關注納米陶瓷建筑材料的研發(fā)應用技術

肖永清

(湖北十堰新型化學材料公司，十堰 442001)

關注納米陶瓷建筑材料的研發(fā)應用技術

肖永清

(湖北十堰新型化學材料公司，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)生產中起著舉足輕重的作用。隨著納米技術的廣泛應用，納米陶瓷隨之產生，使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。針對神奇的納米技術孕育著技術變革，分析了納米陶瓷的性能特點，介紹了納米技術在陶瓷領域的應用，研究了納米陶瓷的制備，同時指出了高性能陶瓷與納米陶瓷的發(fā)展趨勢。

關鍵詞:納米陶瓷;建筑材料;研發(fā)應用;發(fā)展趨勢

工程陶瓷又叫結構陶瓷,因其具有硬度高、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕以及質量輕、導熱性能好等優(yōu)點,得到了廣泛的應用。陶瓷材料作為材料的三大支柱之一，在日常生活及工業(yè)生產中起著舉足輕重的作用。但由于傳統(tǒng)陶瓷材料質地較脆，韌性、強度較差，可靠性低因而使其應用受到了較大的限制。隨著納米技術的廣泛應用，納米陶瓷隨之產生，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)內人士的廣泛關注。

1神奇的納米技術孕育著技術變革

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

目前被各界炒得沸沸揚揚的“納米”，其實只是一種幾何尺寸的計量單位，如同厘米、分米和米一樣，1nm相當于四五十個原子排到一起來的長度，還不到頭發(fā)絲粗細的十萬分之一。納米結構通常是指尺寸在100nm以下的微小結構。一門以0.1~100nm長度為研究對象、在這一水平上對物質和材料進行研究、處理的技術，這就是納米技術。

納米技術以空前的分辨率為人類揭示了一個可見的原子、分子世界，它的最終目的是直接以原子成分子來構造具有特定功能的產品。因此，納米技術其實就是一種用單個原子、分子制造物質的技術，也稱之為“分子制造學”，可稱得上是“在針尖上跳舞”的技術。世界各國的很多科學家都認定：由化學、物理學、生物學、電子學等各種學科交叉形成的新學科──納米技術，正昭示著產業(yè)革命的曙光，其影響將比20世紀后半葉微電子學所起的作用還要大。正如微電子技術引發(fā)了信息革命一樣，納米科學技術將成為新世紀信息時代的核心。

納米技術源于這樣一種機理：當材料被加工到納米一級的技術狀態(tài)時，其物理性能和化學性質會發(fā)生出于意料的變化，主要表現(xiàn)在強度、韌度、比熱、導電率、擴散率、磁化率以及對電磁吸收性發(fā)生巨大變化等等，因此，利用納米技術選定原子構成分子，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品中，可以使產品表現(xiàn)出意想不到的新性能。目前納米技術已在新材料、通信、醫(yī)藥等領域得到普遍應用。例如在陶瓷中摻入少量納米粉，可使其具有類似于鐵的可彎曲性；使金屬產生室溫下的超塑性；將材料表面納米化，可大大提高材料的強度。納米顆粒還有防靜電、防紫外線、抗菌等多種功能。

21世紀的技術革新，很大程度上是靠弄清更加微觀的現(xiàn)象和據此發(fā)展操作技術來支撐的。但是，基于宏觀的角度，追求更加微觀的世界這種傳統(tǒng)的技術開發(fā)，在很多領域都將迎來極限。如果沒有與傳統(tǒng)技術根本不同的新發(fā)現(xiàn)，就無法登上新的臺階。利用納米技術開發(fā)的納米陶瓷材料是指在陶瓷材料的顯微結構中，晶粒、晶界以及它們之間的結合都處在納米水平(1～100nm)，使得材料的強度、韌性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的許多不足，并對材料的力學、電學、熱學、磁學、光學等性能產生重要影響，為替代工程陶瓷的應用開拓了新領域。隨著納米技術的廣泛應用，納米陶瓷隨之產生，希望以此來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化學反應而形成耐高溫陶瓷涂層的材料。

納米技術就是發(fā)現(xiàn)量子效果的人工的獨特的結構技術。也就是說，它在本質上從一開始就是以量子論支配世界為前提的。21世紀被稱為“光的時代”、“高度信息化時代”和“生物工程時代”等，但是無論哪一個，它的技術的關鍵都是量子效果。因此納米技術有可能引起計算機革命、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本身所涉及的是科技發(fā)展到一定階段必須解決的一個問題，是信息和生命科學技術能夠進一步發(fā)展的共同基礎，所以，納米技術的意義已遠遠超過了信息技術和生命科學。利用納米化材料特殊的磁、光、電等性質，可以開發(fā)出難以計數的新的元器件、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、新的高科技產業(yè)群。納米技術滲入生物學領域還將迅速改變農業(yè)和醫(yī)學的面貌，人類生活方式將在這兩項科技的結合中迅速出現(xiàn)革命性的變化，今后的科學發(fā)展方向和手段將依賴納米技術。

2納米陶瓷的性能特點突顯

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

據介紹，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，由低能轉向高能，再由高能轉向低能，在能量的轉換過程中釋放出2～18mm的原紅外線。而2～18mm的原紅外線也正是人類的生命波長，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斷裂變小，更接近人體細胞水，更容易被人體吸收，且能有效殺滅水中的有害細菌，降解有害物質，沉淀重金屬等。長期飲用，它可以促進新陳代謝、改善微循環(huán)、穩(wěn)定血壓、預防動脈硬化、防止結石，達到排毒養(yǎng)顏、延年益壽的功效。

所謂納米陶瓷，是指顯微結構中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料，也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上。陶瓷業(yè)是我國一個比較古老的行業(yè)，但我國新型陶瓷品種還不能滿足日益發(fā)展的市場需要，把納米材料應用到陶瓷工藝中去，生產納米復合或納米改性的高技術陶瓷，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。納米級陶瓷復合材料的力學性能，特別是在高溫下使硬度、強度得以較大的提高。有關研究表明，納米陶瓷具有在較低溫度下燒結就能達到致密化的優(yōu)越性，而且納米陶瓷出現(xiàn)將有助于解決陶瓷的強化和增韌問題。在室溫壓縮時，納米顆粒已有很好的結合，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，而燒結溫度卻要比工程陶瓷低400～600℃，且燒結不需要任何的添加劑。其硬度和斷裂韌度隨燒結溫度的增加(即孔隙度的降低)而增加，故低溫燒結能獲得好的力學性能。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形成，這樣就增加了材料的整體強度。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合陶瓷研究，大量的韌化理論和近年來的實驗資料表明，納米陶瓷復合材料(CNC)的強度可得到明顯的改善，特別是高溫性能．微米陶瓷復合材料是在陶瓷基體材料中引入微米級的顆粒、片晶、品須和纖維等第二相而形成的復合材料，其主要目的是改善陶瓷材料的斷裂韌性。納米陶瓷復合材料是新近發(fā)展起來的一種陶瓷復合材料，復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性能(如常溫硬度度、強度和斷裂韌性等)得到提高，而且可顯著改善材料的高溫性能(如高溫硬度、強度、蠕變拉力、耐熱沖擊性能等)，同時發(fā)現(xiàn)具有可切削加工性和超塑性。

納米復合陶瓷與普通陶瓷材料相比,在力學性能、表面光潔度、耐磨性以及高溫性能諸方面都有明顯改善。近年來國內外對納米復相陶瓷的研究表明,在微米級基體中引入納米分散相進行復合,可使材料的斷裂強度、斷裂韌性提高2～4倍,使最高使用溫度提高400～600℃,同時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、表面效應、量子尺寸效應、介電限域效應等各種效應，所以納米粉體表現(xiàn)出強吸光能力、高活性、高催化性、高選擇性、高擴散性、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，潛在應用價值極大。隨著高技術的不斷出現(xiàn),人們對納米陶瓷寄予很大希望,世界各國正在不斷研究開發(fā)納米陶瓷粉體并以此為原料合成高技術納米陶瓷。

雖然納米陶瓷還有許多關鍵技術需要解決，但其優(yōu)良的室溫和高溫力學性能、抗彎強度、斷裂韌性，使其在切削刀具、軸承、汽車發(fā)動機部件等諸多方面都有廣泛的應用，并在許多超高溫、強腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其他材料不可替代的作用，具有廣闊的應用前景。

3納米技術在陶瓷領域的應用

納米早已悄然進入了我們日常生活的諸多領域。例如市場上流行的“納米磁貼”、抗菌洗衣機、無菌餐具,以及市場上最新出現(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粒”為原料開發(fā)出來的納米醫(yī)藥產品將大規(guī)模進入百姓家庭。由于納米技術具有使用范圍廣、見效顯著的特點，通過納米技術的應用，對產業(yè)進行升級換代,實現(xiàn)經濟結構的調整具有普遍意義?？梢灶A見,納米將快步走進人們的生活。

二十世紀90年代初,日本Nihara首次報道了以納米尺寸SiC顆粒為第二相的納米復相陶瓷具有很高的力學性能,并具有很多獨特的性能。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，納米技術在陶瓷上的應用潛力不可估量。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；納米粉體的熔點較低，能在比微米粉體燒結溫度低500～600℃的溫度下繞結致密；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)；利用納米粉體可均勻分布在氣體、液體或固體物質中，可以用作氣溶膠(煙霧劑)；利用納米粉體的鏈狀超細粒子，可以用作磁記錄材料、分子過濾器、電磁波吸收體和過濾器；利用納米粉體粒子內電子能級離散，可以用作超低溫與遠紅外材料，納米粉體在冶金、化工、電子、磁性材料、精細陶瓷、傳感器以及日用化妝品和生物醫(yī)學等方面得到了開發(fā)和應用，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，經檢測,105個/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品，并投放市場。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、韓國相繼在建筑衛(wèi)生陶瓷、日用陶瓷、涂料等方面使用抗菌材料。

納米技術涉及到多種學科和領域，是一門由化學、化工、物理、冶金、材料相互交叉而有機聯(lián)系起來的新學科。納米陶瓷被譽為“萬能材料”或“面向21世紀的新材料”，而作為納米陶瓷原料的納米粉體是制備性能優(yōu)異的特種陶瓷的關鍵之一，而開展納米粉體顆粒物質結構與物理性質的研究，無論從基礎理論研究還是從實際應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,生產抗菌陶瓷釉面磚和衛(wèi)生陶瓷等產品,主要用于墻地面裝飾、廚房、浴室及衛(wèi)生間。在生產抗菌陶瓷的過程中,如果再加入遠紅外陶瓷粉,就可以制成具有復合功能的抗菌保健陶瓷,這種產品不斷向外輻射紅外線,可促進人體微循環(huán),增加血流量,并提高人體抗寒、抗病及抗衰老能力。利用納米技術生產的多孔陶瓷材料,可對工業(yè)廢氣進行過濾分離。多孔陶瓷具有很好的耐熱、耐化學腐蝕等性能,具有壽命長、免維修的特點。利用納米材料的光催化效應,可對汽車尾氣催化分解。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)境質量。利用納米粒子特殊的光電磁特性制成太陽能陶瓷、遠紅外陶瓷等,用于建筑物飾面,可開發(fā)太陽能,調節(jié)環(huán)境溫度,促進人們身體健康。納米科技的發(fā)展將會引起材料科學的一次革命，它的發(fā)展將會對人類社會的發(fā)展和進步產生重大而深遠的影響。納米陶瓷的超塑性在電子、磁性、光學以及生物陶瓷方面有潛在應用。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(如高強度、高硬度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、易加工等)的新結構和功能材料，在航空、航天、機械、電子信息等眾多領域具有無限廣闊的應用前景。

由于納米陶瓷具有的獨特性能，如做外墻用的建筑陶瓷材料則具有自清潔和防霧功能。隨著高技術的不斷出現(xiàn)，人們對納米陶瓷寄予很大希望，世界各國的科研工作者正在不斷研究開發(fā)納米陶瓷粉體并以此為原料合成高技術納米陶瓷。近十年來,我國陶瓷墻地磚就產量而言，已成為世界大國。但具有一定功能特性的品種、高檔墻地磚的彩色釉料須進口；衛(wèi)生陶瓷、裝飾陶瓷無論是結構、功能，還是造型、色調、釉面質量等方面的差距更大，高檔衛(wèi)生陶瓷仍大量采用進口產品。納米復合功能建筑衛(wèi)生陶瓷的開發(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具有很高應用的性能，陶瓷韌性的提高使得陶瓷的應用領域極度的擴大。如納米氧化鋅在陶瓷生在中的應用將極大地提高我國陶瓷產品的性能和附加值，從而提高個陶瓷品牌和企業(yè)的競爭力，因而本項目的開展實施具有重要的經濟和社會價值。

開發(fā)高新技術陶瓷新產品，產生高附加值，優(yōu)化產業(yè)結構，形成具有經濟優(yōu)勢的產業(yè)。采用納米材料，用于設計和生產高性能的新一代建筑陶瓷產品，是利用尖端科學與高新技術改造傳統(tǒng)產業(yè)、提升傳統(tǒng)產業(yè)競爭力的一個重要領域。納米的陶瓷研發(fā)，有利于提高我國建筑陶瓷的理論研究和生產水平。解決長期困擾我國陶瓷行業(yè)能耗高的瓶頸問題。新技術應用于我國建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)可提高生產效率，同時減輕廢物排放對環(huán)境的破壞。這對提升我國陶瓷產品的國際市場的競爭力，促進我國陶瓷行業(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

納米技術的飛速發(fā)展極大的推動了材料科學的研究和發(fā)展，而納米材料研究的一個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陶瓷粉末,隨著世界各國對納米材料研究的深入,它的制備方法也日新月異,出現(xiàn)了熱化學氣相反應法、激光氣相法、等離子體氣相合成法、化學沉淀法、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,為便于控制反應的條件及粉末的產率、粒徑與分布等,實際上也常采用兩種或多種制備技術。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。許多專家認為，如果多晶陶瓷是由大小為幾個納米的晶粒組成，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℃經受彎曲而不產生裂紋。如能解決單相納米陶瓷的燒結過程中抑制晶粒長大的技術問題，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)陶瓷無與倫比的優(yōu)點。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。目前世界上對納米陶瓷粉體的制備方法多種多樣，但應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、噴霧轉化法和化學氣相合成法，這些方法較具實用性?；瘜W氣相合成法可以認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。這種合成法增強了低溫下的可燒結性，并且有相對高的純凈性和高的表面及晶粒邊界純度。原料的坩堝中經加熱直接蒸發(fā)成氣態(tài)，以產生懸浮微粒和或煙霧狀原子團。原子團的平均粒徑可通過改變蒸發(fā)速率以及蒸發(fā)室內的惰性氣體的壓強來控制，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配體與金屬離子形成配合物，通過控制PH值、反應溫度等條件讓其水解、聚合，經溶膠→凝膠而形成一種空間骨架結構，再脫水焙燒得到目的產物的一種方法。此法在制備復合氧化物納米陶瓷材料時具有很大的優(yōu)越性。凝聚相合成已被用于生產小于10nm的SiO2,Al2O3和TiO2納米團。

從納米粉制成塊狀納米陶瓷材料,就是通過某種工藝過程,除去孔隙,以形成致密的塊材,而在致密化的過程中,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：在反應室內設置一個充液氮的冷卻管，納米團冷凝于外管壁，然后用刮板刮下，直接經漏斗送人壓縮器，壓縮成一定形狀的塊材；燒結或熱壓法：燒結溫度提高，增加了物質擴散率，也就增加了孔隙消除的速率，但在燒結溫度下，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化學反應而形成耐高溫陶瓷涂層的材料，以水為介質的高效保溫納米陶瓷粉末涂料和重防腐納米陶瓷涂料，已通過國家建筑材料測試中心的測試并推廣應用，在國內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備和強酸、強堿生產設備的防腐難題。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，無毒、對環(huán)境沒有污染。測驗證明，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散；涂料涂在煉鋼廠等高溫爐內，能使爐外表溫度控制在50℃以內，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備和熱力管網等高溫設備的防腐、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，則能有效防護航標燈座、船舶、石油化工設施和各類貯罐、橋梁、橋墩、鐵路涵洞、鉆井設備、海上油田等設施以及強酸、強堿等生產設備的外表面，在較長時間內防止強酸堿、鹽霧、凍融、霉菌等的浸漬。

納米材料由于具有許多獨特的優(yōu)異性能而成為現(xiàn)代材料科學的研究熱點。目前在納米粉末的制備技術方面取得了很大進展,各種納米粉末已開始工業(yè)化生產并獲得日益廣泛的應用。然而,用納米粉末制備納米陶瓷,由于納米粉末的活性很高,高溫燒結時晶粒生長很快,絕大多數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、熱等靜壓燒結或者小試樣的快速等溫燒結，才可能獲得致密燒結的塊體納米陶瓷。在這種工藝條件下，一是對燒成設備的技術要求很高,二是很難制備復雜形狀和尺寸的納米陶瓷制品。開發(fā)高性能低成本的納米陶瓷制備新技術，是使納米陶瓷制品實現(xiàn)產業(yè)化并獲得廣泛應用的關鍵。

5高性能陶瓷與納米陶瓷的發(fā)展趨勢

21世紀是技術競爭的世紀，納米材料更是成為材料科學和凝聚態(tài)物理領域中的熱點。世界發(fā)達國家對納米材料的研究投入了大量的人力、物力和財力并制定了長遠計劃，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產業(yè)，取得了良好的經濟效益。

有資料顯示，從一些主要工業(yè)國家的高性能陶瓷(包括納米陶瓷)、工程陶瓷的市場統(tǒng)計和預測可以看出,高性能陶瓷每5年的銷售額翻一番,市場平均每年的增長率在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看,也是不斷增長的,這說明在高性能陶瓷中,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度、高硬度以及優(yōu)良抗氧化性、耐磨性、耐腐蝕性的產品市場前景更是看好。納米陶瓷具有優(yōu)異的性能，是現(xiàn)代高新技術、新興產業(yè)和傳統(tǒng)工業(yè)改造的物質基礎，也是發(fā)展現(xiàn)代工業(yè)技術不可缺少的材料，具有廣闊的應用前景和潛在的巨大社會經濟效益，受到各大發(fā)達國家的高度重視。時下，我國一些具有戰(zhàn)略眼光的企業(yè)已率先進入了這個21世紀最重要的技術領域，投資納米技術的上市公司不斷增加，在證券市場上形成了引人注目的納米板塊。通過嫁接納米技術，實現(xiàn)產業(yè)升級取得明顯效果，贏得了寶貴的發(fā)展機遇，使納米技術在經濟應用領域發(fā)揮越來越大的作用。在世界經濟一體化的背景下，各個國家在世界制造業(yè)的產業(yè)價值鏈中的位置決定了該國的經濟地位，一場悄無聲息的“戰(zhàn)爭”已在納米領域拉開了序幕。世界許多國家和企業(yè)都紛紛制定了相應的戰(zhàn)略或計劃，投入巨資搶占納米技術的戰(zhàn)略高地，世界各國已經走入搏奕納米時代。

美國政府已把國家納米技術戰(zhàn)略作為最優(yōu)先考慮的戰(zhàn)略。美國的舉動使日本大為震驚，日本科技廳決定設立“納米材料研究中心”，通產省也決定實施為期7年的“納米材料工程”計劃，每年投入50億日元。德國、法國、英國也分別擬訂了本國的“國家納米技術計劃”，將納米技術列為21世紀科研創(chuàng)新的戰(zhàn)略領域。印度則公開宣稱：要像重視抓軟件一樣重視納米技術的研究。西方發(fā)達國家特種復合陶瓷材料的增長速度每年平均不低于15%。由于納米陶瓷具有不同于傳統(tǒng)陶瓷的獨特性能,納米陶瓷材料制成的燒結體可作為儲氫材料、熱交換器、微孔過濾器以及檢測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新的歷史時期。我國對納米事業(yè)也非常重視。納米技術列入我國863計劃，并且取得了突破性的成果，從在國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的“超級纖維”碳納米管；從組裝出世界上最細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；從合成高質量的儲氫碳納米材料到得到點直徑為1.3nm的超高密度信息存儲材料。我們在這一最活躍的前沿科學領域里取得一系列令世界矚目的成績，奠定了我國在這一領域的世界領先地位。迄今為止，我國己建立了10多條納米材料生產線，納米復合塑料、橡膠和纖維的改性、納米功能涂層材料的設計和應用，納米材料在能源和環(huán)保等方面的應用開發(fā)正在我國蓬勃興起。以微電子器件為基礎的計算機和自動化電器進入社會的各個領域，我國當時沒有跟進，自從微電子核心技術受制于人，至今仍為制約我國信息產業(yè)發(fā)展的重要瓶頸，而在納米電器件上，我國完全有實力爭奪納米材料的知識產權，如何保持乃至發(fā)揚現(xiàn)有優(yōu)勢，保證我國在納米技術上不再落伍，將是今后很長一個時期我們必須面對的重點課題。

納米與抗菌技術相互結合應用在陶瓷生產中，將極大地改善傳統(tǒng)陶瓷的性能。目前常見內墻磚、地磚、衛(wèi)生潔具，用于室內機會較多，這類產品應采用無機抗菌劑型，特別是向納米材料抗菌劑類型產品方向發(fā)展。而外墻磚等外墻制品因有充足的陽光，可以采用光催化劑型抗菌劑，最好能發(fā)展“親水自潔型”產品。因為高層外墻可吸收空氣水分,保持自潔，同時并有抗菌效果。但目前抗菌陶瓷技術還存在以下技術難題，使其在建材工業(yè)上廣泛應用受到制約。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，解決薄膜老化問題；三是如何能快速直觀檢測出抗菌陶瓷與普通陶瓷的差別，這是被消費者認可的關鍵。同時，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合力不夠、使用耐久性差、成本較高等問題。上述問題的根本解決有賴于深入的基礎研究，尤其是應用基礎研究。圍繞這些問題展開進一步研究，不僅可望在抗菌陶瓷技術上得到較大突破，而且可使抗菌陶瓷真正大規(guī)模走向市場。無機抗菌劑和納米抗菌劑都能適應建筑衛(wèi)生陶瓷的高溫燒成。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內墻磚比較容易，地磚次之，衛(wèi)生陶瓷最難。另外,添加1%～2%的載銀抗菌劑對某些釉料將會降低釉的始熔溫度，有些釉會與某種抗菌劑在高溫下反應，破壞抗菌劑的結構，造成抗菌劑中某物質析出等問題，這些問題在選擇抗菌劑及釉的種類時值得注意。為了提高抗菌劑的耐溫性，確保同一抗菌劑能適用于高溫燒成，某研究單位正在著手研究一種類似于包裹色料一樣的“包裹”結構抗菌劑,以利于抗菌劑在更高溫度下燒成?？咕沾芍破吩趪獠簧侔l(fā)達國家已投放市場，我國雖有成果報道及少量產品上市，但與我國陶瓷產量相比，仍屬初級開發(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世紀陶瓷領域主要研究方向之一。如果說減少污染、降低能耗、改進工藝、提高質量是陶瓷行業(yè)技術改造目標，那么開發(fā)生態(tài)和環(huán)保陶瓷、改善人類生存環(huán)境、提高生活質量就是陶瓷行業(yè)的發(fā)展方向。

6結束語

納米陶瓷作為一種新型高性能陶瓷,是近年發(fā)展起來的一門全新的科學技術,它將成為新世紀最重要的高新技術,將越來越受到世界各國科學家的關注。近年來，隨著人民生活水平的不斷提高和保健意識的增強，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。現(xiàn)在住宅的密封性好，通氣不良，且房間的溫度相對較高，這樣的環(huán)境為霉菌和細菌的繁殖生長提供了條件；特別是現(xiàn)代住宅密集，樓層高，人們在室內活動時間較長，這些都為環(huán)境污染提供了更多的機會，也呼喚著抗菌材料應用。從納米陶瓷所表現(xiàn)出的延展性與超塑性等系列新的、高的性能來看,它充分呈現(xiàn)了潛在廣泛應用前景,但大多數制備技術尚處于實驗研究階段,僅少數進入應用階段,而且存在產量低,成本高,難以工業(yè)化生產等問題,而納米粉末的收集和貯存也有一定困難,目前對納米粉料在化學制備過程中的團聚形成機理及分析粉料的燒結動力學和相應的物理化學機理以及簡便易行、較低成本的生產工藝都是納米陶瓷所需研究的內容。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,以及引起陶瓷學理論上的發(fā)展乃至建立新理論體系,以適應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域乃至日常生活中得到更廣泛的應用。

·信息·

陶瓷產業(yè)轉型升級嘗試走綠色節(jié)能路線

陶瓷生產加工必須走資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的新型工業(yè)化道路。在國家政策的規(guī)定下，只有升級轉型才是唯一的出路，對此，陶瓷業(yè)內人士一致認為，陶瓷產業(yè)升級轉型可以嘗試走綠色節(jié)能路線。

經過幾十年的發(fā)展，我國陶瓷行業(yè)已成為門類齊全、規(guī)模龐大、體系完整、產品配套能力強、具有明顯國際競爭力的重要原材料和制品工業(yè)，在國際市場占重要地位。而隨著節(jié)能建筑廣泛推廣，社會對陶瓷業(yè)提出了新的要求，市場對陶瓷產品節(jié)能、降耗、環(huán)保指標的要求也越來越高。新型綠色節(jié)能陶瓷若能順應節(jié)能、環(huán)保形勢的發(fā)展，將成為炙手可熱的產品。據了解，新型節(jié)能陶瓷產品目前在市場中正在逐漸增多，比如，綠色環(huán)保涂料、節(jié)能節(jié)水衛(wèi)浴產品、環(huán)保石材、環(huán)保外墻磚等。節(jié)能環(huán)保產品在陶瓷行業(yè)廣闊的市場中前景令人看好。產品的銷量也在不斷上升，逐漸受到消費者的青睞。雖然，新型綠色節(jié)能陶瓷在市場上已經贏得消費者的認可，但是對于陶瓷產區(qū)而言卻又具有很大的阻力，首先，生產成本及市場的限制。一直以來都是走傳統(tǒng)的陶瓷生產路線，其生產成本較低以定位中低檔市場，而轉換成綠色節(jié)能陶瓷生產將大大增加企業(yè)生產成本，同時還要新建市場網絡布局與定位；其次，核心技術缺失。由傳統(tǒng)陶瓷生產向新型陶瓷生產需要各方面技術的支持，而目前最缺的就是核心陶瓷研發(fā)技術，沒有技術的支持升級轉型只是紙上談兵。此外，對于相關的配套設施也要不斷的完善跟進。

然而，陶瓷業(yè)內人士認為，在低碳時代到來之際，新型節(jié)能陶瓷正是迎合市場發(fā)展潮流的產物，節(jié)能環(huán)保產品也必將成為陶瓷行業(yè)未來的發(fā)展趨勢。目前陶瓷產業(yè)轉型升級已經是迫在眉睫，這也給新型陶瓷的發(fā)展帶來了契機。

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