞击后会出现界面破坏、裂纹扩展等过程,这大大地制约了陶瓷在抗弹方面的发展。而纳米陶瓷的韧性优良,能极好地抵抗冲击。将纳米陶瓷引入到坦克装甲材料中,可以有效提高坦克的抗弹能力;将其引入到炮筒和枪管等表面,可以提高其抗冲击力和抗烧蚀性。由纳米陶瓷和碳纳米管制成的防弹衣,具有极优的抗弹效果。

纳米陶瓷的原理,纳米陶瓷的研究进展与创新(1)

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。

纳米陶瓷的原理,纳米陶瓷的研究进展与创新(2)

经纳米级碳化硅掺杂的羟基磷灰石复合陶瓷的性能比单独的羟基磷灰石陶瓷要提高很多,其抗弯强度、断裂韧性、抗压强度均有显著提高,达到了生物硬组织的水平。纳米颗粒在体内传输方便,这一特点被科学家应用到放射疗法中。在纳米陶瓷微粒中掺杂可以放射出 β 射线的化学元素,将它们制成 β 射线源材料,植入到标的物附近,即可对癌变组织进行精准治疗。目前,硅酸铝钇纳米陶瓷材料可基本满足这些要求。

在抗菌方面,新发展起来的抗菌陶瓷,是抗菌剂、抗菌技术与陶瓷材料结合的产物。由于纳米材料具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面与界面效应,其抗菌效果与传统陶瓷相比,具有很大的飞跃。按照机理划分,抗菌陶瓷可分为两类:银系缓释型抗菌陶瓷和纳米钛系光触媒型抗菌陶瓷。

3.新型刀具

由合肥工业大学主持的纳米 TiN、AlN改性的 TiC基金属陶瓷刀具制造技术,已经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。

纳米陶瓷的原理,纳米陶瓷的研究进展与创新(3)

纳米陶瓷在化学、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。但是,在纳米陶瓷的应用过程中,有几点仍需要继续研究:

(1)纳米陶瓷粉体产生过程中的团聚机理与解决方法;

(2)形成纳米陶瓷特殊性质的机理;

(3)纳米陶瓷烧结动力学分析和相应的物理化学反应机理;

(4)简便、耗能较少的制备工艺。

,