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1、纳米陶瓷及其发展趋势1前言纳米材料因其特殊的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应及量子限域效应而表现出优杲的力学、光学、电学、磁学和热学等性能，为人们设计新产品及传统产品的改造提供了新的机遇。纳米陶瓷是上世纪80年代中期发展起來的先进材料，所谓纳米陶瓷是指显微结构屮的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说品粒尺寸、品界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。由于纳米陶瓷中晶粒的细化，晶界数量大幅度增加，可使材料的强度、韧性和超蜩性大幅度提高，并对材料诸多性能产生重要影响，从而使纳米陶瓷比传统陶瓷具冇优异的性能。拓宽了陶瓷材料的应用领域,因而纳米陶瓷材料的研究
2、成为近年來材料研究的热点。]纳米陶瓷的特性与传统的陶瓷材料相比，纳米陶瓷具有如下特性：1.1力学性能纳米陶瓷的力学性能，包括纳米陶瓷材料的硬度、断裂韧度和低温延展性等。特别是在高温卜•硬度、强度得到较大的提高，纳米陶瓷的出现将有助于解决陶瓷的强化和增韧问题。对纳米晶TiO2进行研究[1],发现在室温压缩时，纳米颗粒己有很好的结合性,高于500°C很快致密化，而晶粒大小只有稍许的增加,所得的硬度和断裂韧度值更好，而烧结温度却要低400-600°C,11烧结不需要任何的添加剂。纳米晶TiO2其硬度和断裂韧度随烧结温度的增加(即孔隙度的降低)而增加。在800°C~90(TC温度
3、范围烧结，与经优化烧结的块状陶瓷相比,两者的硕度和断裂韧度值相符。低温烧结后,纳米晶TiO2就能获得较好的力学性能。纳米晶TiO2经800°C烧结后，维氏硬度H二630,断裂韧度KIC(MPa•ml⑵为2.&孔隙度为10%;而1000°C烧结后,H=925,Kic=2•&孔隙度为5%o1.1.1强度、硬度和韧性许多纳米陶瓷材料的硬度和强度比普通陶瓷材料高出4~5倍。如在100°C下,纳米TiO2陶瓷的显微硕度为1300kgf/mm2,而普通TiO2陶瓷的显微硕度低于200kgf/mm2o纳米超微粒制成的纳米陶瓷材料具冇良好的韧性，是曲于超微粒制成的固体材料具有大的界面，界
4、面原了排列相当混乱，原了在外力变形条件下容易迁移，因此表现出较好的韧性与一定的延展性。室温下的纳米TiO2陶瓷品体表现出很高的韧性，压缩至原长度的1/4仍不破碎。1.1.2超塑性纳米陶瓷在高温下具有类似金属的超塑性，这已成为纳米陶瓷领域最令人注目的焦点Z—。超塑性是指在应力作用下产生异常大的拉伸形变而不发生破坏的能力。众所周知，陶瓷材料是具有方向性的离子键和共价键的过渡键型，并冃位错密度小，晶界难以滑移，使得陶瓷硕度大,脆性高，普通陶瓷材料在常温下儿乎不产生蜩性形变。只有当温度达到1000°C以上，由于质点的热运动加速,陶瓷才具有一定的塑性。最近研究发现，随着粒径的减少，
5、纳米TiO2和ZnO陶瓷的形变率敏感度明显捉高，主要由于试样屮气孔减少，可以认为这种趋势是细品陶瓷所固冇的。最细品粒处的形变率敏感度大约为0.04,表明这些陶瓷具有延展性,尽管没有表现出室温超須性，但随着晶粒的进一步减小，这一可能是存在的。一般认为陶瓷具有超犁性应该具有两个条件:⑴较小的粒径;⑵快速的扩散途径(增强的品格、品界扩散能力)。纳米陶瓷具有较小的晶粒及快速的扩散途径,所以有望具有室温超塑性。纳米陶瓷具有超犁性,克服了陶瓷产品难以加工的缺陷，有利于陶瓷产甜的商业化。如Nieh等人在四方二氧化错中加入Y2O3的陶瓷材料中观察到超塑性达800%oSi3N4纳米陶瓷同样
6、存在超塑性行为，是微米级Si3N4陶瓷的21.4%。晶粒尺寸为300nm的Y-TZP陶瓷材料的起始应变速率为1X10・2s・l,压缩应变可达350%o当晶粒尺寸减至150nm时，材料可在1250°C下呈现出超塑性，且起始应变速率达到3X10-2S-1,压缩应变量达到380%o郑治沙通过原子力显微镜发现纳米3Y-TZP陶瓷(lOOnm左右)在经室温循环拉伸实验后，其样品的断口区域发生了局部超塑性形变,并从断II侧面观察到了大量通常出现在金屈断口的滑移线。纳米陶瓷材料产生超塑性的机理诡不完全清楚,一般认为这是由于扩散蠕变引起的晶界滑移所致，扩散蠕变速率与扩散系数成正比，与晶粒
7、尺寸的3次方成反比。与普通材料相比,纳米材料的扩散系数提高了3个数量级，晶粒尺寸降低了3个数量级，扩散蠕变速率提高1012倍。因此，在较低的温度下，纳米陶瓷材料因其高的扩散蠕变速率可对外应力作岀迅速反应，造成品界方向的平移,从而表现出超塑性。1.2烧结特性纳米微粒颗粒小，比表面积大，扩散速率高，因而用纳米粉进行烧结，致密化的速度快、烧结温度低。纳米陶瓷烧结温度约比传统品粒陶瓷低6o(rc,烧结过程也大大缩短。纳米品体的自扩散率为传统品体的1011至1019倍，使纳米材料的固态反应可以在室温或低温下进行。通过对Y2O3浓度为3%
