碳納米管增強(qiáng)陶瓷

1、碳納米管增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的研究碳納米管增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的研究碳納米管（碳納米管（cnts）簡(jiǎn)介）簡(jiǎn)介 cnts可以看作是由單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無(wú)縫納米管，分為單壁和多壁碳納米管。碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)性能，由于碳原子之間存在3種基本的原子力，包括強(qiáng)的鍵合、c=c鍵之間的鍵合以及多壁碳納米管層與層之間的相互作用力。陶陶 瓷瓷 材材 料料 陶瓷材料具有共價(jià)鍵與復(fù)雜離子鍵的鍵合以及復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，因而呈現(xiàn)耐高溫、耐磨損、質(zhì)量輕和高溫下強(qiáng)度保持率高等優(yōu)異的性能。 碳納米管增強(qiáng)陶瓷的目的碳納米管增強(qiáng)陶瓷的目的 陶瓷材料最大的缺點(diǎn)就是脆性，而cnts有獨(dú)特的力學(xué)性能，因此

2、利用cnts的這一性質(zhì)，在陶瓷制備過(guò)程中加入cnts，這樣就可以很大地提高陶瓷材料的斷裂韌性。cnts在陶瓷基復(fù)合材料中存在的問(wèn)題在陶瓷基復(fù)合材料中存在的問(wèn)題分散性分散性界面性界面性 結(jié)構(gòu)蝕變性結(jié)構(gòu)蝕變性分散性分散性 碳納米管半徑小、長(zhǎng)徑大、表面積大，很容易發(fā)生團(tuán)碳納米管半徑小、長(zhǎng)徑大、表面積大，很容易發(fā)生團(tuán)聚并相互纏結(jié)，導(dǎo)致其很難均勻分散到基體材料中；聚并相互纏結(jié)，導(dǎo)致其很難均勻分散到基體材料中；界面性界面性 cnts表面活性較低，很難與基體形成有效的界面結(jié)合表面活性較低，很難與基體形成有效的界面結(jié)合和承載轉(zhuǎn)換；和承載轉(zhuǎn)換；結(jié)構(gòu)蝕變性結(jié)構(gòu)蝕變性 由于在用各種燒結(jié)方法在制備由于在用各種燒結(jié)方法

3、在制備cnts陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料時(shí)會(huì)使碳納米管發(fā)生結(jié)構(gòu)蝕變而影響其性能。時(shí)會(huì)使碳納米管發(fā)生結(jié)構(gòu)蝕變而影響其性能。解決解決cnts在陶瓷基復(fù)合材料存在的問(wèn)題的方法在陶瓷基復(fù)合材料存在的問(wèn)題的方法解決分散性的方法：解決分散性的方法：表面改性法原位生成法化學(xué)沉淀法機(jī)械球磨法化學(xué)沉淀法化學(xué)沉淀法定義定義： 它是將沉淀劑(oh-,co32-，so42-等)加入到金屬鹽溶液中進(jìn)行沉淀處理，再將沉淀物過(guò)濾、干燥、鍛燒，就制得納米級(jí)化合物粉末，是典型的液相法。它又包括共沉淀和均相沉淀法。 共沉淀法共沉淀法: 將沉淀劑加入混合金屬鹽溶液中，使各組分混合均勻地沉淀，再將沉淀物過(guò)濾，干燥，鍛燒，即得納米粉

4、末。 均相沉淀法均相沉淀法: 一般的沉淀過(guò)程是不平衡的，但如果控制溶液中的沉淀劑濃度，使之緩慢地增加，則可使溶液中的沉淀反應(yīng)處于平衡狀態(tài)，且沉淀可在整個(gè)溶液中均勻地出現(xiàn)，這種沉淀稱(chēng)為均相沉淀法。 工藝流程工藝流程 化學(xué)沉淀劑的配制與投加； 沉淀劑與原水混合、反應(yīng)； 固液分離 泥渣處理與利用。應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 seung i 等將cnts用hf、hno3和h2so4等氧化處理后與al(no3)39h2o混合，經(jīng)處理后，在分子水平上獲得了cnts分散性良好的cntsal2o3納米復(fù)合粉體，經(jīng)放電等離子燒結(jié)后，復(fù)合材料中cnts在基體中分散良好，并與基體界面結(jié)合較好。機(jī)械球磨法機(jī)械球磨法定義定義：

5、高能球磨法是利用球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)，使硬球?qū)υ线M(jìn)行強(qiáng)烈的撞擊、研磨和攪拌，把粉體粉碎為超細(xì)級(jí)顆粒的方法。工藝工藝： 在研磨過(guò)程中，通過(guò)研磨介質(zhì)與粒子、粒子與粒子間的擠壓、剪切、沖擊等作用達(dá)到復(fù)合的目的。原理：原理： 研磨過(guò)程是母粒子在多種作用力的作用下循環(huán)變形的過(guò)程，可導(dǎo)致顆粒大角度晶界的重新組合，使粉體的組織逐步細(xì)化，最后達(dá)到不同原子互相滲入和擴(kuò)散，能夠獲得常規(guī)方法難以制備的超細(xì)復(fù)合材料。 如果將兩種或兩種以上金屬粉體同時(shí)放入球磨機(jī)的球磨罐中進(jìn)行高能球磨，粉體顆粒經(jīng)壓延、壓合、碾碎、再壓合的反復(fù)過(guò)程，最后可以獲得組織和成分分布均勻的超細(xì)復(fù)合粒子。 由于這種方法是利用機(jī)械能達(dá)到合金化，使某些

6、在常規(guī)條件下不能進(jìn)行反應(yīng)的體系在較低溫度下直接進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。所以高能球磨制備合金粉體的方法，也屬于機(jī)械化學(xué)法。應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 kaleem ahmad 等采用超聲波將mwnts和al2o3分散到乙醇中，將所得的漿體球磨24h，干燥后于1400和50mpa壓力下真空燒結(jié)，相對(duì)于純氧化鋁，含有5%碳納米管的復(fù)合材料的電導(dǎo)率提升了12個(gè)數(shù)量級(jí)，斷裂韌性提高了39%。解決界面性的方法：解決界面性的方法：表面無(wú)機(jī)納米顆粒包裹法反應(yīng)燒結(jié)法反應(yīng)燒結(jié)法反應(yīng)燒結(jié)法定義定義： 將干燥粉料充填入模型內(nèi)，再?gòu)膯屋S方向邊加壓邊加熱，使成型和燒結(jié)同時(shí)完成的一種燒結(jié)方法。 隨著溫度的上升和時(shí)間的延長(zhǎng)，固體顆粒相互鍵聯(lián)，晶

7、粒長(zhǎng)大，空隙（氣孔）和晶界逐漸減少，通過(guò)物質(zhì)的傳遞，其總體積收縮，密度增加，最后成為堅(jiān)硬的只有某種顯微結(jié)構(gòu)的多晶燒結(jié)體，這種現(xiàn)象稱(chēng)為燒結(jié)。反應(yīng)熱壓燒結(jié)工藝反應(yīng)熱壓燒結(jié)工藝 在燒結(jié)傳質(zhì)過(guò)程中，除利用表面自由能下降和機(jī)在燒結(jié)傳質(zhì)過(guò)程中，除利用表面自由能下降和機(jī)械作用力推動(dòng)外，再加上一種化學(xué)反應(yīng)能作為推械作用力推動(dòng)外，再加上一種化學(xué)反應(yīng)能作為推動(dòng)力或激活能，以降低燒結(jié)溫度，亦降低了燒結(jié)動(dòng)力或激活能，以降低燒結(jié)溫度，亦降低了燒結(jié)難度。難度。 從能量及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過(guò)程看，在多晶轉(zhuǎn)變或煅燒從能量及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過(guò)程看，在多晶轉(zhuǎn)變或煅燒分解過(guò)程中，通常都有明顯的熱效應(yīng)，質(zhì)點(diǎn)都處分解過(guò)程中，通常都有明顯的熱效應(yīng)，質(zhì)

8、點(diǎn)都處于一種高能、介穩(wěn)和接收調(diào)整的超可塑狀態(tài)。此于一種高能、介穩(wěn)和接收調(diào)整的超可塑狀態(tài)。此時(shí)，促使質(zhì)點(diǎn)具有足夠的機(jī)械應(yīng)力，以誘導(dǎo)、觸時(shí)，促使質(zhì)點(diǎn)具有足夠的機(jī)械應(yīng)力，以誘導(dǎo)、觸發(fā)、促進(jìn)轉(zhuǎn)變，質(zhì)點(diǎn)便可能順利地從一種高能介發(fā)、促進(jìn)轉(zhuǎn)變，質(zhì)點(diǎn)便可能順利地從一種高能介穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種低能穩(wěn)定狀態(tài)，可降低工藝難穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種低能穩(wěn)定狀態(tài)，可降低工藝難度。特點(diǎn)是熱能、機(jī)械能、化學(xué)能三者缺一不可、度。特點(diǎn)是熱能、機(jī)械能、化學(xué)能三者缺一不可、緊密配合促使轉(zhuǎn)變完成。緊密配合促使轉(zhuǎn)變完成。應(yīng)應(yīng) 用用 實(shí)實(shí) 例例 jing wang等將mwnts、al2o3和sio2粉末混合后于1600熱壓燒結(jié)制得cnts/莫來(lái)石

9、復(fù)合材料。當(dāng)碳納米管的添加量為5%時(shí)，復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度和斷裂韌性分別提高10%和78%。顯微結(jié)構(gòu)表明，碳納米管與莫來(lái)石基體具有較強(qiáng)的界面結(jié)合。解決結(jié)構(gòu)蝕變性的方法：解決結(jié)構(gòu)蝕變性的方法：熱壓或熱等靜壓燒結(jié)法放電等離子燒結(jié)放電等離子燒結(jié)定義：定義： 放電等離子燒結(jié)（sps） 將直流脈沖電壓加到粉體試料上，除了能利用通常放電加工所引起的燒結(jié)促進(jìn)作用外，還有效利用脈沖放電初期粉體間產(chǎn)生的火花放電現(xiàn)象所引起的燒結(jié)促進(jìn)作用通過(guò)瞬時(shí)高溫場(chǎng)實(shí)現(xiàn)致密化的快速燒結(jié)技術(shù)。等離子體燒結(jié)制備樣品流程等離子體燒結(jié)制備樣品流程選擇適當(dāng)模具選擇適當(dāng)模具計(jì)算所需粉體質(zhì)量計(jì)算所需粉體質(zhì)量填充模具填充模具施加壓力施加壓力放入等離子體燒結(jié)放入等離子體燒結(jié)靜壓成形靜壓成形電腦調(diào)節(jié)燒結(jié)電腦調(diào)節(jié)燒結(jié)參數(shù)等離子體參數(shù)等離子體快速燒結(jié)快速燒結(jié)試樣