基于纳米陶瓷材料特性的陶瓷产品设计要点研究

喻斐

（景德镇学院，景德镇，333000）

0 引言

普通的陶瓷材料在品质上存在着许多缺陷，从而导致其在产品设计中受到严重的制约，而纳米陶瓷材料则完全不同，凭借着卓越的材料品质，能够在普通陶瓷材料力不能胜的领域中发挥重要而独特的作用。纳米陶瓷材料是随着纳米材料的发展而逐渐兴起的，并在近年来呈不断发展之势。纳米材料是21世纪材料发展最重要的方向之一，因此，纳米陶瓷材料尽管仍处在发展的初期阶段，但是在未来却有着非常广阔的发展潜力与空间，并受到业内人士的广泛关注，纳米陶瓷产品也将以优越的性能与品质而在未来的陶瓷产品中大放异彩。由于材料的特殊性能，纳米陶瓷产品的设计显然与普通陶瓷产品的设计是大不相同的，它必须基于纳米陶瓷材料特性，并在此基础上设计出契合于人们需求的产品。

1 纳米陶瓷材料特性

纳米陶瓷材料与普通陶瓷材料的不同之处在于，它在显微结构中呈现出纳米量级的物相，是利用纳米粉体对陶瓷材料进行改性，加入或生成纳米量级的颗粒、晶片纤维等等，使晶粒、晶界及其结合均达到纳米级别，从而产生出与普通陶瓷材料大不相同的独特性能，从而为陶瓷材料的应用拓展出一个全新的领域。纳米陶瓷材料具有许多特性，大致地来说，主要包括以下几种特性。

1.1 超塑性

纳米陶瓷材料的超塑性指的是在拉伸试验中，能够达到超出一般的形变，从而成为一种可塑性很强的陶瓷材料。就普通陶瓷材料而言，是一种可塑性非常低的材料，作为一种脆性材料，在常温下几乎不发生形变。而纳米陶瓷材料则不然，它的材料颗粒在外力作用下是非常容易发生迁移的，能够自由地弯曲延展，具有很强的韧性，从而表现出很强的可塑性。其中的纳米二氧化钛材料，在常温条件下即可以发生塑性形变，而在180摄氏度时，其塑性形变可达至100%。纳米陶瓷材料的这种趣塑性特点为陶瓷材料在低温下进行塑性成形提供了条件。

1.2 低温烧结性

由于纳米陶瓷材料具有很强的塑性形变性能，因而在烧结温度上也大大降低。通常来说，纳米陶瓷材料的烧结温度与普通陶瓷相比要降低500至600摄氏度，这就使得烧结的速度大大加快，也大大节约了能源，对于需要高温烧结的陶瓷材料来说非常有利。而尽管烧成温度低，但纳米陶瓷材料却具有很强的抗高温性能。

1.3 高致密性

在普通陶瓷中，很难做到高致密性和细结晶的同时存在，而在陶瓷中引入纳米材料，则无需添加任何助剂即可以实现高致密性和细结晶，经高温烧结以后能够达到几乎百分之百的致密性。高致密性使得纳米陶瓷材料非常精细，能够抵抗各种强腐蚀性物质并具有很强的耐磨性。

1.4 高韧性

在陶瓷中，只需要添加少量的纳米材料，即可以极大地增强陶瓷材料的抗弯曲性和断裂韧性，远远地超过普通陶瓷材料，从而使纳米陶瓷材料成为一种高强度的材料，不易发生破裂。如在室温下，纳米二氧化钛陶瓷材料能够压缩至原长度的四分之一而不断裂。再如，在陶瓷材料中加入适量的纳米二氧化硅材料，即可以使陶瓷材料的韧性增强数倍至数十倍之多。由于高致密性和高韧性，纳米陶瓷材料的硬度也非常高，是普通陶瓷硬度的5-6倍，远远大于普通陶瓷材料，在力学性能上非常优越。

1.5 磁电特性

纳米陶瓷材料还能够与铁磁原子一样具有磁性，依据相互作用的大小，可以表现出超顺、超铁等磁性特性。纳米陶瓷材料还能够很好地提高陶瓷材料的绝缘性以及介电性，而这也是普通陶瓷材料所不具备的特性。

2 纳米陶瓷产品设计领域

由于纳米陶瓷材料所具有的优越性能，它在陶瓷产品设计中的应用领域非常广泛，在建筑卫生、军事防护等等各个领域的陶瓷产品设计当中均能够发挥非常积极而突出的作用。

2.1 建筑卫生陶瓷产品设计

我国的建筑陶瓷进入21世纪以后迅猛发展，从产量上来看，已经成为世界建筑陶瓷大国，但是高档建筑陶瓷釉料仍需要进口，高档卫生陶瓷也需要大量进口。而纳米陶瓷材料如果在我国建筑卫生陶瓷产品设计中得到广泛应用，将推动我国功能性建筑卫生陶瓷产品设计的大发展，包括诸如保洁、抗菌、荧光、变色等功能的建筑卫生陶瓷产品的设计。由于纳米陶瓷材料的高韧性、高硬度等优越性能，也将极大地增强建筑卫生陶瓷的品质，从而增强中国建筑卫生陶瓷的国际市场竞争力，树立国际性品牌。

2.2 军事防护陶瓷产品设计

普通陶瓷是采用脆性材料制作的，其防护能力非常低下，稍微遭受外力撞击即可能出面釉面或胎体受损，而纳米陶瓷材料则不然，它具有极强的防护能力，能够抵御很强的冲击力，因此纳米陶瓷材料可以广泛地应用于军事防护产品的设计制作当中，如设计制作纳米防弹陶瓷层，用于防弹背心、坦克、车辆的装甲防护等。采用纳米陶瓷材料设计的防护陶瓷产品，较金属防护材料要轻便，而性能则更为优越，能够发挥重要的国防作用。

2.3 抗高温陶瓷产品设计

纳米陶瓷材料具有超强的抗高温能力，并具有良好的抗腐蚀性、耐磨性等优越性能，在高温陶瓷产品设计中亦有很大发展空间。利用抗高温的能力，可以将其应用于涡轮发动机高温部件的设计当中，提高其稳定性和使用寿命。

2.4 生物陶瓷产品设计

利用纳米陶瓷材料的强大特性，在生物陶瓷产品设计中亦能够发挥极大作用，如陶瓷牙齿、陶瓷骨胳、陶瓷关节等等生物陶瓷产品设计中，如果应用纳米材料，可以极大地提高产品的性能，代替传统的植入体，更为安全便捷，提高使用效率及降低成本，并具有很好的生物相融性，因而应用前景也十分广阔。

2.5 刀具陶瓷产品设计

纳米陶瓷材料在生活陶瓷当中同样能够得到广泛应用，纳米刀具陶瓷产品即是典型例子。采用纳米陶瓷材料设计的刀具陶瓷产品具有更强的硬度和切削能力，并且耐磨和抗腐蚀，在高温环境中也能正常使用，因此，纳米陶瓷材料是刀具陶瓷产品设计的理想材料。

2.6 电子陶瓷产品设计

纳米陶瓷材料所具有电学性能使之也能够广泛地应用于电子陶瓷产品设计当中，诸如基板、感测器、电容器、压电蜂鸣器等等，还可以利用其超高纯度、热导性和耐干扰等性能，用来制作下一代电脑芯片，应用前景亦十分广阔。

3 基于纳米材料特性的陶瓷产品设计要点

3.1 注重突出纳米陶瓷材料的优越性能

采用纳米陶瓷材料制作的陶瓷产品与普通陶瓷相比，最大的区别在于其显著的材料特性，而消费者看重的也正是纳米陶瓷产品的优越性能，因此，纳米陶瓷产品在设计中应当尽量突出与强调纳米陶瓷产品与众不同的优越品质。纳米陶瓷材料的优越特性在前文中已加以介绍，在纳米陶瓷材料设计中，不可能突出所有的材质优势，因而在设计中依据产品类型的不同而突出纳米陶瓷材料一种或几种优越的材料特性，如在纳米建筑陶瓷产品设计中注重其出众的环保特性与高韧性、高硬度以及特殊装饰效果；在纳米军事陶瓷产品设计中注重其出众的防护能力等等。总之，纳米陶瓷产品设计时，应当使纳米陶瓷产品能够非常快速地向消费者展示出纳米陶瓷产品与众不同的优越材料性能，使消费者能够迅速感受到纳米陶瓷产品的独特魅力。

3.2 注重纳米陶瓷产品的精小性

与普通陶瓷材料相比，纳米陶瓷产品所采用的纳米陶瓷材料是一种精致小巧的纳米级材料，因此，在纳米陶瓷产品设计中应当注重纳米陶瓷产品的精小性，以突出纳米陶瓷材料能够制造非常精微的产品的优势。也正因为如此，纳米陶瓷产品大都具有非常精巧的结构，体积往往也很小，很多时候只是产品中的局部结构中使用精巧的纳米陶瓷，以达到普通陶瓷材料所难以达到的精微性，因而纳米陶瓷产品设计中不宜像普通陶瓷那样设计大型甚至超大型的产品，而是需要注重其精小性，既避免浪费宝贵的纳米陶瓷材料，也能够突出纳米陶瓷材料的精微特性，同时也使得纳米陶瓷产品因小巧和质量轻而具有便携性的特点。

3.3 注重纳米陶瓷产品的环保性

具有自洁特性是纳米陶瓷产品的重要材料特性之一，这是因为纳米陶瓷材料因分子结构非常细小，空气中的灰尘等细小颗粒非常难以在纳米陶瓷产品上附着，从而使纳米陶瓷产品具有自洁性，而普通的陶瓷产品则不具有自洁性，时间放置较久即沾满灰尘，需要花费较大气力进行清洁。与此同时，纳米陶瓷材料在光照条件下表现活跃并与表面附着的有机物发生氧化还原反应，从而使产品表面附着的有机物转化为二氧化碳和水，达到去污的效果。因此，纳米陶瓷产品具有很强的环保特性，纳米陶瓷产品设计时应当充分发挥与突出与环保特性，如运用于建筑卫生陶瓷当中，使消费者感受到洁净环保的特殊性能。

3.4 注重契合消费者需求

不同的消费者对纳米陶瓷产品有着不同的需求，这就需要纳米陶瓷产品设计者不应只注重于在产品设计中突出与强调其材料的优越特性，还应当关注不同消费人群的不同需求，及时地了解这些需求并进行深入分析，以使所设计的纳米陶瓷产品既具有优越的材料性能，而同时也能使这些材料性能契合于特定消费群体的需求。消费者的需求不仅在于材料的功能性，还包括审美需求、情感需求等等。因此，纳米陶瓷产品设计中，不仅应当注重发挥材料的优越功能，还应尽力做到美观，成为实用与审美的结合体，并通过一些人性化的设计，使消费者产生一种舒适美好的消费体验。

3.5 注重纳米陶瓷产品的与时俱进

至目前为止，纳米陶瓷材料的研发仍属于初兴阶段，技术处在不断更新当中，因此，纳米陶瓷产品设计中，应当做到与时俱进，关注国内外纳米陶瓷材料技术的发展新动向，及时了解纳料陶瓷材料最新研究成果，并在设计中尽量采用新的先进技术。纳米科技是未来科技发展的重要方向，是构成各国核心竞争力的重要组成部分，纳米陶瓷产品也必将在未来成为陶瓷产品中体现国家核心竞争力的非常重要的产品，因此，纳米陶瓷产品设计者应当抱着一种使命感与责任感进行设计，努力吸取纳米陶瓷材料的最新成果，使产品能够处于先进水平并不断向前发展。

4 结语

纳米陶瓷材料作为一种新型的陶瓷材料，进入21世纪以来迅速发展，正在受到世界各国的高度关注与重视，以战略性的高度并对其开展深入研究。纳米陶瓷产品则是基于纳米陶瓷材料性能而设计制作的特殊陶瓷产品，由于纳米陶瓷材料本身也还有许多工艺问题有待解决，因此，纳米陶瓷产品的设计可以说还处于起步阶段，而要真正达到完善与成熟则还有很长的一段路要走。目前，纳米陶瓷材料技术正在不断地取得新的进展，而这就为纳米陶瓷产品的设计提供了源源不断地推动与促进力量，而反过来，纳米陶瓷产品设计的发展也将对纳米陶瓷材料技术的进步产生加速作用，因此，纳米陶瓷材料和纳米陶瓷产品设计的未来可期。