基于納米陶瓷材料特性的陶瓷產(chǎn)品設(shè)計要點研究

喻斐

（景德鎮(zhèn)學(xué)院，景德鎮(zhèn)，333000）

0 引言

普通的陶瓷材料在品質(zhì)上存在著許多缺陷，從而導(dǎo)致其在產(chǎn)品設(shè)計中受到嚴(yán)重的制約，而納米陶瓷材料則完全不同，憑借著卓越的材料品質(zhì)，能夠在普通陶瓷材料力不能勝的領(lǐng)域中發(fā)揮重要而獨特的作用。納米陶瓷材料是隨著納米材料的發(fā)展而逐漸興起的，并在近年來呈不斷發(fā)展之勢。納米材料是21世紀(jì)材料發(fā)展最重要的方向之一，因此，納米陶瓷材料盡管仍處在發(fā)展的初期階段，但是在未來卻有著非常廣闊的發(fā)展?jié)摿εc空間，并受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注，納米陶瓷產(chǎn)品也將以優(yōu)越的性能與品質(zhì)而在未來的陶瓷產(chǎn)品中大放異彩。由于材料的特殊性能，納米陶瓷產(chǎn)品的設(shè)計顯然與普通陶瓷產(chǎn)品的設(shè)計是大不相同的，它必須基于納米陶瓷材料特性，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出契合于人們需求的產(chǎn)品。

1 納米陶瓷材料特性

納米陶瓷材料與普通陶瓷材料的不同之處在于，它在顯微結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)出納米量級的物相，是利用納米粉體對陶瓷材料進行改性，加入或生成納米量級的顆粒、晶片纖維等等，使晶粒、晶界及其結(jié)合均達到納米級別，從而產(chǎn)生出與普通陶瓷材料大不相同的獨特性能，從而為陶瓷材料的應(yīng)用拓展出一個全新的領(lǐng)域。納米陶瓷材料具有許多特性，大致地來說，主要包括以下幾種特性。

1.1 超塑性

納米陶瓷材料的超塑性指的是在拉伸試驗中，能夠達到超出一般的形變，從而成為一種可塑性很強的陶瓷材料。就普通陶瓷材料而言，是一種可塑性非常低的材料，作為一種脆性材料，在常溫下幾乎不發(fā)生形變。而納米陶瓷材料則不然，它的材料顆粒在外力作用下是非常容易發(fā)生遷移的，能夠自由地彎曲延展，具有很強的韌性，從而表現(xiàn)出很強的可塑性。其中的納米二氧化鈦材料，在常溫條件下即可以發(fā)生塑性形變，而在180攝氏度時，其塑性形變可達至100%。納米陶瓷材料的這種趣塑性特點為陶瓷材料在低溫下進行塑性成形提供了條件。

1.2 低溫?zé)Y(jié)性

由于納米陶瓷材料具有很強的塑性形變性能，因而在燒結(jié)溫度上也大大降低。通常來說，納米陶瓷材料的燒結(jié)溫度與普通陶瓷相比要降低500至600攝氏度，這就使得燒結(jié)的速度大大加快，也大大節(jié)約了能源，對于需要高溫?zé)Y(jié)的陶瓷材料來說非常有利。而盡管燒成溫度低，但納米陶瓷材料卻具有很強的抗高溫性能。

1.3 高致密性

在普通陶瓷中，很難做到高致密性和細(xì)結(jié)晶的同時存在，而在陶瓷中引入納米材料，則無需添加任何助劑即可以實現(xiàn)高致密性和細(xì)結(jié)晶，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)以后能夠達到幾乎百分之百的致密性。高致密性使得納米陶瓷材料非常精細(xì)，能夠抵抗各種強腐蝕性物質(zhì)并具有很強的耐磨性。

1.4 高韌性

在陶瓷中，只需要添加少量的納米材料，即可以極大地增強陶瓷材料的抗彎曲性和斷裂韌性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過普通陶瓷材料，從而使納米陶瓷材料成為一種高強度的材料，不易發(fā)生破裂。如在室溫下，納米二氧化鈦陶瓷材料能夠壓縮至原長度的四分之一而不斷裂。再如，在陶瓷材料中加入適量的納米二氧化硅材料，即可以使陶瓷材料的韌性增強數(shù)倍至數(shù)十倍之多。由于高致密性和高韌性，納米陶瓷材料的硬度也非常高，是普通陶瓷硬度的5-6倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通陶瓷材料，在力學(xué)性能上非常優(yōu)越。

1.5 磁電特性

納米陶瓷材料還能夠與鐵磁原子一樣具有磁性，依據(jù)相互作用的大小，可以表現(xiàn)出超順、超鐵等磁性特性。納米陶瓷材料還能夠很好地提高陶瓷材料的絕緣性以及介電性，而這也是普通陶瓷材料所不具備的特性。

2 納米陶瓷產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域

由于納米陶瓷材料所具有的優(yōu)越性能，它在陶瓷產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在建筑衛(wèi)生、軍事防護等等各個領(lǐng)域的陶瓷產(chǎn)品設(shè)計當(dāng)中均能夠發(fā)揮非常積極而突出的作用。

2.1 建筑衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品設(shè)計

我國的建筑陶瓷進入21世紀(jì)以后迅猛發(fā)展，從產(chǎn)量上來看，已經(jīng)成為世界建筑陶瓷大國，但是高檔建筑陶瓷釉料仍需要進口，高檔衛(wèi)生陶瓷也需要大量進口。而納米陶瓷材料如果在我國建筑衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用，將推動我國功能性建筑衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品設(shè)計的大發(fā)展，包括諸如保潔、抗菌、熒光、變色等功能的建筑衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品的設(shè)計。由于納米陶瓷材料的高韌性、高硬度等優(yōu)越性能，也將極大地增強建筑衛(wèi)生陶瓷的品質(zhì)，從而增強中國建筑衛(wèi)生陶瓷的國際市場競爭力，樹立國際性品牌。

2.2 軍事防護陶瓷產(chǎn)品設(shè)計

普通陶瓷是采用脆性材料制作的，其防護能力非常低下，稍微遭受外力撞擊即可能出面釉面或胎體受損，而納米陶瓷材料則不然，它具有極強的防護能力，能夠抵御很強的沖擊力，因此納米陶瓷材料可以廣泛地應(yīng)用于軍事防護產(chǎn)品的設(shè)計制作當(dāng)中，如設(shè)計制作納米防彈陶瓷層，用于防彈背心、坦克、車輛的裝甲防護等。采用納米陶瓷材料設(shè)計的防護陶瓷產(chǎn)品，較金屬防護材料要輕便，而性能則更為優(yōu)越，能夠發(fā)揮重要的國防作用。

2.3 抗高溫陶瓷產(chǎn)品設(shè)計

納米陶瓷材料具有超強的抗高溫能力，并具有良好的抗腐蝕性、耐磨性等優(yōu)越性能，在高溫陶瓷產(chǎn)品設(shè)計中亦有很大發(fā)展空間。利用抗高溫的能力，可以將其應(yīng)用于渦輪發(fā)動機高溫部件的設(shè)計當(dāng)中，提高其穩(wěn)定性和使用壽命。

2.4 生物陶瓷產(chǎn)品設(shè)計

利用納米陶瓷材料的強大特性，在生物陶瓷產(chǎn)品設(shè)計中亦能夠發(fā)揮極大作用，如陶瓷牙齒、陶瓷骨胳、陶瓷關(guān)節(jié)等等生物陶瓷產(chǎn)品設(shè)計中，如果應(yīng)用納米材料，可以極大地提高產(chǎn)品的性能，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的植入體，更為安全便捷，提高使用效率及降低成本，并具有很好的生物相融性，因而應(yīng)用前景也十分廣闊。

2.5 刀具陶瓷產(chǎn)品設(shè)計

納米陶瓷材料在生活陶瓷當(dāng)中同樣能夠得到廣泛應(yīng)用，納米刀具陶瓷產(chǎn)品即是典型例子。采用納米陶瓷材料設(shè)計的刀具陶瓷產(chǎn)品具有更強的硬度和切削能力，并且耐磨和抗腐蝕，在高溫環(huán)境中也能正常使用，因此，納米陶瓷材料是刀具陶瓷產(chǎn)品設(shè)計的理想材料。

2.6 電子陶瓷產(chǎn)品設(shè)計

納米陶瓷材料所具有電學(xué)性能使之也能夠廣泛地應(yīng)用于電子陶瓷產(chǎn)品設(shè)計當(dāng)中，諸如基板、感測器、電容器、壓電蜂鳴器等等，還可以利用其超高純度、熱導(dǎo)性和耐干擾等性能，用來制作下一代電腦芯片，應(yīng)用前景亦十分廣闊。

3 基于納米材料特性的陶瓷產(chǎn)品設(shè)計要點

3.1 注重突出納米陶瓷材料的優(yōu)越性能

采用納米陶瓷材料制作的陶瓷產(chǎn)品與普通陶瓷相比，最大的區(qū)別在于其顯著的材料特性，而消費者看重的也正是納米陶瓷產(chǎn)品的優(yōu)越性能，因此，納米陶瓷產(chǎn)品在設(shè)計中應(yīng)當(dāng)盡量突出與強調(diào)納米陶瓷產(chǎn)品與眾不同的優(yōu)越品質(zhì)。納米陶瓷材料的優(yōu)越特性在前文中已加以介紹，在納米陶瓷材料設(shè)計中，不可能突出所有的材質(zhì)優(yōu)勢，因而在設(shè)計中依據(jù)產(chǎn)品類型的不同而突出納米陶瓷材料一種或幾種優(yōu)越的材料特性，如在納米建筑陶瓷產(chǎn)品設(shè)計中注重其出眾的環(huán)保特性與高韌性、高硬度以及特殊裝飾效果；在納米軍事陶瓷產(chǎn)品設(shè)計中注重其出眾的防護能力等等。總之，納米陶瓷產(chǎn)品設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)使納米陶瓷產(chǎn)品能夠非?？焖俚叵蛳M者展示出納米陶瓷產(chǎn)品與眾不同的優(yōu)越材料性能，使消費者能夠迅速感受到納米陶瓷產(chǎn)品的獨特魅力。

3.2 注重納米陶瓷產(chǎn)品的精小性

與普通陶瓷材料相比，納米陶瓷產(chǎn)品所采用的納米陶瓷材料是一種精致小巧的納米級材料，因此，在納米陶瓷產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)當(dāng)注重納米陶瓷產(chǎn)品的精小性，以突出納米陶瓷材料能夠制造非常精微的產(chǎn)品的優(yōu)勢。也正因為如此，納米陶瓷產(chǎn)品大都具有非常精巧的結(jié)構(gòu)，體積往往也很小，很多時候只是產(chǎn)品中的局部結(jié)構(gòu)中使用精巧的納米陶瓷，以達到普通陶瓷材料所難以達到的精微性，因而納米陶瓷產(chǎn)品設(shè)計中不宜像普通陶瓷那樣設(shè)計大型甚至超大型的產(chǎn)品，而是需要注重其精小性，既避免浪費寶貴的納米陶瓷材料，也能夠突出納米陶瓷材料的精微特性，同時也使得納米陶瓷產(chǎn)品因小巧和質(zhì)量輕而具有便攜性的特點。

3.3 注重納米陶瓷產(chǎn)品的環(huán)保性

具有自潔特性是納米陶瓷產(chǎn)品的重要材料特性之一，這是因為納米陶瓷材料因分子結(jié)構(gòu)非常細(xì)小，空氣中的灰塵等細(xì)小顆粒非常難以在納米陶瓷產(chǎn)品上附著，從而使納米陶瓷產(chǎn)品具有自潔性，而普通的陶瓷產(chǎn)品則不具有自潔性，時間放置較久即沾滿灰塵，需要花費較大氣力進行清潔。與此同時，納米陶瓷材料在光照條件下表現(xiàn)活躍并與表面附著的有機物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而使產(chǎn)品表面附著的有機物轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，達到去污的效果。因此，納米陶瓷產(chǎn)品具有很強的環(huán)保特性，納米陶瓷產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮與突出與環(huán)保特性，如運用于建筑衛(wèi)生陶瓷當(dāng)中，使消費者感受到潔凈環(huán)保的特殊性能。

3.4 注重契合消費者需求

不同的消費者對納米陶瓷產(chǎn)品有著不同的需求，這就需要納米陶瓷產(chǎn)品設(shè)計者不應(yīng)只注重于在產(chǎn)品設(shè)計中突出與強調(diào)其材料的優(yōu)越特性，還應(yīng)當(dāng)關(guān)注不同消費人群的不同需求，及時地了解這些需求并進行深入分析，以使所設(shè)計的納米陶瓷產(chǎn)品既具有優(yōu)越的材料性能，而同時也能使這些材料性能契合于特定消費群體的需求。消費者的需求不僅在于材料的功能性，還包括審美需求、情感需求等等。因此，納米陶瓷產(chǎn)品設(shè)計中，不僅應(yīng)當(dāng)注重發(fā)揮材料的優(yōu)越功能，還應(yīng)盡力做到美觀，成為實用與審美的結(jié)合體，并通過一些人性化的設(shè)計，使消費者產(chǎn)生一種舒適美好的消費體驗。

3.5 注重納米陶瓷產(chǎn)品的與時俱進

至目前為止，納米陶瓷材料的研發(fā)仍屬于初興階段，技術(shù)處在不斷更新當(dāng)中，因此，納米陶瓷產(chǎn)品設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)做到與時俱進，關(guān)注國內(nèi)外納米陶瓷材料技術(shù)的發(fā)展新動向，及時了解納料陶瓷材料最新研究成果，并在設(shè)計中盡量采用新的先進技術(shù)。納米科技是未來科技發(fā)展的重要方向，是構(gòu)成各國核心競爭力的重要組成部分，納米陶瓷產(chǎn)品也必將在未來成為陶瓷產(chǎn)品中體現(xiàn)國家核心競爭力的非常重要的產(chǎn)品，因此，納米陶瓷產(chǎn)品設(shè)計者應(yīng)當(dāng)抱著一種使命感與責(zé)任感進行設(shè)計，努力吸取納米陶瓷材料的最新成果，使產(chǎn)品能夠處于先進水平并不斷向前發(fā)展。

4 結(jié)語

納米陶瓷材料作為一種新型的陶瓷材料，進入21世紀(jì)以來迅速發(fā)展，正在受到世界各國的高度關(guān)注與重視，以戰(zhàn)略性的高度并對其開展深入研究。納米陶瓷產(chǎn)品則是基于納米陶瓷材料性能而設(shè)計制作的特殊陶瓷產(chǎn)品，由于納米陶瓷材料本身也還有許多工藝問題有待解決，因此，納米陶瓷產(chǎn)品的設(shè)計可以說還處于起步階段，而要真正達到完善與成熟則還有很長的一段路要走。目前，納米陶瓷材料技術(shù)正在不斷地取得新的進展，而這就為納米陶瓷產(chǎn)品的設(shè)計提供了源源不斷地推動與促進力量，而反過來，納米陶瓷產(chǎn)品設(shè)計的發(fā)展也將對納米陶瓷材料技術(shù)的進步產(chǎn)生加速作用，因此，納米陶瓷材料和納米陶瓷產(chǎn)品設(shè)計的未來可期。