纳米陶瓷的概述

1、纳米陶瓷是纳米陶瓷是20世纪世纪80年代中期年代中期发展起来的先进材料。发展起来的先进材料。是指是指在陶瓷材料的显微结在陶瓷材料的显微结构中构中，、等等都处于纳米都处于纳米水平的水平的一类陶瓷材料。一类陶瓷材料。小尺寸效应小尺寸效应、表面和界面效应表面和界面效应、量子尺寸效量子尺寸效应应和和宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应，导致了，导致了呈现出呈现出与与不同的独持性能。不同的独持性能。由此，人们追求的由此，人们追求的和和，以及，以及等问题，有可能在等问题，有可能在中解决。中解决。一、小尺寸效应一、小尺寸效应当超微粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波当超微粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导太

2、的相干长度或透射深度等物理特征长以及超导太的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，声、电磁和热力学等特性均会呈现新的尺寸效应。声、电磁和热力学等特性均会呈现新的尺寸效应。例如：纳米微粒尺寸小到一定临界值时主超例如：纳米微粒尺寸小到一定临界值时主超顺磁状态，顺磁状态，- -铁、四氧化三铁和铁、四氧化三铁和- -三氧化二铁三氧化二铁粒径分别为粒径分别为5nm5nm、16nm16nm、20nm20nm时变成超顺磁体。时变成超顺磁体。二、表面效应二、表面效应 纳米微粒尺寸小，表面积大，位于表面的原子纳米微粒尺寸小，表面积大，

3、位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面积急剧变大，占相当大的比例。随着粒径减小，表面积急剧变大，引起表面原子数迅速增加，粒子活性随之增加。引起表面原子数迅速增加，粒子活性随之增加。三、量子尺寸效应三、量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到最低时，费米能级附近的电当粒子尺寸下降到最低时，费米能级附近的电子能级发生了由准连续变为离散能级的现象，即能子能级发生了由准连续变为离散能级的现象，即能级发生分裂。级发生分裂。 上述三个效应是纳米微粒与纳米固体的基本特上述三个效应是纳米微粒与纳米固体的基本特性。它使纳米微粒和纳米固体呈现出许多奇异的物性。它使纳米微粒和纳米固体呈现出许多奇异的物理、化学性质，

4、出现了一些理、化学性质，出现了一些“反常现象反常现象”。 如：金属为导体，但纳米金属微粒在低温下呈如：金属为导体，但纳米金属微粒在低温下呈现绝缘性；当粒径为十几纳米时，氮化硅组成纳米现绝缘性；当粒径为十几纳米时，氮化硅组成纳米陶瓷时电阻变小；化学惰性的金属铂制成的纳米微陶瓷时电阻变小；化学惰性的金属铂制成的纳米微粒后即成为活性很高的催化剂。粒后即成为活性很高的催化剂。20世纪世纪80年代中期才发展起来的年代中期才发展起来的，已成为，已成为材料科学研究材料科学研究的热点。的热点。的研究，不仅对的研究，不仅对有新的发展和创新，而且对有新的发展和创新，而且对也将发生重大变革，甚至可也将发生重大变革，

5、甚至可形成新的理论体系。形成新的理论体系。 被认为是被认为是陶瓷研究发展陶瓷研究发展的第二个台阶。的第二个台阶。从从到到是当前陶瓷研究的趋势之一。是当前陶瓷研究的趋势之一。 著名的诺贝尔奖获得者著名的诺贝尔奖获得者Feynman（费（费恩曼）在恩曼）在1959年就曾预言：年就曾预言：“如果我们对如果我们对物体物体加以某种控制加以某种控制的话，的话，我们就能使物体得到我们就能使物体得到，就会看到就会看到。”研究发现，研究发现，在室温下表现出在室温下表现出，在在180时弯曲而不产生裂纹时弯曲而不产生裂纹。这一突破性进展，使那些为这一突破性进展，使那些为奋斗奋斗了半个世纪的材料学家看到了希望。了半个

6、世纪的材料学家看到了希望。英国著名材料专家英国著名材料专家Cahn（卡恩）在（卡恩）在Nature杂志上撰文说：杂志上撰文说：是解决是解决的战的战略途径。略途径。是是纳米材料纳米材料的重要组成部的重要组成部分，分，基本上和与基本上和与同步进行的。同步进行的。包括以下几个方面：包括以下几个方面：是一种是一种，其，其显微结构的构成显微结构的构成除了除了和和以外，还存在以外，还存在。对对具有具有决定性影响的因素决定性影响的因素主要是主要是及及(包括杂质包括杂质)的的种类种类、组成组成、含量含量、形态形态及及分布分布等。等。其中其中及及有时对有时对产产生着至关重要的影响。生着至关重要的影响。现有陶瓷材

7、料的现有陶瓷材料的一般处于一般处于水平，这是由所采用的水平，这是由所采用的所决定的。所决定的。进入进入20世纪世纪80年代中期年代中期以后，以后，陶瓷材料工作陶瓷材料工作者者开始尝试通过开始尝试通过而制备出使而制备出使降低到具有降低到具有的的。当陶瓷中的当陶瓷中的减小一个数量级，减小一个数量级，则则及及亦以相当倍亦以相当倍数增加。数增加。如如为为36 nm和和为为1 2 nm时，时，约占整个材料体约占整个材料体积的积的50。晶粒被晶粒被之后，具有之后，具有。另外，处于另外，处于表面和界面附近的表面和界面附近的既不同于既不同于，也不，也不同于同于。实验表明，相比于实验表明，相比于通常结构下的同成

8、通常结构下的同成分材料分材料，在在力、热、光、磁、敏力、热、光、磁、敏感、吸收或透波感、吸收或透波等方面，具有很多特殊的等方面，具有很多特殊的性能，进而在性能，进而在体现出迥然不同体现出迥然不同的特性。的特性。 已成为已成为-(零维零维)、(一维一维)、(二维二维)技术技术向更深研究层次发展的基础。向更深研究层次发展的基础。这是因为这是因为低维材料中低维材料中相当多的相当多的上，使得上，使得的的物理和物理和化学性质化学性质与与很不相同。很不相同。同时也是同时也是由由复合材料复合材料(复合线度在微米或亚微米量复合线度在微米或亚微米量级级)向向复合功能材料复合功能材料(复合线度进入到纳米量级复合线

9、度进入到纳米量级)发展的基础。发展的基础。在电、磁、声、光等领域中，功能材料的在电、磁、声、光等领域中，功能材料的变得越来越高，电磁波和弹性波变得越来越高，电磁波和弹性波在媒质中传播在媒质中传播时的波长时的波长 非常小非常小(5005000nm)。这就是说，对这就是说，对来说，复合线来说，复合线度应该在度应该在5500nm范围内。范围内。而对而对已达到已达到的的精细复精细复合材料合材料来说，结构中的来说，结构中的低维材料本身低维材料本身的的及及和和，将为材，将为材料科学开拓更为广泛的研究天地。料科学开拓更为广泛的研究天地。 由于由于引起引起，势必将引起其他势必将引起其他上的一系上的一系列变化。

10、这将导致整个列变化。这将导致整个和和的变革。的变革。很多很多将不能适应，原有的将不能适应，原有的也许也不适用，结果必也许也不适用，结果必然导致然导致陶瓷研究的具有变革意义的发展陶瓷研究的具有变革意义的发展。的产生，为的产生，为、的发现开的发现开拓了一系列崭新的研究内容，从而极大地扩拓了一系列崭新的研究内容，从而极大地扩展了展了。为获得为获得，应从以下七个，应从以下七个方面进行研究：方面进行研究：(1)研究制备研究制备、的新技术，的新技术，寻求寻求，研究其对，研究其对和和的影响。的影响。(2)研究研究在烧结中在烧结中出现的新问题。如研出现的新问题。如研究究纳米粉体烧结纳米粉体烧结引起的引起的和和

11、的的新变化，必须研究新变化，必须研究及及。(3)研究研究变小到纳米范围变小到纳米范围时时，对，对材料力学材料力学、电学电学、磁学磁学、光学光学、热学热学等性能的影响。等性能的影响。 (4)将对将对晶体结构中的晶体结构中的产生影响。产生影响。如如与它的与它的的影响的影响就很明显。就很明显。此外，此外，亦将促使产生亦将促使产生、以及以及等等结构上的变化结构上的变化，使陶瓷，使陶瓷的的结构行为结构行为出现突变。出现突变。(5)同样可引起材料中的同样可引起材料中的或或的减小。当这种尺寸的减小。当这种尺寸小到一定程度时小到一定程度时，无论，无论在宏观上在宏观上还是还是微微观上观上都将出现新的变化都将出现新的变化。(6)的结果，的结果，使使得到很大的改善，以至得到很大的改善，以至在性能上在性能上或呈现或呈现，这为，这为陶瓷的性能研究陶瓷的性能研究提供了新提供了新的内容。的内容。(7)具有具有或或的的，在应用上必将在应用上必将扩展到新的领域扩展到新的领域，这为，这为材料材料的应用的应用提出了新的课题。提出了新的课题。 现代现代已为已