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(lèi)陶瓷材料。一類(lèi)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(wèn)題，有可能在等問(wèn)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?，F(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?。换瘜W(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?！毖芯堪l(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(zhuān)家英國(guó)著名材料專(zhuān)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(lèi)種類(lèi)、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(kāi)始嘗試通過(guò)開(kāi)始嘗試通過(guò)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(kāi)拓更為廣泛的研究天地。料科學(xué)開(kāi)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(kāi)的發(fā)現(xiàn)開(kāi)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(wèn)題。如研出現(xiàn)的新問(wèn)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