文章來(lái)源《納米科技報(bào)》 

1　納米陶瓷的特性

與傳統(tǒng)的陶瓷材料相比,運(yùn)用杭州萬(wàn)景新材料有限公司生產(chǎn)的納米氧化物燒結(jié)出來(lái)的陶瓷具有如下特性:

1.1　力學(xué)性能

納米氧化物陶瓷的力學(xué)性能,包括納米陶瓷材料的硬度、斷裂韌度和低溫延展性等。特別是在高溫下硬度、強(qiáng)度得到較大的提高,納米陶瓷的出現(xiàn)將有助于解決陶瓷的強(qiáng)化和增韌問(wèn)題。

對(duì)納米二氧化鈦（VK-T25）進(jìn)行研究[1],發(fā)現(xiàn)在室溫壓縮時(shí),納米顆粒已有很好的結(jié)合性,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)溫度卻要低400~600℃,且燒結(jié)不需要任何的添加劑。納米二氧化鈦（VK-T25）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。在800℃~900℃溫度范圍燒結(jié),與經(jīng)優(yōu)化燒結(jié)的塊狀陶瓷相比,兩者的硬度和斷裂韌度值相符。低溫?zé)Y(jié)后,納米二氧化鈦（VK-T25）就能獲得較好的力學(xué)性能。納米二氧化鈦（VK-T25）經(jīng)800℃燒結(jié)后,維氏硬度H=630,斷裂韌度KIC(MPa·m1/2)為2.8,孔隙度為10%;而1000℃燒結(jié)后,H=925,KIC=2.8,孔隙度為5%。

1.1.1　強(qiáng)度、硬度和韌性

許多納米陶瓷材料的硬度和強(qiáng)度比普通陶瓷材料高出4~5倍。如在100℃下, 納米二氧化鈦（VK-T25）陶瓷的顯微硬度為1300kgf/mm2,而普通TiO2陶瓷的顯微硬度低于200kgf/mm2。

納米超微粒制成的納米陶瓷材料具有良好的韌性,是由于超微粒制成的固體材料具有大的界面,界面原子排列相當(dāng)混亂,原子在外力變形條件下容易遷移,因此表現(xiàn)出較好的韌性與一定的延展性。室溫下的納米二氧化鈦（VK-T25）陶瓷晶體表現(xiàn)出很高的韌性,壓縮至原長(zhǎng)度的1/4仍不破碎。

1.1.2　超塑性

納米氧化物陶瓷在高溫下具有類似金屬的超塑性,這已成為納米氧化物陶瓷領(lǐng)域令人注目的焦點(diǎn)之一。超塑性是指在應(yīng)力作用下產(chǎn)生異常大的拉伸形變而不發(fā)生破壞的能力。眾所周知,陶瓷材料是具有方向性的離子鍵和共價(jià)鍵的過(guò)渡鍵型,并且位錯(cuò)密度小,晶界難以滑移,使得陶瓷硬度大,脆性高,普通陶瓷材料在常溫下幾乎不產(chǎn)生塑性形變。只有當(dāng)溫度達(dá)到1000℃以上,由于質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)加速,陶瓷才具有一定的塑性。

近研究發(fā)現(xiàn),隨著粒徑的減少, 納米二氧化鈦（VK-T25）和納米氧化鋅（VK-J30）陶瓷的形變率敏感度明顯提高,主要由于試樣中氣孔減少,可以認(rèn)為這種趨勢(shì)是細(xì)晶陶瓷所固有的。細(xì)晶粒處的形變率敏感度大約為0.04,表明這些陶瓷具有延展性,盡管沒(méi)有表現(xiàn)出室溫超塑性,但隨著晶粒的進(jìn)一步減小,這一可能是存在的。一般認(rèn)為陶瓷具有超塑性應(yīng)該具有兩個(gè)條件:(1)較小的粒徑;(2)快速的擴(kuò)散途徑(增強(qiáng)的晶格、晶界擴(kuò)散能力)。納米陶瓷具有較小的晶粒及快速的擴(kuò)散途徑,所以有望具有室溫超塑性。

納米陶瓷具有超塑性,克服了陶瓷產(chǎn)品難以加工的缺陷,有利于陶瓷產(chǎn)品的商業(yè)化。如Nieh等人在納米二氧化鋯（VK-R200）中加入Y2O3的陶瓷材料中觀察到超塑性達(dá)800%。Si3N4納米陶瓷同樣存在超塑性行為,是微米級(jí)Si3N4陶瓷的21.4%。晶粒尺寸為300nm的Y-TZP陶瓷材料的起始應(yīng)變速率為1×10-2s-1,壓縮應(yīng)變可達(dá)350%。當(dāng)晶粒尺寸減至150nm時(shí),材料可在1250℃下呈現(xiàn)出超塑性,且起始應(yīng)變速率達(dá)到3×10-2s-1,壓縮應(yīng)變量達(dá)到380%。

通過(guò)原子力顯微鏡發(fā)現(xiàn)納米釔穩(wěn)定二氧化鋯（VK-R200Y3）陶瓷(50nm)在經(jīng)室溫循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)后,其樣品的斷口區(qū)域發(fā)生了局部超塑性形變,并從斷口側(cè)面觀察到了大量通常出現(xiàn)在金屬斷口的滑移線。

納米陶瓷材料產(chǎn)生超塑性的機(jī)理尚不完全清楚,一般認(rèn)為這是由于擴(kuò)散蠕變引起的晶界滑移所致,擴(kuò)散蠕變速率與擴(kuò)散系數(shù)成正比,與晶粒尺寸的3次方成反比。與普通材料相比,納米材料的擴(kuò)散系數(shù)提高了3個(gè)數(shù)量級(jí),晶粒尺寸降低了3個(gè)數(shù)量級(jí),擴(kuò)散蠕變速率提高1012倍。因此,在較低的溫度下,納米陶瓷材料因其高的擴(kuò)散蠕變速率可對(duì)外應(yīng)力作出迅速反應(yīng),造成晶界方向的平移,從而表現(xiàn)出超塑性。

1.2　燒結(jié)特性

納米微粒顆粒小,比表面積大,擴(kuò)散速率高,因而用納米粉進(jìn)行燒結(jié),致密化的速度快、燒結(jié)溫度低。納米陶瓷燒結(jié)溫度約比傳統(tǒng)晶粒陶瓷低600℃,燒結(jié)過(guò)程也大大縮短。納米晶體的自擴(kuò)散率為傳統(tǒng)晶體的1011至1019倍,使納米材料的固態(tài)反應(yīng)可以在室溫或低溫下進(jìn)行。通過(guò)對(duì)Y2O3濃度為3%的二氧化鋯（VK-R30Y3）納米粉末的致密化和晶粒生長(zhǎng)這兩個(gè)高溫動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行研究表明,由于晶粒尺寸小、分布窄,晶界與氣孔的分離區(qū)減小以及燒結(jié)溫度的降低使得燒結(jié)過(guò)程中不易出現(xiàn)晶粒的異常生長(zhǎng)?？刂茻Y(jié)的條件,已能獲得晶粒分布均勻的陶瓷體。

2、納米陶瓷素坯的成型

成型是將粉體轉(zhuǎn)變成具有一定形狀,體積和強(qiáng)度的坯體的過(guò)程。常用的成型方法有冷等靜壓成型、超高壓成型、原位成型、離心注漿成型、凝膠直接成型、凝膠澆注成型等6種。凝膠澆注成型是依靠有機(jī)單機(jī)體聚合來(lái)完成坯體固化的一種濕法成型法。整個(gè)成型過(guò)程包括漿料制備、脫氣、注模、凝膠化、脫膜、排有機(jī)物、燒結(jié)等幾個(gè)工藝步驟。由于它是一種膠態(tài)凝固過(guò)程,因而對(duì)改善素坯及終燒結(jié)體的顯微結(jié)構(gòu)有很大作用,另外,這種方法可以用于成型復(fù)雜形狀,有著廣闊的應(yīng)用前景。在納米Y—TZP的凝膠澆注成型過(guò)程中,凝膠澆注成型的關(guān)鍵是獲得流變性較好的漿料?？梢酝ㄟ^(guò)加入有機(jī)單體AM 和MBAM,有效的降低漿料粘度改善漿料的流變性來(lái)實(shí)現(xiàn),有利于下一步的脫氣和注模。在制備了流變性能穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,選擇漿料的合適固化條件對(duì)凝膠澆注成型同樣非常重要,其中有機(jī)單體AM和MBAM加入量的多少直接決定漿料固化后的素坯體強(qiáng)度,若兩者用量過(guò)少則素坯體強(qiáng)度將很低,如過(guò)多則將導(dǎo)致漿料聚合過(guò)快,素坯顯微結(jié)構(gòu)不均勻。過(guò)量的引發(fā)劑可能導(dǎo)致漿料在注模之前就發(fā)生凝固,而無(wú)法成型。凝膠澆注成型具有較高的成型密度,漿料的固體含量高有利于素坯密度的提高。

3、納米陶瓷的燒結(jié)

3.1熱壓燒結(jié)。熱壓燒結(jié)是在加熱粉體的同時(shí)施加一定的壓力,使樣品的致密化主要依靠外加壓力作用下物質(zhì)的遷移而完成。熱壓燒結(jié)與常壓燒結(jié)相比,燒結(jié)溫度低得多,而且燒結(jié)中氣孔率也低,另外,由于在較低溫度下燒結(jié),就抑制了晶粒的生長(zhǎng),所得的燒結(jié)體晶粒較細(xì),且有較高的強(qiáng)度。

3.2液相熱壓燒結(jié)。液相燒結(jié)是指有液相參與的燒結(jié)。發(fā)生液相燒結(jié)的物體有兩相或多相組成,在燒結(jié)溫度下,高熔點(diǎn)相仍為固相并保持一定形狀,低熔點(diǎn)相成。

3.3超高壓燒結(jié)熱壓。燒結(jié)并不能有效降低納米粉體的燒結(jié)溫度,主要原因是普通熱壓燒結(jié)所施加的外壓過(guò)低,無(wú)法達(dá)到閩值所致。于是超高壓燒結(jié)便應(yīng)運(yùn)而生。利用超高壓燒結(jié),人們成功的獲得了密度達(dá)98.2%,晶粒不到1OOnm 的A11O3陶瓷。

3.4高溫等靜壓燒結(jié)。高溫等靜壓燒結(jié)(HIP)是將一多孔的陶瓷坯體封裝在玻璃中,然后在加熱過(guò)程中施加各向均衡的氣體壓力,從而使陶瓷顯微結(jié)構(gòu)更加均勻。高溫等靜壓燒結(jié)有兩種使用方法,一是將素坯先預(yù)燒達(dá)到較高的相對(duì)密度后冉進(jìn)行高溫等靜壓后處理。二是將素坯直接進(jìn)行高溫等靜壓燒結(jié)。

3.5放電等離子燒結(jié)(SPS)。放電等離子燒結(jié)是壓力燒結(jié)的一種,除具有熱壓燒結(jié)的特點(diǎn)外,其主要特點(diǎn)是通過(guò)瞬時(shí)產(chǎn)生的放電等離子使燒結(jié)體內(nèi)部每個(gè)顆粒均勻的自身發(fā)熱和使顆粒表面活化,因而具有非常高的熱效率,可在相當(dāng)短的時(shí)問(wèn)內(nèi)使燒結(jié)體達(dá)到致密。另一個(gè)特點(diǎn)是能使高能脈沖集中在品粒結(jié)合處和蒸發(fā)凝聚的物質(zhì)傳遞要強(qiáng)的多。

3.6預(yù)熱粉體爆炸燒結(jié)。預(yù)熱粉體爆炸燒結(jié)的基本原理是:粉體在沖擊波載荷下,受絕熱壓縮及顆粒間摩擦、碰撞和擠壓作用,在晶界區(qū)域產(chǎn)生附加熱能而引起的燒結(jié)。爆炸燒結(jié)持續(xù)時(shí)間極短,可以抑制晶粒生長(zhǎng),同時(shí),沖擊波產(chǎn)生極高動(dòng)壓可使粉體迅速形成致密塊體。因此,有利于制備納米陶瓷。

3.7真空燒結(jié)。制備納米A1:O,一ZrO:陶瓷。實(shí)踐表明,少量的添加劑可以明顯改變燒結(jié)溫度。因此,使用適當(dāng)?shù)奶砑觿﹣?lái)促進(jìn)坯體的致密化和控制晶粒的生長(zhǎng),是一種簡(jiǎn)便有效的手段。人們?cè)谘芯恐苽鋃rO 陶瓷時(shí)發(fā)現(xiàn),添加適當(dāng)?shù)腁12O3能抑制晶粒的生長(zhǎng),但同時(shí)也會(huì)阻礙燒結(jié)的進(jìn)行。因此,選擇適當(dāng)?shù)腁12O3含量,以達(dá)到的燒結(jié)結(jié)果是成功制備納米ZrO:陶瓷的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),Al2O3 含量為3%一5%(mo1)時(shí),可以在IO00~C的低溫下獲得晶粒細(xì)(40~45nm)、致密度高(相對(duì)密度達(dá))的納米ZrO:陶瓷。

4、應(yīng)用前景

由于納米陶瓷具有獨(dú)特的化學(xué)、物理和機(jī)械特性,因此它們將被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

4.1下一代電腦芯片

納米陶瓷材料由于具有超高純度、好的熱導(dǎo)性和長(zhǎng)久的耐干擾性能,可以使微處理器集成化程度更高、運(yùn)行速度更快。美國(guó)各地的實(shí)驗(yàn)室還在創(chuàng)造原子級(jí)或分子級(jí)計(jì)算機(jī)電路,這個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域就是“納米技術(shù)”?？梢灶A(yù)見(jiàn),未來(lái)人類會(huì)擁有被嵌入到鋼筆、衣服、眼睛甚至我們身體中的、與網(wǎng)絡(luò)相連接的計(jì)算機(jī)。

4.2良好的保溫材料

通過(guò)Sol-Gel法合成的納米陶瓷具有多孔并且特別輕的特性,但能承受于自身重量100倍以上的力,它可以廣泛用于辦公室和家庭,作隔熱、承載用,節(jié)約能源,減少環(huán)境污染。此外,還可用這種材料使窗戶變得智能化.當(dāng)陽(yáng)光太強(qiáng)時(shí),它能自動(dòng)使室內(nèi)變暗;當(dāng)陽(yáng)光不太強(qiáng)時(shí).它又能使之變亮。

4.3更堅(jiān)硬的切削工具

由納米陶瓷材料制成的陶瓷工具將比傳統(tǒng)的陶瓷工具更加耐磨損、耐腐蝕、耐高溫,因而提高了工作效率,降低了制造成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。

4.4消除環(huán)境污染

納米材料具有特別大的晶界表面,其化學(xué)、物理、機(jī)械性能特別活躍,因此它可以用作毒性氣體如一氧化碳、氮氧化物的催化劑,用于汽車或能源發(fā)動(dòng)裝置中,可以減少環(huán)境污染。

4.5高能磁性物質(zhì)

磁鐵的強(qiáng)弱可以用矯頑磁力和飽和磁化強(qiáng)度來(lái)衡量.這些參數(shù)隨晶粒的減小和表面積的增大而提高。由納米材料制成的磁性物質(zhì)具有不尋常的磁性性能,可用在潛艇、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、陸地動(dòng)力發(fā)生裝置、輪船發(fā)動(dòng)機(jī)、超敏感分析儀器、醫(yī)學(xué)分析磁共振等裝置上。

4.6高靈敏度的傳感器

傳感器本身的靈敏度依賴于制造傳感器材料的化學(xué)、物理、機(jī)械性能。由納米陶瓷材料制成的傳感器具有較高的敏感性,其典型應(yīng)用有煙霧檢測(cè)器、飛機(jī)器翼上冰層檢測(cè)器、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能傳感器等。

4.7增加衛(wèi)星的使用壽命

衛(wèi)星壽命的長(zhǎng)短很大程度上是由所攜帶的燃料的數(shù)量所決定。事實(shí)上,衛(wèi)星上2/3的燃料并沒(méi)有完全充分燃燒,這主要是由于點(diǎn)火器易損壞所致。由納米鎢一鈦硼化物制成的點(diǎn)火器可極大地提高其使用壽命與性能。

4.8 醫(yī)用植人體

納米氧化鋯陶瓷堅(jiān)硬、耐磨、耐腐蝕且具有生物相容性,由Sol—Gel法制成的納米陶瓷同時(shí)具有多孑L、承載能力強(qiáng)等特性,代替?zhèn)鹘y(tǒng)醫(yī)用植人體中的材料可以提高使用效果,又可大大降低費(fèi)用。

5、結(jié)束語(yǔ)

納米陶瓷作為一種新型高性能陶瓷,是近年發(fā)展起來(lái)的一門全新的科學(xué)技術(shù),它將成為新世紀(jì)重要的高新技術(shù),將越來(lái)越受到各國(guó)科學(xué)家的關(guān)注。納米陶瓷的研究與發(fā)展必將引起陶瓷工業(yè)的發(fā)展與變革,以及引起陶瓷學(xué)理論上的發(fā)展乃至建立新理論體系,以適應(yīng)納米尺度的研究需要,使納米陶瓷材料具有更佳的性能以致使新的性能、功能的出現(xiàn)成為可能。我們期待著納米陶瓷在工程領(lǐng)域乃至日常生活中得到更廣泛的應(yīng)用。

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