纳米陶瓷的特性和烧结方法研究

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1、纳米陶瓷的特性和烧结方法研究扌商要：本文综述了纳米陶瓷在超塑性、铁电性能、力学性能和增韧等方面的特殊性能，介绍了纳米陶瓷的两步法烧结、放电等离子烧结、超高压烧结和微波烧结等成功的烧结方法并阐述了这些特殊烧结方法的烧结机理。此夕卜，对纳米复相陶瓷的特性也进行了介绍。关键词：纳米陶瓷，特性，烧结方法，烧结机理，纳米复相陶瓷1r引「言陶瓷是天然或人工合成的粉状化合物、经过成型和高温烧结制成的、由金属和非金属元素的无机化合物构成的多晶固体材料。陶瓷乂可分为结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷是50年代后迅速发展起来的一

2、类新材料，具有强度高、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、耐高温、化学性质稳定等一系列优界性能。在宇航、能源、电子、化工、机械制造和主命科学等领域都有重要应用。功能陶瓷是具有电、磁、声、光、热、力、化学或生物功能等的介质材料。功能陶瓷材料种类繁多，用途广泛，主要包括铁电、压电、介电、热释电、半导体、电光和磁性等功能各异的新型陶瓷材料，它是电子信息、集成电路、移动通信、能源技术和国防军工等现代高新技术领域的重要基础材料。但陶瓷存在脆性（裂纹）、均匀性并、韧性、强度较并等的缺陷，因而使其应用受到了一定的限制，陶瓷的脆性

3、已成了其发展及应用上的瓶颈。长期以来,如何解决陶瓷材料的脆性，一直是一个重要的研究课题。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随Z产生。利用纳米技术开发纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，通过在陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等使晶粒、晶界以及他们之间的结合达到纳米水平，使材料的强度，韧性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的许多不足,并对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生重要影响，为陶瓷的应用开拓了新领域。2r纳米陶瓷的特性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

4、说陶瓷的晶粒尺寸、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。由于纳米陶瓷的界面占有可与颗粒相比拟的体积百分比、表面活性高、小尺寸效应以及界面的无序性使它具有不同于传统陶瓷的独特性能。为材料的利用开拓了一个崭新的领域。纳米陶瓷的特性和烧结方法的研究已成为材料科学研究的热点。2.1「纳米陶瓷的超塑性超塑性是指在拉伸试验中，在一定的应变速率下,材料产生较大的拉伸形变。陶瓷材料的结构和键性决定了其滑移系统少,位错产生和运动困难，而且有沿品界分离的倾向，使得它木质上是一种脆性材料，在常温下儿乎不产生

5、塑性变形，很难具备超塑性。由于纳米陶瓷的界面占有可与颗粒相比拟的体积百分比和表面众多的不饱和化学键，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出很好的韧性与延展性。同时在纳米陶瓷材料中，晶界相所占体积分数很人超塑性就可能实现。如Nieh等在3Y-TZP（含3mo%1氧化铠的四方多晶氧化错）陶瓷材料中观察到超塑性达800%o国内上海硅酸盐研究所也发现，纳米3Y-TZP经室温循环拉伸试验后，样品的断口区域发生了局部超塑性形变，形变量高达380%,并在断口侧而观察到了大量的滑移线。

6、纳米TiO2陶瓷在室温下就可发生塑性形变，在180°C下塑性形变可达100%。以上实验表明，纳米陶瓷材料具有超塑性的潜力给陶瓷材料在低温、高应变速率下进行塑性成型加工带來了希望。2.2「纳米陶瓷的力学性能纳米陶瓷的特性主要体现在力学性能方面，包括硬度、断裂韧度和低温延展性等。根据Ha11Peteh方程，材料的屈服强度与晶粒尺寸的平方根成反比，这表明随晶粒的细化材料强度显著增加。此外，大体积的界面区提供足够的晶界滑移机会，导致形变增加。有关研究表明，纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性，而H

7、•纳米陶瓷出现将有助于解决陶瓷的强化和增韧问题。不少纳米陶瓷材料的硕度和强度比普通材料高出4〜5倍，如在100°C下,纳米Ti02陶瓷的显微硕度13000kN/mm2,而普通TiO2陶瓷的显微硬度低2000kN/mm2o乂例如对于A12O3/SiC系统来说，纳米复合材料的强度比单相氧化铝的强度捉高了3〜4倍。关于增强机理冇各种解释，Niihara认为基体品粒细化而使临界裂纹尺寸大幅度下降，另一原因是环绕着SiC粒子形成压缩应力，造成微裂纹增韧。由于上述原因，Al2O3/SiC纳米陶瓷复合材料的强度得到大

8、幅度改善。另外由于品粒内存在硕SiC粒子，造成位错钉扎和塞积，形成亚品界，这种A12O3基体内的亚晶界退火后，由于AbO与SiC热失配而进一步扩展，使抗断裂强度再次提高。也有的研究认为，增强机理是由于加工诱导表面产生压缩应力所致，SiC粒子的加入并不影响本体材料的韧性，但退火可能起到双重作用,既愈合表面缺陷同时乂削弱了表面压缩应力。此外，有人提出，粒子存在使裂纹尖端桥联是纳米陶瓷材料的主要增强机理。裂纹桥联是一种裂纹尾部效应。它发生在裂纹尖