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在千姿百態的物質界，大自然給予了我們數量眾多的天然材料，人們在長期的使用實踐過程中，根據物質的物理化學屬性將其分為三大類：金屬材料、高分子材料以及無機非金屬材料。陶瓷作為無機非金屬材料的一部分，在華夏5000年的歷史中扮演著重要的角色。但由于易碎、密度較大等，陶瓷越來越受到高分子材料和金屬材料的挑戰。

先進陶瓷的出現，使得陶瓷不僅僅是藝術品和日常用品，它極大的擴展了陶瓷的應用領域，將其應用到航空、能源、冶金機械、交通、家電等。納米陶瓷是陶瓷發展的第三個階段，它賦予了陶瓷前所未有的特性，極有可能是陶瓷應用的下一個風口！

 一  傳統陶瓷，以食器、裝飾為主

陶瓷是陶器和瓷器的總稱。中國人早在約公元前8000－2000年（新石器時代）就發明了陶器。傳統陶瓷是以天然硅酸鹽礦物（瓷石、粘土、長石、石英砂等）為原料，經粉碎、磨細、調和、塑形、干燥、鍛燒等傳統工藝制作而成。由于燒成溫度較低，傳統陶瓷僅是一種含有較多氣孔、質地疏松的未完全燒成制品。

圖：傳統陶瓷的加工流程

傳統陶瓷材料一般硬度較高，但可塑性較差，絕大部分應用在食器、裝飾中。如下圖所示：

圖：陶瓷半成品

 二  先進陶瓷，陶瓷也能上天入地！

20世紀初，陶瓷研究進入第二個階段——先進陶瓷階段。先進陶瓷極大地拓展了陶瓷的應用領域，先進結構陶瓷可應用至密封套管、軸承、缸套、活塞及切削刀具等，先進功能陶瓷則是利用其電、磁、光、聲、熱等直接的性能或其耦合效應應用至高容抗陶瓷電容器、傳感器元件、自動報警設備等。

那么問題來了，和傳統陶瓷相比，為什么先進陶瓷能夠具備如此多的優異特性？

圖：碳化硅陶瓷材料在航空航天領域的應用

我們知道陶瓷的性能取決于其內部組織結構。在顯微鏡下可觀察到陶瓷內部組織主要有三種結構：晶體相、玻璃相和氣孔。

晶體態組織（即晶體相）是由原子有序排列而形成的組織結構緊湊致密的晶態結構，這是陶瓷的基本結構，也是陶瓷具有優良性能的良種結構。

玻璃態組織（即玻璃相）是原子排列紊亂的非晶態結構，此種結構及其微氣孔是造成陶瓷質脆及影響別的性能的劣質結構。因玻璃態組織比晶體態組織結構疏松，且受熱易軟化從而降低了陶瓷的強度、硬度和抗熱沖擊性能，同時也影響到其它的功能性能。

可見，減少陶瓷內部玻璃態組織、微氣孔及微裂紋的含量，增大陶瓷內部組織結構的精細度和致密性是改善陶瓷使用性能（包含力學性能和功能性能）以獲得先進陶瓷的關鍵。先進陶瓷在原料、工藝方面有別于傳統陶瓷，通常采用高純、超細原料，通過組成和結構設計并采用精確的化學計量和新型制備技術制成性能優異的陶瓷材料。

在成形方面，先進陶瓷有等靜壓成形、熱壓注成形、注射成形、離心注漿成形、壓力注漿成形等成形方法。

圖：注射成型，來源于興榮精密

在燒結方面，則有熱壓燒結、熱等靜壓燒結、反應燒結、快速燒結、微波燒結、自蔓延燒結等。

圖：真空燒結爐（碳管加熱），來源于晨華科技

在先進陶瓷階段，采用的原料已不再使用或很少使用黏土等傳統原料，而已擴大到化工原料和合成礦物，甚至是非硅酸鹽、非氧化物原料，組成范圍也延伸到無機非金屬材料范圍。

圖：二氧化鋯原材料，來源于東方鋯業

但是，這一階段的先進陶瓷，無論從原料、顯微結構中所體現的晶粒、晶界、氣孔、缺陷等在尺度上還只是處在微米級的水平，故又可稱之為微米級先進陶瓷。

 三  納米陶瓷，陶瓷應用的下一個風口！

到20世紀90年代，陶瓷研究已進入第三個階段--納米陶瓷階段。所謂納米陶瓷，是指顯微結構中的物相就有納米級尺度的陶瓷材料。它包括晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸等均在納米量級的尺度上。

納米陶瓷將陶瓷賦予了前所未有的特性，材料的強度、韌性和超塑性大大提高，另外還可能產生一些先進陶瓷所不具備的特性，納米陶瓷極有可能是陶瓷應用的下一個風口！

圖：納米陶瓷粉體微觀圖，來源于儀器信息網

具體來講，由于納米陶瓷內部的超細微晶相顆粒（這大約是數十個或者數百個原子的大小）中原子或離子的個數有限，相應的電子數目也有限，而且處于顆粒邊界（晶相界面）上的原子或離子的個數與處于顆粒內部原子或離子的個數相接近。這將導致納米陶瓷的電磁學性質等發生明顯的變化。由于晶粒微細化引起的表面能的增加，則將引起其他一些物理化學性質的變化！

表：傳統陶瓷、先進陶瓷和納米陶瓷的區別

圖：納米陶瓷刀具

圖：納米微晶鋯陶瓷在3C產品中的應用

由于兼具質感和優異力學性能（包括高硬度和韌性的改善），目前納米氧化鋯陶瓷已應用在智能移動設備中，相信在不久的將來，納米陶瓷將在其他領域得到廣泛應用。

注：本文參考了黃海云先生PPT《工程陶瓷介紹》《微晶鋯陶瓷助力CMF創意實現》、leeshichun的PPT《材料講堂，先進陶瓷材料》（百度文庫）、985631399h的PPT《先進陶瓷材料》（百度文庫）、chengfy007的PDF《先進陶瓷及其應用集錦》（百度文庫），艾邦高分子華仔編輯整理，轉載請先聯系我們，郵箱：editor@polytpe.com

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