纳米陶瓷粉体的发展和制备

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纳米陶瓷粉体的发展和制备专业：材料学姓名：余文鹏学号：08102033摘要：纳米材料是21世纪的高新技术，它主要是研究电子、原子和分子在0.1～100nm空间运动的规律和特征，并按照人的意志操纵电子、原子和分子，制备人们所需要的具有预定特殊功能特征的产品和材料简单介绍了纳米材料的产生和定义，陶瓷材料的发展以及纳米陶瓷的定义、发展和现状。纳米陶瓷制造必须的原料有纳米陶瓷粉体，这种粉体的制备技术主要介绍的是水热法制备技术，文章介绍了水热法的分类和制备粉体的特点。关键字：纳米材料；纳米陶瓷粉体；水热法；材料制备 前言20世纪末，物理学、化学、生物学、材料科学、地质科学等学科的发展，促进了纳米材料和纳米技术的产生，催生了纳米物理学、纳米化学、纳米材料科学、纳米矿物学等新型学科[1]。纳米材料是21世纪的高新技术，它主要是研究电子、原子和分子在0.1～100nm空间运动的规律和特征，并按照人的意志操纵电子、原子和分子，制备人们所需要的具有预定特殊功能特征的产品和材料[2]。1.1纳米材料定义纳米科学技术是指在纳米尺寸范围认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质[3]。1.1.1表面效应纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。由于纳米粒子表面原子数增多，带来表面原子配位数不足，使之具有很高的表面化学活性。1.1.2尺寸效应颗粒尺寸变小引起的宏观物理性质的变化称为尺寸效应。随着纳米微粒尺寸的减小。与体积成比例的能量亦相应降低。当体积能与热能相当或更小时。会发生强磁状态向超顺磁状态转变：当颗粒尺寸与光波的波长、传导电子德布罗意波长、超导体的相干长度或投射深度等物理特征尺度相当或更小时，会产生光的等离子共振频率、介电常数与超导性能的变化。1.1.3体积效应由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，因此，许多现象如与界面状态有关的吸附、催化、扩散、烧结等物理、化学性质将显著与大颗粒传统材料的特性不同，就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体积效应。1.1.4量子效应 介于原子、分子与大块固体之间的纳米颗粒，将大块材料中连续的能带分裂成分立的能级，能级问的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或磁能比平均的能级间距还小时。就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，即量子效应。1.1.5幻数结构粒径小于2nm的纳米粒子往往被称为原子簇。当原子簇含有某些原子数目时，显得特别稳定，这个特别数目称为幻数。原子簇的幻数与相应粒子的对称性、相互作用势有关。1.2陶瓷的发展历程中国的陶器可追溯到9000年前，瓷器也早在4000年前出现。最初利用火煅烧粘土制成陶器。经历了漫长的发展，陶瓷质量有了很大提高。后来提高燃烧温度的技术出现，发现高温烧制的陶器，由于局部熔化而变得更加致密坚硬，完全改变了陶器多孔、透水的缺点。以粘土、石英、长石等矿物原料烧制而成的瓷器登上了历史舞台。新型陶瓷诞生于2O世纪二三十年代，科学技术高速发展，对材料提出了更高的要求。在传统陶瓷基础上，一些强度高、性能好的新型陶瓷不断涌现。它们的玻璃相含量都低于传统陶瓷。纳米陶瓷的研究始于8O年代中期。所谓纳米陶瓷是指陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处于纳米尺寸水平。包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都是纳米级。由于纳米陶瓷的晶粒细化，晶界数量大幅度增加，可使材料的韧性和塑性大为提高，并对材料的电学、热学、磁学、光学等性能产生重要的影响。1.3纳米陶瓷粉体纳米陶瓷粉体是介于固体与分子之间的具有纳米尺寸（0.1-lOOnm)的亚稳态中间物质。随着粉体的超细化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了块状材料所不具有的特殊的效应：1.具有极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能。可以降低材料的烧结致密化程度，节约能源。2.使材料的组成结构致密化、均匀化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性。3. 可以从纳米材料的结构层次(0.1-100nm)上控制材料的成分和结构，有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能。而使定向设计纳米材料的组织结构和性能成为可能。纳米粉体又是制造纳米陶瓷的必须原料，具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应、介电限域效应等各种效应，所以纳米粉体表现出强吸光能力、高活性、高催化性、高选择性、高扩散性、高磁化率和矫顽力等奇特理化性能。纳米粉体的所具有的特异性能使其潜在应用价值极大。纳米粉体由于尺寸小，具有高比表面积和表面能，活性点多，因而其催化活性和选择性大大高于传统的催化剂，纳米粉体的熔点较低，能在比微米粉体烧结温度低500-600℃的温度下绕结致密；利用纳米粉体薄而均匀的界面膜，可作火箭燃料助剂(在临界温度所有的粒子瞬间发生反应)；利用纳米粉体可均匀分布在气体、液体或固体物质中，可以用作气溶胶(烟雾剂)，利用纳米粉体的链状超细粒子，可以用作磁记录材料、分子过滤器、电磁波吸收体和过滤器；利用纳米粉体粒子内电子能级离散，可以用作超低温与远红外材料，纳米粉体在冶金、化工、电子、磁性材料、精细陶瓷、传感器以及日用化妆品和生物医学等方面得到了开发和应用，显示出诱人的前景[4]。 2试验方法简介目前，制备纳米粉体的方法可分为三大类：物理方法、化学方法和物理化学综合法。化学方法主要包括水解法、水热法、溶融法和溶胶-凝胶法等。其中，用水热法制备纳米粉体技术越来越引起人们的关注。本文拟对近年来水热法制备纳米陶瓷粉体作一概要介绍。2.1水热法水热法(hydrothermalpreparation)是指密闭体系如高压釜中，以水为溶剂，在一定的温度和水的自生压力下，原始混合物进行反应的的一种合成方法。由于在高温，高压水热条件下，能提供一个在常压条件下无法得到的特殊的物理化学环境，使前驱物在反应系统中得到充分的溶解，并达到一定的过饱和度，从而形成原子或分子生长基元，进行成核结晶生成粉体或纳米晶[5]。2.1.1水热法分类根据化学反应类型的不同，水热法制备粉体有如下几种方法：(1)水热氧化(HydrothermalOxidation)：利用高温高压，水、水溶液等溶剂与金属或合金可直接反应生成新的化合物。(2）水热沉淀(HydrothermalPrecipitation）：某些化合物在通常条件下无法或很难生成沉淀，而在水热条件下易反应生成新的化合物沉淀。(3)水热晶化(HydrothermalCrystallization)：以非晶态氢氧化物、氧化物或水凝胶为前驱物，在水热条件下结晶成新的氧化物晶粒。(4)水热合成(HydrothermalSynthesis）：允许在很宽范围内改变参数，使两种或两种以上的化合物起反应，合成新的化合物。(5)水热分解(HydrothermalDecomposition)：某些化合物在水热条件下分解成新的化合物，进行分离而得单一化合物微粉。(6)水热还原(HydrothermalReduction)：金属盐类氧化物、氢氧化物、碳酸盐或复式盐用水调浆，只需少量或无需试剂，控制适当温度和氧分压等条件，即可制得超细金属微粉。2.1.2水热法及其制备粉体的特点 水热法为各种前驱物的反应和结晶提供了一个在常压条件下无法得到的特殊物理、化学环境。其特点主要有：(1)由于反应是在相对高的温度和压力下进行，因此有可能实现在常规条件下不能进行的反应。(2)改变反应条件(温度、酸碱度、原料配比等)可能得到具有不同晶体结构、组成、形貌和颗粒尺寸的产物。(3)工艺相对简单，经济实用，过程污染小。概括起来，水热法制备的粉体有如下特点：(1)粉体结晶良好，分散性好，无需作高温烧结处理，从而避免在烧结过程中可能形成的粉体硬团聚。(2)粉体晶粒物相和形貌与水热反应条件有关。(3)晶粒线度可适度调节，当前驱物、反应温度、反应时间变化时，可改变晶粒尺寸。(4)纯度较高，由于水热法可抛弃前驱物中的杂质，因而大大提高了纯度。而且粉体后续处理无须煅烧可以直接用于加工成型，这就可以避免在煅烧过程中混入杂质。(5)颗粒均一，分布单一。水热法是制备高质量纳米陶瓷粉体极有应用前景的方法。业已通过水热法，在不同温度、压力、溶媒和矿化剂条件下实现了多种不同成份纳米级陶瓷粉体制备。但总体说来，水热条件下纳米粉体制备工艺，包括粉末粒径及分布的有效控制、粉末的分散和表面处理，以及纳米粉末形成过程与机理、水热法纳米材料台成等问题仍在探索和发展阶段[6]。 参考文献[1]陈敬中,柳剑洪.纳米材料科学导论.[M]高等教育出版社2006年：3-7[2]张玉龙.纳米复合材料手册.[M]中国石化出版社2005年：1-2[3]文揭白.浅谈纳米陶瓷.[J]科学论坛.2006.76-77[4]艾德生.纳米粉体-21世纪高新材料的核心原料.[J]中国粉体工业.NO.22007.039-043[5]苗鸿雁，董敏，丁常胜.水热法制备纳米陶瓷粉体技术.[J]中国陶瓷.Vol.40No.4July200425-27[6]王秀峰，王永兰，金志浩.水热法制备纳米陶瓷粉体.[J]稀有金属材料与工程Vol.24No.44-6 Thedevelopmentofnano-ceramicpowdersandpreparationAbstract:Nano-materialsforhigh-tech21stcentury,itistostudytheelectronic,atomicandmolecularspace0.1~100nminthemovementandcharacteristicsofthelawandinaccordancewiththewillofpeopletomanipulateelectronics,atomsandmolecules,thepreparationneedsofpeoplewithascheduledspecialfunctionalcharacteristicsofproductsandmaterialsoutlinedtheemergenceofnano-materialsandthedefinitionofthedevelopmentofceramicmaterials,aswellasthedefinitionofnano-ceramics,developmentandthestatusquo.Nano-ceramicrawmaterialsnecessarytomanufacturenano-ceramicpowder,thispowderismainlyintroducedbyHydrothermalSynthesistechnology,thearticledescribestheclassificationofHydrothermalPreparationandcharacteristicsofpowders.Keywords:Nano-materials;Nano-ceramicpowder;Hydrothermalmethod;Materials