€光作用下纳米SiC陶瓷材料制备研究进展

1、。叁受塞绽述蠢激光作用下纳米陶瓷材料制备研究进展关芳芳赵剑峰，黄因慧（南京航空航天大学机电学院南京中国）摘要：综述了基于激光能源的纳米陶瓷材料制备研究现状，包括零维纳米离子、一维纳米晶须、二维纳米薄膜和涂层以及三维纳米块体等的制备；介绍了相关的各种激光制备方法如激光诱导气相沉积法、激光熔覆法、激光消融法、激光退火法及激光重熔法等并对其发展前景作出展望。羌键词：激光；纳米；制备方法，（，）：，。，：；前言纳米材料以其小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观电子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感等方面呈现出常规材料不具备的优越的力学性能和功能特性，如高强度、高硬度、高韧性、高耐磨性、高温以及隐身

2、性能等圳。在现有的众多纳米材料中，纳米以其优异的力学性能和奇异的功能特性在纳米材料研究领域中占有重要的地位。现有的纳米材料主要表现为零维纳米离子、一维纳米晶须、二维纳米薄膜和涂层以及三维纳米块体等形式。制备方法主要以物理化学方法为主：比如高能球磨法、溶胶凝胶法、离子溅射法、分子束外延法、活化氢熔融金属法、水热法等。本文主要介绍基于激光的纳米材料的制备。激光作为一种高能量源，已经开始用于纳米材料的制备。结合纳米材料的不同形式。基于激光的纳米制备技术有激光诱导气相沉积法、激光熔覆法、激光消融法、激光退火法及激光重熔法等。与其它方法相比，激光法具有其独特的优点。激光是一种具有超高能量的能源，具有瞬态

3、非平衡能量的输出机制。当激光照射材料时，材料表面将形成极高的温度梯度，为材料的合成提供了必要的条件。本文根据不同形式的纳米材料，分别介绍基于激光能源的纳米材料制备技术的研究现状。并与现有的其他制备方法作了简单比较。鳗星鱼盟型堑墼垦，零维纳米离子的制备在众多纳米粉末制备方法中，以激光为热源的制备工艺因可获得纯度高、粒径小、分布范同窄的超细粉末而占有特殊重要的地位。按工艺特点的不同，激光制备纳米粉末的基本方法可分为激光诱导化学气相沉积法（）和激光烧蚀法（）。激光诱导化学气相沉积）技术于八十年代初创始于美国能源实验室和材料系。激光诱导气相沉积法是利用反应气体分子（或光敏剂分子）对特定波长激光束的吸收

4、，引起反应气体分子的激光分解、激光裂解、激光光敏化和激光诱导化学反应，在一定激光功率密度、反应池压、反应气体配比和流速、反应温度等工艺条件下，获得超细粒子空间成核和生长。法制取的纳米粉体具有粒度小、无团聚、粒度分布窄及纯度高等优点。线全刚”等人以，和，：为原料反应气体，采用法制备纳米粉，获得了理想高纯的纳米。粉体中含量高于，平均粒径为，晶体结构为，粉体产率大于蚰，粉体中含氧量低于。从粉体样品的照片可以看出，粉体粒子大小均匀，基本呈球形且边界清晰，粒径分布范围窄，平均粒径约为，粉体粒子间团聚较少，个别有链状联结。俞肇元”、张滨等做过相似研究。激光诱导气相沉积法有两个很大的局限性：必须先制备纳米材

5、料的气体先驱体，这在许多情况下成本很高；产率不高。激光烧蚀法（简称为）制备纳米颗粒是利用脉冲激光束将靶材在瞬间（）自热到气化温度以上，产生由靶材原子、离子和原子簇组成的蒸气羽，后者在飞行过程中与环境气体原子碰撞减速，并彼此相互碰撞，并形核生长形成纳米颗粒。】等人以微米粉为原料用激光烧蚀法制成了纳米粉体。原料粉为纯度、粒径“的，在氩气条件下，经激光烧蚀微米粉的压块后，生成相纳米粉粒。平均粒径为，基本呈球形，粉体粒子间团聚少。但是此种方法产生氧化，纯度不高。激光烧蚀法同激光诱导化学气相法相比，其生产率更高，并可合成更为细小的纳米粉体。由于激光的特殊作用，激光烧蚀法可制得在平衡态下不能得到的新相。到

6、目前为止，激光烧蚀法制备纳米粒子的产率还没有较大的突破。其他制备纳米粉体方法还有热化学气相反应法（）、等离子气相合成法（）、溶胶一凝胶法（一耐）等。与其他方法比较。作为加热源的激光由于自身的特殊性，在制备纳米材料时，具有以下特点：（）反应时间短，加热温度高，致使加热与冷却速度快，这种”冷淬”的效果会抑制形核不会生长过大，易制备纳米量级的微粒；（）激光光束直径小，作用区域面积小，反应区可与反应器壁隔离，这种无壁反应避免了由反应壁造成的污染，可制得高纯纳米粉体；（）可以制备高质量的纳米粉体，制备的纳米粉体颗粒小，形状规则，粒径分布范围窄，表面光洁等特点。（）由于激光的高能量密度在难熔材料的纳米化（

7、例如）中更显示出巨大的优越性。但激光法也存在产率低，成本高等缺点。、一维纳米晶须的制备目前国内外制备纳米品须的方法主要有为固相碳源法（电弧放电法、电阻加热蒸发法等）、液相碳源法（一对法）和气相碳源法（纳米薄膜催化法等）。激光制备纳米晶须的方法主要采用激光消融法。激光消融法是利用激光照射在靶体上产生的等离子效应，直接对等离子气体进行真空冷却或通入反应气体合成纳米材料。目前国外已有学者采用该方法制备出单壁纳米碳管和纳米线等，但纳米品须制备的研究较少，且由于该法的制备效率很低，其形成过程还不很清楚，有大量工作期待人们去做。、二维纳米薄膜和涂层的制备薄膜的制备班塞篮述鼙激光制备纳米薄膜的方法有脉冲激光

8、沉积法（）、激光诱导化学气相沉积法、脉冲激光退火法、激光烧蚀法等。是将准分子脉冲激光器所产生的高功率脉冲激光束聚焦作用于靶材表面，使靶材表面产生高温及熔蚀，并进步产生高温高压等离子体，这种等离子体定向局域膨胀发射并在衬底上沉积而形成薄膜。等人在和兰宝石衬底上用法沉积了薄膜。并研究其电子衍射特性和表面光洁度等。于威”等人采用技术沉积了薄膜，利用脉冲激光退火技术实现了晶化，制备了纳米晶态碳化硅薄膜。选用为靶材，（）或石英为衬底材料选用合理的参数，环境气体氮气，经激光退火后，薄膜发生晶化，表面分布大小不等的纳米晶粒。同时有少量晶态和石墨成分。“等人在和玻璃衬底上利用激光诱导化学气相沉积法获得：薄膜研

9、究了其光学特性和粗糙度等。等人在玻璃衬底上用法制备了：薄膜，利用激光退火法处理，薄膜发生晶化，晶粒尺寸在之间，并研究了退火后的薄膜的电特性。；，与传统的物理气相沉积（溅射法、离子注入法和分子束外延法）、化学气相沉积（普通、和）和等离子体化学气相沉积、光增强化学气相沉积法等相比。将激光引入制膜技术中，由于激光的高能量以及能量的高度集中，克服了普通化学气相沉积的高反应温度，物理气相沉积的绕镀性差和等离子体化学气相沉积薄膜含杂质量较高等一系列缺点。涂层的制备激光制备纳米涂层的方法有激光熔覆、激光重熔等。激光熔覆是利用激光束加热熔覆材料和基体表面，使所需的特殊材料熔焊在工件表面的一种新型表面改性技术。

10、作为一种新型高效涂层工艺，激光熔覆以其凝固速度快，能够获得平衡状态下无法获得的优异组织等特点日益受到关注口。激光熔覆工艺的突出特点是可制备特殊性能表层，如耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化特性等。激光重熔技术是指通过激光烧结等离子喷涂的材料层来降低表面层的孔洞率，提高其强度和耐蚀性能等。由于等离子喷涂获得的陶瓷涂层由微米级粒子堆积而成，其组织不均匀，存在很多孔洞，从而降低了其使用性能。激光重熔可作为等离子喷涂陶瓷涂层的封孔技术，用于提高其性能。花园然”等人在钢表面，以等离子喷涂技术制备了涂层，再以纳米颗粒为填料，对等离子涂层进行了激光重熔，制备了纳米改性的复合陶瓷涂层。在激光作用下，纳米颗粒仍保持纳米尺

11、度，部分有所分解，与原等离子喷涂层比较，致密化程度明显提高，涂层耐腐蚀性能也得到明显改善。在国然【等人还分别利用激光重熔技术制备了纳米复合陶瓷涂层。张建华“等人在基体上利用激光熔覆工艺制备了纳米陶瓷涂层。将棒料制成小的试样，用铺粉装置将纳米粉体铺设在基体表面上，选用不同的激光功率、扫描速度、光斑直径与扫描间隔用激光照射粉层，纳米粉末快速熔凝，部分材料发生分解反应，生成一定数量的和。用这种方一目塞垒堑拱堑遂星法制备的涂层，其内部晶粒尺寸虽有所长大但仍保持纳米结构，任取一个颗粒用扫描电镜进行标定，得到其粒径为。而且内部具有均匀、致密、精细组织的团聚体，众多的团聚体紧密排列形成整个陶瓷涂层。这样，材

12、料的致密度有了极大的提高。其他制备纳米涂层的工艺还有化学气相沉积法（）、物理气相沉积法（）、等离子热喷涂法、低压火焰沉积法（）、高速火焰热嚷涂法（）和溶胶一凝胶法等但是大多数还处于实验室阶段，尚存在晶粒尺寸、送粉、涂层致密度等方面的问题“。将激光熔覆应用于纳米涂层制备。利用其能量密度高、材料逐点熔凝和凝固速度快等特点，能够有效缓解现有纳米陶瓷涂层艺中材料晶粒过度生长、致密度等问题，实现高质量纳米结构陶瓷涂层制备。、三维纳米块体的制备激光法制备纳米块体的方法有选择性激光烧结法等。选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括模

13、型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。张建华】等人利用选择性激光烧结进行了纳米粉末材料的激光烧结实验。将甩作基板的普通陶瓷板制成×基体，而后用自制的专用手动纳米材料铺粉器铺设一层纳米陶瓷粉末，根据实验情况，铺粉厚度在范同内选取，依据定的扫描方式，激光束在控制单元计算机控制下扫描所铺设粉层，有选择烧结纳米粉末材料。从射线分析结果可以发现，烧结前粉末材料为纯净的。而烧结产物则主要由、与三种物相组成，其中的与是烧结前粉末材料中所没有的物相，也就是说，激光照射作用下，材料粉末在吸收能量、快速熔凝的同时，发生了化学反应，在烧结产物中形成一定数量的与。根据谢勒公式：（），初步估算烧结制件与

14、粉末材料中物相的晶粒尺寸，得到烧结制件中、与的晶粒大小分别为、，原始粉末中的晶粒大小为。结果表明，激光烧结工艺过程中，纳米粉末材料快速熔凝、固化，材科晶粒有所长大，但仍保持纳米结构。纳米材料激光烧结自由成型实际上就是纳米粉末材料在激光作用下快速熔化凝固、形成烧结层的过程。由于纳米粉末材料结构疏松、密度较小、熔化流动性差、导热性能差溶易引起烧结过程中粉末材料表面急剧升温，部分材料粉末熔化甚至汽化，同时粉层内部被封闭的空气不断受热膨胀、窜动、汇聚，形成一定规模的气泡，最终发生破裂产生烧结过程中的粉末剧烈汽化飞溅现象。与其他纳米粉末的烧结方法如无压烧结、压力固化法（热静压、等热静压等）、特种烧结方法

15、（微波烧结、等离子体烧结和冲击渡烧结）等相比，在纳米陶瓷材料的成型中引入激光烧结快速成型工艺，利用激光能量密度高加工过程中材料可迅速熔凝，且实体的形成通过材料的逐点熔凝，能够有效控制陶瓷材料晶粒生长潲除材料的内部缺陷。此外，激光烧结的方法还具有致密化进程不受烧结过程中保温时问的限制，能够根据模型利用激光能量直接将粉末材料烧结制备任意形状的实体，实现了三维自由形状的成型等优点。、结束语激光方法为纳米材料的制备和研究提供了一种崭新的方法和思路。激光法已经成功地制备了优质的纳米材料，所以其具有广泛的应用前景。随着工艺和理论的不断完善撒光法在结构陶瓷材料的研究和开发中。将会得到进一步的发展。今后，激光

16、法制备纳米叁受窒绽述墨材料技术必将随着其应用范围的进一步扩大产率的提高和成本的降低向产业化的方向发展。参考文献【】，：，【】（）：【“，￥，（）：【，：，（）：【】，￥，（）：【】，（）：【】，（）：【】戴峰泽，蔡兰馐光法制备纳米材料的进展电加工与模具，（）：一【线全刚，梁勇，杨柯等激光诱导制备纳米粉体沈阳工业大学学报，（）：偷肇元，贺春林，张滨等激光制备碳化硅纳米粉的研究粉末冶金技术，（）：】，（）：【，（）：】于威，何杰孙运涛等脉冲激光退火纳米碳化硅的光致发光光谱学与光谱分析，（）：】，：，（）：【】，【，（）：（），（）：【花国然，罗新华，黄因慧等以纳米碳化硅为填料的激光重熔等离子喷涂陶

17、瓷涂层组织及耐腐蚀性能的研究，应用激光，（）：【】花国然，黄因慧，赵剑峰等激光重熔纳米复合陶瓷涂层组织和性能研究中国机械工程，（）：】张建华，田宗军，赵剑峰等纳米激光熔覆陶瓷涂层组织结构分析光电子激光，（）：王利蕊，田宗军，赵剑峰等表面激光熔覆纳米陶瓷涂层试验研究材料开发复合材抖堑遘垦 与应用，（）： 【】张建华，赵剑峰，田宗军等纳米陶瓷粉末的激光烧结初探应用激光，（）： ， （）： 】 ，： 作者简介：关芳芳，女年生碗士研究生研究方向为激光上纳米陶瓷材料 邮编：电话： 地址：南京航空航天大学信箱 ： 手机： 激光作用下纳米SiC陶瓷材料制备研究进展 作者： 作者单位： 关芳芳， 赵剑峰， 黄因慧 南京航空航天大学,机电学院,南京,中国,210016 相似文献(1条 1.期刊论文 关芳芳.赵剑峰.黄因慧.GUAN Fang-fang.ZHAO Jian-feng.HUANG