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陶瓷材料为什么要追求纳米级?
2021年08月26日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

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中国化工网okmart.com。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。

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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。


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(1~100nm)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。


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(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。


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(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。


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(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。


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(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。


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(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:


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(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。


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(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。


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。


标签:化工应用化工原料技术中心精细化学品
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