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常見問題

納米陶瓷是什么技術(shù)?

來源:錦榮耐磨材料點擊: 發(fā)布時間:2020-09-23

       工程陶瓷又叫結(jié)構(gòu)陶瓷,因其具有硬度高、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕以及質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點,得到了廣泛的應(yīng)用。但是工程陶瓷的缺陷在于它的脆性(裂紋)、均勻性差、可靠性低、韌性、強度較差,因而使其應(yīng)用受到了較大的***。隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用,納米陶瓷隨之產(chǎn)生,希望以此來克服陶瓷材料的脆性,使陶瓷具有象金屬似柔韌性和可加工性。英國材料學(xué)家Cahn指出,納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑。

納米技術(shù)與納米陶瓷

利用納米技術(shù)開發(fā)的納米陶瓷材料是指在陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)中,晶粒、晶界以及它們之間的結(jié)合都處在納米水平(1~100nm),使得材料的強度、韌性和超塑性大幅度提高,克服了工程陶瓷的許多不足,并對材料的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等性能產(chǎn)生重要影響,為替代工程陶瓷的應(yīng)用開拓了新領(lǐng)域。

1.納米陶瓷粉體
  納米陶瓷粉體是介于固體與分子之間的具有納米數(shù)量級(1~100nm)尺寸的亞穩(wěn)態(tài)中間物質(zhì)。隨著粉體的超細化,其表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,產(chǎn)生了塊狀材料所不具有的特殊的效應(yīng)。

具體地說納米粉體材料具有以下的優(yōu)良性能:極小的粒徑、大的比表面積和高的化學(xué)性能,可以顯著降低材料的燒結(jié)致密化程度、節(jié)能能源;使陶瓷材料的組成結(jié)構(gòu)致密化、均勻化,改善陶瓷材料的性能,提高其使用可靠性;可以從納米材料的結(jié)構(gòu)層次(l~100nm)上控制材料的成分和結(jié)構(gòu),有利于充分發(fā)揮陶瓷材料的潛在性能。另外,由于陶瓷粉料的顆粒大小決定了陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能。如果粉料的顆粒堆積均勻,燒成收縮一致且晶粒均勻長大,那么顆粒越小產(chǎn)生的缺陷越小,所制備的材料的強度就相應(yīng)越高,這就可能出現(xiàn)一些大顆粒材料所不具備的獨特性能。

2.納米陶瓷的制備
  納米陶瓷的制備工藝主要包括納米粉體的制備、成型和燒結(jié)。目前世界上對納米陶瓷粉體的制備方法多種多樣,但應(yīng)用較廣且方法較成熟的主要有氣相合成和凝聚相合成2種,再加上一些其它方法。

氣相合成:主要有氣相高溫裂解法、噴霧***法和化學(xué)氣相合成法,這些方法較具實用性。化學(xué)氣相合成法可以認為是惰性氣體凝聚法的一種變型,它既可制備納米非氧化物粉體,也可制備納米氧化物粉體。這種合成法增強了低溫下的可燒結(jié)性,并且有相對高的純凈性和高的表面及晶粒邊界純度。原料的坩堝中經(jīng)加熱直接蒸發(fā)成氣態(tài),以產(chǎn)生懸浮微粒和或煙霧狀原子團。原子團的平均粒徑可通過改變蒸發(fā)速率以及蒸發(fā)室內(nèi)的惰性氣體的壓強來控制,粒徑可小***3~4nm,是制備納米陶瓷最有希望的途徑之一。

凝聚相合成(溶膠一凝膠法):是指在水溶液中加入有機配體與金屬離子形成配合物,通過控制PH值、反應(yīng)溫度等條件讓其水解、聚合,經(jīng)溶膠→凝膠而形成一種空間骨架結(jié)構(gòu),再脫水焙燒得到目的產(chǎn)物的一種方法。此法在制備復(fù)合氧化物納米陶瓷材料時具有很大的優(yōu)越性。凝聚相合成已被用于生產(chǎn)小于10nm的SiO2、Al2O3和TiO2納米團。

從納米粉制成塊狀納米陶瓷材料,就是通過某種工藝過程,除去孔隙,以形成致密的塊材,而在致密化的過程中,又保持了納米晶的特性。方法有:沉降法:如在固體襯底上沉降;原位凝固法:在反應(yīng)室內(nèi)設(shè)置一個充液氮的冷卻管,納米團冷凝于外管壁,然后用刮板刮下,直接經(jīng)漏斗送人壓縮器,壓縮成一定形狀的塊材;燒結(jié)或熱壓法:燒結(jié)溫度提高,增加了物質(zhì)擴散率,也就增加了孔隙消除的速率,但在燒結(jié)溫度下,納米顆粒以較快的速率粗化,制成塊狀納米陶瓷材料。

3.納米陶瓷的特性

90年代初,***Niihara***報道了以納米尺寸的碳化硅顆粒為***相的納米復(fù)相陶瓷,具有很高的力學(xué)性能。納米顆粒Si3N4、SIC超細微粉分布在材料在內(nèi)部晶粒內(nèi),增強了晶界強度,提高了材料的力學(xué)性能,易碎的陶瓷可以變成富有韌性的特殊材料。

納米陶瓷的特性主要在于力學(xué)性能方面,包括納米陶瓷材料的硬度,斷裂韌度和低溫延展性等。納米級陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能,特別是在高溫下使硬度、強度得以較大的提高。有關(guān)研究表明,納米陶瓷具有在較低溫度下燒結(jié)就能達到致密化的優(yōu)越性,而且納米陶瓷出現(xiàn)將有助于解決陶瓷的強化和增韌問題。在室溫壓縮時,納米顆粒已有很好的結(jié)合,高于500℃很快致密化,而晶粒大小只有稍許的增加,所得的硬度和斷裂韌度值更好,而燒結(jié)溫度卻要比工程陶瓷低400~600℃,且燒結(jié)不需要任何的添加劑。其硬度和斷裂韌度隨燒結(jié)溫度的增加(即孔隙度的降低)而增加,故低溫?zé)Y(jié)能獲得好的力學(xué)性能。通常,硬化處理使材料變脆,造成斷裂韌度的降低,而就納米晶而言,硬化和韌化由孔隙的消除來形成,這樣就增加了材料的整體強度。因此,如果陶瓷材料以納米晶的形式出現(xiàn),可觀察到通常為脆性的陶瓷可變成延展性的,在室溫下就允許有大的彈性形變。

由于納米陶瓷具有的獨特性能,如做外墻用的建筑陶瓷材料則具有自清潔和防霧功能。隨著高技術(shù)的不斷出現(xiàn),人們對納米陶瓷寄予很大希望,世界各國的科研工作者正在不斷研究開發(fā)納米陶瓷粉體并以此為原料合成高技術(shù)納米陶瓷。

 

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