纳米晶陶瓷材料的制备技术及应用前景.pdf

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1、1第3卷第2期洛阳工业高等专科学校学报Vol.13No.2第2002期36年月廖桂JournalofLuoyangTechnologyCollegeJune2003华纳米晶陶瓷材料的制备技术及应用前景3纳米晶陶瓷材料的制备技术及应用前景廖桂华（洛阳工业高等专科学校材料工程系，河南洛阳）471003摘要：就目前纳米晶陶瓷材料制备技术方面的几个问题的研究现状和技术水平作了介绍，同时介绍了纳米晶陶瓷材料的优异性能和潜在用途。关键词：纳米晶体；陶瓷材料；制备；应用1前言法等）制备的纳米粉是如此，对于湿法（如溶胶—凝胶法，纳米材料(NanometerMaterials)泛指微观结构至少在水热合

2、成法等）制备的情况也是如此。在湿法制备纳米粉一维方向上受纳米尺度(0~100nm)调制的固体材料。它包时，液相反应形成纳米粒子，这些纳米粒子在表面能的作用括零维的原子团簇和纳米微粒，一维纳米调制的纤维材下，有自动聚结形成大颗粒的趋势。其次，湿凝胶中含有大料，二维纳米调制的膜(涂层)材料，以及三维纳米调制的量的液体，在随后块体材料。的干燥过程中，伴本文所述及的纳米晶陶瓷材料（Nanocrystalline随液相蒸发产生的CeramicMaterials），是指采取类似传统陶瓷加工方法制毛细收缩作用，也备的、晶粒尺寸<100nm的陶瓷材料。纳米晶陶瓷的制备过会促使纳米微粒相程，一般由纳米

3、粉料制备（配料及均混）、成型、烧结等工互团聚。尤其是在序构成。由于纳米微粒的特殊性质（如极高的比表面积和表湿凝胶颗粒的表面面能等），使得纳米晶陶瓷的制备面临着几个技术难题。其上，自由水分子与自由羟基会在干燥过程中形成氢键，当颗中主要有：如何减轻或消除纳米粉料的团聚现象；如何获得粒彼此紧密接近时，颗粒之间也会形成氢键联接，从而导致高质量的生坯，以及如何在烧结过程中避免晶粒的长大并获团聚现象产生。例如，科学家们研究证实，Zr(OH)4失水时得最大的坯体密度；当然，还有如何制备高质量的纳米粉料形成氧桥键是ZrO22颗粒团聚的主要原因，如图所示。的问题。本文仅就前三方面问题的研究现状及纳米晶

4、陶瓷的粉料中团聚体的存在对纳米晶陶瓷材料的烧结极为有优异性能与潜在用途作一简要介绍。害。如图3所示，产生团聚体后，粉料系统的自然堆积密度势必会因团聚体之间大孔隙的存在而降低。即使在压制成型2纳米粉料的团聚问题及处理方法的过程中，纳米粉粒的填充和团聚体的变形，会使这种孔洞2.1纳米粉料团聚严重的原因及其危害变小，但也不能消失，这样也就降低了生坯密度。无论crystallite采取何种agglomerateorprimaryparticle方法制成的纳米粉料，如不采取适当的措施，则在其制备及贮存intercrystallite过程中都poreorintraaglomerateintera

5、gglomerateporepore会产生严图3清楚地显示出团聚现象越严重，则生坯密度也就越重的团聚低。在烧结过程中，由于纳米粉料的巨大表面能的存在，团现象（如聚体本身的烧结是很容易的，但存在于团聚体之间的气孔往图1所示）。产生团聚的根本原因在于纳米粉颗粒极细微，往就很难排除了。因此，欲使这种由存在团聚现象的粉料而颗粒表面存在大量的未饱和键，因而表面能极高，极易相互成型的坯体达到较大的烧结密度，就得进一步提高烧结温聚结成团。这不仅对气相法（如气相冷凝法，化学气相沉积度，而这样又容易导致晶粒长大（>100nm），得不到纳米2洛阳工业高等专科学校学报13第卷晶结构。图4显示了团聚体大小对

6、试样烧结温度及密度的影中间体螯合物，从而最终制得了均匀分散的ZrO2纳米粉。响。由图可见，无团聚现象的纳米粉料的试样在较低温度下3纳米晶陶瓷生坯的成型方法就可烧结，接近理论密度，而团聚越严重的试样，所需烧结与普通陶瓷制品的制造一样,纳米晶块体陶瓷材料的制温度越高，且不易达到理论密度。另外还可看出，粉料本身备也涉及到如何将纳米粉变成坯体的问题，而且为了保证烧的粒度由于都己小于40nm，这时对烧结温度几乎无影响。结体材料的质量,特别要求粉料颗粒在生坯中要有足够大的堆积密度以及良好的密度均匀性。从目前报道的资料来看，学者们在研制纳米晶陶瓷时采用的成型方法有以下几种：常温单向压制法即在室温下

7、，采用金属模具装填粉料，通过压机对纳米粉料施以单向压力，使其密实成坯。此方法简单易行，设备简单，操作也简单。但存在的问题也是显然的：即坯体的密度均匀性差，坯体内存在较大的残余应力，其密度均匀性可以说是所有成型方法中最差的。密度严重不均匀，或生坯内存在较大的残余应力，都容易导致坯体在后续处理过程中（如干燥和烧结）产生裂纹。另外要说明的是，采用这种方法来成型纳米晶陶瓷生坯，往往需要非常大的压力（1~9GPa），这是一般压机难以达到的。因此，目前在研究工作中一般