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《纳米功能陶瓷研究现状及未来发展趋势》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、纳米功能陶瓷研究及未来发展趋势摘要:概述了普通陶瓷存在的裂纹缺陷问题。介绍了纳米材料的特性以及纳米陶瓷的制备方法。针对纳米陶瓷特有的性能,分析了西方国家高性能陶瓷的市场情况以及纳米陶瓷的应用前景。认为纳米陶瓷将在工程领域乃至日常生活中得到更广泛的应用。关键词:纳米技术;纳米陶瓷;前景预测引言工程陶瓷又称为结构陶瓷,因其具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀以及质量轻、导热性能好等优点,而得到了广泛的应用。但是,工程陶瓷也存在着某些缺陷,主要表现为它的脆性(裂纹)、均匀性差以及可靠性低等。而在纳米陶瓷材料的显微结构中,晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米水平,使得材料的强度、
2、韧性和超塑性大幅度提高,克服了工程陶瓷的许多不足,并对材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响,从而为工程陶瓷的应用开拓了新领域。1纳米技术与纳米陶瓷1.1纳米技术与纳米复合材料纳米技术是20世纪90年代出现的一门新兴技术,它是在0.10-100nm的尺度空间内,研究电子、原子和分子的运动规律和特性。纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点,其相应发展起来的纳米技术,被公认为21世纪最有前途的科研领域。在纳米材料中,纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序,通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级;高浓度晶界及晶界原子的特殊结构,导致材料的力学性能、磁
3、性、光学性能乃至热力学性能的改变。纳米相材料与普通的金属、陶瓷和其它固体材料都是由同样的原子组成,只不过这些原子排列成了纳米级的原子团,成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。纳米材料具有常规粗晶粒材料所不具备的奇异特性和反常特性,例如纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高12倍;纳米相铜的强度比普通的铜坚固5倍,而且硬度随颗粒尺寸的减小而增大。利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料,就是由纳米级显微结构组成的新型陶瓷材料,是在纳米长度范围内(1-100nm)的纳米复合材料。1.2纳米材料的特性1.2.1表面效应纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急
4、剧增大后,所引起的性质上的变化。当粒径在10nm以下时,将显著增加表面原子的比例。当粒径降到1nm时,表面原子的比例达到90%以上,原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数的增多,表面原子的配位数不足和高的表面能,使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来,故具有很高的化学活性。1.2.2体积效应由于纳米粒子的体积极小,所包含的原子数很少,相应地质量极小。因此,许多现象就不能用通常由无限个原子组成的块状物质的性质加以说明,这种特殊的现象称之为体积效应。1.2.3量子尺寸效应当纳米粒子的尺寸下降到某一值时,金属粒子界面附近电子能级由准连续变为离散能级;并且纳米半
5、导体微粒存在不连续的分子轨道能级使得能隙变宽的现象,称为纳米材料的量子尺寸效应。1.3纳米陶瓷粉体纳米陶瓷粉体是介于固体与分子之间的具有纳米尺寸(1-100nm)的亚稳态中间物质。随着粉体的超细化,其表面电子结构和晶体结构发生变化,产生了块状材料所不具有的特殊的效应。具体地讲,纳米粉体材料具有以下优异的性能:(1)纳米陶瓷材料具有极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能,可以降低材料的烧结致密化程度、节约能源;(2)使材料的组成结构致密化、均匀化,改善陶瓷材料的性能,提高其使用可靠性;(3)可以从纳米材料的结构层次(1-100nm)上控制材料的成分和结构,有利于充分发挥陶瓷
6、材料的潜在性能,而使纳米材料的组织结构和性能的定向设计成为可能。另外,陶瓷是由陶瓷原料成型后烧结而成的,而且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。如果粉料的颗粒堆积均匀、烧成收缩一致且晶粒均匀长大,则颗粒越小产生的缺陷就越小,所制备的材料的强度就相应越高,这就可能出现一些大颗粒材料所不具备的独特性能。1.4纳米陶瓷的制备纳米陶瓷的制备工艺主要指纳米粉体的制备、成型和烧结,制造纳米陶瓷则主要包括纳米陶瓷粉的制取和致密化成块状纳米材料的制备。目前,世界上制备纳米陶瓷粉体的方法多种多样,但应用较广且较成熟的主要有气相合成和凝聚相合成两种以及其它一些方法。1.4.
7、1气相合成法气相合成法主要有气相高温裂解法、喷雾转化工艺和化学气相合成法,这些方法具有较高的实用性和适用性。化学气相合成法可以认为是惰性气体凝聚法的一种变型,它既可以制备纳米非氧化物粉体,也可以制备纳米氧化物粉体。这种合成法增强了低温下的可烧结性,并且有相对高的纯净性和高的表面及晶粒边界纯度。原料在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。原子团极限粒径将随蒸发速率的加大和惰性气体原子量的增大而增加;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。这是制备纳米陶瓷最有
