纳米陶瓷的应用及发展趋势.doc

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1、纳米陶瓷的应用及发展趋势摘要本文介绍了纳米陶瓷材料的概况及在力学、光学、热力学、电磁学等方面所具有的特殊性能，并进一步详细探讨了纳米技术在陶瓷领域的最新应用及发展状况，及其在防护、耐高温、腐蚀信息、医学临床、吸收、压电，清洁等各个领域的发展和贡献，对研究纳米陶瓷发展前景具有重要意义。关键词纳米材料纳米陶瓷性能陶瓷应用1、前言纳米材料Z所以在近几十年来受到世界齐国多方面的广泛关注，其根本原因是人们在研究中发现，纳米材料存在小尺寸效应、表血界面效应、量子尺寸效应及量子隧道效应等基木特性。这些特性使得纳米材料有着传统材料无法比拟的独特性能和极大的潜在应用价值。由于传统陶瓷材料质

2、地较脆，韧性和强度都较差，因而使其应用受到了较大的限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随Z产生。纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。目前，虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的保温和高温力学性能，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等许多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻环境下起着其他材料不可替代的作用。2・纳米陶瓷的性能纳米陶瓷材料的结构与常规材料相比发生了很人变化，颗粒组元细小到纳米数量级，界面组元大幅度增加，可使材料的强度、韧性和超塑性等力学性能大

3、为提高，并对材料的热学、光学、磁学、电学等性能产生重要的影响2・1力学性能駛度和断裂韧度：对纳米晶TiO2进行研究，发现在室温压缩时，纳米颗粒已有很好的结合，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与单晶TiO2或粗颗粒压缩体的相应值比，性能相当或更好。纳米晶TiO2其硬度和断裂韧度随烧结温度的增加（即空隙度的降低）而增加，在800〜900°C温度范围烧结，与经优化烧结的块状陶瓷相比，两者的駛度和断裂韧度值相符。低温烧结后，纳米晶TiO?就能获得好的力学性能。通常硬化处理材料变脆，造成断裂韧度的降低，而就纳米品而言，硬化和韧化由空隙的消除

4、來形成，这样就增加了材料的整体强度。纳米晶TiCh经800°C烧结后，维氏硬度H=630,断裂韧度Kic(Mpam1/2)为2.8,空隙度为10%；而1000°C烧结后，H=925,Kic=2.8,空隙度为5%。塑性与超塑性：纳米晶陶瓷的塑性看来与残余空隙度无关。对弯曲时的纳米TiO2开槽样品作了试验，表明不需裂纹生长，即可显示塑性形变。脆性多孔材料的开槽样品的断裂，没有赠性形变。最感兴趣的是结构超塑性，对超塑性起关键作用的是品粒边界滑移、晶粒转动和扩散过程中晶粒形状的调节。事实上陶瓷的超塑性早有报导，由于温度太高,技术上难以达到。已知AI2O3在1750〜1950°C,

5、AI2O3用和Y2O3掺杂在1500°C,以及MgO用AI2O3掺朵在1420°C都具有高应变的蠕变。仅在界面具有液相的陶瓷在较低温度下可显示超孃性流动。而纳米陶瓷含有超细晶粒，普通陶瓷相比，推知其呈现结构超塑性的温度要低得多。2.2热学性能(1)比热，纳米材料的界面结构中原子分布比较混乱，与常规材料相比，界面体积分数较大，因而纳米材料爛对比热的贡献比常规材料大得多。如对应粒径为80nmAl2O3的比热，比常规粗晶AI2O3高8%。(2)热膨胀，纳米非晶氮化硅热膨胀系数比常规晶态Si3N4高1〜26倍。其原因是纳米非晶氮化硅的结构与常规晶态Si3N4W很大丼别，前者是由短

6、程有序的非品态小颗粒构成的，它们之间的界面占很大比例，界面原子的排列较之非品颗粒内部更为混乱。在相同条件下，原子和键的菲线性热振动比常规晶态显著得多，因此对热膨胀的贡献也必然很大。(3)导热或超绝热，绝热材料目前在我国尚处于实验研究与工业实验的中间阶段。由于气孔尺寸小到纳米级，主要产生如下纳米效应：当轻质材料屮的气孔尺寸小于50mn时，气孔中的空气分子就失去了口由流动的能力，因此相当于抽了真空，称为“零对流效应”。由于材料的体积密度较小，气孔尺寸很小，这时气孔壁的数冃趋于“无穷多”。对于每一个气孔壁来说都具有遮热板的作用，因而产生近于“无穷多遮热板”的效应，从而使辐射传热

7、下降到最小的极限。由于近丁•无穷多纳米孔的存在.热流在固体中传递时就只能沿着气孔壁传递，近于无穷多的气孔壁构成了近于“无穷多路径”效应，使固体热传导的能力下降到接近最低极限。将硅酸钙复合纳米孔超级绝热材料用于钢结构防火可使防火时间从忖前一般厚质防火涂料的2h左右延长到15h,给灭火赢得充足的时间。将该材料用于太阳能热水器，可使其集热效率提高一倍以上，而散热损失下降到现在的30%。2.3光学性能材料的光学性能与其内部的微观结构，特别是电子态、缺陷态和能级态结构有关。纳米材料在结构上与常规材料有很人差别，突出表现在小尺寸颗粒和庞人