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1、收稿日期 2004-06-16作者简介杨章富(1981-),男,贵州剑河人,黔东南民族师范高等专科学校化学系01(本)学生;邹 勇,黔东南民族师范高等专科学校化学系副教授,指导教师.纳米陶瓷的制备与应用摘 要纳米陶瓷改变了传统陶瓷的脆性,大幅度提高了材料的强度、硬度、韧性和超塑性.综述了近年国内外纳米陶瓷的性能、制备工艺.提出目前在生产纳米陶瓷工艺上存在的主要问题及应用前景.关键词纳米陶瓷;制备工艺;应用中图分类号 TQ174.75+8文献标识码 A文章编号 1002-6991(2005)03-00019-02Incorporate application and thepreparation
2、 of nano porcelainAbstract:Incorporate the hardness,tenacity and strength that nano porcelain changes the brittleness of traditionalporcelain,raises material substantially and exceed plasticity.Summarize in recent years domestic and internationalincorporate preparation technology and the function of
3、 nano porcelain.Suggest that now is producing to incorporateapplication prospect and the existent major problem on nano potter skill.Key words:Incorporate application;nano porcelain;preparation 所谓纳米陶瓷是指在显微结构中物相所具有的纳米级尺度的陶瓷材料,就是说晶粒尺寸,晶界的宽度,第二相分布,缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上,它被认为是陶瓷研究发展的第三个台阶1.陶瓷粉料颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结
4、构和宏观性能2.纳米陶瓷的力学性能,包括纳米陶瓷材料的硬度、断裂韧度和低温延展性等,在高温下其硬度、强度比普通陶瓷有较大提高,有助于解决陶瓷的强度和增韧问题.对纳米晶粒SiO2进行研究表明3,纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性.1998年Izaki等人用纳米碳化硅来补强氮化硅陶瓷使氮化硅陶瓷的力学性能显著改善4.许多纳米陶瓷材料的硬度和强度比普通陶瓷材料高出45倍5.在100 下,纳米Ti02陶瓷的显微硬度为1300 kgf/mm2,而普通TiO2陶瓷的显微硬度低于200 kgfmm2.纳米陶瓷的晶粒尺寸极小,纳米材料具有极大的晶面,晶面的原子排列混乱,纳米晶粒易在其他晶粒上运
5、动,使纳米陶瓷在受力时易于变形而不呈现脆性,而表现出一定的延展性和较好的韧性.纳米材料中有大量的界面,这些界面原子提供了短程扩散途径及较高的扩散速率,材料的烧结驱动力也随之剧增,加速了整个烧结过程,使得烧结温度大幅度降低.纳米晶体的自扩散率为传统晶体扩散率的1011至1019倍,使纳米材料的固态反应可以在室温或低温下进行.纳米材料中利用晶界表面的不饱和链,造成沿晶界方向的平移,实现纳米陶瓷的超塑性6-7.由于纳米陶瓷硬度高、耐高温、耐磨损、质量轻和导热性好,使得它成为现代工业的基本材料之一.1 纳米陶瓷的制备工艺1.1 气相合成法气相合成法主要有热化学气相反应法,激光气相法和等离子体气相合成法
6、.1.1.1 热化学气相反应法(CVD法).CVD法是目前世界上用于制备纳米粉体的常用方法,CVD法制备纳米粉体工艺是一个热化学气相反应和形核生长的过程.在高于热力学计算,临界反应温度条件下,反应产物的蒸气形成很高的过饱和蒸气压,使得反应产物自动凝聚形成大量的核,这些核在加热区不断地长大聚积成颗粒,在合适的温度下会晶化成为微晶.随着载气气流的输运和真空的抽送,反应产物迅速离开加热区进入低温区,颗粒生长、聚集、晶化过程停止,最后进入收集室收集起来,就可以获得所需的纳米粉体.此工艺过程可通过调节浓度、流速、温度和组成比例等工艺参数获得最佳工艺条件,实现对纳米粉体组成、形貌、尺寸和晶相等的控制.CV
7、D法可制备出SiC,Si3N4等单相粉体,并且被用来制备各种复合粉体.能制备出小于35 nm的无定形SiC/Si3N4纳米粉体,且做到SiC/Si3N4比例可调,该设备简单,采用电阻炉外加热方式,通过工艺参数调节,制备不同晶型和尺寸的粉体,全套工艺便于放大,但是产物易在炉管壁沉积成型,产率不高8.1.1.2 激光气相法(LICVD法).LICVD法是以激光为快速加热热源,利用反应气体分子对特定波长激光束的吸收布产生热解或化学反应,在瞬时完成了气相反应的成核,长大和终止,形成超细微粒.通常采用连续波CO2激光器,使加热速率快,高温驻留时间短,迅速冷却,可获得均匀超细,最低颗粒尺寸小于10 nm的
8、粉体.此法污染小,能够获得稳定质量的粒径范围小于50 nm的超细粉末,晶粒的粒径尺寸可控,同种成分的粉体,通过合成参数控制粉体的晶型,缺点是原料制造价格高,设备要求高,费用贵.1.1.3 等离子体气相合成法(PCVD法).PCVD法是制备纳米陶瓷粉体的主要手段之一,它具有高温、急剧升温和快速冷却的特点,是制备超细陶瓷粉体的常用手段.等离子气相合成法又分为直流电弧等离子体法(DC法)、高频等离子体法(RF法)和复合等离子体法.复合等离子体法是采用DC等离子体法和RF等离子体法二者合一的方式,利用二相相互补充来制备超细陶瓷粉体,该法制得的纳米粉纯度高,稳定性好,效率高.Lee等人采用复合体法制备S
9、i3N4和Si3N4/SiC复合粉体,得到1030 nm的Si3N4纳米粉体.采用分级注入方式对产物中的总氮含量、游离硅含量和-Si3N4含量都有很大影响,采用三级注入方式,产物基本都是无定型Si3N4.等离子体法制备技术容易实现批量生产,产率高达2001 000g/h.1.2 湿化学法湿化学法主要使用于纳米氧化物粉体,它具有无需高真空、易放大的特点,并能得到性能优异的粉体.对纳米粒子团聚体的形成和强度的控制是该法的关键.可通过共沸蒸馏有机溶剂洗涤等方法进行有效的控制,且致密度可达到理论密度的98.5%以上.湿化学法包括化学深沉淀法,高压水热法和乳浊液法等几种方法.1.2.1 化学深沉淀法.化
10、学深沉淀法是在金属盐溶液中加入适当的沉淀来得到前驱沉淀物,再将此沉淀物加热分解得到所需的氧化物粉末.徐跃萍等人采用化学共沉淀法来制备氧化锆粉末的过程中,通过分析超细粉料中团聚体的成因,控制其沉淀过程中反应物的浓度和反应过程中的pH值,获得均匀的Zr(OH)4胶体.同时,通过湿凝胶体的分散、清洗和控制湿凝胶体中的氯离子含量,采用冷冻干燥法这一特殊的工艺,克服了干燥过程中氯离子的团聚,再经700,2 h煅烧,可获得无硬团聚体,颗粒大小分布窄,大小为1520 nm的含摩尔分率为3%Y2O3,的ZrO2超细粉末10.1.2.2 高压水热法.高压水热法可有效克服粉末在煅烧过程中颗粒的长大及超细粉末易团聚
11、的弱点.将化学深沉淀法制备的Zr(OH)4置于高压中处理,使氢氧化物进行相变,控制高压处理的温度和压力,可制得颗粒尺寸为1015 nm,形状规则的氧化锆超细粉末.通过对不同前驱体、不同酸碱度及不同矿化剂参与条件下,氧化锆相形成,晶粒生成等机理的研究表明,水热法是极具应用前景的粉末制备工艺.1.3 溶胶 凝胶(SOL GEL)法此方法的基本工艺过程包括:醇盐或无机盐水解 SOLGEL 干燥、焙烧 纳米粉体.有人用醇盐水解SOLGEL制备出平均粒径小于6 nm的TiO2纳米粉末,也可以利用有机金属化合物作起始原料,制备非氧化物超细陶瓷粉体11.溶液的pH值、浓度、反应温度和反应时间4个主要参数对溶
12、胶 凝胶化过程有着重要影响.适当控制这4个参数可制备出高质量的纳米粉末.用低浓度的硝酸铝和氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠,硝酸中和至pH值为7.6,得到Al(OH)3凝胶,过滤、洗涤,再加入硝酸形成Al(OH)3溶液,在溶液中通入氨气,至pH值为10,分离凝胶干燥、焙烧得到纳米Al2O3粉体.CVD法、LICVD法、PCVD法和SOLGEL法是制备非氧化物纳米陶瓷粉体的主要方法.CVD法对设备的要求不高,操作简便,而且便于放大,可是难以获得20 nm以下的粉体.PCVD法和SOLGEL法对设备要求较高,但容易获得均匀超细(小于20 nm)的高纯度、污染小的纳米粉体.SOLGEL法是最便利的方法,
13、易于大规模生产,缺点是纯度难以保证.从纳米粉制成块状纳米陶瓷材料,就是通过某种工艺过程除去孔隙,以形成致密的块状材料;而在致密过程中,保持了纳米晶的特性.其方法主要有:(1)沉降法.如在固体衬底上沉降;(2)原位凝固法.在反应室内设置一个充满液氮的冷却管,纳米团冷凝于外管壁,然后用刮板刮下,直接经漏斗送入压缩器,压缩成一定形状的块状材料;(3)烧结或热压法.烧结温度的提高,增加了物质的扩散率,也就增加了消除孔隙的速率.2 应用前景通过控制纳米晶粒的生长来获得量子限域效应,从而制得性能奇异的铁电体,可提高压电热解材料的机电转换及热释电性能.利用超微颗粒的大比表面积,可制成具有温敏、压敏和气敏等性
14、能的多种传感器,仅需微量的超微颗粒便可发挥较大的功能.有科学家声称,如果把航天飞机的一部分防热瓦用纳米陶瓷制造,会大大减轻航天飞机的起飞重量,在航天飞机涡轮发动机的后段涡轮叶片上,涂上一层纳米陶瓷,能提高涡轮吐片的耐热性.具有杀菌、消毒、防臭、防霉等功能有机、无机杀菌剂纳米颗粒掺入到陶瓷中,可获得具有杀菌、消毒、防臭、防霉等作用的功能陶瓷,可用于制造卫生洁具,瓷砖、桌石、玻璃等.将超双疏性或超双亲性的材料掺入陶瓷材料中,能使陶瓷制品具有自清洁和防雾效果,可用于特殊用途的玻璃制品,农用薄膜,军用器械的视窗等.存在的问题主要有纳米粉体的均一分散问题没有完全解决,还没有成熟的低成本、高性能且能产业化
15、生产的制备工艺.应加强纳米复合粉末的制备研究,解决纳米相分散问题,加强纳米陶瓷的制备工艺研究、研制及生产出高性能复杂形状陶瓷部件的成熟工艺.纳米陶瓷作为一种高性能陶瓷,是近年发展起来的一门全新的科学技术.在富有挑战的21世纪,世界各国都对富有战略意义的纳米科技领域以足够的重视,特别是发达国家都从战略的高度部署纳米材料和纳米科技的研究,目的是提高在未来10年乃至20年在国际上竞争地位.纳米陶瓷的研究与发展必将引起陶瓷工业的发展与变革,以引起陶瓷学理论上的发展及建立瓣的理论体系,以适应纳米尺度的研究需要,使纳米陶瓷材料具有更佳的性能.由于纳米材料及技术的独特性能,在陶瓷材料中的改进性能方面产生了极
16、大的影响,为陶瓷工业注入了新的活力.随着纳米材料及技术和陶瓷工业的发展,必将为陶瓷工业带来更好的、令人瞩目的前景,也将为涉及陶瓷材料的其他行业产生极大的影响.参考文献1张立德.纳米材料M.北京:化学工业出版社,2000.2贡长生.无机精细化学的生产M.北京:化学工业出版社,2000.3施锦行.纳米陶瓷的制备及其特性J.中国陶瓷,1997,33(3):36-38.4高 勇.纳米材料的性能及制备技术J.兵器材料科学工程,1997,(6):64-68.5田明原,施尔畏,仲维卓,等.纳米陶瓷与纳米陶瓷粉末J.无机材料学报,1998,13(2):127-137.6 TATSUKI D,ATSUSHI N
17、.Tensile creep behavior of aluminal siuiconcarbide nanocompositeJ.J Am ceram soc,1994,77(12):3259-3262.7王宏志,高 濂,郭景坤.纳米结构材料J.硅酸盐通报,1999,(1):31-34.8黄政仁,江东亮.Sic和Si3N4纳米陶瓷粉末制备技术J.9 LEES,CHOIuS,etal.measuring thermal conductivity of fluidscontaining oxide manoparticlesJ.Heat Transfer.1999,121:280-289.10王宏志,高 濂.共沉淀制备纳米Y AG粉体J.无机材料学报,2004,(4):625-627.11顾少轩,周 静,刘 静,等.溶胶 凝胶法制备锐钛矿型TiO2薄膜J.硅酸盐通报.02黔东南民族师范高等专科学校学报 2005年6月