纳米陶瓷概述
纳米陶瓷
发动机用的金属材料。
发动机用材料的重大改革则是用高性能陶瓷零件逐步代 替金属零件，直至发动机的主要零件，这就是人们说的陶瓷
发动机。
4.3、在军事领域的应用
纳米陶瓷由于断裂强度、断韧性大大提高，而且，纳米陶瓷的硬 度和弹性模板都比普通玻璃强，硬度比普通陶瓷高4~5倍。
使用的航天飞机却不会被燃烧殆尽，因为它的外壳上使用了一层隔
热瓷瓦。这同样是采用了纳米陶瓷技术的产物，纳米陶瓷有着坚固 且耐高温的特性，能够保护航天飞机免受
与空气摩擦而产生的剧烈高温的侵蚀。
4.2、在发动机方面的应用
什么是陶瓷发动机，在传统柴油机或燃汽轮机用的金属
零件中，铝合金的耐温极限为350℃，钢和铸铁的为450℃，
织品及纳米技术应用研讨会论文集[C],2003
[4] /yezhu/z37883.html
现代陶瓷工艺的进展已为制备纳米陶瓷准
备了充分条件，许多新的粉体制备技术已可能
获得几个至几十个纳米的粉末，它能降低烧结
温度，获得纳米晶粒陶瓷。 新的烧结技术可使陶瓷坯体在更低温度 和更短时间内达到致密化，从而阻止晶粒长 大。
3、纳米陶瓷的特性
纳米陶瓷的特性主要在于力学性能方面，包括纳米 陶瓷材料的硬度，断裂韧性和低温延展性等。 纳米陶 瓷高温下硬度、强度较普通陶瓷有较大的提高。有关研 究表明, 纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就能达到致密 化的优越性，即低温烧结就能获得较好的力学性能。同 时，其烧结不需要添加任何的添加剂，其硬度和断裂韧 度随烧结温度的增加而增加，故低温烧结能获得好的力 学性能。
用另外一句话说，纳米陶瓷具有耐冲击的性能。因此，纳米陶瓷
纳米陶瓷
纳米陶瓷1、概述：陶瓷材料作为材料的三大支柱之一 ,在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。
但是 ,由于传统陶瓷材料质地较脆 ,韧性、强度较差 ,因而使它的应用受到了较大的限制 ,随着纳米技术的广泛应用 ,纳米陶瓷随之产生 ,希望以此来克服陶瓷材料的脆性 ,使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性 .英国著名材料专家Ｃａｈｎ指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径 ,因此纳米陶瓷的研究就成了当今材料科学研究的热点领域。
纳米材料一般指尺寸为 1～ 100ｎｍ ,处于原子团族和宏观物体交接区域内的粒子。
而从原子团族制备材料的方法 ,称这为纳米技术 .纳米材料由于具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应而产生奇异的力学、电学、磁学、热学、光学和化学活性等特性 ,它既是一种新材料又是新材料的重要原料。
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 .由于界面占有可与颗粒相比拟的体积百分比 ,小尺寸效应以及界面的无序性使它具有不同于传统陶瓷的独特性能。
2、制备方法：为获得纳米陶瓷 ,必须首先制备出小尺寸的纳米级陶瓷粉末 ,随着世界各国对纳米材料研究的深入 ,它的制备方法也日新月异 ,出现了热化学气相反应法、激光气相法、等离子体气相合成法、化学沉淀法、高压水热法、溶胶 -凝胶法等新方法 ,以上各种方法都各有优缺点 ,为了便于控制反应的条件及粉末的产率、粒径与分布等 ,实际上也常采用两种或多种制备技术。
3、应用陶瓷的易碎性限制了其向一些方面的发展，纳米技术的出现大大的拓展了陶瓷的应用，产生的纳米陶瓷具有强度高、硬度高、韧性强的特点。
广泛的应用在刀具、航天器外壳、发动机等方面，纳米陶瓷技术已经相当成熟了，在很多领域发挥着不可缺少的作用。
什么是纳米陶瓷？
什么是纳米陶瓷？
近年来，国际材料学掀起了一个研究纳米材料的热潮。
所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相均为纳米（10－8米）尺度的陶瓷材料。
也就是晶粒尺寸、第二相分布、气孔尺寸等均是在纳米量级的水平上。
纳米陶瓷有许多特点，一般的陶瓷既硬又脆，而纳米陶瓷有时具有超塑性，可以变形。
纳米陶瓷的晶粒尺寸逐渐减少时，晶界密度会不断增加，位于晶界处的原子数量也激剧增加。
据计算，晶粒尺寸为5纳米的陶瓷体，其晶界密度达每立方厘米1019。
晶界上的原子数目占50％以上。
由于纳米陶瓷这种晶粒界面的特点，纳米粉末的活性特别高，可大大降低其烧结温度。
纳米陶瓷的晶界纯度高，基本上没有晶界杂质存在，因此它的力学性能比粗晶粒陶瓷的性能高得多。
在一定温度条件和缓慢的变形速度下，甚至有可能具有超塑性。
制造纳米陶瓷粉末的方法不少，主要有溶胶——凝胶法、蒸发凝固法、借助激光或等离子体的高温分解法及水热法等。
制造这种陶瓷的关键，不仅要得到高致密的烧结体，同时，还要控制晶粒子的大小，使之不过分长大，使陶瓷中的晶粒尺寸在100纳米以下。
经科学家研究发现，纳米陶瓷具有许多鲜为人知的奇异特性和作用。
例如，用某些纳米粉末作催化剂，可提高高分子高聚物在还原或合成反应中的反应效率，控制反应速度和温度。
某些纳米粉末可制成传感器用材料；另外一些纳米材料则可以制成性能优良的高温耐热陶瓷。
纳米陶瓷的出现将引起整个陶瓷研究领域的扩展。
无论从陶瓷理论、陶瓷工艺、陶瓷性能和应用方面，都将有许多新的发展。
纳米陶瓷
• 2.等离子化学气相沉 淀法：等离子体是物质存在
的第四种状态，由电离的导电气 体组成，经成核，生长，形成超 细粉末。其优点：反应温度高、 升降温速率快；有较高的电离度 可得多种活性成分有利反应进行； 等离子反应空间大使反应完全。
还有激光诱导气相沉积法
⑵. 液相法
• 1.化学共沉淀法：
在金属盐溶液中，加入 适当的反应沉淀剂使其 反应，然后将沉淀煅烧 形成纳米陶瓷粉。为了 避免过程中形成严重的 硬团聚，往往会在过程 中加入冷冻干燥、超临 界干燥、共沸蒸馏等技 术。此法操作简单，成 本低，但易引进杂质。
• 3.喷雾热解法： 将金属溶液以雾状喷入 高温气氛中，使其立即 蒸发和金属盐热分解， • 4.水热法： 随后因过饱和而析出固 是指在密封的压力容器中，以 相，从而得到纳米陶瓷 水作为溶剂制备材料的方法。水 粉体。一般情况下要加 热法为反应和结晶提供一个在常 入可燃剂，利用其燃烧 压条件下无法得到的特殊故物理、 热分解金属盐。喷雾法 需要高温及真空条件， 化学环境，粉体的形成经历了溶 对设备要求和操作高， 解-结晶的过程。此法优点：原 易制的粒径小，分散性 料胶便宜晶粒发育完整，分布均 好的粉体。 匀，制的粉末有较高的烧结性； 但易引入杂质。
• 2.溶胶-凝胶法：
用高纯的原料配制成金属或金 属醇盐的前躯体，再溶于溶剂 中成均匀溶液，将溶质与溶剂 产生水解或醇解反应，生成经 凝聚后成凝胶。凝胶在真空低 温干燥，得到的疏松的干凝胶 经高温煅烧即可得到纳米陶瓷 粉末。此法存在原料价格贵， 且影响多种因素影响有：pH值、 浓度、温度、反应时间、有无 催化剂等。但其得到粉末粒径 较小，粒宽分布窄。
课题：纳米陶瓷
目录
四 . 课 题 总 结
③② ① 方 法 评 价 化 学 方 法 物 理 方 法
纳米陶瓷
6、应用于制备功能性陶瓷纤维 (1) 防紫外线纤维。 (2) 远红外线保温纤维。 (3) 抗菌防臭纤维
4、烧结特性 纳米陶瓷材料的烧结温度比传统陶瓷材料 约低600℃,烧结过程也大大缩短。12nm的 TiO2粉体，不加任何烧结助剂，可以在低于 常规烧结温度 400-600℃下进行烧结，同时 陶瓷的致密化速率也迅速提高。通过对加 3%Y2O3的ZrO2纳米陶瓷粉体的致密化和晶 粒生长这 2个高温动力学过程研究表明，由 于晶粒尺寸小，分布窄，晶界与气孔的分离 区减小，烧结温度的降低使得烧结过程中不 易出现晶粒的异常生长。控制烧结的条件， 可获得晶粒分布均匀的纳米陶瓷块体。
纳米材料的制备： 纳米粉体的合成 素坯的成型 产品的烧结
粉体合成按合成条件分类： 1、气相法：气相法是直接利用气体，或 者通过各种手段将物质转变为气体，使之 在气体状态下发生物理变化或者化学反应， 最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米粒子 的方法。 优点：制得的纳米陶瓷粉体的纯度较 高，团聚较少，烧结性能较好 缺点：产量低，设备昂贵
2、液相法 ：液相法则是选择一种或多 种合适的可溶性金属盐类，按所制备的 材料组成计量配制成溶液，使各元素呈 郭或分子态，再选择一种合适的沉淀剂 或用蒸发、升华、水解等操作，使金属 离子均匀沉淀或结晶出来，最后将沉淀 或结晶脱水或者加热分解而得到纳米陶 瓷粉体 优点：设备较简单，粉体较纯，团聚少， 易工业化生产
2、韧性 传统的陶瓷由于其粒径较大，在外表 现出很强的脆性，但是纳米陶瓷由于其 晶粒尺寸小至纳米级，在受力时可产生 变形而表现出一定的韧性。如室温下的 纳米TiO2陶瓷表现出很高的韧性，压缩 至原长度的 1/4仍不破碎。1988年Lzaki 等人首先用纳米碳化硅补强氮化硅陶瓷 使氮化硅陶瓷力学性能显著改善。
纳米陶瓷材料
纳米陶瓷材料
纳米陶瓷材料是一种具有微观纳米结构的陶瓷材料，其特点是颗粒尺寸小于100纳米。
由于其微观结构的特殊性质，纳米陶瓷材料在材料科学领域引起了广泛关注，并在多个领域展现出了巨大的应用潜力。
首先，纳米陶瓷材料具有优异的力学性能。
由于其微观结构的特殊性质，纳米陶瓷材料表现出比传统陶瓷材料更高的硬度和强度，这使得它在制备高性能陶瓷制品时具有重要的应用前景。
例如，纳米陶瓷材料可以用于制备高硬度的刀具、轴承等机械零部件，以及耐磨、耐腐蚀的陶瓷涂层等。
其次，纳米陶瓷材料还具有优异的光学性能。
由于其微观结构的特殊性质，纳米陶瓷材料表现出比传统陶瓷材料更高的折射率和透光性，这使得它在光学领域具有广泛的应用前景。
例如，纳米陶瓷材料可以用于制备高透光、高折射率的光学元件，如透明陶瓷玻璃、光学透镜等，以及用于制备高性能的光学涂层等。
此外，纳米陶瓷材料还具有优异的热学性能。
由于其微观结构的特殊性质，纳米陶瓷材料表现出比传统陶瓷材料更高的热导率和热稳定性，这使得它在热学领域具有重要的应用前景。
例如，纳米陶瓷材料可以用于制备高热导率、高热稳定性的陶瓷散热器、热障涂层等。
总的来说，纳米陶瓷材料具有优异的力学、光学、热学性能，具有广泛的应用前景。
随着纳米技术的不断发展和成熟，纳米陶瓷材料必将在材料科学领域发挥越来越重要的作用，为人类社会的发展进步做出更大的贡献。
纳米陶瓷应用于场景的原理
纳米陶瓷应用于场景的原理1. 什么是纳米陶瓷？纳米陶瓷是一种具有纳米级晶粒大小的陶瓷材料。
纳米材料是指其颗粒直径在1-100纳米之间的材料。
相比传统陶瓷材料，纳米陶瓷具有更高的硬度、强度、耐磨性和抗腐蚀性能，且具备更好的导电性、导热性和光学性能。
2. 纳米陶瓷在场景中的应用原理纳米陶瓷在不同场景中的应用原理主要包括以下几个方面：2.1 硬度和强度纳米陶瓷具有非常高的硬度和强度，这使得它在一些场景中可以替代传统材料，达到更好的效果。
例如，在汽车行业中，纳米陶瓷可以应用于车身涂层中，增加汽车表面的硬度和耐磨性，提高车身的抗刮擦性能。
2.2 抗腐蚀性能纳米陶瓷具有优异的抗腐蚀性能，可以在恶劣环境中长时间保持材料的稳定性和性能。
在化学工业中，纳米陶瓷可以制备成膜剂或涂层，用于防止管道、容器等设备受到腐蚀。
2.3 导电性和导热性能由于纳米陶瓷具有良好的导电性和导热性能，在电子设备、导电材料等领域有广泛应用。
比如，纳米陶瓷可以用于制备电子元件中的介质层，提供更好的隔离性能和导电性能。
2.4 光学性能纳米陶瓷具有优异的光学性能，可以用于调控光的传输和反射。
在光学设备、光纤通信等领域，纳米陶瓷可以作为光学涂层或材料，用于增强光的传感和传输效果。
2.5 应用于其他领域纳米陶瓷还可以应用于其他领域，例如医疗器械、环境保护等。
在医疗器械中，纳米陶瓷可以用于制备人工关节、牙科材料等，具有较好的生物相容性和机械性能。
在环境保护中，纳米陶瓷可以用于制备过滤材料，用于水处理、空气净化等。
3. 纳米陶瓷的制备方法纳米陶瓷的制备方法有多种，常见的方法包括：3.1 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种常见的制备纳米陶瓷的方法。
该方法通过溶胶凝胶的过程制备纳米颗粒，并通过热处理使其形成陶瓷材料。
3.2 高温烧结法高温烧结法是一种将纳米颗粒通过高温烧结使其形成陶瓷材料的方法。
该方法在高温下使纳米颗粒结合成块体材料。
3.3 等离子体喷雾法等离子体喷雾法是一种通过喷雾进入等离子体中使溶胶快速凝胶形成纳米陶瓷的方法。
纳米陶瓷材料ppt课件
纳米陶瓷材料的应
04
用领域
航空航天领域
飞机发动机部件
纳米陶瓷材料具有优异的耐高温 性能，可用于制造飞机发动机的 部件，如涡轮叶片、燃烧室等。
轻量化结构材料
纳米陶瓷材料具有较低的密度和良 好的力学性能，可用于制造轻量化 的结构材料，如飞机框架、机身等 。
隐身材料
纳米陶瓷材料可以吸收电磁波，用 于制造隐身材料，如隐形飞机的外 壳、雷达吸收层等。
抗疲劳性
由于其纳米级的结构，使 得陶瓷材料在承受反复应 力时具有更高的抗疲劳性 。
热学性能
高热导率
纳米陶瓷材料具有很高的热导率 ，使其在高温环境下保持稳定的 热性能。
抗热冲击
由于其微小的热容量，使得纳米 陶瓷材料在经历快速温度变化时 不易破裂。
光学性能
透明性
某些纳米陶瓷材料具有优秀的透明性 ，可与玻璃相媲美。
汽车工业领域
发动机部件
纳米陶瓷材料可用于制造汽车发 动机的部件，如活塞、气缸套、
涡轮增压器等。
轻量化结构材料
纳米陶瓷材料可用于制造轻量化 的汽车结构材料，如刹车片、离
合器片等。
耐磨材料
纳米陶瓷材料具有较好的耐磨性 能，可用于制造汽车零部件，如
轴承、齿轮等。
能源领域
燃料电池
纳米陶瓷材料可以作为燃料电池的隔膜材料，提 高燃料电池的性能和寿命。
拓展应用领域及市场
总结词
纳米陶瓷材料具有广泛的应用前景，需要拓 展新的应用领域和市场。
详细描述
纳米陶瓷材料具有优异的物理、化学和机械 性能，使其在许多领域具有潜在的应用价值 。未来需要加强研究和开发，发掘新的应用 领域和市场，并推动纳米陶瓷材料的商业化 应用。
加强基础研究及理论探索
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• 第二阶段(1990—1994年)，人们关注的热点 是如何利用纳米材料奇特的物理、化学和 力学性能，设计纳米复合材科。
• 第三阶段(1994年到现在)，纳米组装体系、 人工组装合成的纳米结构的材料体系越来 越受到人们的关注。纳米陶瓷是纳米材料 的重要组成部分，纳米陶瓷的发展基本上 和与纳米材料同步进行的。
纳米陶瓷
概述
• 纳米陶瓷的定义 • 纳米陶瓷的发展
纳米陶瓷定义
• 纳米陶瓷是指陶瓷材料的显微结构中，晶 粒、晶界以及它们之间的结合都处于纳米 尺寸水平。包括晶粒尺寸、晶界宽度、第 二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都是纳米 级。 • 由于纳米陶瓷的晶粒细化，晶界数量大幅 度增加，可使材料的韧性和塑性大为提高， 并对材料的电学、热学、磁学、光学等性 能产生重要的影响。
量子效应
介于原子、分子与大块固体之间的纳米颗粒， 将大块材料中连续的能带分裂成分立的能 级，能级问的间距随颗粒尺寸减小而增大。 当热能、电场能或磁能比平均的能级间距 还小时。就会呈现一系列与宏观物体截然 不同的反常性，即量子效应。
幻数结构
粒径小于2nm的纳米粒子往往被称为原子簇。 当原子簇含有某些原子数目时，显得特 稳定，这个特别数目称为幻数。原子簇的 幻数与相应粒子的对称性、相互作用势有 关。
• 纳米陶瓷粉体是介于固体与分子之间的具有纳 米尺寸（0.1-lOOnm)的亚稳态中间物质。随着 粉体的超细化，其表面电子结构和晶体结构发 生变化，产生了块状材料所不具有的特殊的效 应： • 1具有极小的粒径、大的比表面积和高的化学 性能。可以降低材料的烧结致密化程度，节约 能源。 • 2.使材料的组成结构致密化、均匀化，改善陶 瓷材料的性能，提高其使用可靠性。
表面效应
纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面 原子数与总原子数之比随粒径的变小而急 剧增大后所引起的性质上的变化。由于纳 米粒子表面原子数增多，带来表面原子配 位数不足，使之具有很高的表面化学活性。
体积效应
由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很 少，因此，许多现象如与界面状态有关的 吸附、催化、扩散、烧结等物理、化学性 质将显著与大颗粒传统材料的特性不同， 就不能用通常有无限个原子的块状物质的 性质加以说明，这种特殊的现象通常称之 为体积效应。
• 3.可以从纳米材料的结构层次(0.1-100nm)上 控制材料的成分和结构，有利于充分发挥 陶瓷材料的潜在性能。而使定向设计纳米 材料的组织结构和性能成为可能。
• 纳米粉体又是制造纳米陶瓷的必须原料， 具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应、 介电限域效应等各种效应，所以纳米粉体 表现出强吸光能力、高活性、高催化性、 高选择性、高扩散性、高磁化率和矫顽力 等奇特理化性能。
尺寸效应
• 颗粒尺寸变小引起的宏观物理性质的变化 称为尺寸效应。随着纳米微粒尺寸的减小。 与体积成比例的能量亦相应降低。当体积 能与热能相当或更小时。会发生强磁状态 向超顺磁状态转变：当颗粒尺寸与光波的 波长、传导电子德布罗意波长、超导体的 相干长度或投射深度等物理特征尺度相当 或更小时，会产生光的等离子共振频率、 介电常数与超导性能的变化。
纳米陶瓷的发展
• 自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来， 80年代中期在实验室合成了纳米块体材料。 纳米材料已有近30多年的发展历史，其发 展历程，大致可以分为以下三个阶段：
• 第一阶段(1990年以前)，主要是指实验室的 工作研究，具体包括： • ①探索用各种手段制备各种各样的纳米粉 末； • ②合成块体(包括薄膜)纳米材料； • ③研究评估表征的方法；