文档介绍：第十二章纳米陶瓷材料
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,韧性、强度较差,因而使其应用受到了较大的限制。
随着纳米技术的广泛应用,纳米陶瓷随之产生,希望以此来克服陶瓷材料的脆性,使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。
世界著名材料学家John W. Cahn指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。
一、纳米陶瓷的问世背景
二、纳米陶瓷(粉体)的制备方法
三、纳米陶瓷(粉体)的应用领域
一、纳米陶瓷的问世背景
陶瓷是由晶粒和晶界组成的一种多晶烧结体。由于工艺上的关系,很难避免其中存在气孔和微小裂纹。
决定陶瓷材料性能的主要因素:化学组成、物相和显微结构。先进陶瓷采用人工合成原料,它的化学组成和杂质含量都可以有效地控制,所制备材料的一致性得以保证。
陶瓷的显微结构:主要考虑晶粒尺寸大小及其分布、晶界的组成、结晶态和其含量以及它的分布状态、气孔和微小裂纹等宏观缺陷的大小及其分布等。其中最主要的是晶粒尺寸问题。现有陶瓷材料的晶粒尺寸一般是在微米级的水平,这是由所采用的工艺所决定的。
陶瓷材料的优异性能:耐磨损、耐腐蚀、耐高温高压、硬度大、不会老化等,能够在其它材料无法承受的恶劣环境条件下正常工作。
陶瓷材料的缺点:脆性和难加工。
1. 高技术陶瓷
包括Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4等,具有硬度高、耐磨性好、化学性质稳定、密度小等优异性能。在各工业领域关键部件上使用,尤以SiC、 Si3N4等Si基陶瓷最具优异的综合性能和广泛的工业应用前景。
2. 高技术陶瓷存在的问题
(1) 韧性待增强
目前用来增强韧强化的方法有:
i) 颗粒增韧:工艺简单,但增韧效果不大;
ii) 晶须(纤维)增韧:由于晶须在基体中难以分散均匀、工艺性不好,达不到预期效果,晶须的毒性和高价格也是不利因素。
在陶瓷微观结构中加入能量吸收单元(颗粒、晶须、片晶等)来实现:通过塑性形变来吸收能量;利用裂纹偏转和提供桥联单元来阻止裂纹的进一步扩展。
iii) ZrO2相变增韧:加入能够相变的第二相,通过相变来吸收裂纹扩展的能量。可有较好的效果,但在高温工作条件下不能达到增韧的目的。
iv) 自增韧技术:对SiC、Si3N4,原位控制组织结构形态,工艺性好、有效果,但增强的效果有待提高。
? 这些方法对提高陶瓷的韧性起到很大的作用,但是,想彻底解决陶瓷的脆性问题依然十分困难。
(2) 高温力学性能待增强
为提高热机效率,设计使用温度要尽量提高:美国先进高温热机材料计划和国家宇航计划的陶瓷基复合材料的研究目标,要将使用温度提高到1650°C或更高。
现有陶瓷材料的高温强度、蠕变速率、抗高温氧化性及抗高温疲劳能力都难以满足如此苛刻的要求。SiC、Si3N4有可能在1400ºC-1650ºC的高温结构中使用,但由于添加烧结助剂形成的晶界相在高温下软化,引起慢裂纹扩展,使其高温强度下降,限制了其使用温度的提高。
(3) 加工困难:阻碍了陶瓷的实用化
3. 纳米陶瓷
纳米陶瓷粉体和纳米复合陶瓷的问世,为解决上述问题带来了新的机遇。
1987年德国萨尔兰大学的Gleiter和美格先后研制成功CaF2和TiO2纳米陶瓷。CaF2在RT下显示出良好的