解决陶瓷脆性的战略途径——纳米复相陶瓷
来源： 中国粉体网
曾有科学家预言，在21世纪纳米材料将成为“最有前途的材料”，并将纳米技术研究列入21世纪前10年11个关键领域之一，而这些都与“纳米复相陶瓷”显露出的优异性能分不开。
早在20世纪90年代末，一位叫niihara的教授领导的研究小组报道了一些有关纳米复相陶瓷的令人振奋的试验结果，如al2o3-sic（体积分数为5%）晶内型纳米复合陶瓷的室温强度达到了单组分al2o3陶瓷的3～4倍，在1100℃强度达1500mpa，这些引起了材料研究者的极大兴趣。从那时起直到现在，纳米复相陶瓷的研究不断深入。
纳米复相陶瓷的力学性能
纳米复合陶瓷概述
纳米复相陶瓷是指：通过有效的分散、复合而使异质相（第二相）纳米粒子均匀弥散地保留在陶瓷基体中而得到的复合材料。相比单一组分陶瓷，纳米复合陶瓷的性能有大幅度地提高，且幅度之大远不是一般微米级复相陶瓷所能比的。
而这与其微观结构的改变有着直接的关系，例如：纳米粒子的种类、数量、晶粒粒径及粒径分布、形貌、晶界、中间相、晶内缺陷、晶间纯度、晶间残余应力等等，都与性能的改善存在一定的关系。
制备纳米复相陶瓷的主要目的就是充分发挥陶瓷的高硬度、耐高温、耐腐蚀性并改善其脆性，应用于高温燃气轮机、航天航空部件等非常重要的领域。那么纳米复合陶瓷是如何制备的呢？
纳米复合陶瓷制备方法综览
目前所开发出的各种新型的纳米复相陶瓷材料合成技术，包括：机械混合分散-成型-烧结法、液相分散-成型-烧结法、原位生成-成型-烧结法、复合粉末-成型-烧结法、直接成型-烧结法、表面改性-成型-烧结法等，这些制备技术各具特色，适用范围不尽相同，同时均存在自身的局限性，其中大多数技术由于设备昂贵、工艺复杂且难以控制而长期处于实验室研究阶段。
1、机械混合分散-成型-烧结法
机械混合分散法的主要过程是将基质粉末与纳米粉体进行混合、球磨，然后烧结。不足之处在于球磨本身不能完全破坏纳米颗粒之间的团聚，不能保证两相组成的均匀分散，以致球磨之后颗粒团聚、沉降，造成进一步的不均匀。
2、液相分散-成型-烧结法
液相分散法的主要过程为将已取得的纳米粉体分散于含有基体组分的溶液中，通过调整工艺参数，在没有析晶、团聚、沉降的情况下使体系冻结、凝胶，经热处理而得到复合粉末。用这种方法制备的纳米复相陶瓷，其显微结构更为精密，力学性能比机械球磨分散制得的样品有所提高。
2、原位生成-成型-烧结法
原位生成技术作为一种突破性的复合技术而受到国内外学者的普遍重视。其原理是：根据材料设计的要求选择适当的反应剂（气相、液相或固相），在适当的温度下借助基材之间的物理化学反应，原位生成分布均匀的第二相（或称增强相）。
由于原位生成技术基本上能克服其他工艺通常出现的一系列问题，如克服基体与第二相或与增强体浸润不良，界面反应产生脆性层，第二相或增强相分布不均匀，特别是微小的（亚微米级和纳米级）第二相或增强相极难进行复合等问题，因而在开发新型金属基纳米复合材料方面具有巨大的潜力。
3、复合粉末-成型-烧结法
复合粉末法是经化学、物理过程直接制取基体和弥散相均匀分散的复合粉体，然后成型烧结。其制备方法有cvd法、先驱体转化法、激光合成法等。采用这种方法，复合粉体中已经包含所需的所有纳米相，纳米相在复合粉体中已经均匀分散，不存在纳米相分散和团聚的问题。使用此方法制备纳米复合材料可获得高的强度。
4、直接成型-烧结法
纳米颗粒在干燥、致密化过程中的再团聚和异常长大是制备纳米材料的难点之一。而直接成型法是制成均匀分散的高固相含量料浆后，直接注模成型，在引发剂或生物酶的作用下使体系快速凝胶化制得坯体，避免了颗粒烘干时的再团聚，可以实现烧结时的等比例收缩且可以制成形状复杂的部件，是陶瓷成型方法的重要进步。
5、表面改性-成型-烧结法
该方法是将微米或纳米粉体表面通过化学或物理方法包裹一层氧化物或接枝小分子链或高分子链，从而改变胶粒表面的酸度、等电点及电动电位等，阻止纳米粒子的团聚，改善分散效果。对颗粒表面进行包覆改性主要是通过沉淀反应包覆和溶胶-凝胶反应包覆。
部分制备技术的局限
机械混合分散法制备的粉体存在粒径分布宽且粉体分布不均匀的问题；液相分散法中起关键作用的分散剂目前还很少系列化的产品，研究也不够系统；表面改性法在陶瓷颗粒湿法球磨前先使纳米相初步分散，使材料性能较液相分散法有所提高，但在表面改性和后续球磨过程中仍存在纳米相分散问题；直接成型法成本低廉，可成型各种形状的复杂部件，是大批量生产高性能陶瓷的理想的方法，但制备高固相含量的陶瓷浆料是其难点之一。
烧结技术尤为重要
纳米复相陶瓷的出现为解决陶瓷的脆性提供了一个可行性途径，由于纳米颗粒能够抑制基体颗粒的长大，使结构均细化，从而改善材料的力学性能。但同时纳米颗粒由于极大的比表面积，在烧结过程中极易发生长大，从而失去纳米颗粒的特性，结果不但不能改善材料的性能，反而还有可能严重降低材料的性能，因此要得到真正意义上的纳米复相陶瓷，选择合适的烧结技术显得尤为重要。
传统的烧结方法由于需要较高的温度和较长的保温时间，烧结出来的纳米陶瓷中很难保持有纳米尺度(<100nm)的微结构，从而失去纳米材料的特性。基于此产生了诸如热压烧结、热等静压烧结、超高压烧结、放电等离子烧结、微波烧结、选择性激光烧结、爆-炸烧结和反应烧结等多种先进的烧结技术。
纳米复相陶瓷材料的烧结技术，其设计思路主要是通过控制烧结温度和烧结时间来控制晶粒长大，不同的烧结技术各有优缺点，在应用上有一定局限性。不同材料，采用的烧结技术或工艺可能不同，如何合理地选用烧结技术及优化烧结工艺参数等都有待完善。