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如何对陶瓷进行增强增韧?纳米技术有办法!

日期: 2018-03-07
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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有着举足轻重的地位。从古至今,人们的日常生产和生活都离不开陶瓷材料。但是由于传统陶瓷材料质地较脆,韧性较差,限制了陶瓷材料的应用。如何解决陶瓷材料的脆性和韧性一直以来都是陶瓷研究的焦点问题。


随着纳米技术的广泛应用,纳米陶瓷随之产生,英国材料学家Cahn指出,纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。纳米陶瓷能够克服陶瓷材料的脆性,提高材料的硬度,使陶瓷具有像金属似的柔韧性和可加工性。

何为纳米陶瓷?


如何对陶瓷进行增强增韧?纳米技术有办法!


纳米陶瓷是近20年发展起来的新型超结构陶瓷材料,是将纳米级陶瓷颗粒、晶须、纤维等引入陶瓷母体,以改善陶瓷的性能而制造的复合型材料。根据纳米陶瓷材料的性能,可将其分为两大类:


纳米结构陶瓷


在传统陶瓷粉体中通过加入纳米颗粒,或者将传统陶瓷粉体纳米化,通过烧结凝固时控制凝固或晶体相的大小和分布,从而改变陶瓷显微结构以提高其力学性能,制得纳米陶瓷材料。

 

纳米结构陶瓷改变的力学性能包括硬度、强度、塑性、韧性 


纳米功能陶瓷


纳米功能陶瓷是通过添加具有独特功能的纳米相或颗粒,或本身功能在常规微米级时未能完全表现出来的,在通过超细化后而得到表现,从而具有特殊功能的纳米陶瓷材料。

 

这些特殊功能包括:声学、、光学、电学、磁学、生物活性、对环境敏化性等。

纳米陶瓷的制备

纳米陶瓷的制备工艺主要包含两部分:纳米陶瓷粉体的制备和致密化成块状纳米陶瓷材料。世界上对纳米陶瓷粉体的制备方法多种多样,但应用较广且方法较成熟的主要有气相合成和凝聚相合成2种。


纳米粉体的制备


气相合成:气相合成又分为气相高温裂解法、喷雾转化法和化学气相合成法等。化学气相合成法既可制备纳米非氧化物粉体,也可制备纳米氧化物粉体。该法合成的粉体具有较强的低温可烧结性,并且有相对高的纯净性和高的表面及晶粒边界纯度。原料的坩埚中经加热直接蒸发成气态,以产生悬浮微粒或烟雾状原子团。原子团的平均粒径可通过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3~4nm,是制备纳米陶瓷最有希望的途径之一。

 

凝聚相合成(溶胶一凝胶法):是指在水溶液中加入有机配体与金属离子形成配合物,通过控制PH值、反应温度等条件让其水解、聚合,经溶胶→凝胶而形成一种空间骨架结构,再脱水焙烧得到目的产物的一种方法。此法在制备复合氧化物纳米陶瓷材料时具有很大的优越性。凝聚相合成已被用于生产小于10nm的SiO2、Al2O3和TiO2纳米团。


致密化成块状纳米陶瓷材料


从纳米粉体制成块状纳米陶瓷材料,就是通过工艺过程,除去孔隙,以形成致密的块状纳米陶瓷材料。在致密化的过程中,保持了纳米晶的特性。方法有:


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纳米陶瓷材料。


③烧结或热压法:烧结温度提高,增加了物质扩散率,也就增加了孔隙消除的速率,但在烧结温度下,纳米颗粒以较快的速率粗化,制成块状纳米陶瓷材料。


纳米陶瓷的增强增韧


陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能。当其添加纳米级粉料后,材料的力学性能能得到极大地改善,主要包括纳米陶瓷材料的硬度,断裂韧度和低温延展性等。

 

通常来说,硬化处理使材料变脆,造成断裂韧度的降低。而就纳米晶而言,硬化和韧化由孔隙的消除来形成,这样就增加了材料的整体强度。因此,如果陶瓷材料以纳米晶的形式出现,可观察到通常为脆性的陶瓷可变成延展性的,在室温下就允许有大的弹性形变。


如何对陶瓷进行增强增韧?纳米技术有办法!

纳米陶瓷在一定程度上克服了传统陶瓷质地较脆、韧性和强度较差等缺点,并对材料的力学、电学、热学、磁学等性能产生重要影响。纳米陶瓷作为一种高科技产品,拓宽了传统陶瓷的应用领域,在军事、汽车、发动机、电子、防护等诸多方面独有广泛的应用,并在许多超高温、强腐蚀等恶劣环境下起着不可替代的作用。

来源:粉体网


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