文章來源《納米科技報》 

1　納米陶瓷的特性

與傳統(tǒng)的陶瓷材料相比,運用杭州萬景新材料有限公司生產(chǎn)的納米氧化物燒結(jié)出來的陶瓷具有如下特性:

1.1　力學性能

納米氧化物陶瓷的力學性能,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化和增韌問題。

對納米二氧化鈦（VK-T25）進行研究[1],發(fā)現(xiàn)在室溫壓縮時,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。低溫燒結(jié)后,納米二氧化鈦（VK-T25）就能獲得較好的力學性能。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　強度、硬度和韌性

許多納米陶瓷材料的硬度和強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域令人注目的焦點之一。超塑性是指在應力作用下產(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鍵的過渡鍵型,并且位錯密度小,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。只有當溫度達到1000℃以上,由于質(zhì)點的熱運動加速,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,可以認為這種趨勢是細晶陶瓷所固有的。細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,盡管沒有表現(xiàn)出室溫超塑性,但隨著晶粒的進一步減小,這一可能是存在的。一般認為陶瓷具有超塑性應該具有兩個條件:(1)較小的粒徑;(2)快速的擴散途徑(增強的晶格、晶界擴散能力)。納米陶瓷具有較小的晶粒及快速的擴散途徑,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800%。Si3N4納米陶瓷同樣存在超塑性行為,是微米級Si3N4陶瓷的21.4%。晶粒尺寸為300nm的Y-TZP陶瓷材料的起始應變速率為1×10-2s-1,壓縮應變可達350%。當晶粒尺寸減至150nm時,材料可在1250℃下呈現(xiàn)出超塑性,且起始應變速率達到3×10-2s-1,壓縮應變量達到380%。

通過原子力顯微鏡發(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)拉伸實驗后,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)生超塑性的機理尚不完全清楚,一般認為這是由于擴散蠕變引起的晶界滑移所致,擴散蠕變速率與擴散系數(shù)成正比,與晶粒尺寸的3次方成反比。與普通材料相比,納米材料的擴散系數(shù)提高了3個數(shù)量級,晶粒尺寸降低了3個數(shù)量級,擴散蠕變速率提高1012倍。因此,在較低的溫度下,納米陶瓷材料因其高的擴散蠕變速率可對外應力作出迅速反應,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,擴散速率高,因而用納米粉進行燒結(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)過程也大大縮短。納米晶體的自擴散率為傳統(tǒng)晶體的1011至1019倍,使納米材料的固態(tài)反應可以在室溫或低溫下進行。通過對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這兩個高溫動力學過程進行研究表明,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)過程中不易出現(xiàn)晶粒的異常生長?？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,體積和強度的坯體的過程。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單機體聚合來完成坯體固化的一種濕法成型法。整個成型過程包括漿料制備、脫氣、注模、凝膠化、脫膜、排有機物、燒結(jié)等幾個工藝步驟。由于它是一種膠態(tài)凝固過程,因而對改善素坯及終燒結(jié)體的顯微結(jié)構有很大作用,另外,這種方法可以用于成型復雜形狀,有著廣闊的應用前景。在納米Y—TZP的凝膠澆注成型過程中,凝膠澆注成型的關鍵是獲得流變性較好的漿料?？梢酝ㄟ^加入有機單體AM 和MBAM,有效的降低漿料粘度改善漿料的流變性來實現(xiàn),有利于下一步的脫氣和注模。在制備了流變性能穩(wěn)定的基礎上,選擇漿料的合適固化條件對凝膠澆注成型同樣非常重要,其中有機單體AM和MBAM加入量的多少直接決定漿料固化后的素坯體強度,若兩者用量過少則素坯體強度將很低,如過多則將導致漿料聚合過快,素坯顯微結(jié)構不均勻。過量的引發(fā)劑可能導致漿料在注模之前就發(fā)生凝固,而無法成型。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,所得的燒結(jié)體晶粒較細,且有較高的強度。

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,高熔點相仍為固相并保持一定形狀,低熔點相成。

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)所施加的外壓過低,無法達到閩值所致。于是超高壓燒結(jié)便應運而生。利用超高壓燒結(jié),人們成功的獲得了密度達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,然后在加熱過程中施加各向均衡的氣體壓力,從而使陶瓷顯微結(jié)構更加均勻。高溫等靜壓燒結(jié)有兩種使用方法,一是將素坯先預燒達到較高的相對密度后冉進行高溫等靜壓后處理。二是將素坯直接進行高溫等靜壓燒結(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)的特點外,其主要特點是通過瞬時產(chǎn)生的放電等離子使燒結(jié)體內(nèi)部每個顆粒均勻的自身發(fā)熱和使顆粒表面活化,因而具有非常高的熱效率,可在相當短的時問內(nèi)使燒結(jié)體達到致密。另一個特點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)傳遞要強的多。

3.6預熱粉體爆炸燒結(jié)。預熱粉體爆炸燒結(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)時間極短,可以抑制晶粒生長,同時,沖擊波產(chǎn)生極高動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?shù)奶砑觿﹣泶龠M坯體的致密化和控制晶粒的生長,是一種簡便有效的手段。人們在研究制備ZrO 陶瓷時發(fā)現(xiàn),添加適當?shù)腁12O3能抑制晶粒的生長,但同時也會阻礙燒結(jié)的進行。因此,選擇適當?shù)腁12O3含量,以達到的燒結(jié)結(jié)果是成功制備納米ZrO:陶瓷的關鍵。經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn),Al2O3 含量為3%一5%(mo1)時,可以在IO00~C的低溫下獲得晶粒細(40~45nm)、致密度高(相對密度達)的納米ZrO:陶瓷。

4、應用前景

由于納米陶瓷具有獨特的化學、物理和機械特性,因此它們將被廣泛的應用于各個領域。

4.1下一代電腦芯片

納米陶瓷材料由于具有超高純度、好的熱導性和長久的耐干擾性能,可以使微處理器集成化程度更高、運行速度更快。美國各地的實驗室還在創(chuàng)造原子級或分子級計算機電路,這個熱點領域就是“納米技術”?？梢灶A見,未來人類會擁有被嵌入到鋼筆、衣服、眼睛甚至我們身體中的、與網(wǎng)絡相連接的計算機。

4.2良好的保溫材料

通過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.當陽光太強時,它能自動使室內(nèi)變暗;當陽光不太強時.它又能使之變亮。

4.3更堅硬的切削工具

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強度。

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、物理、機械性能特別活躍,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)

磁鐵的強弱可以用矯頑磁力和飽和磁化強度來衡量.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)動機、陸地動力發(fā)生裝置、輪船發(fā)動機、超敏感分析儀器、醫(yī)學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、物理、機械性能。由納米陶瓷材料制成的傳感器具有較高的敏感性,其典型應用有煙霧檢測器、飛機器翼上冰層檢測器、汽車發(fā)動機性能傳感器等。

4.7增加衛(wèi)星的使用壽命

衛(wèi)星壽命的長短很大程度上是由所攜帶的燃料的數(shù)量所決定。事實上,衛(wèi)星上2/3的燃料并沒有完全充分燃燒,這主要是由于點火器易損壞所致。由納米鎢一鈦硼化物制成的點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具有多孑L、承載能力強等特性,代替?zhèn)鹘y(tǒng)醫(yī)用植人體中的材料可以提高使用效果,又可大大降低費用。

5、結(jié)束語

納米陶瓷作為一種新型高性能陶瓷,是近年發(fā)展起來的一門全新的科學技術,它將成為新世紀重要的高新技術,將越來越受到各國科學家的關注。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,以及引起陶瓷學理論上的發(fā)展乃至建立新理論體系,以適應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域乃至日常生活中得到更廣泛的應用。

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