肖永清

(湖北十堰新型化學(xué)材料公司，十堰 442001)

關(guān)注納米陶瓷建筑材料的研發(fā)應(yīng)用技術(shù)

肖永清

(湖北十堰新型化學(xué)材料公司，十堰 442001)

摘要:陶瓷材料作為材料的三大支柱之一，在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米陶瓷隨之產(chǎn)生，使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。針對(duì)神奇的納米技術(shù)孕育著技術(shù)變革，分析了納米陶瓷的性能特點(diǎn)，介紹了納米技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用，研究了納米陶瓷的制備，同時(shí)指出了高性能陶瓷與納米陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞:納米陶瓷;建筑材料;研發(fā)應(yīng)用;發(fā)展趨勢(shì)

工程陶瓷又叫結(jié)構(gòu)陶瓷,因其具有硬度高、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕以及質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用。陶瓷材料作為材料的三大支柱之一，在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。但由于傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，韌性、強(qiáng)度較差，可靠性低因而使其應(yīng)用受到了較大的限制。隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米陶瓷隨之產(chǎn)生，正好克服了陶瓷材料的上述缺陷，使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。為此，有材料專(zhuān)家指出,納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑，因此受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。

1神奇的納米技術(shù)孕育著技術(shù)變革

納米科技是20世紀(jì)90年代初誕生并迅速發(fā)展和滲透到各學(xué)科領(lǐng)域的一門(mén)嶄新的高科技。由于它在21世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命中具有戰(zhàn)略地位，因而受到世界的普遍關(guān)注。有人說(shuō)，70年代微電子學(xué)產(chǎn)生了世界性的信息革命，那么納米科技將是21世紀(jì)信息革命的核心。

目前被各界炒得沸沸揚(yáng)揚(yáng)的“納米”，其實(shí)只是一種幾何尺寸的計(jì)量單位，如同厘米、分米和米一樣，1nm相當(dāng)于四五十個(gè)原子排到一起來(lái)的長(zhǎng)度，還不到頭發(fā)絲粗細(xì)的十萬(wàn)分之一。納米結(jié)構(gòu)通常是指尺寸在100nm以下的微小結(jié)構(gòu)。一門(mén)以0.1~100nm長(zhǎng)度為研究對(duì)象、在這一水平上對(duì)物質(zhì)和材料進(jìn)行研究、處理的技術(shù)，這就是納米技術(shù)。

納米技術(shù)以空前的分辨率為人類(lèi)揭示了一個(gè)可見(jiàn)的原子、分子世界，它的最終目的是直接以原子成分子來(lái)構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。因此，納米技術(shù)其實(shí)就是一種用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的技術(shù)，也稱(chēng)之為“分子制造學(xué)”，可稱(chēng)得上是“在針尖上跳舞”的技術(shù)。世界各國(guó)的很多科學(xué)家都認(rèn)定：由化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、電子學(xué)等各種學(xué)科交叉形成的新學(xué)科──納米技術(shù)，正昭示著產(chǎn)業(yè)革命的曙光，其影響將比20世紀(jì)后半葉微電子學(xué)所起的作用還要大。正如微電子技術(shù)引發(fā)了信息革命一樣，納米科學(xué)技術(shù)將成為新世紀(jì)信息時(shí)代的核心。

納米技術(shù)源于這樣一種機(jī)理：當(dāng)材料被加工到納米一級(jí)的技術(shù)狀態(tài)時(shí)，其物理性能和化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生出于意料的變化，主要表現(xiàn)在強(qiáng)度、韌度、比熱、導(dǎo)電率、擴(kuò)散率、磁化率以及對(duì)電磁吸收性發(fā)生巨大變化等等，因此，利用納米技術(shù)選定原子構(gòu)成分子，制造出各種各樣具有“特異功能”的新材料，將這些功能特異的新材料添加到產(chǎn)品中，可以使產(chǎn)品表現(xiàn)出意想不到的新性能。目前納米技術(shù)已在新材料、通信、醫(yī)藥等領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。例如在陶瓷中摻入少量納米粉，可使其具有類(lèi)似于鐵的可彎曲性；使金屬產(chǎn)生室溫下的超塑性；將材料表面納米化，可大大提高材料的強(qiáng)度。納米顆粒還有防靜電、防紫外線、抗菌等多種功能。

21世紀(jì)的技術(shù)革新，很大程度上是靠弄清更加微觀的現(xiàn)象和據(jù)此發(fā)展操作技術(shù)來(lái)支撐的。但是，基于宏觀的角度，追求更加微觀的世界這種傳統(tǒng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)，在很多領(lǐng)域都將迎來(lái)極限。如果沒(méi)有與傳統(tǒng)技術(shù)根本不同的新發(fā)現(xiàn)，就無(wú)法登上新的臺(tái)階。利用納米技術(shù)開(kāi)發(fā)的納米陶瓷材料是指在陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)中，晶粒、晶界以及它們之間的結(jié)合都處在納米水平(1～100nm)，使得材料的強(qiáng)度、韌性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的許多不足，并對(duì)材料的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等性能產(chǎn)生重要影響，為替代工程陶瓷的應(yīng)用開(kāi)拓了新領(lǐng)域。隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米陶瓷隨之產(chǎn)生，希望以此來(lái)克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金屬似柔韌性和可加工性。納米耐高溫陶瓷粉涂層材料是一種通過(guò)化學(xué)反應(yīng)而形成耐高溫陶瓷涂層的材料。

納米技術(shù)就是發(fā)現(xiàn)量子效果的人工的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)技術(shù)。也就是說(shuō)，它在本質(zhì)上從一開(kāi)始就是以量子論支配世界為前提的。21世紀(jì)被稱(chēng)為“光的時(shí)代”、“高度信息化時(shí)代”和“生物工程時(shí)代”等，但是無(wú)論哪一個(gè)，它的技術(shù)的關(guān)鍵都是量子效果。因此納米技術(shù)有可能引起計(jì)算機(jī)革命、光革命甚至生物工程革命，其影響將不亞于電力代替蒸汽的革命。

更為重要的是納米技術(shù)本身所涉及的是科技發(fā)展到一定階段必須解決的一個(gè)問(wèn)題，是信息和生命科學(xué)技術(shù)能夠進(jìn)一步發(fā)展的共同基礎(chǔ)，所以，納米技術(shù)的意義已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了信息技術(shù)和生命科學(xué)。利用納米化材料特殊的磁、光、電等性質(zhì)，可以開(kāi)發(fā)出難以計(jì)數(shù)的新的元器件、在信息工程、生物工程等方面發(fā)揮重要作用，從而衍生出新的技術(shù)、新的高科技產(chǎn)業(yè)群。納米技術(shù)滲入生物學(xué)領(lǐng)域還將迅速改變農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)的面貌，人類(lèi)生活方式將在這兩項(xiàng)科技的結(jié)合中迅速出現(xiàn)革命性的變化，今后的科學(xué)發(fā)展方向和手段將依賴(lài)納米技術(shù)。

2納米陶瓷的性能特點(diǎn)突顯

90年代初,日本首次報(bào)道了以納米尺寸的碳化硅顆粒為第二相的納米復(fù)相陶瓷,具有很高的力學(xué)性能。納米顆粒Si3N4,SiC超細(xì)微粉-納米氧化鋯(VK-R50)分布在材料的內(nèi)部晶粒內(nèi),增強(qiáng)了晶界強(qiáng)度,提高了材料的力學(xué)性能,易碎的陶瓷可以變成富有韌性的特殊材料。

據(jù)介紹，納米材料可以接收外界環(huán)境的能量，比如光能和熱能，吸收這些能量之后，由低能轉(zhuǎn)向高能，再由高能轉(zhuǎn)向低能，在能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程中釋放出2～18mm的原紅外線。而2～18mm的原紅外線也正是人類(lèi)的生命波長(zhǎng)，易被人體吸收。納米保健杯就是利用其自身的這種特性，在陶瓷釉面加入納米材料。納米材料能使水的大分子團(tuán)斷裂變小，更接近人體細(xì)胞水，更容易被人體吸收，且能有效殺滅水中的有害細(xì)菌，降解有害物質(zhì)，沉淀重金屬等。長(zhǎng)期飲用，它可以促進(jìn)新陳代謝、改善微循環(huán)、穩(wěn)定血壓、預(yù)防動(dòng)脈硬化、防止結(jié)石，達(dá)到排毒養(yǎng)顏、延年益壽的功效。

所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級(jí)尺度的陶瓷材料，也就是說(shuō)晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級(jí)的水平上。陶瓷業(yè)是我國(guó)一個(gè)比較古老的行業(yè)，但我國(guó)新型陶瓷品種還不能滿足日益發(fā)展的市場(chǎng)需要，把納米材料應(yīng)用到陶瓷工藝中去，生產(chǎn)納米復(fù)合或納米改性的高技術(shù)陶瓷，將使這一現(xiàn)狀得到改變。

納米陶瓷的特性主要在于力學(xué)性能方面，包括納米陶瓷材料的硬度，斷裂韌度和低溫延展性等。納米級(jí)陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能，特別是在高溫下使硬度、強(qiáng)度得以較大的提高。有關(guān)研究表明，納米陶瓷具有在較低溫度下燒結(jié)就能達(dá)到致密化的優(yōu)越性，而且納米陶瓷出現(xiàn)將有助于解決陶瓷的強(qiáng)化和增韌問(wèn)題。在室溫壓縮時(shí)，納米顆粒已有很好的結(jié)合，高于500℃很快致密化，而晶粒大小只有稍許的增加，所得的硬度和斷裂韌度值更好，而燒結(jié)溫度卻要比工程陶瓷低400～600℃，且燒結(jié)不需要任何的添加劑。其硬度和斷裂韌度隨燒結(jié)溫度的增加(即孔隙度的降低)而增加，故低溫?zé)Y(jié)能獲得好的力學(xué)性能。通常，硬化處理使材料變脆，造成斷裂韌度的降低，而就納米晶而言，硬化和韌化由孔隙的消除來(lái)形成，這樣就增加了材料的整體強(qiáng)度。因此，如果陶瓷材料以納米晶的形式出現(xiàn)，可觀察到通常為脆性的陶瓷可變成延展性的，在室溫下就允許有大的彈性形變。

目前，人們著眼于不同層次微觀復(fù)合陶瓷研究，大量的韌化理論和近年來(lái)的實(shí)驗(yàn)資料表明，納米陶瓷復(fù)合材料(CNC)的強(qiáng)度可得到明顯的改善，特別是高溫性能．微米陶瓷復(fù)合材料是在陶瓷基體材料中引入微米級(jí)的顆粒、片晶、品須和纖維等第二相而形成的復(fù)合材料，其主要目的是改善陶瓷材料的斷裂韌性。納米陶瓷復(fù)合材料是新近發(fā)展起來(lái)的一種陶瓷復(fù)合材料，復(fù)合體系中至少有一相為納米尺寸。陶瓷納米材料的研究發(fā)現(xiàn)不僅可使基體材料的室溫力學(xué)性能(如常溫硬度度、強(qiáng)度和斷裂韌性等)得到提高，而且可顯著改善材料的高溫性能(如高溫硬度、強(qiáng)度、蠕變拉力、耐熱沖擊性能等)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)具有可切削加工性和超塑性。

納米復(fù)合陶瓷與普通陶瓷材料相比,在力學(xué)性能、表面光潔度、耐磨性以及高溫性能諸方面都有明顯改善。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)納米復(fù)相陶瓷的研究表明,在微米級(jí)基體中引入納米分散相進(jìn)行復(fù)合,可使材料的斷裂強(qiáng)度、斷裂韌性提高2～4倍,使最高使用溫度提高400～600℃,同時(shí)還可提高材料的硬度和彈性模量,提高抗蠕變性和抗疲勞破壞性能。由于納米陶瓷具有的獨(dú)特性能,如作外墻用的建筑陶瓷材料則具有自清潔和防霧功能。納米粉體具有體積效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、介電限域效應(yīng)等各種效應(yīng)，所以納米粉體表現(xiàn)出強(qiáng)吸光能力、高活性、高催化性、高選擇性、高擴(kuò)散性、高磁化率和矯頑力等奇特理化性能。納米粉體具有這么多特異性能，潛在應(yīng)用價(jià)值極大。隨著高技術(shù)的不斷出現(xiàn),人們對(duì)納米陶瓷寄予很大希望,世界各國(guó)正在不斷研究開(kāi)發(fā)納米陶瓷粉體并以此為原料合成高技術(shù)納米陶瓷。

雖然納米陶瓷還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決，但其優(yōu)良的室溫和高溫力學(xué)性能、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性，使其在切削刀具、軸承、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)部件等諸多方面都有廣泛的應(yīng)用，并在許多超高溫、強(qiáng)腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其他材料不可替代的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3納米技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用

納米早已悄然進(jìn)入了我們?nèi)粘Ｉ畹闹T多領(lǐng)域。例如市場(chǎng)上流行的“納米磁貼”、抗菌洗衣機(jī)、無(wú)菌餐具,以及市場(chǎng)上最新出現(xiàn)的防靜電、防紫外線、防電磁波輻射服裝等,都含有納米材料，利用“廣譜速效納米抗菌顆?！睘樵祥_(kāi)發(fā)出來(lái)的納米醫(yī)藥產(chǎn)品將大規(guī)模進(jìn)入百姓家庭。由于納米技術(shù)具有使用范圍廣、見(jiàn)效顯著的特點(diǎn)，通過(guò)納米技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行升級(jí)換代,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整具有普遍意義?？梢灶A(yù)見(jiàn),納米將快步走進(jìn)人們的生活。

二十世紀(jì)90年代初,日本Nihara首次報(bào)道了以納米尺寸SiC顆粒為第二相的納米復(fù)相陶瓷具有很高的力學(xué)性能,并具有很多獨(dú)特的性能。含有20%納米鈷粉的金屬陶瓷是火箭噴氣口的耐高溫材料。氧化物納米材料在這方面都優(yōu)于同質(zhì)傳統(tǒng)陶瓷材料,在陶瓷基中添加其他納米微粒的效果也正在研究，納米技術(shù)在陶瓷上的應(yīng)用潛力不可估量。納米粉體由于尺寸小，具有高比表面積和表面能，活性點(diǎn)多，因而其催化活性和選擇性大大高于傳統(tǒng)的催化劑；納米粉體的熔點(diǎn)較低，能在比微米粉體燒結(jié)溫度低500～600℃的溫度下繞結(jié)致密；利用納米粉體薄而均勻的界面膜，可作火箭燃料助劑(在臨界溫度所有的粒子瞬間發(fā)生反應(yīng))；利用納米粉體可均勻分布在氣體、液體或固體物質(zhì)中，可以用作氣溶膠(煙霧劑)；利用納米粉體的鏈狀超細(xì)粒子，可以用作磁記錄材料、分子過(guò)濾器、電磁波吸收體和過(guò)濾器；利用納米粉體粒子內(nèi)電子能級(jí)離散，可以用作超低溫與遠(yuǎn)紅外材料，納米粉體在冶金、化工、電子、磁性材料、精細(xì)陶瓷、傳感器以及日用化妝品和生物醫(yī)學(xué)等方面得到了開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，顯示出誘人的前景。日本的奧隆司等推出一種抗菌坐便器和洗手盆，制法是將50%的磷酸銀、49.5%的粘土和0.5%的氟化鈣充分均化,加去離子水,配成50%固體的漿料,在球磨機(jī)中研磨,制成漿料后向未燒成的衛(wèi)生陶瓷釉層上噴涂10μm厚涂層并與衛(wèi)生陶瓷制品上的釉形成混合層,在1200℃下燒成,制得抗菌衛(wèi)生陶瓷制品，經(jīng)檢測(cè),105個(gè)/mL的大腸桿菌與釉面接觸24h后全部被殺滅。日本最大的兩家建筑衛(wèi)生陶瓷公司INAX和TOTO公司的制品已制成抗菌產(chǎn)品，并投放市場(chǎng)。除建筑衛(wèi)生陶瓷本身外與之配套的塑料、搪瓷、金屬、涂料也都向抗菌化發(fā)展。德國(guó)、韓國(guó)相繼在建筑衛(wèi)生陶瓷、日用陶瓷、涂料等方面使用抗菌材料。

納米技術(shù)涉及到多種學(xué)科和領(lǐng)域，是一門(mén)由化學(xué)、化工、物理、冶金、材料相互交叉而有機(jī)聯(lián)系起來(lái)的新學(xué)科。納米陶瓷被譽(yù)為“萬(wàn)能材料”或“面向21世紀(jì)的新材料”，而作為納米陶瓷原料的納米粉體是制備性能優(yōu)異的特種陶瓷的關(guān)鍵之一，而開(kāi)展納米粉體顆粒物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)的研究，無(wú)論從基礎(chǔ)理論研究還是從實(shí)際應(yīng)用前景的角度考慮都有十分重要的意義。納米材料的抗菌系列主要有TiO2系列,Ag系列,Cu系列,ZnO系列等,主要是摻入陶瓷釉面中或摻入陶瓷面層中,生產(chǎn)抗菌陶瓷釉面磚和衛(wèi)生陶瓷等產(chǎn)品,主要用于墻地面裝飾、廚房、浴室及衛(wèi)生間。在生產(chǎn)抗菌陶瓷的過(guò)程中,如果再加入遠(yuǎn)紅外陶瓷粉,就可以制成具有復(fù)合功能的抗菌保健陶瓷,這種產(chǎn)品不斷向外輻射紅外線,可促進(jìn)人體微循環(huán),增加血流量,并提高人體抗寒、抗病及抗衰老能力。利用納米技術(shù)生產(chǎn)的多孔陶瓷材料,可對(duì)工業(yè)廢氣進(jìn)行過(guò)濾分離。多孔陶瓷具有很好的耐熱、耐化學(xué)腐蝕等性能,具有壽命長(zhǎng)、免維修的特點(diǎn)。利用納米材料的光催化效應(yīng),可對(duì)汽車(chē)尾氣催化分解。載有TiO2光催化劑和Cu離子催化劑的新型陶瓷在常溫下可直接將NOx分解成為N2和O2,還可制成直接吸收并固定SO2的陶瓷材料。將這些材料做成飾面瓷磚,可凈化大氣,提高環(huán)境質(zhì)量。利用納米粒子特殊的光電磁特性制成太陽(yáng)能陶瓷、遠(yuǎn)紅外陶瓷等,用于建筑物飾面,可開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能,調(diào)節(jié)環(huán)境溫度,促進(jìn)人們身體健康。納米科技的發(fā)展將會(huì)引起材料科學(xué)的一次革命，它的發(fā)展將會(huì)對(duì)人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。納米陶瓷的超塑性在電子、磁性、光學(xué)以及生物陶瓷方面有潛在應(yīng)用。納米陶瓷可能具有的低溫超塑性、延展性和極高的斷裂韌性，將使其成為兼具陶瓷和金屬的優(yōu)良特性(如高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、易加工等)的新結(jié)構(gòu)和功能材料，在航空、航天、機(jī)械、電子信息等眾多領(lǐng)域具有無(wú)限廣闊的應(yīng)用前景。

由于納米陶瓷具有的獨(dú)特性能，如做外墻用的建筑陶瓷材料則具有自清潔和防霧功能。隨著高技術(shù)的不斷出現(xiàn)，人們對(duì)納米陶瓷寄予很大希望，世界各國(guó)的科研工作者正在不斷研究開(kāi)發(fā)納米陶瓷粉體并以此為原料合成高技術(shù)納米陶瓷。近十年來(lái),我國(guó)陶瓷墻地磚就產(chǎn)量而言，已成為世界大國(guó)。但具有一定功能特性的品種、高檔墻地磚的彩色釉料須進(jìn)口；衛(wèi)生陶瓷、裝飾陶瓷無(wú)論是結(jié)構(gòu)、功能，還是造型、色調(diào)、釉面質(zhì)量等方面的差距更大，高檔衛(wèi)生陶瓷仍大量采用進(jìn)口產(chǎn)品。納米復(fù)合功能建筑衛(wèi)生陶瓷的開(kāi)發(fā)，將使功能性建筑衛(wèi)生陶瓷得到發(fā)展，例如熒光墻地磚、氧敏變色和具有保潔、抗菌功能特性的墻地磚。另外，高韌性是納米陶瓷另一個(gè)具有很高應(yīng)用的性能，陶瓷韌性的提高使得陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域極度的擴(kuò)大。如納米氧化鋅在陶瓷生在中的應(yīng)用將極大地提高我國(guó)陶瓷產(chǎn)品的性能和附加值，從而提高個(gè)陶瓷品牌和企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，因而本項(xiàng)目的開(kāi)展實(shí)施具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

開(kāi)發(fā)高新技術(shù)陶瓷新產(chǎn)品，產(chǎn)生高附加值，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，形成具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)業(yè)。采用納米材料，用于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)高性能的新一代建筑陶瓷產(chǎn)品，是利用尖端科學(xué)與高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要領(lǐng)域。納米的陶瓷研發(fā)，有利于提高我國(guó)建筑陶瓷的理論研究和生產(chǎn)水平。解決長(zhǎng)期困擾我國(guó)陶瓷行業(yè)能耗高的瓶頸問(wèn)題。新技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)可提高生產(chǎn)效率，同時(shí)減輕廢物排放對(duì)環(huán)境的破壞。這對(duì)提升我國(guó)陶瓷產(chǎn)品的國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)我國(guó)陶瓷行業(yè)持續(xù)、穩(wěn)定、健康發(fā)展具有重要意義。

4納米陶瓷的制備

納米技術(shù)的飛速發(fā)展極大的推動(dòng)了材料科學(xué)的研究和發(fā)展，而納米材料研究的一個(gè)重要階段是納米粉體的制備。納米粉體泛指粒徑在1～100μm范圍內(nèi)的粉末。由于納米粉體的晶粒小，表面曲率大或表面積大，所以它的磁性、催化性、光吸收、熱阻和熔點(diǎn)等方面與常規(guī)材料相比顯示出奇特的性能，因此得到人們的極大重視。

為獲得納米陶瓷,必須首先制備出小尺寸的納米級(jí)陶瓷粉末,隨著世界各國(guó)對(duì)納米材料研究的深入,它的制備方法也日新月異,出現(xiàn)了熱化學(xué)氣相反應(yīng)法、激光氣相法、等離子體氣相合成法、化學(xué)沉淀法、高壓水熱法、溶膠-凝膠法等新方法,以上各種方法都各有優(yōu)缺點(diǎn),為便于控制反應(yīng)的條件及粉末的產(chǎn)率、粒徑與分布等,實(shí)際上也常采用兩種或多種制備技術(shù)。要制備納米陶瓷，這就需要解決粉體尺寸形貌和粒徑分布的控制，團(tuán)聚體的控制和分散。塊體形態(tài)、缺陷、粗糙度以及成分的控制。許多專(zhuān)家認(rèn)為，如果多晶陶瓷是由大小為幾個(gè)納米的晶粒組成，則能夠在低溫下變?yōu)檠有缘?，能夠發(fā)生100%的范性形變。并且發(fā)現(xiàn)，納米TiO2陶瓷材料在室溫下具有優(yōu)良的韌性，在180℃經(jīng)受彎曲而不產(chǎn)生裂紋。如能解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過(guò)程中抑制晶粒長(zhǎng)大的技術(shù)問(wèn)題，從而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的納米陶瓷，則它將具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統(tǒng)陶瓷無(wú)與倫比的優(yōu)點(diǎn)。納米陶瓷的制備工藝主要包括納米粉體的制備、成型和燒結(jié)。目前世界上對(duì)納米陶瓷粉體的制備方法多種多樣，但應(yīng)用較廣且方法較成熟的主要有氣相合成和凝聚相合成2種，再加上一些其它方法。

氣相合成主要有氣相高溫裂解法、噴霧轉(zhuǎn)化法和化學(xué)氣相合成法，這些方法較具實(shí)用性?；瘜W(xué)氣相合成法可以認(rèn)為是惰性氣體凝聚法的一種變型，它既可制備納米非氧化物粉體，也可制備納米氧化物粉體。這種合成法增強(qiáng)了低溫下的可燒結(jié)性，并且有相對(duì)高的純凈性和高的表面及晶粒邊界純度。原料的坩堝中經(jīng)加熱直接蒸發(fā)成氣態(tài)，以產(chǎn)生懸浮微粒和或煙霧狀原子團(tuán)。原子團(tuán)的平均粒徑可通過(guò)改變蒸發(fā)速率以及蒸發(fā)室內(nèi)的惰性氣體的壓強(qiáng)來(lái)控制，粒徑可小至3～4nm，是制備納米陶瓷最有希望的途徑之一。

凝聚相合成(溶膠一凝膠法)是指在水溶液中加入有機(jī)配體與金屬離子形成配合物，通過(guò)控制PH值、反應(yīng)溫度等條件讓其水解、聚合，經(jīng)溶膠→凝膠而形成一種空間骨架結(jié)構(gòu)，再脫水焙燒得到目的產(chǎn)物的一種方法。此法在制備復(fù)合氧化物納米陶瓷材料時(shí)具有很大的優(yōu)越性。凝聚相合成已被用于生產(chǎn)小于10nm的SiO2,Al2O3和TiO2納米團(tuán)。

從納米粉制成塊狀納米陶瓷材料,就是通過(guò)某種工藝過(guò)程,除去孔隙,以形成致密的塊材,而在致密化的過(guò)程中,又保持了納米晶的特性。方法有：沉降法：如在固體襯底上沉降；原位凝固法：在反應(yīng)室內(nèi)設(shè)置一個(gè)充液氮的冷卻管，納米團(tuán)冷凝于外管壁，然后用刮板刮下，直接經(jīng)漏斗送人壓縮器，壓縮成一定形狀的塊材；燒結(jié)或熱壓法：燒結(jié)溫度提高，增加了物質(zhì)擴(kuò)散率，也就增加了孔隙消除的速率，但在燒結(jié)溫度下，納米顆粒以較快的速率粗化，制成塊狀納米陶瓷材料。

納米耐高溫陶瓷粉涂層材料是一種通過(guò)化學(xué)反應(yīng)而形成耐高溫陶瓷涂層的材料，以水為介質(zhì)的高效保溫納米陶瓷粉末涂料和重防腐納米陶瓷涂料，已通過(guò)國(guó)家建筑材料測(cè)試中心的測(cè)試并推廣應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)首次有效解決了熱力輸送管道及各種高溫爐的防腐保溫、高爐操作人員防熱以及海上設(shè)備和強(qiáng)酸、強(qiáng)堿生產(chǎn)設(shè)備的防腐難題。納米陶瓷粉末涂料在高溫環(huán)境下具有優(yōu)異的隔熱保溫效果，不脫落、不燃燒，耐水、防潮，無(wú)毒、對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。測(cè)驗(yàn)證明，將幾厘米厚的納米陶瓷粉末涂料涂在熱力管道外，就能有效防止熱力向外擴(kuò)散；涂料涂在煉鋼廠等高溫爐內(nèi)，能使?fàn)t外表溫度控制在50℃以?xún)?nèi)，適用于冶金、化工工業(yè)電廠的熱力鍋爐及焦化煤氣等熱力設(shè)備和熱力管網(wǎng)等高溫設(shè)備的防腐、爐外降溫。而用于腐蝕條件惡劣環(huán)境中的重防腐納米陶瓷涂料，則能有效防護(hù)航標(biāo)燈座、船舶、石油化工設(shè)施和各類(lèi)貯罐、橋梁、橋墩、鐵路涵洞、鉆井設(shè)備、海上油田等設(shè)施以及強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等生產(chǎn)設(shè)備的外表面，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)防止強(qiáng)酸堿、鹽霧、凍融、霉菌等的浸漬。

納米材料由于具有許多獨(dú)特的優(yōu)異性能而成為現(xiàn)代材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)。目前在納米粉末的制備技術(shù)方面取得了很大進(jìn)展,各種納米粉末已開(kāi)始工業(yè)化生產(chǎn)并獲得日益廣泛的應(yīng)用。然而,用納米粉末制備納米陶瓷,由于納米粉末的活性很高,高溫?zé)Y(jié)時(shí)晶粒生長(zhǎng)很快,絕大多數(shù)情況下獲得的不是納米陶瓷,而是亞微米甚至微米陶瓷。只有采用熱壓、熱等靜壓燒結(jié)或者小試樣的快速等溫?zé)Y(jié)，才可能獲得致密燒結(jié)的塊體納米陶瓷。在這種工藝條件下，一是對(duì)燒成設(shè)備的技術(shù)要求很高,二是很難制備復(fù)雜形狀和尺寸的納米陶瓷制品。開(kāi)發(fā)高性能低成本的納米陶瓷制備新技術(shù)，是使納米陶瓷制品實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

5高性能陶瓷與納米陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)

21世紀(jì)是技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的世紀(jì)，納米材料更是成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的熱點(diǎn)。世界發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)納米材料的研究投入了大量的人力、物力和財(cái)力并制定了長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃，迄今，他們已取得了一些令人驚奇的成果，并逐漸形成高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

有資料顯示，從一些主要工業(yè)國(guó)家的高性能陶瓷(包括納米陶瓷)、工程陶瓷的市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)可以看出,高性能陶瓷每5年的銷(xiāo)售額翻一番,市場(chǎng)平均每年的增長(zhǎng)率在14%～15%左右,發(fā)展是極其迅速的。從工程陶瓷在高性能陶瓷中所占的比例來(lái)看,也是不斷增長(zhǎng)的,這說(shuō)明在高性能陶瓷中,工程陶瓷的發(fā)展更快更有前景。而具有高性能的納米陶瓷如在高溫下具有高強(qiáng)度、高硬度以及優(yōu)良抗氧化性、耐磨性、耐腐蝕性的產(chǎn)品市場(chǎng)前景更是看好。納米陶瓷具有優(yōu)異的性能，是現(xiàn)代高新技術(shù)、新興產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)工業(yè)改造的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是發(fā)展現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)不可缺少的材料，具有廣闊的應(yīng)用前景和潛在的巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，受到各大發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視。時(shí)下，我國(guó)一些具有戰(zhàn)略眼光的企業(yè)已率先進(jìn)入了這個(gè)21世紀(jì)最重要的技術(shù)領(lǐng)域，投資納米技術(shù)的上市公司不斷增加，在證券市場(chǎng)上形成了引人注目的納米板塊。通過(guò)嫁接納米技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)取得明顯效果，贏得了寶貴的發(fā)展機(jī)遇，使納米技術(shù)在經(jīng)濟(jì)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。在世界經(jīng)濟(jì)一體化的背景下，各個(gè)國(guó)家在世界制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈中的位置決定了該國(guó)的經(jīng)濟(jì)地位，一場(chǎng)悄無(wú)聲息的“戰(zhàn)爭(zhēng)”已在納米領(lǐng)域拉開(kāi)了序幕。世界許多國(guó)家和企業(yè)都紛紛制定了相應(yīng)的戰(zhàn)略或計(jì)劃，投入巨資搶占納米技術(shù)的戰(zhàn)略高地，世界各國(guó)已經(jīng)走入搏奕納米時(shí)代。

美國(guó)政府已把國(guó)家納米技術(shù)戰(zhàn)略作為最優(yōu)先考慮的戰(zhàn)略。美國(guó)的舉動(dòng)使日本大為震驚，日本科技廳決定設(shè)立“納米材料研究中心”，通產(chǎn)省也決定實(shí)施為期7年的“納米材料工程”計(jì)劃，每年投入50億日元。德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)也分別擬訂了本國(guó)的“國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃”，將納米技術(shù)列為21世紀(jì)科研創(chuàng)新的戰(zhàn)略領(lǐng)域。印度則公開(kāi)宣稱(chēng)：要像重視抓軟件一樣重視納米技術(shù)的研究。西方發(fā)達(dá)國(guó)家特種復(fù)合陶瓷材料的增長(zhǎng)速度每年平均不低于15%。由于納米陶瓷具有不同于傳統(tǒng)陶瓷的獨(dú)特性能,納米陶瓷材料制成的燒結(jié)體可作為儲(chǔ)氫材料、熱交換器、微孔過(guò)濾器以及檢測(cè)溫度氣體的多功能傳感器。它的發(fā)展使陶瓷材料跨入了一個(gè)新的歷史時(shí)期。我國(guó)對(duì)納米事業(yè)也非常重視。納米技術(shù)列入我國(guó)863計(jì)劃，并且取得了突破性的成果，從在國(guó)際上首次把氮化鎵制備成一維納米晶體，到合成了世界上最長(zhǎng)的“超級(jí)纖維”碳納米管；從組裝出世界上最細(xì)且性能最好的掃描隧道顯微鏡用探針到制備世界上最小的直徑只有0.5nm的碳納米管；從合成高質(zhì)量的儲(chǔ)氫碳納米材料到得到點(diǎn)直徑為1.3nm的超高密度信息存儲(chǔ)材料。我們?cè)谶@一最活躍的前沿科學(xué)領(lǐng)域里取得一系列令世界矚目的成績(jī)，奠定了我國(guó)在這一領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位。迄今為止，我國(guó)己建立了10多條納米材料生產(chǎn)線，納米復(fù)合塑料、橡膠和纖維的改性、納米功能涂層材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，納米材料在能源和環(huán)保等方面的應(yīng)用開(kāi)發(fā)正在我國(guó)蓬勃興起。以微電子器件為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化電器進(jìn)入社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，我國(guó)當(dāng)時(shí)沒(méi)有跟進(jìn)，自從微電子核心技術(shù)受制于人，至今仍為制約我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要瓶頸，而在納米電器件上，我國(guó)完全有實(shí)力爭(zhēng)奪納米材料的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，如何保持乃至發(fā)揚(yáng)現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)，保證我國(guó)在納米技術(shù)上不再落伍，將是今后很長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期我們必須面對(duì)的重點(diǎn)課題。

納米與抗菌技術(shù)相互結(jié)合應(yīng)用在陶瓷生產(chǎn)中，將極大地改善傳統(tǒng)陶瓷的性能。目前常見(jiàn)內(nèi)墻磚、地磚、衛(wèi)生潔具，用于室內(nèi)機(jī)會(huì)較多，這類(lèi)產(chǎn)品應(yīng)采用無(wú)機(jī)抗菌劑型，特別是向納米材料抗菌劑類(lèi)型產(chǎn)品方向發(fā)展。而外墻磚等外墻制品因有充足的陽(yáng)光，可以采用光催化劑型抗菌劑，最好能發(fā)展“親水自潔型”產(chǎn)品。因?yàn)楦邔油鈮晌湛諝馑?保持自潔，同時(shí)并有抗菌效果。但目前抗菌陶瓷技術(shù)還存在以下技術(shù)難題，使其在建材工業(yè)上廣泛應(yīng)用受到制約。一是釉中摻雜型抗菌陶瓷如何使有效抗菌物質(zhì)充分溶出，發(fā)揮抗菌作用；二是光催化型抗菌陶瓷如何提高光催化效率，解決薄膜老化問(wèn)題；三是如何能快速直觀檢測(cè)出抗菌陶瓷與普通陶瓷的差別，這是被消費(fèi)者認(rèn)可的關(guān)鍵。同時(shí)，抗菌陶瓷還必須解決好抗菌材料加入所引起的陶瓷表面顏色的失真、光澤度變差、涂覆層和陶瓷表面的結(jié)合力不夠、使用耐久性差、成本較高等問(wèn)題。上述問(wèn)題的根本解決有賴(lài)于深入的基礎(chǔ)研究，尤其是應(yīng)用基礎(chǔ)研究。圍繞這些問(wèn)題展開(kāi)進(jìn)一步研究，不僅可望在抗菌陶瓷技術(shù)上得到較大突破，而且可使抗菌陶瓷真正大規(guī)模走向市場(chǎng)。無(wú)機(jī)抗菌劑和納米抗菌劑都能適應(yīng)建筑衛(wèi)生陶瓷的高溫?zé)?。但燒成溫度越高，得到的陶瓷抗菌率越低。因此要做抗菌率高的?nèi)墻磚比較容易，地磚次之，衛(wèi)生陶瓷最難。另外,添加1%～2%的載銀抗菌劑對(duì)某些釉料將會(huì)降低釉的始熔溫度，有些釉會(huì)與某種抗菌劑在高溫下反應(yīng)，破壞抗菌劑的結(jié)構(gòu)，造成抗菌劑中某物質(zhì)析出等問(wèn)題，這些問(wèn)題在選擇抗菌劑及釉的種類(lèi)時(shí)值得注意。為了提高抗菌劑的耐溫性，確保同一抗菌劑能適用于高溫?zé)?，某研究單位正在著手研究一種類(lèi)似于包裹色料一樣的“包裹”結(jié)構(gòu)抗菌劑,以利于抗菌劑在更高溫度下燒成。抗菌陶瓷制品在國(guó)外不少發(fā)達(dá)國(guó)家已投放市場(chǎng)，我國(guó)雖有成果報(bào)道及少量產(chǎn)品上市，但與我國(guó)陶瓷產(chǎn)量相比，仍屬初級(jí)開(kāi)發(fā)階段。盡管如此，我們依然確信，傳統(tǒng)的陶瓷和環(huán)境功能一體化，將是21世紀(jì)陶瓷領(lǐng)域主要研究方向之一。如果說(shuō)減少污染、降低能耗、改進(jìn)工藝、提高質(zhì)量是陶瓷行業(yè)技術(shù)改造目標(biāo)，那么開(kāi)發(fā)生態(tài)和環(huán)保陶瓷、改善人類(lèi)生存環(huán)境、提高生活質(zhì)量就是陶瓷行業(yè)的發(fā)展方向。

6結(jié)束語(yǔ)

納米陶瓷作為一種新型高性能陶瓷,是近年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)全新的科學(xué)技術(shù),它將成為新世紀(jì)最重要的高新技術(shù),將越來(lái)越受到世界各國(guó)科學(xué)家的關(guān)注。近年來(lái)，隨著人民生活水平的不斷提高和保健意識(shí)的增強(qiáng)，除要求現(xiàn)代陶瓷制品具備傳統(tǒng)陶瓷的各種功能外，還必須具備抗菌除臭、有利于身體健康等功能?，F(xiàn)在住宅的密封性好，通氣不良，且房間的溫度相對(duì)較高，這樣的環(huán)境為霉菌和細(xì)菌的繁殖生長(zhǎng)提供了條件；特別是現(xiàn)代住宅密集，樓層高，人們?cè)谑覂?nèi)活動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，這些都為環(huán)境污染提供了更多的機(jī)會(huì)，也呼喚著抗菌材料應(yīng)用。從納米陶瓷所表現(xiàn)出的延展性與超塑性等系列新的、高的性能來(lái)看,它充分呈現(xiàn)了潛在廣泛應(yīng)用前景,但大多數(shù)制備技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段,僅少數(shù)進(jìn)入應(yīng)用階段,而且存在產(chǎn)量低,成本高,難以工業(yè)化生產(chǎn)等問(wèn)題,而納米粉末的收集和貯存也有一定困難,目前對(duì)納米粉料在化學(xué)制備過(guò)程中的團(tuán)聚形成機(jī)理及分析粉料的燒結(jié)動(dòng)力學(xué)和相應(yīng)的物理化學(xué)機(jī)理以及簡(jiǎn)便易行、較低成本的生產(chǎn)工藝都是納米陶瓷所需研究的內(nèi)容。納米陶瓷的研究與發(fā)展必將引起陶瓷工業(yè)的發(fā)展與變革,以及引起陶瓷學(xué)理論上的發(fā)展乃至建立新理論體系,以適應(yīng)納米尺度的研究需要,使納米陶瓷材料具有更佳的性能以致使新的性能、功能的出現(xiàn)成為可能。我們期待著納米陶瓷在工程領(lǐng)域乃至日常生活中得到更廣泛的應(yīng)用。

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陶瓷產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)嘗試走綠色節(jié)能路線

陶瓷生產(chǎn)加工必須走資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的新型工業(yè)化道路。在國(guó)家政策的規(guī)定下，只有升級(jí)轉(zhuǎn)型才是唯一的出路，對(duì)此，陶瓷業(yè)內(nèi)人士一致認(rèn)為，陶瓷產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型可以嘗試走綠色節(jié)能路線。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)陶瓷行業(yè)已成為門(mén)類(lèi)齊全、規(guī)模龐大、體系完整、產(chǎn)品配套能力強(qiáng)、具有明顯國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重要原材料和制品工業(yè)，在國(guó)際市場(chǎng)占重要地位。而隨著節(jié)能建筑廣泛推廣，社會(huì)對(duì)陶瓷業(yè)提出了新的要求，市場(chǎng)對(duì)陶瓷產(chǎn)品節(jié)能、降耗、環(huán)保指標(biāo)的要求也越來(lái)越高。新型綠色節(jié)能陶瓷若能順應(yīng)節(jié)能、環(huán)保形勢(shì)的發(fā)展，將成為炙手可熱的產(chǎn)品。據(jù)了解，新型節(jié)能陶瓷產(chǎn)品目前在市場(chǎng)中正在逐漸增多，比如，綠色環(huán)保涂料、節(jié)能節(jié)水衛(wèi)浴產(chǎn)品、環(huán)保石材、環(huán)保外墻磚等。節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品在陶瓷行業(yè)廣闊的市場(chǎng)中前景令人看好。產(chǎn)品的銷(xiāo)量也在不斷上升，逐漸受到消費(fèi)者的青睞。雖然，新型綠色節(jié)能陶瓷在市場(chǎng)上已經(jīng)贏得消費(fèi)者的認(rèn)可，但是對(duì)于陶瓷產(chǎn)區(qū)而言卻又具有很大的阻力，首先，生產(chǎn)成本及市場(chǎng)的限制。一直以來(lái)都是走傳統(tǒng)的陶瓷生產(chǎn)路線，其生產(chǎn)成本較低以定位中低檔市場(chǎng)，而轉(zhuǎn)換成綠色節(jié)能陶瓷生產(chǎn)將大大增加企業(yè)生產(chǎn)成本，同時(shí)還要新建市場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)布局與定位；其次，核心技術(shù)缺失。由傳統(tǒng)陶瓷生產(chǎn)向新型陶瓷生產(chǎn)需要各方面技術(shù)的支持，而目前最缺的就是核心陶瓷研發(fā)技術(shù)，沒(méi)有技術(shù)的支持升級(jí)轉(zhuǎn)型只是紙上談兵。此外，對(duì)于相關(guān)的配套設(shè)施也要不斷的完善跟進(jìn)。

然而，陶瓷業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，在低碳時(shí)代到來(lái)之際，新型節(jié)能陶瓷正是迎合市場(chǎng)發(fā)展潮流的產(chǎn)物，節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品也必將成為陶瓷行業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。目前陶瓷產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)已經(jīng)是迫在眉睫，這也給新型陶瓷的發(fā)展帶來(lái)了契機(jī)。

Focus on Technology Development and Application of Nano Ceramic Building Materials

Xiao Yongqing

(Hubei shiyan new chemical materials company,Shiyan 442001)

Abstract:ceramic material as one of the three pillars, in the daily life and plays an important role in industrial production. With the widely application of the nanotechnology, nano ceramic produce, make the ceramic like metal flexible and machinability. For magic nano technology gestates technological change, the performance characteristics of nanometer ceramics are analyzed, the author introduces the application of nanotechnology in the field of ceramic, the preparation of nano ceramics was studied, at the same time points out the development trend of high performance ceramics and nanometer ceramics.

Keywords:nano materials; building materials; research and development application; development trend

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.01.007