納米陶瓷完整版本

納米陶瓷陶瓷材料作為材料的三大支柱之一，在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。但是由于傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，強(qiáng)度較差，使它的應(yīng)用受到很大限制。隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米陶瓷隨之產(chǎn)生。利用納米技術(shù)開發(fā)的納米陶瓷材料是利用納米粉體對(duì)現(xiàn)有陶瓷進(jìn)行改性，使材料的強(qiáng)度、韌性和超塑性大幅度提高，克服工程陶瓷的許多不足，為陶瓷應(yīng)用開拓了新領(lǐng)域。一概況二納米陶瓷所謂的納米陶瓷是指晶體粒度在1～100nm范圍內(nèi)的陶瓷材料。⒈材質(zhì)講應(yīng)是陶瓷的，而非金屬的或有機(jī)的。⒉晶粒尺度應(yīng)在1～100nm，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，應(yīng)要求其內(nèi)部各種物相的顯微尺寸包括晶粒度、晶界寬度、第二相粒子以及缺陷尺寸都在納米尺度。三納米陶瓷材料分類按形態(tài)的不同：⒈零維陶瓷材料即納米陶瓷粉⒉一維陶瓷材料即納米陶瓷材料或納米陶瓷管⒊二維陶瓷材料即納米陶瓷膜⒋三維陶瓷材料即納米陶瓷塊⒈零維陶瓷材料大多數(shù)納米粒子呈現(xiàn)為理想單晶。尺寸在60nm左右，也有非晶態(tài)或來(lái)亞穩(wěn)態(tài)的納米粒子。由于粒度在1～100nm之間，所以有很多獨(dú)特的性質(zhì)。主要在量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，并由此派生出傳統(tǒng)固體不具備的許多特性⑴小尺寸效應(yīng)納米陶瓷：指顯微結(jié)構(gòu)中的物相(包括晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔與尺寸缺陷等)都在納米量級(jí)的水平上的陶瓷材料?，F(xiàn)有陶瓷材料的晶粒尺寸一般是在微米級(jí)的水平。當(dāng)其晶粒尺寸變小到納米級(jí)的范圍時(shí)，晶粒的表面積和晶界的體積會(huì)以相應(yīng)的倍數(shù)增加，晶粒的表面能亦隨之劇增。由于顆粒的線度減少而引起表面效應(yīng)和體積效應(yīng)，使得材料的物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生一系列變化，而且甚至出現(xiàn)許多特殊的物理與化學(xué)性質(zhì)。納米材料的制備：納米粉體的合成素坯的成型產(chǎn)品的燒結(jié)粉體合成按合成條件分類：1、氣相法：氣相法是直接利用氣體，或者通過(guò)各種手段將物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理變化或者化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過(guò)程中凝聚長(zhǎng)大形成納米粒子的方法。優(yōu)點(diǎn)：制得的納米陶瓷粉體的純度較高，團(tuán)聚較少，燒結(jié)性能較好缺點(diǎn)：產(chǎn)量低，設(shè)備昂貴2、液相法：液相法則是選擇一種或多種合適的可溶性金屬鹽類，按所制備的材料組成計(jì)量配制成溶液，使各元素呈郭或分子態(tài)，再選擇一種合適的沉淀劑或用蒸發(fā)、升華、水解等操作，使金屬離子均勻沉淀或結(jié)晶出來(lái)，最后將沉淀或結(jié)晶脫水或者加熱分解而得到納米陶瓷粉體優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備較簡(jiǎn)單，粉體較純，團(tuán)聚少，易工業(yè)化生產(chǎn)3、固相法：指納米粉體是由固相原料制得，按其加工的工藝特點(diǎn)可分為機(jī)械粉碎法和固相反應(yīng)法兩

類。優(yōu)點(diǎn)：所用設(shè)備較簡(jiǎn)單，方便操作缺點(diǎn)：純度較低，料度分布較廣素坯成型:是將粉末轉(zhuǎn)變成具有一定形狀、體積和強(qiáng)度的坯體的過(guò)程,素坯的相對(duì)密度和顯微結(jié)構(gòu)的均勻性對(duì)陶瓷在燒結(jié)過(guò)程中的致密化有極大的影響素坯的成型方法：傳統(tǒng)方法：干壓成型、離心注漿法、擠壓法、注射法新型方法：凝膠注膜法、直接凝固注模成型燒結(jié)：陶瓷材料致密化、晶體長(zhǎng)大、晶界形成的過(guò)程

納米陶瓷燒結(jié)過(guò)程的關(guān)鍵：如何在控制晶粒長(zhǎng)大很少的前提下實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié)方法：（傳統(tǒng)）無(wú)壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)仍廣泛使用。（新）微波燒結(jié)、等離子體燒結(jié)、高壓燒結(jié)、爆炸燒結(jié)1、高強(qiáng)度：納米陶瓷的性能：納米陶瓷材料在壓制、燒結(jié)后，其強(qiáng)度比普通陶瓷材料高出4-5倍，如在100度下，納米TiO2陶瓷的顯微硬度為13000KN/mm2，而普通TiO2陶瓷的顯微硬度低于2000KN/mm2。日本的新原皓一制備了納米陶瓷復(fù)合材料，并測(cè)定了其相關(guān)的力學(xué)性能，研究表明納米陶瓷復(fù)合材料在韌性和強(qiáng)度上都比原來(lái)基體單相材料均有較大程度的改善，對(duì)Al2O3/SiC系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，納米復(fù)合材料的強(qiáng)陶度比單相氧化鋁的強(qiáng)度提高了3-4倍。2、韌性傳統(tǒng)的陶瓷由于其粒徑較大，在外表現(xiàn)出很強(qiáng)的脆性，但是納米陶瓷由于其晶粒尺寸小至納米級(jí)，在受力時(shí)可產(chǎn)生變形而表現(xiàn)出一定的韌性。如室溫下的納米TiO2陶瓷表現(xiàn)出很高的韌性，壓縮至原長(zhǎng)度的1/4仍不破碎。1988年Lzaki

等人首先用納米碳化硅補(bǔ)強(qiáng)氮化硅陶瓷使氮化硅陶瓷力學(xué)性能顯著改善。3、超塑性超塑性是指在拉伸試驗(yàn)中，在一定的應(yīng)變速率下，材料產(chǎn)生較大的拉伸形變。如Nieh

等人在四方二氧化鋯中加入Y2O3的陶瓷材料中觀察到超塑性達(dá)800%.上海硅酸鹽研究所研究發(fā)現(xiàn)，納米3Y-TZP陶瓷(100nm左右)在經(jīng)室溫循環(huán)拉伸試驗(yàn)后，其樣品的斷口區(qū)域發(fā)生了局部超塑性形變，形變量高達(dá)380%，并從斷口側(cè)面觀察到了大量通常出現(xiàn)在金屬斷口的滑移線，這些都確認(rèn)了納米陶瓷材料存在著拉伸超塑性。4、燒結(jié)特性納米陶瓷材料的燒結(jié)溫度比傳統(tǒng)陶瓷材料約低600℃,燒結(jié)過(guò)程也大大縮短。12nm的TiO2粉體，不加任何燒結(jié)助劑，可以在低于常規(guī)燒結(jié)溫度400-600℃下進(jìn)行燒結(jié)，同時(shí)陶瓷的致密化速率也迅速提高。通過(guò)對(duì)加3%Y2O3的ZrO2納米陶瓷粉體的致密化和晶粒生長(zhǎng)這2個(gè)高溫動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究表明，由于晶粒尺寸小，分布窄，晶界與氣孔的分離區(qū)減小，燒結(jié)溫度的降低使得燒結(jié)過(guò)程中不易出現(xiàn)晶粒的異常生長(zhǎng)?？刂茻Y(jié)的條件，可獲得晶粒分布均勻的納米陶瓷塊體。1、應(yīng)用于提高陶瓷材料的機(jī)械強(qiáng)度結(jié)構(gòu)陶瓷是以強(qiáng)度、剛度、韌性、耐磨性、硬度、疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能為特征的材料。用納米陶瓷粉體制備的陶瓷材料能有效減少材料表面的缺陷,獲得形態(tài)均一和平滑的表面,能增強(qiáng)界面活性,提高材料單晶的強(qiáng)度,還能有效降低應(yīng)力集中,減少磨損,特別是可以有效提高陶瓷材料的韌性。

納米陶瓷的應(yīng)用：2、應(yīng)用于提高陶瓷材料的超塑性只有陶瓷粉體的粒度小到一定程度才能在陶瓷材料中產(chǎn)生超塑性行為,其原因是晶粒的納米化有助于晶粒間產(chǎn)生相對(duì)滑移,使材料具有塑性行為。3、應(yīng)用于制備電子(功能)陶瓷納米陶瓷粉體之所以廣泛地用于制備電子陶瓷,原因在于陶瓷粉體晶粒的納米化會(huì)造成晶界數(shù)量的大大增加,當(dāng)陶瓷中的晶粒尺寸減小一個(gè)數(shù)量級(jí),則晶粒的表面積及晶界的體積亦以相應(yīng)的倍數(shù)增加4、應(yīng)用于制備陶瓷工具刀納米技術(shù)的出現(xiàn)以及納米粉體的工業(yè)化生產(chǎn),使得制備金屬陶瓷刀成為現(xiàn)實(shí)。

在金屬陶瓷中主要加入納米氮化鈦以后可以細(xì)化晶粒,晶粒細(xì)小有利于提高材料的強(qiáng)度、硬度,同時(shí)斷裂韌性也得到提高5、應(yīng)用于制備生物陶瓷1）接近于生物惰性的陶瓷,如氧化鋁(Al2O