基于納米陶瓷材料特性的陶瓷產品設計要點研究

喻斐

（景德鎮學院，景德鎮，333000）

0 引言

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

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，它在顯微結構中呈現出納米量級的物相，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、晶界及其結合均達到納米級別，從而產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用拓展出一個全新的領域。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生遷移的，能夠自由地彎曲延展，具有很強的韌性，從而表現出很強的可塑性。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 低溫燒結性

由于納米陶瓷材料具有很強的塑性形變性能，因而在燒結溫度上也大大降低。通常來說，納米陶瓷材料的燒結溫度與普通陶瓷相比要降低500至600攝氏度，這就使得燒結的速度大大加快，也大大節約了能源，對于需要高溫燒結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結晶的同時存在，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高致密性和細結晶，經高溫燒結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，能夠抵抗各種強腐蝕性物質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，遠遠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倍至數十倍之多。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，遠遠大于普通陶瓷材料，在力學性能上非常優越。

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，依據相互作用的大小，可以表現出超順、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 納米陶瓷產品設計領域

由于納米陶瓷材料所具有的優越性能，它在陶瓷產品設計中的應用領域非常廣泛，在建筑衛生、軍事防護等等各個領域的陶瓷產品設計當中均能夠發揮非常積極而突出的作用。

2.1 建筑衛生陶瓷產品設計

我國的建筑陶瓷進入21世紀以后迅猛發展，從產量上來看，已經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生陶瓷產品設計中得到廣泛應用，將推動我國功能性建筑衛生陶瓷產品設計的大發展，包括諸如保潔、抗菌、熒光、變色等功能的建筑衛生陶瓷產品的設計。由于納米陶瓷材料的高韌性、高硬度等優越性能，也將極大地增強建筑衛生陶瓷的品質，從而增強中國建筑衛生陶瓷的國際市場競爭力，樹立國際性品牌。

2.2 軍事防護陶瓷產品設計

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用于軍事防護產品的設計制作當中，如設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計的防護陶瓷產品，較金屬防護材料要輕便，而性能則更為優越，能夠發揮重要的國防作用。

2.3 抗高溫陶瓷產品設計

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、耐磨性等優越性能，在高溫陶瓷產品設計中亦有很大發展空間。利用抗高溫的能力，可以將其應用于渦輪發動機高溫部件的設計當中，提高其穩定性和使用壽命。

2.4 生物陶瓷產品設計

利用納米陶瓷材料的強大特性，在生物陶瓷產品設計中亦能夠發揮極大作用，如陶瓷牙齒、陶瓷骨胳、陶瓷關節等等生物陶瓷產品設計中，如果應用納米材料，可以極大地提高產品的性能，代替傳統的植入體，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，因而應用前景也十分廣闊。

2.5 刀具陶瓷產品設計

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

2.6 電子陶瓷產品設計

納米陶瓷材料所具有電學性能使之也能夠廣泛地應用于電子陶瓷產品設計當中，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、熱導性和耐干擾等性能，用來制作下一代電腦芯片，應用前景亦十分廣闊。

3 基于納米材料特性的陶瓷產品設計要點

3.1 注重突出納米陶瓷材料的優越性能

采用納米陶瓷材料制作的陶瓷產品與普通陶瓷相比，最大的區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品的優越性能，因此，納米陶瓷產品在設計中應當盡量突出與強調納米陶瓷產品與眾不同的優越品質。納米陶瓷材料的優越特性在前文中已加以介紹，在納米陶瓷材料設計中，不可能突出所有的材質優勢，因而在設計中依據產品類型的不同而突出納米陶瓷材料一種或幾種優越的材料特性，如在納米建筑陶瓷產品設計中注重其出眾的環保特性與高韌性、高硬度以及特殊裝飾效果；在納米軍事陶瓷產品設計中注重其出眾的防護能力等等。總之，納米陶瓷產品設計時，應當使納米陶瓷產品能夠非常快速地向消費者展示出納米陶瓷產品與眾不同的優越材料性能，使消費者能夠迅速感受到納米陶瓷產品的獨特魅力。

3.2 注重納米陶瓷產品的精小性

與普通陶瓷材料相比，納米陶瓷產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，在納米陶瓷產品設計中應當注重納米陶瓷產品的精小性，以突出納米陶瓷材料能夠制造非常精微的產品的優勢。也正因為如此，納米陶瓷產品大都具有非常精巧的結構，體積往往也很小，很多時候只是產品中的局部結構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，因而納米陶瓷產品設計中不宜像普通陶瓷那樣設計大型甚至超大型的產品，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品因小巧和質量輕而具有便攜性的特點。

3.3 注重納米陶瓷產品的環保性

具有自潔特性是納米陶瓷產品的重要材料特性之一，這是因為納米陶瓷材料因分子結構非常細小，空氣中的灰塵等細小顆粒非常難以在納米陶瓷產品上附著，從而使納米陶瓷產品具有自潔性，而普通的陶瓷產品則不具有自潔性，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活躍并與表面附著的有機物發生氧化還原反應，從而使產品表面附著的有機物轉化為二氧化碳和水，達到去污的效果。因此，納米陶瓷產品具有很強的環保特性，納米陶瓷產品設計時應當充分發揮與突出與環保特性，如運用于建筑衛生陶瓷當中，使消費者感受到潔凈環保的特殊性能。

3.4 注重契合消費者需求

不同的消費者對納米陶瓷產品有著不同的需求，這就需要納米陶瓷產品設計者不應只注重于在產品設計中突出與強調其材料的優越特性，還應當關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，以使所設計的納米陶瓷產品既具有優越的材料性能，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，納米陶瓷產品設計中，不僅應當注重發揮材料的優越功能，還應盡力做到美觀，成為實用與審美的結合體，并通過一些人性化的設計，使消費者產生一種舒適美好的消費體驗。

3.5 注重納米陶瓷產品的與時俱進

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

4 結語

納米陶瓷材料作為一種新型的陶瓷材料，進入21世紀以來迅速發展，正在受到世界各國的高度關注與重視，以戰略性的高度并對其開展深入研究。納米陶瓷產品則是基于納米陶瓷材料性能而設計制作的特殊陶瓷產品，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，納米陶瓷產品的設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，納米陶瓷材料技術正在不斷地取得新的進展，而這就為納米陶瓷產品的設計提供了源源不斷地推動與促進力量，而反過來，納米陶瓷產品設計的發展也將對納米陶瓷材料技術的進步產生加速作用，因此，納米陶瓷材料和納米陶瓷產品設計的未來可期。