[发明专利]纳米尺寸陶瓷材料、其合成工艺以及应用

说明书

发明的技术领域

本发明涉及多晶结构的纳米尺寸的陶瓷材料，复合材料或固溶体，它们的合成工艺，在纳米技术领域的应用，即在若干工业中作为纳米涂层、磁性纳米流体、纳米催化剂、生物纳米感应器、若干工业用纳米颜料，用于燃料、空气和水的提纯中的光催化作用的纳米添加剂，超轻纳米复合材料，用于药物在人体中的控制释放的纳米颗粒，纳米标记(nanomaker)、纳米薄膜。

发明的背景

尺寸低于100nm的纳米材料是近年来涌现出来的新学科-纳米技术的基石。实际上，目前全世界都对细微物有着巨大的兴趣，从科学领域到政治本身，而且纳米技术甚至常常出现在世界主要领导人的讲话中。

很显然在日常生活中它具有成为技术突破的潜力，正如在过去发生过的对蒸汽机、火车、汽车、计算机和生物工程的发现。

所有这些令人兴奋的起源来自于某一材料的纳米尺寸颗粒或结构呈现出一系列不同于大尺寸同种材料的电学的、光学的、磁性的和力学的性能的事实，即高塑性、超硬度、低熔点、透明性、单位质量的高表面积，具有随之带来的催化活性的改善、低导热性、磁效应的提高、高半导体发光性，颜色的改变，甚至遵从量子力学的规律，导致一些科学家提出其可能位于新的物态的边缘上。

为了利用由该一系列新性能带来的机会，以及将其转化为实际应用，除了最普通的二元结构(具有两种元素)，如Al₂O₃、ZnO、TiO₂、ZrO₂，纳米陶瓷材料通常还需要：

-由多种元素的组合、以几种三元(ZnFe₂O₄)或更高(LaSrCuO)晶体结构形成的氧化物；

-氮化物类型的、具有共价键/金属键晶体结构的非氧化物：AlON、ALN、SiAlON等；

-复合材料，其来自于单一颗粒中两种或更多的材料(氧化铝/氧化锆)的结合，保持每一种氧化铝和氧化锆的各自晶体结构。

固溶体，在这种情况下，不同于前面的，一种组分“溶解”在另一种中，因此仅可检测到单一连续的晶体结构(不同于最初的那些)，MgO-NiO和氧化铝/氧化铬(在光学纤维领域中有大量的应用)是这种类型的两个例子。

在概念上，陶瓷复合材料由两种或多种纳米材料组合而成，且因此，它们体现出单一物质不能体现出的组合的机械、热学、电学、磁性和光学性质。

一个常见的例子是氧化铝/氧化锆复合材料。由于其高的弹性模量、高的抗磨损和抗刻蚀性、以及高温下的稳定性，氧化铝是一种具有广泛应用范围的材料。然而，其也有一些弱点，即低的断裂韧性和弯曲强度。当与氧化锆相结合形成纳米复合材料时，其达到了适合在生物材料、光学设备和极端需求运行条件中应用的韧性水平。

同样地，用于从水的分解中制备氢的氧化锆电极需要离子和电子导电的结合，需要和氧化铈及氧化钇一直起帛备纳米复合材料ZrO₂-CeO₂-Y₂O₃。

再者，在将具有不同晶体结构的几种元素组合起来的领域中的一项多重技术挑战是设计和获得铝酸锌(ZnAl₂O₄)纳米尖晶石，其具有高温下的高撕裂强度的性质，用于航天工业中。

一组不同的纳米晶体结构，即AB₂X₄、A₂BX₄、ABX₄和ABX₃类型的三元结构(其中A和B代表阳离子，X代表阴离子)对于广泛的专门应用是极为重要的，从超导电性(LiTiO₃)到蓄能(LiMn₂O₄)到顺磁性，这是通过尖晶石型结构-在一定电子水平上存在的不成对电子而引起的。

一个共价键/金属键非氧化物的例子是纳米ALN，显示出了高热导率，使其成为在由于线路集中产生过量的热，导致温度上升和使用速度受限的先进电子电路中氧化铝的替代品。纳米AlN可以通过极快地传导来消散该热量而保持温度稳定。

在上面列出的4种类型的例子中，除了它们的物理性能通常对表征纳米材料很重要，即原始颗粒尺寸、粒径分布、颗粒形态、化学纯度水平、单位体积表面积、表面特性和晶粒尺寸，与简单及二元结构相反，三元和更高的结构的氧化物、共价键/金属键非氧化物、复合材料和固溶体还表现在很难获得的每一颗粒的个体水平上的化学和晶相均一性的苛刻要求，因为在合成过程中除了难于获得和保持纳米尺寸的原始颗粒，需要将不同元素结合。