《纳米陶瓷材料相关论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米陶瓷材料相关论文.doc（5页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、金属材料0801班 孙晗 080202029纳米陶瓷材料的性能及应用发展1、陶瓷的发展历史陶瓷是人类最早利用自然界提供的原料制造而成的材料。旧石器时代,人们就发现经火煅烧过的粘土,其硬度和强度都大大提高,而且不再被水瓦解。于是,就有了利用粘土的可塑性,将其加工成所需的形状,然后用火烧制成的陶器。随着金属冶炼术的发展,人类掌握了通过鼓风机提高燃烧温度的技术,并且发现,有一些经高温烧制的陶器,由于局部熔化变得更加致密坚硬,完全改变了陶器多孔,透水的缺点。经过长期的摸索和经验积累,以粘土,石英,长石等矿物原料配制而成的瓷器出现了。从陶器发展到瓷器,是陶瓷发展过程中的一次重大飞跃。这种传统的瓷器,从结
2、构上来看,是由玻璃相结合在一起的、由许多微小的晶粒构成的物体。随着科学技术的高速发展,人们迫切需要大量强度很高,绝缘性能良好的陶瓷材料。此时,人们发现,尽管陶瓷中的玻璃相使陶瓷变得坚硬、致密,然而它却妨碍了陶瓷强度的提高。同时,玻璃相也是陶瓷绝缘性能,特别是高频绝缘性能不好的根源。于是,玻璃相含量比传统陶瓷低的一些强度高,性能好的材料不断涌现。从传统陶瓷到先进陶瓷,是陶瓷发展过程中的第二次重大飞跃。两者的区别在于,在原材料、制备工艺、显微结构等方面存在相当的差别或侧重。传统陶瓷多数采用天然矿物原料,或经过处理的天然原料;而先进陶瓷则多数采用合成的化学原料,有时甚至是经特殊工艺合成的化学原料。近
3、年来,先进陶瓷在材料和制备技术方面的研究都取得了很大的进展,特别是把陶瓷的制备、组成、结构和性能联系起来进行。综合研究的结果使陶瓷学家认识到,陶瓷的显微结构有着举足轻重的作用。即使化学组成完全相同,采用不同的制备工艺技术,有时甚至只有很微小的差别便可能导致显微结构发生很明显的变化,材料的性能常常相差非常大。从先进陶瓷发展到纳米陶瓷是陶瓷发展过程中的第三次飞跃。纳米陶瓷将给人们提供更新更好的材料。2、纳米陶瓷2.1、纳米陶瓷在原有工作的基础上,人们认识到,材料的性能和它的晶粒尺寸关系极为密切,诸如强度、蠕变、硬度、电学性能、光学性能等,无一不与晶粒尺寸成一定的指数关系。纳米陶瓷是80年代中期发展
4、起来的先进材料。由于它是界于宏观物质和微观原子、分子的中间研究领域,它的出现开拓了人们认识物质世界的新层次,对材料的工艺,制备科学,以至整个材料科学带来了新的研究内涵。虽然,电子显微镜,包括扫描电子显微镜和透射电子显微镜以及高分辨电镜和分析电镜等现代表征技术的发展,使人们能进入到纳米量级(10-9m)线度上来研究纳米陶瓷中晶界的化学组分及显微结构,但由纳米材料所引起的诸如超微粉体学,烧结动力学,各种掺入纯物质的纳米陶瓷的显微结构以及由此引起的物理性能的变化,都是当今研究陶瓷的热门话题,还有待于人们进一步的研究。2.2、纳米粉末的制备：要制成纳米陶瓷,主要包括两大步骤:一是制取纳米陶瓷粉,二是致
5、密化成块状纳米材料。纳米粉的制备技术有气相合成和凝聚相合成两大类,再加上一些其它方法。2.2.1、气相合成:在惰性气氛中,蒸发的单体凝结成原子团。一般是先建立单体群,靠与冷惰性气体原子碰撞来冷却单体,靠单体累加或原子团间的碰撞使原子团生长。这种合成法对制备纳米陶瓷粉有下列优点:a)增强了低温下的可烧结性,这主要是由于高的驱动力和短的扩散距离所致。b)有相对高的纯净性和高的表面及晶粒边界纯度。c)这类方法相对来说较为简单,易于达到高速率生产。炉源法:它是用以建立单体的最简单技术,原料在坩埚中经加热直接蒸发生气态,以产生悬浮微粒或烟雾状原子团。越接近源,小原子团的尺寸越均匀;远离源,原子团变大,其
6、粒径分布变宽。离开蒸发源到一定距离时,原子团达到极限粒径该特征距离值取决于惰性气体的压强和源的蒸发速率。原子团极限粒径将随蒸发速率的加大和惰性气体原子量的增大而增加。原子团的平均粒径可由改变蒸发速率以及蒸发室内的惰性气体的压强来控制,粒径可小至34nm。粒径分布显示对数正态分布,这种分布表明团团聚结的特征。在惰性气体中,加一种强制对流的气流,可降低原子团粒径的平均值,其粒径分布宽度亦趋窄。对高蒸气压的样品,可用升华代替蒸发。例如MgO,在200Pa的He压中,加热到接近于1600(MgO的熔点为2850)。经升华后,发现是缺氧的,但可将它暴露在引入真空室的氧气氛下,而最终使其转化成符合化学计量
7、比的MgO。炉源法可制备氧化物陶瓷粉。如要制备TiO2,可在He中蒸发金属Ti来获得,先制取松散的纳米金属粉,然后由引入到小室的氧气进行氧化,典型的氧压为2kPa。实验证明,惰性气体气压的控制不仅影响颗粒大小,有时也影响形成材料的物相。用加热生成单体,技术简单,但其局限性也很明显,故只有少数几种陶瓷材料如TiO2、CaF2等用该方法来制备纳米粉。热解法:是指采用高温先使反应剂气体的气相分解,再产生所要组分原子的饱和蒸气。热解主要有两种:激光热解和火焰热解。激光热解是将一种用惰性气体为载体的流动的反应剂气体用激光快速加热,实现快速的,反应剂气体的气相分解。当分解物被载流气体的原子(分子)碰撞而达
8、到淬冷后,原子团进行成核和生长。这种技术被广泛用于合成Si3N4、SiC、Al2O3等纳米陶瓷粉。对制取非金属化合物,靠将乙烯加入气体混合物以产生碳化物;靠将NH3加入以产生氮化物。激光热解优点是可连续加工,可用激光功率和反应剂流率来控制产率。另一种是火焰热解,这是一种挥发性化合物如TiCl4或SiCl4在氢氧焰中的反应,它导致生成弥散度较高的氧化物团,用于制取Al2O3、SiO2、Bi2O3、ZrO2和TiO2等。这种技术的主要优点是高纯、具有化学可变性,以及有合成混合氧化物的可能。2.2.2 凝聚相合成:主要有下列三种方法。离子性材料中的分解和沉淀反应:已被用于产生纳米团,例如Mg(OH)
9、2和MgCO3的分解产生具有大约2nm直径的MgO分子团。Sol-gel法(溶胶凝胶法):被用在各类系统中产生小于10nm的SiO2、Al2O3和TiO2纳米团。要获得纳米结构,可引入具有最终平衡相结晶陶瓷的先驱物作为籽晶,进行催化成核,在基体中引入晶核的目的是为了降低形成所需相的成核能。要制备包含一个或多个高蒸气压组分的化学计量比化合物,遇到一定的困难。如要制备(BaPb)TiO3,严重的问题就是由于高蒸气压组分铅的损失,而该困难可由sol-gel法避免,与其它高温方法比,该方法是在低温下进行的。水热反应:即水在高于沸点时的反应,已被用来合成纳米团。至今所用的两种反应是水热沉淀和氧化,两种反
10、应可产生水中的结晶状金属氧化物的悬浮物。已制成了简单氧化物(ZrO2,Al2O3、TiO2,MgO)以及混合氧化物(ZrO2-Y2O3,ZrO2-MgO、ZrO2-Al2O3、BaTiO3)等的10nm100nm的纳米团。3、纳米陶瓷的性能研究纳米粉末的巨大比表面,使得作为粉体烧结驱动力的表面能剧增,引起扩散速率的增加和扩散路径的缩短。在有化学反应参与的烧结过程中,颗粒接触表面增加,增加了反应的机率,加快了反应速率。这些均引起烧结活化能变小,使整个烧结过程加快,烧结温度变低,烧结时间变短。无团聚的含Y的ZrO2纳米粉体(尺寸为1015 nm),在1200下烧成,有可能烧到理论密度的95%以上,
11、而要达到同样的致密度,微米级粉体的样品约需1650,比纳米级粉体的烧结温度高约400。用激光法所制的15-25 nmSi3N4粉末比一般陶瓷烧结温度降低200-300。因此,纳米粉末的出现,大大改变了材料的烧结动力学,使陶瓷烧结得到了很大的改变。在一般陶瓷中,因为由离子键或共价键组成的化合物并不具备如金属那样的晶格和滑移系统,所以很难具备超塑性,但是陶瓷是多晶物质,晶界是它的很重要的组成部分,利用晶界表面的众多不饱和键,造成沿晶界方向的平移,就能实现超塑性,对于纳米级TiO2比单晶和粗晶(微米晶粒度)的TiO2陶瓷具有更好的形变性能和断裂韧性,在180可经受变曲形变而不产生裂纹,即使是带裂纹的
12、TiO2纳米陶瓷也能经受一定程度的弯曲而裂纹不扩展(在同样条件下,TiO2单晶发生破裂)。同样Si3N4纳米陶瓷的超塑性行为是微米级的214%。这些,都说明了纳米陶瓷有别于微米陶瓷,有待于我们在工艺技术、烧结动力学、结构性能表征方面的进一步研究。4、高性能陶瓷与纳米陶瓷的发展趋势4.1高性能陶瓷的市场发展预测从一些主要工业国家的高性能陶瓷(包括纳米陶瓷)、工程陶瓷的市场统计和预测可以看出,高性能陶瓷每5年的销售额翻一番,在2000年达到大约500亿美元的市场,平均每年的增长率在14%15%左右,发展是极其迅速的。从工程陶瓷在高性能陶瓷中所占的比例来看,也是不断增长的,这说明在高性能陶瓷中,工程
13、陶瓷的发展更快更有前景。而具有高性能的纳米陶瓷如在高温下具有高强度、高硬度以及优良抗氧化性、耐磨性、耐腐蚀性的产品市场前景更是看好。4.2高性能陶瓷与纳米陶瓷的应用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改善。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24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。西方发达国家特种复合陶瓷材料的增长速度每年平均不低于15%。由于纳米陶瓷具有不同于传统陶瓷的独特性能,纳米陶瓷材料制成的烧结
14、体可作为储氢材料、热交换器、微孔过滤器以及检测温度气体的多功能传感器。它的发展使陶瓷材料跨入了一个新的历史时期。5、总结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。纳米陶瓷作为一种新型高性能陶瓷，是近年发展起来的一门全新的科学技术，它将成为新世纪最重要的高新技术，将越来越受到世界各国科学家的关注。纳米陶瓷的研究与发展必将引起陶瓷工业的发展与变革，以及引起陶瓷学理论上的发展乃至建立新理论体系，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，以致使新的性能、功能的出现成为可能。纳米科技的产业化前景广阔。我们期待着纳米陶瓷在工程领域乃至日常生活中得到更广泛的应用。