纳米材料与技术-纳米陶瓷材料

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1、第十二章纳米陶瓷材料陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了较大的限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。世界著名材料学家JohnW.Cahn指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。一、纳米陶瓷的问世背景二、纳米陶瓷（粉体）的制备方法三、纳米陶瓷（粉体）的应用领域一、纳米陶瓷的问世背景陶瓷是由晶粒和晶界组成的一种多晶烧结体。由于工艺上的关系，很难

2、避免其中存在气孔和微小裂纹。决定陶瓷材料性能的主要因素：化学组成、物相和显微结构。先进陶瓷采用人工合成原料，它的化学组成和杂质含量都可以有效地控制，所制备材料的一致性得以保证。陶瓷的显微结构：主要考虑晶粒尺寸大小及其分布、晶界的组成、结晶态和其含量以及它的分布状态、气孔和微小裂纹等宏观缺陷的大小及其分布等。其中最主要的是晶粒尺寸问题。现有陶瓷材料的晶粒尺寸一般是在微米级的水平，这是由所采用的工艺所决定的。陶瓷材料的优异性能：耐磨损、耐腐蚀、耐高温高压、硬度大、不会老化等，能够在其它材料无法承受的恶劣环境条件下正常工作。

3、陶瓷材料的缺点：脆性和难加工。1.高技术陶瓷包括Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4等，具有硬度高、耐磨性好、化学性质稳定、密度小等优异性能。在各工业领域关键部件上使用，尤以SiC、Si3N4等Si基陶瓷最具优异的综合性能和广泛的工业应用前景。2.高技术陶瓷存在的问题(1)韧性待增强目前用来增强韧强化的方法有：i)颗粒增韧：工艺简单，但增韧效果不大；ii)晶须(纤维)增韧：由于晶须在基体中难以分散均匀、工艺性不好，达不到预期效果，晶须的毒性和高价格也是不利因素。在陶瓷微观结构中加入能量吸收单元（颗粒、晶须、片晶等）

4、来实现：通过塑性形变来吸收能量；利用裂纹偏转和提供桥联单元来阻止裂纹的进一步扩展。iii)ZrO2相变增韧：加入能够相变的第二相，通过相变来吸收裂纹扩展的能量。可有较好的效果，但在高温工作条件下不能达到增韧的目的。iv)自增韧技术：对SiC、Si3N4，原位控制组织结构形态，工艺性好、有效果，但增强的效果有待提高。?这些方法对提高陶瓷的韧性起到很大的作用，但是，想彻底解决陶瓷的脆性问题依然十分困难。(2)高温力学性能待增强为提高热机效率，设计使用温度要尽量提高：美国先进高温热机材料计划和国家宇航计划的陶瓷基复合材料的研

5、究目标，要将使用温度提高到1650°C或更高。现有陶瓷材料的高温强度、蠕变速率、抗高温氧化性及抗高温疲劳能力都难以满足如此苛刻的要求。SiC、Si3N4有可能在1400ºC-1650ºC的高温结构中使用，但由于添加烧结助剂形成的晶界相在高温下软化，引起慢裂纹扩展，使其高温强度下降，限制了其使用温度的提高。(3)加工困难：阻碍了陶瓷的实用化3.纳米陶瓷纳米陶瓷粉体和纳米复合陶瓷的问世，为解决上述问题带来了新的机遇。1987年德国萨尔兰大学的Gleiter和美国Argon国家实验室的席格先后研制成功CaF2和TiO2纳米陶

6、瓷。CaF2在RT下显示出良好的韧性，TiO2在180°C经受弯曲而不产生裂纹。这一突破性的进展，使那些为陶瓷增韧奋斗了将近一个世纪的材料科学家们看到了希望。　　著名材料科学家卡恩(Cahn)在《Nature》上撰文说：纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。　　要制备纳米陶瓷，这就需要解决：粉体尺寸形貌和粒径分布的控制，团聚体的控制和分散，块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制。Gleiter

7、指出，如果多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成，则能够在低温下变为延展性的，能够发生100%的范性形变。许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷烧结过程中的抑制晶粒长大的技术问题，从而控制陶瓷中的晶粒尺寸在50nm以下，则它将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无法比拟的优点。　　纳米陶瓷被认为是陶瓷研究发展的第三个台阶，也就是说从现代的具有微米级尺度的先进陶瓷将步入到具有纳米级尺度陶瓷的研究阶段。这是当前陶瓷研究的三大趋向之一。虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧

8、性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景。简而言之，纳米陶瓷刚柔并济，在具备高硬度和耐高温特性的同时还有一定的塑性，可使发动机工作在更高的温度下：汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。二、纳米陶瓷（粉体）的制备方法1.纳米陶瓷粉体