[科普中國]-功能陶瓷

功能陶瓷，是指在應用時主要利用其非力學性能的材料，這類材料通常具有一種或多種功能，如電、磁、光、熱、化學、生物等; 有的還有耦合功能，如壓電、壓磁、熱電、電光、聲光、磁光等。隨著材料科學的迅速發(fā)展，功能陶瓷材料的各種新性能、新應用不斷被人們所認識，并積極加以開發(fā)。1

由于科學技術的高度發(fā)展，對陶瓷材料的性能、質(zhì)量以及要求越來越高，促使部分陶瓷發(fā)展成為新型的具有特殊功能類型的材料。這類陶瓷無論在性能和使用上，還是在制作工藝上都要求高度精細，故它與結構陶瓷一起，統(tǒng)稱為精細陶瓷（新型陶瓷）。

以往，通常將具有單一功能的陶瓷，如機械功能、熱功能和部分化學功能的陶瓷列為結構陶瓷；而將具有電、光、磁及部分化學功能的多晶無機固體材料列為功能陶瓷。2

簡介它們在電、磁、聲、光、熱等方面具備的許多優(yōu)異性能令其他材料難以企及，有的功能陶瓷材料還是一材多能呢。而這些性質(zhì)的實現(xiàn)往往取決于其內(nèi)部的電子狀態(tài)或原子核結構，又稱電子陶瓷。已在能源開發(fā)、電子技術、傳感技術、激光技術、光電子技術、紅外技術、生物技術、環(huán)境科學等方面有廣泛應用。

就陶瓷材料的功能而言，有機械的、熱的、化學的、電的、磁的、光的、輻射的和生物的各類功能。此外，還有半導體陶瓷、絕緣陶瓷、介電陶瓷、發(fā)光陶瓷、感光陶瓷、吸波陶瓷、激光用陶瓷、核燃料陶瓷、推進劑陶瓷、太陽能光轉換陶瓷、貯能陶瓷、陶瓷固體電池、阻尼陶瓷、生物技術陶瓷、催化陶瓷、特種功能薄膜等，在自動控制、儀器儀表、電子、通訊、能源、交通、冶金、化工、精密機械、航空航天、國防等部門均發(fā)揮著重要作用。在奇妙的材料世界里還有許多未知的現(xiàn)象有待于我們?nèi)ヌ骄?，相信隨著科學技術的進一步發(fā)展，人類也必然會發(fā)掘出功能材料的新功能，并將其派上新用場。

舉例生物功能陶瓷利用納米技術生產(chǎn)的納米抗菌材料有三類:一類Ag+系抗菌材料（當高價銀離子與細菌接觸時使細菌體內(nèi)的蛋白質(zhì)變性；’第二類是是光觸媒型納米抗菌材料（通過催化反應，將細菌的尸體分解得一干二凈，一般還有除臭，自潔，防霉，防銹，高效防老化，全能凈化空氣，自造“負離子雨林”氣候等功能）；第三類是C-18A納米蒙脫土等無機材料。將前兩類加人陶瓷中可制成對病菌、細菌有強的殺菌和抑菌作用的陶瓷產(chǎn)品。

主要有以下幾種活性材料；

（1）羥基磷灰石生物活性材料。人工聽小骨羥基磷灰石聽小骨臨床應用效果優(yōu)于其它各種聽小，具有優(yōu)良的聲學性質(zhì)，平均提高病人的聽力20-30db。在特定語言頻率范圍提高45-60db。微晶與人體及生物關系密切，在生物和醫(yī)學中已有成功應用，利用ha微晶能使細胞內(nèi)部結構發(fā)生變化，抑制癌細胞生長和增殖，可望成為治療癌癥的“新藥”。

（2）磷酸鈣生物活性材料。磷酸鈣又稱生物無機骨水泥，是一種廣泛用于骨修補和固定關節(jié)的新型材料。有望部分取代傳統(tǒng)的pm-ma有機骨水泥。國內(nèi)研究抗壓強度已達到60mpa以上；磷酸鈣陶瓷纖維：磷酸鈣陶瓷纖維具有一定機械強度和生物活性，可用于無機骨水泥的補強及制務有機與無機復合型植入材料。

（3）磁性材料。生物磁性陶瓷材料主要為治療癌癥用磁性材料，植入腫瘤灶內(nèi)，在外部交變磁場的作用下，產(chǎn)生磁滯熱效應，導致磁性材料區(qū)域內(nèi)局部溫度升高，借以殺死腫瘤細胞，抑制腫瘤的發(fā)展。

光功能陶瓷在光功能陶瓷方面:納米微粒由于小尺寸效應使它具有常規(guī)大塊材料不具備的光學特性。例如光學非線性、光吸收、光反射、光傳輸特性等都與納米微粒的尺寸有關。中科院福建物構所的洪茂椿院士利用納米技術研究開發(fā)出了性能優(yōu)良的光功能陶瓷材料，重點研究燒結型透明陶瓷、納米結構的氟氧化物玻璃陶瓷和硼酸鹽微晶玻璃三個相互關聯(lián)的材料體系。目前正在研制的納米吸波陶瓷材料不僅具有良好的吸波性能，而且還有功能豐富、頻帶寬、省材、輕便等特點。納米陶瓷吸波材料主要有Sic及復合物、Si/C/N, Si/C/N/O等，其主要成分為碳化硅、氮化硅和無定型碳，具有耐高溫、質(zhì)量輕、強度大、吸波性能好等優(yōu)點。尤其是Si/C/N吸波材料不僅具有以上優(yōu)點，而且還具有使用溫度范圍寬(從室溫到1000℃均可使用)、用量小、介電性能可調(diào)、可以有效減弱紅外輻射信號的優(yōu)良特性。例如:Si/C/N和Si/C/N/0納米吸波材料在厘米波段和毫米波段均有很好的吸收性能;納米Sic和磁性納米吸波材料復合后吸波性能可有大幅度提高;平均粒徑為5.2nm的Au/二氧化硅納米材料，隨著在SiO2熔孔中Au微粒尺寸的減小，出現(xiàn)了等離子共振吸收峰紅移。

電功能陶瓷在電功能陶瓷方面:利用納米技術制備的納米陶瓷在電學方面具有優(yōu)異的性能，可以利用其制作導電材料、絕緣材料、電極、超導體、量子器件、靜電屏蔽材料、壓敏和非線性電阻以及熱電和介電材料等。例如用納米(70nm)陶瓷的室溫介電常數(shù)達30000以上，可用于超小型、大容量陶瓷疊層電容器(MLC)等現(xiàn)代電子元器件的制造。通過對納米ZnO陶瓷的研究，發(fā)現(xiàn)其有很強的界面效應，有著很高的導電率、透明性和傳輸率等優(yōu)異性能，其有效介電常數(shù)比普通ZnO陶瓷高出5-10倍，而且具有非線性伏安特性，可用于壓電器件、超聲傳感器、太陽能電池等的制造。

涂層/薄膜在涂層/薄膜方面:熱噴涂納米涂層的納米顆粒由于比表面大，活性高而極易被加熱熔融，在熱噴涂過程中納米顆粒將均勻地熔融。由于熔融程度好，納米顆粒在碰到基材后變形劇烈，平鋪性明顯優(yōu)于微米級顆粒。熱噴涂納米結構涂層熔滴接觸面更多，涂層孔隙率低，表現(xiàn)在性能上就是納米結構涂層的結合強度大、硬度高、斷裂強度好和耐腐蝕好。M.Gel1, E.H.Jordan等人研究了納米陶瓷涂層與微米級陶瓷涂層摩擦學性能。研究表明，納米結構涂層致密，裂紋短而小，磨損表面光滑平整，摩擦磨損性優(yōu)于微米級顆粒涂層。納米涂層耐磨性高于微米級涂層，且經(jīng)處理的納米結構涂層的耐磨性最高，約為微米級涂層的2倍。據(jù)報道，在氧化鋁陶瓷作為摩擦副，載荷為80N的件下，納米WC-Co涂層的摩擦系數(shù)為0.32;同樣條件下，傳統(tǒng)WC-CO涂層的摩擦系數(shù)為0.39。真空等離子噴涂的納米WC-CO涂層還具有較高的抗磨損性能。在40N--60N的載荷下，其磨損率僅為同條件下傳統(tǒng)磨損率的1/6。納米結構氧化鋁、氧化欽復合陶瓷涂層具有優(yōu)良的抗磨損性能，顯示了良好的韌性和吸附應力的能力，其粘結強度是傳統(tǒng)涂層的2倍，抗磨損性是它的3-4倍，抗沖擊性能也得到很大提高。

存在問題納米材料與基體的相容性

對于納米添加材料，除了要考慮是否適于與工件材料的粘結等問題外，最為關鍵的問題是納米材料與基體材料之間界面的相互作用，即分散介質(zhì)與基體材料的相容性。納米添加材料與基體材料之間的相容性表現(xiàn)在兩個方面:化學相容性和物理相容性，即任意配比下的兩組分都能形成均相體系的能力和兩種組分之間相互分散而制得性能穩(wěn)定的共混物的能力。如在陶瓷刀具材料中，納米材料與工件材料之間的化學相容性問題是一個重要問題。因為對于陶瓷刀具材料，多用于高速切削或難加工材料的加工等領域，接觸區(qū)的壓力和溫度相當高，刀具材料與工件材料之間發(fā)生化學反應的可能性增大，而化學反應的發(fā)生將會使刀具材料的耐磨性能與抗破損性能有不同程度的降低。

添加納米材料的分散性

納米材料具有極微小粒度、高比表面、高表面活性。隨著納米粉體顆粒尺寸的減小，其比表面和表面能增大。在制備和應用的過程中，由于顆粒間普遍存在的范德華力和庫侖力，納米顆粒極易凝聚并團聚形成二次顆粒，即所謂的軟團聚，使粒子粒徑增大。如果不加以分散而直接混料，大團聚顆粒的存在會使制備的材料在最終使用時失去納米材料所具備的特性。因此，納米材料在添加之前能否均勻、穩(wěn)定地分散是其應用所要解決的首要問題。

納米技術在陶瓷中的工業(yè)化

目前納米技術在陶瓷中的工業(yè)化研究和應用，還處在起步險段，許多瓶頸問題有待于進一步的研究和解決。如:如何制備低成本納米陶瓷粉體問題;如何保持陶瓷材料中的納米特性問題;生產(chǎn)中怎樣控制的問題等等。

發(fā)展建議1)在性能方面，應該向高性能、低成本、高可靠性、多功能和智能化的方向發(fā)展；

2)在應用方面，應該向著智能化敏感陶瓷元件、計算機用光纖陶瓷材料、計算機硬盤和高穩(wěn)定性陶瓷電容器等方向發(fā)展；

3)在設備技術方面，應該向低溫燒結、納米材料的調(diào)控和復合、小型化方向發(fā)展。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

宋春霖 - 副教授 - 江南大學