[科普中国]-功能陶瓷

功能陶瓷，是指在应用时主要利用其非力学性能的材料，这类材料通常具有一种或多种功能，如电、磁、光、热、化学、生物等; 有的还有耦合功能，如压电、压磁、热电、电光、声光、磁光等。随着材料科学的迅速发展，功能陶瓷材料的各种新性能、新应用不断被人们所认识，并积极加以开发。1

由于科学技术的高度发展，对陶瓷材料的性能、质量以及要求越来越高，促使部分陶瓷发展成为新型的具有特殊功能类型的材料。这类陶瓷无论在性能和使用上，还是在制作工艺上都要求高度精细，故它与结构陶瓷一起，统称为精细陶瓷（新型陶瓷）。

以往，通常将具有单一功能的陶瓷，如机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷列为结构陶瓷；而将具有电、光、磁及部分化学功能的多晶无机固体材料列为功能陶瓷。2

简介它们在电、磁、声、光、热等方面具备的许多优异性能令其他材料难以企及，有的功能陶瓷材料还是一材多能呢。而这些性质的实现往往取决于其内部的电子状态或原子核结构，又称电子陶瓷。已在能源开发、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等方面有广泛应用。

就陶瓷材料的功能而言，有机械的、热的、化学的、电的、磁的、光的、辐射的和生物的各类功能。此外，还有半导体陶瓷、绝缘陶瓷、介电陶瓷、发光陶瓷、感光陶瓷、吸波陶瓷、激光用陶瓷、核燃料陶瓷、推进剂陶瓷、太阳能光转换陶瓷、贮能陶瓷、陶瓷固体电池、阻尼陶瓷、生物技术陶瓷、催化陶瓷、特种功能薄膜等，在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作用。在奇妙的材料世界里还有许多未知的现象有待于我们去探究，相信随着科学技术的进一步发展，人类也必然会发掘出功能材料的新功能，并将其派上新用场。

举例生物功能陶瓷利用纳米技术生产的纳米抗菌材料有三类:一类Ag+系抗菌材料（当高价银离子与细菌接触时使细菌体内的蛋白质变性；’第二类是是光触媒型纳米抗菌材料（通过催化反应，将细菌的尸体分解得一干二净，一般还有除臭，自洁，防霉，防锈，高效防老化，全能净化空气，自造“负离子雨林”气候等功能）；第三类是C-18A纳米蒙脱土等无机材料。将前两类加人陶瓷中可制成对病菌、细菌有强的杀菌和抑菌作用的陶瓷产品。

主要有以下几种活性材料；

（1）羟基磷灰石生物活性材料。人工听小骨羟基磷灰石听小骨临床应用效果优于其它各种听小，具有优良的声学性质，平均提高病人的听力20-30db。在特定语言频率范围提高45-60db。微晶与人体及生物关系密切，在生物和医学中已有成功应用，利用ha微晶能使细胞内部结构发生变化，抑制癌细胞生长和增殖，可望成为治疗癌症的“新药”。

（2）磷酸钙生物活性材料。磷酸钙又称生物无机骨水泥，是一种广泛用于骨修补和固定关节的新型材料。有望部分取代传统的pm-ma有机骨水泥。国内研究抗压强度已达到60mpa以上；磷酸钙陶瓷纤维：磷酸钙陶瓷纤维具有一定机械强度和生物活性，可用于无机骨水泥的补强及制务有机与无机复合型植入材料。

（3）磁性材料。生物磁性陶瓷材料主要为治疗癌症用磁性材料，植入肿瘤灶内，在外部交变磁场的作用下，产生磁滞热效应，导致磁性材料区域内局部温度升高，借以杀死肿瘤细胞，抑制肿瘤的发展。

光功能陶瓷在光功能陶瓷方面:纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性。例如光学非线性、光吸收、光反射、光传输特性等都与纳米微粒的尺寸有关。中科院福建物构所的洪茂椿院士利用纳米技术研究开发出了性能优良的光功能陶瓷材料，重点研究烧结型透明陶瓷、纳米结构的氟氧化物玻璃陶瓷和硼酸盐微晶玻璃三个相互关联的材料体系。目前正在研制的纳米吸波陶瓷材料不仅具有良好的吸波性能，而且还有功能丰富、频带宽、省材、轻便等特点。纳米陶瓷吸波材料主要有Sic及复合物、Si/C/N, Si/C/N/O等，其主要成分为碳化硅、氮化硅和无定型碳，具有耐高温、质量轻、强度大、吸波性能好等优点。尤其是Si/C/N吸波材料不仅具有以上优点，而且还具有使用温度范围宽(从室温到1000℃均可使用)、用量小、介电性能可调、可以有效减弱红外辐射信号的优良特性。例如:Si/C/N和Si/C/N/0纳米吸波材料在厘米波段和毫米波段均有很好的吸收性能;纳米Sic和磁性纳米吸波材料复合后吸波性能可有大幅度提高;平均粒径为5.2nm的Au/二氧化硅纳米材料，随着在SiO2熔孔中Au微粒尺寸的减小，出现了等离子共振吸收峰红移。

电功能陶瓷在电功能陶瓷方面:利用纳米技术制备的纳米陶瓷在电学方面具有优异的性能，可以利用其制作导电材料、绝缘材料、电极、超导体、量子器件、静电屏蔽材料、压敏和非线性电阻以及热电和介电材料等。例如用纳米(70nm)陶瓷的室温介电常数达30000以上，可用于超小型、大容量陶瓷叠层电容器(MLC)等现代电子元器件的制造。通过对纳米ZnO陶瓷的研究，发现其有很强的界面效应，有着很高的导电率、透明性和传输率等优异性能，其有效介电常数比普通ZnO陶瓷高出5-10倍，而且具有非线性伏安特性，可用于压电器件、超声传感器、太阳能电池等的制造。

涂层/薄膜在涂层/薄膜方面:热喷涂纳米涂层的纳米颗粒由于比表面大，活性高而极易被加热熔融，在热喷涂过程中纳米颗粒将均匀地熔融。由于熔融程度好，纳米颗粒在碰到基材后变形剧烈，平铺性明显优于微米级颗粒。热喷涂纳米结构涂层熔滴接触面更多，涂层孔隙率低，表现在性能上就是纳米结构涂层的结合强度大、硬度高、断裂强度好和耐腐蚀好。M.Gel1, E.H.Jordan等人研究了纳米陶瓷涂层与微米级陶瓷涂层摩擦学性能。研究表明，纳米结构涂层致密，裂纹短而小，磨损表面光滑平整，摩擦磨损性优于微米级颗粒涂层。纳米涂层耐磨性高于微米级涂层，且经处理的纳米结构涂层的耐磨性最高，约为微米级涂层的2倍。据报道，在氧化铝陶瓷作为摩擦副，载荷为80N的件下，纳米WC-Co涂层的摩擦系数为0.32;同样条件下，传统WC-CO涂层的摩擦系数为0.39。真空等离子喷涂的纳米WC-CO涂层还具有较高的抗磨损性能。在40N--60N的载荷下，其磨损率仅为同条件下传统磨损率的1/6。纳米结构氧化铝、氧化钦复合陶瓷涂层具有优良的抗磨损性能，显示了良好的韧性和吸附应力的能力，其粘结强度是传统涂层的2倍，抗磨损性是它的3-4倍，抗冲击性能也得到很大提高。

存在问题纳米材料与基体的相容性

对于纳米添加材料，除了要考虑是否适于与工件材料的粘结等问题外，最为关键的问题是纳米材料与基体材料之间界面的相互作用，即分散介质与基体材料的相容性。纳米添加材料与基体材料之间的相容性表现在两个方面:化学相容性和物理相容性，即任意配比下的两组分都能形成均相体系的能力和两种组分之间相互分散而制得性能稳定的共混物的能力。如在陶瓷刀具材料中，纳米材料与工件材料之间的化学相容性问题是一个重要问题。因为对于陶瓷刀具材料，多用于高速切削或难加工材料的加工等领域，接触区的压力和温度相当高，刀具材料与工件材料之间发生化学反应的可能性增大，而化学反应的发生将会使刀具材料的耐磨性能与抗破损性能有不同程度的降低。

添加纳米材料的分散性

纳米材料具有极微小粒度、高比表面、高表面活性。随着纳米粉体颗粒尺寸的减小，其比表面和表面能增大。在制备和应用的过程中，由于颗粒间普遍存在的范德华力和库仑力，纳米颗粒极易凝聚并团聚形成二次颗粒，即所谓的软团聚，使粒子粒径增大。如果不加以分散而直接混料，大团聚颗粒的存在会使制备的材料在最终使用时失去纳米材料所具备的特性。因此，纳米材料在添加之前能否均匀、稳定地分散是其应用所要解决的首要问题。

纳米技术在陶瓷中的工业化

目前纳米技术在陶瓷中的工业化研究和应用，还处在起步险段，许多瓶颈问题有待于进一步的研究和解决。如:如何制备低成本纳米陶瓷粉体问题;如何保持陶瓷材料中的纳米特性问题;生产中怎样控制的问题等等。

发展建议1)在性能方面，应该向高性能、低成本、高可靠性、多功能和智能化的方向发展；

2)在应用方面，应该向着智能化敏感陶瓷元件、计算机用光纤陶瓷材料、计算机硬盘和高稳定性陶瓷电容器等方向发展；

3)在设备技术方面，应该向低温烧结、纳米材料的调控和复合、小型化方向发展。

本词条内容贡献者为:

宋春霖 - 副教授 - 江南大学