纳米复合陶瓷材料的研究进展

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1、综述纳米复合陶瓷材料的研究进展摘要根据分类的不同，对纳米复合陶瓷材料进行了介绍，分析了其制备工艺，讨论了纳米复合陶瓷的力学性能与显微结构之间的关系，并研究了材料的强韧化机理。关键词纳米复合陶瓷材料制备工艺显微结构1引言陶瓷材料具有高的硬度、耐磨性、耐高温、耐腐蚀等其他材料无法比拟的优界性能，但脆性问题大大限制了陶瓷材料的应用发展。日木的Nihara等⑴首次在基体中引入纳米级的SiC制备出纳米陶瓷复合材料，发现不仅对使基体材料的室温力学性能得到提高，而R町显著改善材料的高温性能，同时发现具冇可切削加工性和超塑性⑵。加入纳米相复合示陶

2、瓷材料的室温强度和韧性人为提高，高温强度和抗晞变性能也有显著改善，如加入15%纳米SiC,可使A12O3材料的强度由350MPa提高到1500MPa⑶。2纳米复合陶瓷材料的分类在新型的纳米复合陶瓷材料中，其中的各相或至少其屮某一相在一维上为纳米级。根据弥散相的不同和基体尺寸可分为晶内型、晶界型、晶内/晶界混合型、纳米/纳米型，如图lo纳米弥散相分布在皋休相晶粒内部为晶内型；纳米弥散相分布在基体晶界上为晶界型；实际制备中往往很难获得单纯一种纳米相处丁晶内或者纳米相处丁•晶界上的纳米复合材料，多为胡内/品间复合型；而在纳米/纳米复合陶

3、瓷材料屮所有各相晶粒均为纳米级。纳米/纳米复合陶瓷材料在制备上对粉体性能以及烧结等工艺过程要求严格，使材料具有新的性能［«习，如超塑性。a晶内型c品内/晶界混合型d纳米/纳米型图1纳米复合陶瓷材料的分类综述3纳米复合陶瓷材料的制备方法为制备出具有高性能的纳米复合陶瓷，必须使纳米增强颗粒均匀分散在陶瓷基质中，阻止纳米颗粒的团聚，使其与陶瓷基体充分分散，经成型、合适的烧结制度，制备出理想的复合材料。3.1机械混合法机械混合法是最早出现的一种纳米复合陶瓷材料制备技术，制备方法是将纳米粉末和基质粉末混合，球磨后烧结成型。通过颗粒间的固相反

4、应直接合成化合物粉体，如金属碳化物、氟化物、氮化物、金属一氧化物复合粉体[6>7]o机械混合法的不足之处在于不能保证两相组份的均匀分散性，球磨本身很难破用人功率超声振荡以破坏团聚，并使用适量分散剂，提高分散均匀性。李建林等⑻采用金属Ti和B4C为原料，通过高能球磨能原位反应生成纳米TiB2/TiC材料粉体。3.2复合粉末法复合粉末法是目前最常用的一种方法，制备过程是先经化学、物理过程制备含有基质和弥散相均匀分散的混合粉末，然后烧结成型，得到纳米复合陶瓷材料。该法多用于制备Si3N4/SiC纳米复合陶瓷材料冈。如利用CVD技术制备

5、Si-C-N复合粉末，经烧结制备SiC(n)/Si3N4纳米复合陶瓷，以及利用B4C+TiH2+BN+B+C之间的高温反应合成Ti-B-C-N复合超细粉末，再经热压烧结制得Ti(C,N)/TiB2纳米复相陶瓷新原皓一用CVD复合粉末法制备Si3N4/SiC纳米复合坏纳米颗粒的团聚，以致球磨Z后分散颗粒团聚、沉陶瓷材料的工艺步骤为：降造成进一步的不均匀。为此在机械混合的基础上使[Si(CH)]NH+NH+N-混合<-10()0°C,Si-C-NY2O32232IAl2O3CVD°热等静压烧结・球磨・热处理3.3原位生成法原位生成法是

6、将基体粉末分散于可生成纳米颗粒的先驱体溶液中，经干燥、预成型、热处理牛成含纳米颗粒的复合粉末，最后热压成型其优点是保证两和分散均匀，口热处理或烧结过程中牛•成的MeSiCl+MephSiCCl“黑丫仃肝）22-NaCl/KCl纳米颗粒不存在团聚等问题。纳米前驱体的制备可通过Sol-GC1法，冇机前驱体法等。R・Ricdc等用热解有前驱体的方法制备了Si3N4/SiC纳米复合陶瓷，结构中Si3N4晶粒尺寸为0.25pm,SiC晶粒尺寸为20〜100nm,其T•艺过程如I、•：Si)(MephSi)]25n热等静压烧结J热处理(11

7、00°C)J冷等静压J干燥J混合其屮：Me代表甲基CH3,ph代表苯基C6H5,THF代表四水咲喃。3.4溶胶一凝胶法溶胶一凝胶法⑺也称为液相分散包衷法，将纳米粉末分散于含有基体溶液中，通过调整工艺参数，在没有析晶、团聚、沉降的情况下，使体系冻结、凝胶，经热处理而得到复合粉末，常用于制备各种氧化物纳米粉体或复合粉体。张大海等[⑵以无机ZrO(NO3)2•2H2O>A1(NO3)3-9H2O为主要原料,将2种先驱体溶液混合，加入六次甲基四胺获得溶胶，水浴得凝胶，陈化、干燥后，经过锻烧得到50vol%Al2O3-ZrO2超细复合陶瓷

8、。4纳米复合陶瓷的力学性能及显微结构T.Sekion等卩习通过热压技术制备了A12O3/W纳米复合陶瓷材料，与纯A12O3块体相比，当在其屮加入5vol%W纳米相斤，其断裂韧性由3.2MPam-2增48加到3.67MPam"2,断裂强度由528.1