纳米陶瓷完整版本

纳米陶瓷陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。但是由于传统陶瓷材料质地较脆，强度较差，使它的应用受到很大限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生。利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高，克服工程陶瓷的许多不足，为陶瓷应用开拓了新领域。一概况二纳米陶瓷所谓的纳米陶瓷是指晶体粒度在1～100nm范围内的陶瓷材料。⒈材质讲应是陶瓷的，而非金属的或有机的。⒉晶粒尺度应在1～100nm，严格来说，应要求其内部各种物相的显微尺寸包括晶粒度、晶界宽度、第二相粒子以及缺陷尺寸都在纳米尺度。三纳米陶瓷材料分类按形态的不同：⒈零维陶瓷材料即纳米陶瓷粉⒉一维陶瓷材料即纳米陶瓷材料或纳米陶瓷管⒊二维陶瓷材料即纳米陶瓷膜⒋三维陶瓷材料即纳米陶瓷块⒈零维陶瓷材料大多数纳米粒子呈现为理想单晶。尺寸在60nm左右，也有非晶态或来亚稳态的纳米粒子。由于粒度在1～100nm之间，所以有很多独特的性质。主要在量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，并由此派生出传统固体不具备的许多特性⑴小尺寸效应纳米陶瓷：指显微结构中的物相(包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔与尺寸缺陷等)都在纳米量级的水平上的陶瓷材料。现有陶瓷材料的晶粒尺寸一般是在微米级的水平。当其晶粒尺寸变小到纳米级的范围时，晶粒的表面积和晶界的体积会以相应的倍数增加，晶粒的表面能亦随之剧增。由于颗粒的线度减少而引起表面效应和体积效应，使得材料的物理、化学性质发生一系列变化，而且甚至出现许多特殊的物理与化学性质。纳米材料的制备：纳米粉体的合成素坯的成型产品的烧结粉体合成按合成条件分类：1、气相法：气相法是直接利用气体，或者通过各种手段将物质转变为气体，使之在气体状态下发生物理变化或者化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米粒子的方法。优点：制得的纳米陶瓷粉体的纯度较高，团聚较少，烧结性能较好缺点：产量低，设备昂贵2、液相法：液相法则是选择一种或多种合适的可溶性金属盐类，按所制备的材料组成计量配制成溶液，使各元素呈郭或分子态，再选择一种合适的沉淀剂或用蒸发、升华、水解等操作，使金属离子均匀沉淀或结晶出来，最后将沉淀或结晶脱水或者加热分解而得到纳米陶瓷粉体优点：设备较简单，粉体较纯，团聚少，易工业化生产3、固相法：指纳米粉体是由固相原料制得，按其加工的工艺特点可分为机械粉碎法和固相反应法两

类。优点：所用设备较简单，方便操作缺点：纯度较低，料度分布较广素坯成型:是将粉末转变成具有一定形状、体积和强度的坯体的过程,素坯的相对密度和显微结构的均匀性对陶瓷在烧结过程中的致密化有极大的影响素坯的成型方法：传统方法：干压成型、离心注浆法、挤压法、注射法新型方法：凝胶注膜法、直接凝固注模成型烧结：陶瓷材料致密化、晶体长大、晶界形成的过程

纳米陶瓷烧结过程的关键：如何在控制晶粒长大很少的前提下实现致密化烧结方法：（传统）无压烧结、热压烧结仍广泛使用。（新）微波烧结、等离子体烧结、高压烧结、爆炸烧结1、高强度：纳米陶瓷的性能：纳米陶瓷材料在压制、烧结后，其强度比普通陶瓷材料高出4-5倍，如在100度下，纳米TiO2陶瓷的显微硬度为13000KN/mm2，而普通TiO2陶瓷的显微硬度低于2000KN/mm2。日本的新原皓一制备了纳米陶瓷复合材料，并测定了其相关的力学性能，研究表明纳米陶瓷复合材料在韧性和强度上都比原来基体单相材料均有较大程度的改善，对Al2O3/SiC系统来说，纳米复合材料的强陶度比单相氧化铝的强度提高了3-4倍。2、韧性传统的陶瓷由于其粒径较大，在外表现出很强的脆性，但是纳米陶瓷由于其晶粒尺寸小至纳米级，在受力时可产生变形而表现出一定的韧性。如室温下的纳米TiO2陶瓷表现出很高的韧性，压缩至原长度的1/4仍不破碎。1988年Lzaki

等人首先用纳米碳化硅补强氮化硅陶瓷使氮化硅陶瓷力学性能显著改善。3、超塑性超塑性是指在拉伸试验中，在一定的应变速率下，材料产生较大的拉伸形变。如Nieh

等人在四方二氧化锆中加入Y2O3的陶瓷材料中观察到超塑性达800%.上海硅酸盐研究所研究发现，纳米3Y-TZP陶瓷(100nm左右)在经室温循环拉伸试验后，其样品的断口区域发生了局部超塑性形变，形变量高达380%，并从断口侧面观察到了大量通常出现在金属断口的滑移线，这些都确认了纳米陶瓷材料存在着拉伸超塑性。4、烧结特性纳米陶瓷材料的烧结温度比传统陶瓷材料约低600℃,烧结过程也大大缩短。12nm的TiO2粉体，不加任何烧结助剂，可以在低于常规烧结温度400-600℃下进行烧结，同时陶瓷的致密化速率也迅速提高。通过对加3%Y2O3的ZrO2纳米陶瓷粉体的致密化和晶粒生长这2个高温动力学过程研究表明，由于晶粒尺寸小，分布窄，晶界与气孔的分离区减小，烧结温度的降低使得烧结过程中不易出现晶粒的异常生长。控制烧结的条件，可获得晶粒分布均匀的纳米陶瓷块体。1、应用于提高陶瓷材料的机械强度结构陶瓷是以强度、刚度、韧性、耐磨性、硬度、疲劳强度等力学性能为特征的材料。用纳米陶瓷粉体制备的陶瓷材料能有效减少材料表面的缺陷,获得形态均一和平滑的表面,能增强界面活性,提高材料单晶的强度,还能有效降低应力集中,减少磨损,特别是可以有效提高陶瓷材料的韧性。

纳米陶瓷的应用：2、应用于提高陶瓷材料的超塑性只有陶瓷粉体的粒度小到一定程度才能在陶瓷材料中产生超塑性行为,其原因是晶粒的纳米化有助于晶粒间产生相对滑移,使材料具有塑性行为。3、应用于制备电子(功能)陶瓷纳米陶瓷粉体之所以广泛地用于制备电子陶瓷,原因在于陶瓷粉体晶粒的纳米化会造成晶界数量的大大增加,当陶瓷中的晶粒尺寸减小一个数量级,则晶粒的表面积及晶界的体积亦以相应的倍数增加4、应用于制备陶瓷工具刀纳米技术的出现以及纳米粉体的工业化生产,使得制备金属陶瓷刀成为现实。

在金属陶瓷中主要加入纳米氮化钛以后可以细化晶粒,晶粒细小有利于提高材料的强度、硬度,同时断裂韧性也得到提高5、应用于制备生物陶瓷1）接近于生物惰性的陶瓷,如氧化铝(Al2O