文档介绍：齐齐哈尔大学
硅酸盐工业进展课程论文
题目纳米复合陶瓷材料的研究进展
学院材料学院
专业班级无机081
学生姓名邱舒笑
成绩
2011年 6月 1日
摘要:根据分类的不同,对纳米复合陶瓷材料进行了介绍,分析了其制备工艺,讨论了纳米复合陶瓷的力学性能与显微结构之间的关系,并研究了材料的强韧化机理
关键词:纳米复合陶瓷材料制备工艺显微结构
一、前言
陶瓷材料具有高的硬度、耐磨性、耐高温、耐腐蚀等其他材料无法比拟的优异性能,但脆性问题大大限制了陶瓷材料的应用发展。日本的Nihara 等首次在基体中引入纳米级的SiC 制备出纳米陶瓷复合材料,发现不仅可使基体材料的室温力学性能得到提高,而且可显著改善材料的高温性能,同时发现具有可切削加工性和超塑性。加入纳米相复合后陶瓷材料的室温强度和韧性大为提高,高温强度和抗蠕变性能也有显著改善,如加入15%纳米SiC,可使Al2O3材料的强度由350MPa 提高到1500MPa。
二、纳米复合陶瓷材料的强韧化机理
纳米复合陶瓷材料的强韧化机理纳米复合陶瓷材料中,纳米相粒子以晶内型和晶界型两种方式存在。纳米增强相颗粒细化了基体晶粒,使断裂模式由沿晶断裂变为穿晶断裂,强化了晶界,由于纳米颗粒高的硬度和强度,使裂纹偏转、弯曲,扩展路径更加曲折,消耗更多的能量,纳米颗粒对裂纹还具有钉扎作用,固定裂纹,使复合材料的性能得以提高。
. 材料的显微结构
晶粒细化
等认为纳米相的加入能抑制基体晶粒的异常长大,使基体结构均匀细化,由此使纳米复合陶瓷材料强度韧性得到显著提高。例如纳米SiC 不与Al2O3 反应,也难于移动或粗化,使晶界移动困难,从而抑制Al2O3 晶粒的长大;另外纳米SiC 的加入提高了成核浓度,在减小晶粒尺寸的同时促使晶粒大小均匀化,减小了晶粒异常长大的可能性,这种均匀细化的显微结构有利于提高材料的抗弯强度。实际上,亚晶界或微裂纹的存在使基体晶粒处于一种潜在分化状态,即纳米化效应。
“晶内型”结构的形成
微米—纳米复合材料中,大部分纳米颗粒由于其粒径与基体颗粒存在数量级的差异,其烧结活性温度往往高于基体,所以在一定温度下基体颗粒以纳米颗粒为核形成晶粒,将纳米颗粒包裹在基体晶粒内部,形成“晶内型”结构。王丽丽等人通过研究发现,SiC 纳米级弥散体抑制了氧化物基体晶粒的明显长大。晶粒的细化一方面减小了材料中缺陷的尺寸,另一方面纳米SiC 的加入强化了晶界,Al2O3 晶粒内的张应力促使断裂的扩展由沿晶转变为穿晶,同时裂纹尖端遇到SiC 产生偏转,从而达到提高材料强度和断裂韧性的目的,表明晶内型的结构有利于提高纳米复合材料的力学性能。
纳米颗粒对基体晶粒形状的影响
对某些纳米复合陶瓷,纳米颗粒的存在促使基体晶粒呈细长的棒状生长。这种棒状晶粒的作用类似于晶须,微细纤维,与基体晶粒、晶界牢固结合在一起,可以引起裂纹偏转和桥联,增加裂纹路径,吸收更多的能量,从而提高材料韧性。
由微米复合陶瓷的沿晶断裂到纳米复合陶瓷的穿晶断裂是断裂模式的发展过程。纳米复合陶瓷的断裂模式兼有沿晶断裂和穿晶断裂,以穿晶断裂为主。穿晶断裂时,裂纹扩展需要消耗更多的能量,从而导致复合材料断裂韧性和抗弯强度的提高。郭小龙等认为:由于“内