纳米陶瓷,陶瓷应用的下一个风口!

一 传统陶瓷，以食器、装饰为主

陶瓷是陶器和瓷器的总称。中国人早在约公元前8000－2000年（新石器时代）就发明了陶器。传统陶瓷是以天然硅酸盐矿物（瓷石、粘土、长石、石英砂等）为原料，经粉碎、磨细、调和、塑形、干燥、锻烧等传统工艺制作而成。由于烧成温度较低，传统陶瓷仅是一种含有较多气孔、质地疏松的未完全烧成制品。

图：传统陶瓷的加工流程

传统陶瓷材料一般硬度较高，但可塑性较差，绝大部分应用在食器、装饰中。如下图所示：

图：陶瓷半成品

二 先进陶瓷，陶瓷也能上天入地！

20世纪初，陶瓷研究进入第二个阶段——先进陶瓷阶段。先进陶瓷极大地拓展了陶瓷的应用领域，先进结构陶瓷可应用至密封套管、轴承、缸套、活塞及切削刀具等，先进功能陶瓷则是利用其电、磁、光、声、热等直接的性能或其耦合效应应用至高容抗陶瓷电容器、传感器元件、自动报警设备等。

那么问题来了，和传统陶瓷相比，为什么先进陶瓷能够具备如此多的优异特性？

图：碳化硅陶瓷材料在航空航天领域的应用

我们知道陶瓷的性能取决于其内部组织结构。在显微镜下可观察到陶瓷内部组织主要有三种结构：晶体相、玻璃相和气孔。

晶体态组织（即晶体相）是由原子有序排列而形成的组织结构紧凑致密的晶态结构，这是陶瓷的基本结构，也是陶瓷具有优良性能的良种结构。

玻璃态组织（即玻璃相）是原子排列紊乱的非晶态结构，此种结构及其微气孔是造成陶瓷质脆及影响别的性能的劣质结构。因玻璃态组织比晶体态组织结构疏松，且受热易软化从而降低了陶瓷的强度、硬度和抗热冲击性能，同时也影响到其它的功能性能。

可见，减少陶瓷内部玻璃态组织、微气孔及微裂纹的含量，增大陶瓷内部组织结构的精细度和致密性是改善陶瓷使用性能（包含力学性能和功能性能）以获得先进陶瓷的关键。先进陶瓷在原料、工艺方面有别于传统陶瓷，通常采用高纯、超细原料，通过组成和结构设计并采用精确的化学计量和新型制备技术制成性能优异的陶瓷材料。

在成形方面，先进陶瓷有等静压成形、热压注成形、注射成形、离心注浆成形、压力注浆成形等成形方法。

图：注射成型，来源于兴荣精密

在烧结方面，则有热压烧结、热等静压烧结、反应烧结、快速烧结、微波烧结、自蔓延烧结等。

图：真空烧结炉（碳管加热），来源于晨华科技

在先进陶瓷阶段，采用的原料已不再使用或很少使用黏土等传统原料，而已扩大到化工原料和合成矿物，甚至是非硅酸盐、非氧化物原料，组成范围也延伸到无机非金属材料范围。

图：二氧化锆原材料，来源于东方锆业

但是，这一阶段的先进陶瓷，无论从原料、显微结构中所体现的晶粒、晶界、气孔、缺陷等在尺度上还只是处在微米级的水平，故又可称之为微米级先进陶瓷。

 三  纳米陶瓷，陶瓷应用的下一个风口！

到20世纪90年代，陶瓷研究已进入第三个阶段--纳米陶瓷阶段。所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相就有纳米级尺度的陶瓷材料。它包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等均在纳米量级的尺度上。

纳米陶瓷将陶瓷赋予了前所未有的特性，材料的强度、韧性和超塑性大大提高，另外还可能产生一些先进陶瓷所不具备的特性，纳米陶瓷极有可能是陶瓷应用的下一个风口！

图：纳米陶瓷粉体微观图，来源于仪器信息网

具体来讲，由于纳米陶瓷内部的超细微晶相颗粒（这大约是数十个或者数百个原子的大小）中原子或离子的个数有限，相应的电子数目也有限，而且处于颗粒边界（晶相界面）上的原子或离子的个数与处于颗粒内部原子或离子的个数相接近。这将导致纳米陶瓷的电磁学性质等发生明显的变化。由于晶粒微细化引起的表面能的增加，则将引起其他一些物理化学性质的变化！

表：传统陶瓷、先进陶瓷和纳米陶瓷的区别

图：纳米陶瓷刀具

图：纳米微晶锆陶瓷在3C产品中的应用

由于兼具质感和优异力学性能（包括高硬度和韧性的改善），目前纳米氧化锆陶瓷已应用在智能移动设备中，相信在不久的将来，纳米陶瓷将在其他领域得到广泛应用。

注：本文参考了黄海云先生PPT《工程陶瓷介绍》《微晶锆陶瓷助力CMF创意实现》、leeshichun的PPT《材料讲堂，先进陶瓷材料》（百度文库）、985631399h的PPT《先进陶瓷材料》（百度文库）、chengfy007的PDF《先进陶瓷及其应用集锦》（百度文库），艾邦高分子华仔编辑整理，转载请先联系我们，邮箱：editor@polytpe.com

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