納米陶瓷的概述

1、納米陶瓷是納米陶瓷是20世紀(jì)世紀(jì)80年代中期年代中期發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)材料。發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)材料。是指是指在陶瓷材料的顯微結(jié)在陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)中構(gòu)中，、等等都處于納米都處于納米水平的水平的一類陶瓷材料。一類陶瓷材料。小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng)、表面和界面效應(yīng)表面和界面效應(yīng)、量子尺寸效量子尺寸效應(yīng)應(yīng)和和宏觀量子隧道效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)，導(dǎo)致了，導(dǎo)致了呈現(xiàn)出呈現(xiàn)出與與不同的獨(dú)持性能。不同的獨(dú)持性能。由此，人們追求的由此，人們追求的和和，以及，以及等問題，有可能在等問題，有可能在中解決。中解決。一、小尺寸效應(yīng)一、小尺寸效應(yīng)當(dāng)超微粒子的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波當(dāng)超微粒子的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)太

2、的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特征長(zhǎng)以及超導(dǎo)太的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，周期性的邊界條件將被破壞，尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，周期性的邊界條件將被破壞，聲、電磁和熱力學(xué)等特性均會(huì)呈現(xiàn)新的尺寸效應(yīng)。聲、電磁和熱力學(xué)等特性均會(huì)呈現(xiàn)新的尺寸效應(yīng)。例如：納米微粒尺寸小到一定臨界值時(shí)主超例如：納米微粒尺寸小到一定臨界值時(shí)主超順磁狀態(tài)，順磁狀態(tài)，- -鐵、四氧化三鐵和鐵、四氧化三鐵和- -三氧化二鐵三氧化二鐵粒徑分別為粒徑分別為5nm5nm、16nm16nm、20nm20nm時(shí)變成超順磁體。時(shí)變成超順磁體。二、表面效應(yīng)二、表面效應(yīng) 納米微粒尺寸小，表面積大，位于表面的原子納米微粒尺寸小，表面積大，

3、位于表面的原子占相當(dāng)大的比例。隨著粒徑減小，表面積急劇變大，占相當(dāng)大的比例。隨著粒徑減小，表面積急劇變大，引起表面原子數(shù)迅速增加，粒子活性隨之增加。引起表面原子數(shù)迅速增加，粒子活性隨之增加。三、量子尺寸效應(yīng)三、量子尺寸效應(yīng) 當(dāng)粒子尺寸下降到最低時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電當(dāng)粒子尺寸下降到最低時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)發(fā)生了由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象，即能子能級(jí)發(fā)生了由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象，即能級(jí)發(fā)生分裂。級(jí)發(fā)生分裂。 上述三個(gè)效應(yīng)是納米微粒與納米固體的基本特上述三個(gè)效應(yīng)是納米微粒與納米固體的基本特性。它使納米微粒和納米固體呈現(xiàn)出許多奇異的物性。它使納米微粒和納米固體呈現(xiàn)出許多奇異的物理、化學(xué)性質(zhì)，

4、出現(xiàn)了一些理、化學(xué)性質(zhì)，出現(xiàn)了一些“反常現(xiàn)象反?，F(xiàn)象”。 如：金屬為導(dǎo)體，但納米金屬微粒在低溫下呈如：金屬為導(dǎo)體，但納米金屬微粒在低溫下呈現(xiàn)絕緣性；當(dāng)粒徑為十幾納米時(shí)，氮化硅組成納米現(xiàn)絕緣性；當(dāng)粒徑為十幾納米時(shí)，氮化硅組成納米陶瓷時(shí)電阻變小；化學(xué)惰性的金屬鉑制成的納米微陶瓷時(shí)電阻變?。换瘜W(xué)惰性的金屬鉑制成的納米微粒后即成為活性很高的催化劑。粒后即成為活性很高的催化劑。20世紀(jì)世紀(jì)80年代中期才發(fā)展起來(lái)的年代中期才發(fā)展起來(lái)的，已成為，已成為材料科學(xué)研究材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)。的熱點(diǎn)。的研究，不僅對(duì)的研究，不僅對(duì)有新的發(fā)展和創(chuàng)新，而且對(duì)有新的發(fā)展和創(chuàng)新，而且對(duì)也將發(fā)生重大變革，甚至可也將發(fā)生重大變革，

5、甚至可形成新的理論體系。形成新的理論體系。 被認(rèn)為是被認(rèn)為是陶瓷研究發(fā)展陶瓷研究發(fā)展的第二個(gè)臺(tái)階。的第二個(gè)臺(tái)階。從從到到是當(dāng)前陶瓷研究的趨勢(shì)之一。是當(dāng)前陶瓷研究的趨勢(shì)之一。 著名的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者著名的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Feynman（費(fèi)（費(fèi)恩曼）在恩曼）在1959年就曾預(yù)言：年就曾預(yù)言：“如果我們對(duì)如果我們對(duì)物體物體加以某種控制加以某種控制的話，的話，我們就能使物體得到我們就能使物體得到，就會(huì)看到就會(huì)看到。”研究發(fā)現(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)，在室溫下表現(xiàn)出在室溫下表現(xiàn)出，在在180時(shí)彎曲而不產(chǎn)生裂紋時(shí)彎曲而不產(chǎn)生裂紋。這一突破性進(jìn)展，使那些為這一突破性進(jìn)展，使那些為奮斗奮斗了半個(gè)世紀(jì)的材料學(xué)家看到了希望。了半個(gè)

6、世紀(jì)的材料學(xué)家看到了希望。英國(guó)著名材料專家英國(guó)著名材料專家Cahn（卡恩）在（卡恩）在Nature雜志上撰文說(shuō)：雜志上撰文說(shuō)：是解決是解決的戰(zhàn)的戰(zhàn)略途徑。略途徑。是是納米材料納米材料的重要組成部的重要組成部分，分，基本上和與基本上和與同步進(jìn)行的。同步進(jìn)行的。包括以下幾個(gè)方面：包括以下幾個(gè)方面：是一種是一種，其，其顯微結(jié)構(gòu)的構(gòu)成顯微結(jié)構(gòu)的構(gòu)成除了除了和和以外，還存在以外，還存在。對(duì)對(duì)具有具有決定性影響的因素決定性影響的因素主要是主要是及及(包括雜質(zhì)包括雜質(zhì))的的種類種類、組成組成、含量含量、形態(tài)形態(tài)及及分布分布等。等。其中其中及及有時(shí)對(duì)有時(shí)對(duì)產(chǎn)產(chǎn)生著至關(guān)重要的影響。生著至關(guān)重要的影響?，F(xiàn)有陶瓷材

7、料的現(xiàn)有陶瓷材料的一般處于一般處于水平，這是由所采用的水平，這是由所采用的所決定的。所決定的。進(jìn)入進(jìn)入20世紀(jì)世紀(jì)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開始嘗試通過開始嘗試通過而制備出使而制備出使降低到具有降低到具有的的。當(dāng)陶瓷中的當(dāng)陶瓷中的減小一個(gè)數(shù)量級(jí)，減小一個(gè)數(shù)量級(jí)，則則及及亦以相當(dāng)倍亦以相當(dāng)倍數(shù)增加。數(shù)增加。如如為為36 nm和和為為1 2 nm時(shí)，時(shí)，約占整個(gè)材料體約占整個(gè)材料體積的積的50。晶粒被晶粒被之后，具有之后，具有。另外，處于另外，處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。實(shí)驗(yàn)表明，相比于實(shí)驗(yàn)表明，相比于通常結(jié)構(gòu)下的同成

8、通常結(jié)構(gòu)下的同成分材料分材料，在在力、熱、光、磁、敏力、熱、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，進(jìn)而在性能，進(jìn)而在體現(xiàn)出迥然不同體現(xiàn)出迥然不同的特性。的特性。 已成為已成為-(零維零維)、(一維一維)、(二維二維)技術(shù)技術(shù)向更深研究層次發(fā)展的基礎(chǔ)。向更深研究層次發(fā)展的基礎(chǔ)。這是因?yàn)檫@是因?yàn)榈途S材料中低維材料中相當(dāng)多的相當(dāng)多的上，使得上，使得的的物理和物理和化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)與與很不相同。很不相同。同時(shí)也是同時(shí)也是由由復(fù)合材料復(fù)合材料(復(fù)合線度在微米或亞微米量復(fù)合線度在微米或亞微米量級(jí)級(jí))向向復(fù)合功能材料復(fù)合功能材料(復(fù)合線度進(jìn)入到納米量級(jí)復(fù)合線

9、度進(jìn)入到納米量級(jí))發(fā)展的基礎(chǔ)。發(fā)展的基礎(chǔ)。在電、磁、聲、光等領(lǐng)域中，功能材料的在電、磁、聲、光等領(lǐng)域中，功能材料的變得越來(lái)越高，電磁波和彈性波變得越來(lái)越高，電磁波和彈性波在媒質(zhì)中傳播在媒質(zhì)中傳播時(shí)的波長(zhǎng)時(shí)的波長(zhǎng) 非常小非常小(5005000nm)。這就是說(shuō)，對(duì)這就是說(shuō)，對(duì)來(lái)說(shuō)，復(fù)合線來(lái)說(shuō)，復(fù)合線度應(yīng)該在度應(yīng)該在5500nm范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。而對(duì)而對(duì)已達(dá)到已達(dá)到的的精細(xì)復(fù)精細(xì)復(fù)合材料合材料來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)中的來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)中的低維材料本身低維材料本身的的及及和和，將為材，將為材料科學(xué)開拓更為廣泛的研究天地。料科學(xué)開拓更為廣泛的研究天地。 由于由于引起引起，勢(shì)必將引起其他勢(shì)必將引起其他上的一系上的一系列變化。

10、這將導(dǎo)致整個(gè)列變化。這將導(dǎo)致整個(gè)和和的變革。的變革。很多很多將不能適應(yīng)，原有的將不能適應(yīng)，原有的也許也不適用，結(jié)果必也許也不適用，結(jié)果必然導(dǎo)致然導(dǎo)致陶瓷研究的具有變革意義的發(fā)展陶瓷研究的具有變革意義的發(fā)展。的產(chǎn)生，為的產(chǎn)生，為、的發(fā)現(xiàn)開的發(fā)現(xiàn)開拓了一系列嶄新的研究?jī)?nèi)容，從而極大地?cái)U(kuò)拓了一系列嶄新的研究?jī)?nèi)容，從而極大地?cái)U(kuò)展了展了。為獲得為獲得，應(yīng)從以下七個(gè)，應(yīng)從以下七個(gè)方面進(jìn)行研究：方面進(jìn)行研究：(1)研究制備研究制備、的新技術(shù)，的新技術(shù)，尋求尋求，研究其對(duì)，研究其對(duì)和和的影響。的影響。(2)研究研究在燒結(jié)中在燒結(jié)中出現(xiàn)的新問題。如研出現(xiàn)的新問題。如研究究納米粉體燒結(jié)納米粉體燒結(jié)引起的引起的和和

11、的的新變化，必須研究新變化，必須研究及及。(3)研究研究變小到納米范圍變小到納米范圍時(shí)時(shí)，對(duì)，對(duì)材料力學(xué)材料力學(xué)、電學(xué)電學(xué)、磁學(xué)磁學(xué)、光學(xué)光學(xué)、熱學(xué)熱學(xué)等性能的影響。等性能的影響。 (4)將對(duì)將對(duì)晶體結(jié)構(gòu)中的晶體結(jié)構(gòu)中的產(chǎn)生影響。產(chǎn)生影響。如如與它的與它的的影響的影響就很明顯。就很明顯。此外，此外，亦將促使產(chǎn)生亦將促使產(chǎn)生、以及以及等等結(jié)構(gòu)上的變化結(jié)構(gòu)上的變化，使陶瓷，使陶瓷的的結(jié)構(gòu)行為結(jié)構(gòu)行為出現(xiàn)突變。出現(xiàn)突變。(5)同樣可引起材料中的同樣可引起材料中的或或的減小。當(dāng)這種尺寸的減小。當(dāng)這種尺寸小到一定程度時(shí)小到一定程度時(shí)，無(wú)論，無(wú)論在宏觀上在宏觀上還是還是微微觀上觀上都將出現(xiàn)新的變化都將出現(xiàn)新的變化。(6)的結(jié)果，的結(jié)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現(xiàn)或呈現(xiàn)，這為，這為陶瓷的性能研究陶瓷的性能研究提供了新提供了新的內(nèi)容。的內(nèi)容。(7)具有具有或或的的，在應(yīng)用上必將在應(yīng)用上必將擴(kuò)展到新的領(lǐng)域擴(kuò)展到新的領(lǐng)域，這為，這為材料材料的應(yīng)用的應(yīng)用提出了新的課題。提出了新的課題。 現(xiàn)代現(xiàn)代已為已