納米陶瓷是指晶粒尺寸，晶界寬度，第二相分布，氣孔尺寸，缺陷尺寸均處在100nm及其以下的一種陶瓷材料。由于晶粒尺寸很少，晶界數(shù)量的大幅度增加，可使材料的強(qiáng)度，韌性和超塑性大大提高，對(duì)材料的電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重要影響，為材料的利用開拓了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。已成為材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)。要制備納米陶瓷，首先要制備納米粉末，然后通過成型和燒結(jié)，制備塊體納米陶瓷。 關(guān)于納米粉末的制備方法，國(guó)內(nèi)刊物報(bào)道較多，而納米陶瓷的成型和燒結(jié)方法報(bào)道較少，本文綜合國(guó)內(nèi)外的有關(guān)資料，對(duì)納米陶瓷的各種成型和燒結(jié)方法研究進(jìn)展情況作一簡(jiǎn)要論述。
納米陶瓷的成型 納米粉末由于晶粒尺寸很小，比表面積巨大，利用傳統(tǒng)的成型方法易出現(xiàn)坯體開裂等現(xiàn)象，為此，國(guó)際上正進(jìn)一步采用一些特殊的成型方法來提高素坯的成型強(qiáng)度。一種方法為脈沖電磁力成型法。即脈沖電磁力在納米Al2O3粉上產(chǎn)生2～10GPa，持續(xù)幾個(gè)微秒的壓力脈沖，能使樣品達(dá)到62～83%的理論密度。另一種成型方法為二次加壓成型法。第一次加壓導(dǎo)致納米粉體軟團(tuán)聚的破碎。第二次加壓導(dǎo)致晶粒的重排，以使顆粒間能更好地接觸，用這種方法可使素坯達(dá)到更高的密度。
納米陶瓷的燒結(jié) 用傳統(tǒng)的陶瓷燒結(jié)方法很難使納米陶瓷致密，且出現(xiàn)晶粒的異常長(zhǎng)大嚴(yán)重影響納米陶瓷所具有的獨(dú)特性能，必須采取一些特殊燒結(jié)方法。綜合國(guó)內(nèi)外的有關(guān)資料，主要有如下幾種燒結(jié)方法。
1 熱壓燒結(jié)和反應(yīng)熱壓燒結(jié) 所謂熱壓燒結(jié)即燒結(jié)的同時(shí)，加上一定外壓力的一種燒結(jié)方法。若燒結(jié)的過程中伴隨化學(xué)反應(yīng)，則稱反應(yīng)熱壓燒結(jié)。該種燒結(jié)方法是一種使納米粉聚集成納米陶瓷而保持完全致密，且沒有顯著粒徑增長(zhǎng)的方法。該種燒結(jié)方法在納米陶瓷的燒結(jié)中得到應(yīng)用。例如：納米TiO2陶瓷的燒結(jié)，在30，57MPa的壓力下材料很難致密。在200 MPa壓力下700℃的熱壓燒結(jié)，樣品已開始致密化，200 MPa 800℃熱壓燒結(jié)樣品的相對(duì)密度可達(dá)92.2%。以Si3N4,AIN,CaCO3和納米β-SiC為原料，在無水乙醇中球磨混合均勻后，烘干過篩，再壓成素坯，以熱壓工藝反應(yīng)燒結(jié)，首先在1000℃保溫0.5h，使CaCO3分解為CaO，然后再分別在1400～1800℃保溫1h，壓力為25MPa。研究表明，納米晶粒的存在阻礙了α-Sialon晶粒的長(zhǎng)大，有可能形成納米SiC-納米-α-Sialon復(fù)相陶瓷。納米SiC的加入能提高材料的硬度，含20%SiC的復(fù)相陶瓷的抗彎強(qiáng)度，硬度比純α-Sialon明顯提高。
2 熱等靜壓燒結(jié) 熱等靜壓（HIP）也是一種成型和燒結(jié)同時(shí)進(jìn)行的方法。它利用常溫等壓工藝與高溫?zé)Y(jié)相結(jié)合的新技術(shù)，解決了普通熱壓中缺乏橫向壓力和制品密度不均勻的問題，并可使納米陶瓷的致密度進(jìn)一步提高。上海硅酸鹽研究所采用高溫等靜壓工藝，制備了納米結(jié)構(gòu)的單相SiC及Si3N4/SiC復(fù)相陶瓷，研究表明，在溫度為1850℃，壓力200MPa條件下保溫1h ,可獲得晶粒尺寸<100nm，結(jié)構(gòu)均勻，致密的單相SiC納米結(jié)構(gòu)陶瓷。在溫度在1750℃，壓力150MPa條件下保溫1h ,可獲得晶粒尺寸50nm左右，結(jié)構(gòu)致密、均勻的復(fù)相Si3N4/SiC納米陶瓷。
3 微波燒結(jié) 微波燒結(jié)是利用在微波電磁場(chǎng)中材料的介質(zhì)損耗使陶瓷整體加熱至燒結(jié)溫度而實(shí)現(xiàn)致密化的快速燒結(jié)技術(shù)。它與常規(guī)燒結(jié)相比具有⑴改進(jìn)材料的顯微結(jié)構(gòu)和宏觀性能；⑵省時(shí)節(jié)能；⑶有極高升溫速度等優(yōu)點(diǎn)。例如對(duì)TiO2納米陶瓷的微波燒結(jié)，在950℃下可使TiO2達(dá)到理論密度98%的致密度。為阻止燒結(jié)過程中的晶粒長(zhǎng)大，可采用快速微波燒結(jié)的方法。例如，含釔ZrO2納米粉（10～20nm）坯體的燒結(jié)，若升溫，降溫速率保持在500℃/min，在1200℃下保溫2min,燒結(jié)體密度可達(dá)理論密度的95%以上，整個(gè)燒結(jié)過程僅需7 min，燒結(jié)體內(nèi)的晶粒尺寸可控制在120nm以下。
4 超高壓燒結(jié) 所謂超高壓燒結(jié)，即在1GPa以上壓力下所進(jìn)行的燒結(jié)。其特點(diǎn)是不僅能夠迅速達(dá)到高密度，而且使晶體結(jié)構(gòu)甚至原子、電子狀態(tài)發(fā)生變化，從而賦予材料在通常燒結(jié)下達(dá)不到的性能。據(jù)報(bào)道，納米非晶Si3N4粉采用超高壓燒結(jié)，在5GPa室溫下壓制的塊體密度已達(dá)理論密度的93%。溫度為800～950℃高壓燒結(jié)體為棕色透明的致密（98%）納米非晶體塊。燒結(jié)溫度為1300～1500℃時(shí)，形成純白色致密納米晶Si3N4塊體，其硬度為15.53～16.05GPa。實(shí)驗(yàn)研究表明，超高壓燒結(jié)納米陶瓷粉可顯著降低燒結(jié)溫度，控制晶粒生長(zhǎng)，是獲得致密納米陶瓷的有效途徑。
5 真空（加壓）燒結(jié) 所謂真空（加壓）燒結(jié)，即在真空條件下施加一定壓力，使坯體氣孔排除，強(qiáng)度增加的一種燒結(jié)方法。該種燒結(jié)方法在納米陶瓷的制備中也得到了應(yīng)用。據(jù)報(bào)道，ZrO2納米陶瓷采用真空燒結(jié)，在975℃下即可致密化，并得到<100nm 晶粒尺寸燒結(jié)體。若再施加一定的壓力，可進(jìn)一步降低燒結(jié)溫度和晶粒尺寸。
6 氣氛燒結(jié)（氣壓燒結(jié)） 氣氛燒結(jié)指在燒結(jié)的同時(shí)，外界保持一定的氣氛以促進(jìn)燒結(jié)致密的一種燒結(jié)方法。燒結(jié)氣氛一般為氧化、還原和中性氣氛。在燒結(jié)中氣氛對(duì)燒結(jié)的影響很復(fù)雜，選用何種氣氛進(jìn)行燒結(jié)，必須通過實(shí)驗(yàn)來確定。 氣氛燒結(jié)在納米陶瓷的制備中也得到應(yīng)用。例如將合成的WC-Co納米粉冷壓成型，然后在H2氣氛下低于WC-Co的共熔溫度（1300℃）進(jìn)行液相燒結(jié)，比傳統(tǒng)的WC-Co硬質(zhì)合金的燒結(jié)溫度低100℃以上。為了防止晶粒長(zhǎng)大，可加入適量添加劑，如VC、TaC、Cr2O3等，可有效地減緩WC晶粒在液相燒結(jié)中的迅速長(zhǎng)大。最終合成晶粒度為200nm的WC-Co硬度合金。又例如以納米SiC-Si3N4復(fù)合粉為原料，加入Al2O3和Y2O3為燒結(jié)助劑，制成素坯后置于以Si3N4為主要成分的粉末床中，在氣壓燒結(jié)爐中1.5MPa氮?dú)鈮毫ο拢?800～2000℃內(nèi)燒結(jié)2h，可得到強(qiáng)度高達(dá)1500MPa的陶瓷復(fù)合材料。
7 原位加壓成型燒結(jié)法 該種方法為納米粉末制備，成型，燒結(jié)在一個(gè)設(shè)備中連續(xù)完成的一種制備納米陶瓷的方法。該種方法的工藝為，首先將某種原料蒸發(fā)，然后冷凝為納米粉，隨后在高真空下進(jìn)行原位加壓成型和燒結(jié)，即可得到納米陶瓷。 該種制備方法的特點(diǎn)為，微粉具有納米級(jí)粒度和表面高潔凈度，使成形燒結(jié)時(shí)物質(zhì)傳遞擴(kuò)散路徑變短，驅(qū)動(dòng)力極大，并產(chǎn)生無污染的晶粒間界。采用直流電弧氮等離子體蒸發(fā)—凝聚法，金屬鈦在高溫氮等離子體焰流下熔融蒸發(fā)，并與之發(fā)生氮化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物迅速冷卻沉積在裝有冷卻介質(zhì)的冷凝器上，旋轉(zhuǎn)冷凝器，在刮刀作用下將產(chǎn)物刮入收集裝置中，得到納米粒子，然后在高真空下進(jìn)行原位加壓（2.5GPa）燒結(jié)，即可得到TiN納米陶瓷。 TiN 納米陶瓷不但具有硬度高、熔點(diǎn)高和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，而且還具有較高的導(dǎo)電性和超導(dǎo)臨界溫度，是一種很好的耐磨材料和電觸頭等功能材料。
以上綜述了制備納米陶瓷的成型和燒結(jié)方法，不同的燒結(jié)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。選擇何種燒結(jié)方法，應(yīng)視具體情況而定。燒結(jié)方法選定以后，如何選擇合理的燒結(jié)工藝制度，以制備出致密且晶粒處在納米級(jí)的陶瓷，需要進(jìn)行大量地、深入地研究工作。
