纳米陶瓷论文

纳米陶瓷制备及其应用前景

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2014年5月8日

目录

摘要 ..................................................... 2

关键词 ................................................... 2

一：前言 ................................................. 2

二：性能 ................................................. 3

三：合成法 ............................................... 4

四：影响因素 ............................................. 5

五：前景 ................................................. 6

参考文献 ................................................. 8

纳米陶瓷制备及其应用前景

摘要：本文主要介绍了纳米陶瓷的制备及制备过程中影响力学性能的因素和前景。合成法中主要介绍了气相合成法和溶胶-凝胶合成法，影响因素主要是气孔的尺寸大小对力学性能的影响，以及解决这些问题的办法，还有流动性（我不能解决的问题）。前景是通过西方国家对纳米陶瓷的投资来做参考的。

关键词：纳米陶瓷 力学性能 气孔 流动性

一：前言

陶瓷材料作为材料业的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。陶瓷又可分为结构陶瓷和功能陶瓷，结构陶瓷具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀以及质量轻、导热性能好等优点;功能陶瓷在力学、电学、热学、磁光学和其它方面具有一些特殊的功能，使陶瓷在各个方面得到了广泛应用[1]。但陶瓷存在脆性(裂纹)、均匀性差、韧性和强度较差等缺陷，因而使其应用受到了一定的限制。 随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生。纳米陶瓷粉体是介于固体与分子之间的具有纳米尺寸(1～100 nm)的亚稳态中间物质。随着粉体的超细化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了块状材料所不具有的特殊的效应而在纳米陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米水平，使得材料的强度、

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、磁学、 光学等性能产生重要影响，从而为工程陶瓷的应用开拓了新领域。

二：性能

纳米陶瓷具有优异性能

(1)纳米陶瓷材料具有极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能，

可以降低材料的烧结致密化程度、节约能源；

(2)使材料的组成结构致密化、均匀化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性；

(3)可以从纳米材料的结构层次(1～100 nm)上控制材料的成分和结

构，有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能，而使纳米材料的组织结构和性能的定向设计成为可能。

另外，陶瓷是由陶瓷原料成型后烧结而成的，而且陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能。如果粉料的颗粒堆积均匀、烧成收缩一致且晶粒均匀长大，则颗粒越小产生的缺陷就越小，所制备的材料的强度就相应越高，这就可能出现一些大颗粒材料所不具备的独特性能。纳米陶瓷最重要的特性主要在于力学性能方面，包括纳米陶瓷材料的硬度、断裂韧度和低温延展性等，特别是在高温下使硬度、强度得以较大的提高。例如：当纳米颗粒Si3N4、SiC超细微粉分布于材料的内部晶粒内，增强了晶界强度，提高了材料的力学性能，从而使易碎的陶瓷可以变成富有韧性的特殊材料

近年来国内外对纳米复相陶瓷的研究表明，在微米级基体中引入纳米分散相进行复合，可使材料的断裂强度、断裂韧性提高2～4倍，使最高使用温度提高400～600℃，同时还可提高材料的硬度和弹性模量，提高抗蠕变性和抗疲劳破坏性能。

三：合成法

纳米陶瓷的合成方法主要有：

物理法：惰性气体冷凝法，电子蒸发法，激光剥离法等等。。。 化学法：化学气相沉积法，沉淀法，溶胶-凝胶法等等。。。

这里简单介绍气相合成法和溶胶-凝胶法

气相合成法主要有气相高温裂解法、喷雾转化工艺和化学气相合成法，这些方法具有较高的实用性和适用性。化学气相合成法可以认为是惰性气体凝聚法的一种变型，它既可以制备纳米非氧化物粉体，也可以制备纳米氧化物粉体。这种合成法增强了低温下的可烧结性，并且有相对高的纯净性和高的表面及晶粒边界纯度

溶胶一凝胶法是指在水溶液中加入的有机配体与金属离子形成配合物，通过控制pH值、反应温度等条件使其水解、聚合；历经溶胶向凝胶转变而形成一种空间骨架结构，经过脱水焙烧得到目的产物的一种方法。此法在制备复合氧化物纳米陶瓷材料时具有很大的优越性。凝聚相合成已被用于产生纳米团，在各类系统中产生

降低形成所需相的成核能，反应生成水中的结晶状金属氧化物的悬浮物纳米团。

四：影响因素

在合成过程中，特别是在烧结的过程中，有好多的因素影

响材料的性能。因为烧结中发生的几种过程在烧结过程中，陶瓷材料明显发生了以下的变化

(a)晶粒合并和长大；

(b)气孔数量、形状、尺寸改变；

(c)材料致密，密度增加；

(d)可能有新相生成或有同质多象转变

影响烧结的因素：

晶粒与气孔尺寸因素

颗粒较小时，致密化速举大．在较低温度下就可以使素坏发生收缩．颗粒度较大的粉体要达到同样的收缩率则必须要通过提高烧结温度等措施来达到．晶粒尺寸越大，扩散的路径越长，烧结动力小，因而致密化速率也小．

如果颗粒的尺寸相同，那么气孔尺寸和分布也将对烧结过程产生影响．在同样温度下，气孔尺寸分布窄的要比气孔尺寸分布宽的烧结体的烧结速率大．

气孔长大受两个因素的影响：一是晶粒长大的同时气孔也长大，这时无致密化作用，二是气孔在烧结中受到压应力，使得气孔收缩或

被排除掉。

气孔长大及晶粒长大都直接影响到致密化过程，气孔长大受颗粒尺寸大小差别和气孔压应力的双重影响，表面张力仍然是其推动力．在烧结末期，包裹在气孔内的气体气压将阻碍气孔的排除，从而影响致密化的进行．

根据烧结理论，粉体越细越有利于烧结．然而在许多细粉烧结过程中却发现，粉体越细似乎越难烧结．这是因为用细粉成型的坯体中含有团聚体，对粉体的烧结行为产生了较大的影响．由于团聚体尺寸大于一次颗粒的尺寸，会在成型体中形成很宽的气孔尺寸分布，较大团聚体的尺寸可以是一般颗粒尺寸的百倍以上．因此，团聚体的存在首先影响气孔尺寸分布，会使气孔尺寸分布范围变大．因此团聚体对烧结行为的影响也可从气孔尺寸分布来考虑[2]

其它因素：

烧结方法，烧结温度 ，烧结时间，烧结压力[3]，添加剂和杂质的影响，不同粉体制备方法及成型方法的影响

另外，我觉得原材料在烧结过程中烧成熔体的时候气孔尺寸的大小跟熔体的流动性有关。流动性越好则气孔的尺寸就越小，而流动性又跟表面张力有关系，这就要求我们努力去解决表面张力与陶瓷力学性能之间的关系。这是一个必须解决的问题。

五：前景

纳米复合陶瓷与普通陶瓷材料相比，在力学性能、表面光洁度、

耐磨性以及高温性能诸方面都有明显的改善。目前，纳米陶瓷材料的研究已涉及到有机和无机材料。近年来国内外对纳米复相陶瓷的研究表明，在微米级基体中引入纳米分散相进行复合，可使材料的断裂强度、断裂韧性提高2～4倍，使最高使用温度提高400～600℃，同时还可提高材料的硬度和弹性模量，提高抗蠕变性和抗疲劳破坏性能。由于纳米陶瓷具有不同f传统陶瓷的独特性能，纳米陶瓷材料制成的烧结体可作为储气材料、热交换器、微孔过滤器以及检测气体温度的多功能传感器，它的发展使陶瓷材料跨人了一个新的历史时期。随着纳米技术的高速发展，纳米陶瓷材料的应用将越来越广泛：西方发达国家特种复合陶瓷材料的增长速度平均每-年不低于15％。德国科学技术部曾对纳米技术的末来市场潜力作过预测。他们认为到2000年，纳米结构器件的市场容量将达到6 375亿美元，纳米粉体、纳米复合陶瓷以及其它纳米复合材料的市场容量将达到5 457亿美元，纳米加工技术的市场容量将达到442亿美元，纳米材料评价技术的市场容量将达到27.2亿美元。

随着移动通讯和卫星通讯的发展，尤其是近些年来，功能陶瓷的一个重要的发展趋势就是器件重量不断减轻、尺寸不断缩小。小型化、集成化、片式化、多层化、多功能化渐渐成为发展微型化的技术基础。功能陶瓷纳米化、纳米陶瓷、纳米器件是信息陶瓷进一步发展的必然趋势，也正成为国际研究的一个新的热点。正因为纳米陶瓷具有优良力学性能和某些特殊的功能，使纳米陶瓷在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。

参考文献

[1]：孙尧.周刚 纳米陶瓷及其应用前景-建材技术与应用

2001(3)

[2]: 肖长江.邓相荣.栗正新 纳米陶瓷的特性和烧结-佛山陶瓷

2010

[3]: 仝建峰.陈大明.蔡万华 退火处理对Nano-SiC-Al2O3／TiC

纳米陶瓷复合材料性的影响-金属热处理991111 1999(11)