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纳米陶瓷之定义
1、陶瓷
玉瓷碗在科学技术和物质文明高度发达的现代社会中,人类赖以制成各种工业产品的材料实在千差万别,但总括起来,无非是金属、有机物及陶瓷三大类。陶瓷是人类最早使用的材料之一,在人类社会发展进程中曾经而且还在起着至为重要的作用。众所周知,陶瓷器皿最早是由我们中华民族的先民们所发明和制造出来的,对此已没有任何疑义了。但究竟什么时候开始有了陶瓷器,却众说纷纭。萨尔满说是大约l万年前,金格瑞说是在公元前年左右,瑞因引用史密斯的数据认为是在公元前年。20世纪30年代吴仁敬等编的《中国陶瓷史》中则说陶瓷发明于神农、伏羲之时,但这是两位传说中的人物,到底距今多少年,很难说得准确了。关于这一问题,我们还是留给考古学家们去解决吧。距今年前的河姆渡时期鱼藻纹盆和距今多年前仰韶文化时期的鱼纹盆。不难看出,当时的陶器制作技术已经很成熟了。
河姆渡时期鱼藻纹盆仰韶文化时期鱼纹盆我们所关心的是陶瓷材料本身。究竟什么是陶瓷?传统意义上的陶瓷器皿系直接由天然矿物——泥料所成型、烧结而成的。这些泥料成分很复杂,且不同地方泥料的成分又有很大差别,但总体说来都是些Si、Al、Mg以及Fe等等多种元素氧化物的混合物。
2、精细陶瓷、
精细陶瓷所讨论的并不是用作日常生活器皿的传统陶瓷,而是制作各种专业化工业制品的精细陶瓷(FineCeramics),又叫先进陶瓷(AdvancedCeramics)、特种陶瓷(SpecialCeramics)或技术陶瓷(TechnicalCeramics)等等,它是现代科学意义上的陶瓷材料。它们区别于金属和有机材料主要在于其化学成分及其原子、分子间的结合状态。由此,在其物性上当然存在着根本的差别,而其制造加工工艺自然也就有所不同。从成分上看,陶瓷材料既不像金属那样由金属元素的原子所组成,也不像有机物那样主要由碳、氢、氧原子所构成,而是金属的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等,也可能是它们相互作用形成的复杂化合物。从结合状态,也就是化学键来看,金属材料是由金属键构成,其自由电子分散于原子(实际是离子)之间,形象地说就是“金属原子(离子)组成的格架中有电子气在自由流动”。有机材料中是由原子之间的共价键结合成分子,但分子之间则是由很弱的VanderWaals键所构成。而陶瓷材料绝大部分是周期表中电负性差别很大的元素之间的化合物,大部分以离子键,少部分以共价键、金属键为主体构成。
精细陶瓷不像传统陶瓷那样直接采挖天然矿物泥料在不太严格的工艺制度下制作出来,而是首先依据对产品性能的要求,进行仔细的材料设计,同时制定严格的工艺路线,然后以高度精选的初始原料,按计算的配比进行人工合成,有时原料亦需人工合成。在得到纯度、粒度等方面符合要求的粉体后,再进行成型、烧结、加工等工艺操作。整个制造过程的各种工艺参数都必须置于严格的监测、控制之下。
汝瓷从性能上看,传统陶瓷都具有高熔点,高硬度、低韧性的特点,精细陶瓷虽然一般也都具有这些典型特征,但是由于它们的成分甚至结构都是预先仔细设计的,制造工艺又是受到严格控制的,其性能当然比传统陶瓷高得多。而且,都是针对产品要求有意识地大幅度增强某方面或某些方面的性能而尽量克服其他方面的不足。
经过长期(主要是近二三十年)的研究发展,精细陶瓷材料已经成为种类繁多、功能广泛的一个材料家族,从不同角度可对它们进行不同的分类。
按化学成分来分,陶瓷可以分为氧化物和非氧化物两大类。氧化物,如氧化铝(A12O3)、二氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)等。非氧化物又可分为碳化物,如碳化硅(SiC)、碳化硼(BC)、碳化钨(WC)等;氮化物,如氮化硅(Si3N4)、氮化钛(TiN)、氮化铝(A1N)等;硼化物,如硼化钛(TiB2)、硼化锆(ZrB2)、硼化镧(LaB6)等;还有硫化物、硅化物等。实际应用中,往往是以多种化合物一起配制成复合材料。如用三氧化二钇稳定二氧化锆(Y-ZrO2),用二氧化锆增韧的氧化铝(ZTA),以及更复杂的Sialon、锆钛酸铅(PZT)等。此外,一般将碳和石墨也划归为陶瓷材料。
从使用功能来划分,陶瓷可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。顾名思义,结构陶瓷是指那些具有优异的力学性能以及优良的抗高温、耐腐蚀性,因而可用于工程结构件的陶瓷材料。功能陶瓷则是指那些有着特殊的电、磁、光、声、热特性,因而可用作各种功能器件的陶瓷材料。
3、高技术陶瓷
“高技术”一词首先见诸20世纪60年代的建筑业,当时两位美国建筑师为描述新建筑所广泛采用的新技术、新材料和新工艺,而合写了一本叙述新型建筑的书,书名叫做《高格调技术》。现在一般认为,高技术是指“基本原理及概念主要建立在最新科学成就基础上的现代技术,是对20世纪40年代中期以后出现的一系列新的技术领域的统称”。这些“新的技术领域”,通常认为包括信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、空间技术和海洋技术。高技术之所以“高”,主要表现为它具有的知识体系的高度聚集、技术体系的高度整合、技术网络的高度协同和社会作用的高度渗透等这四个方面的特征。
甜白釉前面我们把陶瓷分为传统陶瓷和精细陶瓷,在这两部分中,又跟据其用途分为不同的类别,有不同的名称,例如日用陶瓷、建筑陶瓷、卫生陶瓷、艺术陶瓷、结构陶瓷、功能陶瓷等,在每一类别中又有其详细的分类和名称,例如茶杯,餐具,瓷砖,洁具,花瓶,压电陶瓷,热陶瓷等等。上世纪九十年代前,传统陶瓷和精细陶瓷的分别主要在于其用途的差别,其原料、工艺、技术都相差不大。但随着纳米技术的兴起和在陶瓷上的应用,陶瓷正在发生着革命性的变化,以分子设计技术和纳米技术为前沿的材料技术,正在改变着陶瓷的本身和未来,笔者在年提出了当代(现代)陶瓷的新定义:通过纳米技术和材料的多层次复合,陶瓷将更多的与有机物及金属相融合为一体,它是化合物在微米、纳米甚至分子级别上的集合体,并更密切与人类的关系。陶瓷的加工过程本质上是一组物质复合的过程。
高技术陶瓷一词的出现最早源于美国,Hi—TechnologyCeramics。其定义与我国的特种陶瓷和日本的精细陶瓷相似。高技术陶瓷在我国也曾有应用,但近年逐步被现代技术陶瓷、先进陶瓷、精细陶瓷所取代,最近应用最多的是精细陶瓷。笔者在年注册华光高技术陶瓷分公司时,开始使用高技术陶瓷一词,从那时起我们多次试图对高技术陶瓷进行定义和表征,试图将其定义为某一类陶瓷,例如特种陶瓷或精细陶瓷,则无高技术的含义;定义为高技术的陶瓷,则其不能与精细陶瓷所包括的类别相同,因为在日用瓷中的骨质瓷,无论从技术含量、工艺方法、产品售价都要高于精细陶瓷,而且随着日用陶瓷艺术化,艺术陶瓷功能化,建筑卫生陶瓷人性化的发展,越来越多的高技术被应用其中,难道他们就不能叫高技术吗?因此笔者提出高技术陶瓷的如下定义,供各位同仁参考。
高技术陶瓷在现代技术中,归属于新材料类。其主要技术为以分子设计技术和纳米技术为前沿的新材料技术。高技术陶瓷可分为两个部分高技术+陶瓷。高技术是指基本原理及概念主要建立在最新科学成就基础上的现代技术,是对20世纪40年代中期以后出现的一系列新的技术领域的统称。陶瓷是指陶瓷产品、陶瓷工艺、陶瓷技术。高技术陶瓷是指具备高技术特征的陶瓷的产品(人工物)、工艺和技术。我们可以,把具有高技术特征的陶瓷产品、工艺、技术称为高技术陶瓷,高技术陶瓷工艺,高技术陶瓷技术。
纳米氧化铝球4、纳米陶瓷
借用一下高技术陶瓷的定义,我们把纳米陶瓷定义为:纳米+陶瓷。纳米包括纳米技术和纳米材料;陶瓷包括我们前面我们定义的传统陶瓷和精细陶瓷两部分内容。纳米米陶瓷可以简单地描述为:“采用纳米技术和纳米材料生产制造的陶瓷材料和陶瓷制品。”
作者对纳米陶瓷的三大贡献表述为:①将纳米材料的尺度界定为:nm~1nm;②纳米陶瓷的标志和主要目标不以“消除陶瓷的脆性为主要目标,即允许纳米陶瓷仍保持其自身结构带来的脆性特征”;③创立了绿色低成本物理法制备纳米材料工业化技术和用纳米材料制备纳米陶瓷的智能制造技术。