高性能的替代材料納米陶瓷

高性能的替代材料納米陶瓷

陶瓷又稱結(jié)構(gòu)陶瓷，因其硬度高、耐腐蝕性好、耐腐蝕性好、耐酸性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。但是工程陶瓷的缺陷在于它的脆性(裂紋)、均勻性差、可靠性低、韌性、強(qiáng)度較差,因而使其應(yīng)用受到了較大的限制。隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用,納米陶瓷隨之產(chǎn)生,希望以此來克服陶瓷材料的脆性,使陶瓷具有象金屬似柔韌性和可加工性。英國(guó)材料學(xué)家Cahn指出,納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑。1納米陶瓷材料利用納米技術(shù)開發(fā)的納米陶瓷材料是指在陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)中,晶粒、晶界以及它們之間的結(jié)合都處在納米水平(1～100nm),使得材料的強(qiáng)度、韌性和超塑性大幅度提高,克服了工程陶瓷的許多不足,并對(duì)材料的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等性能產(chǎn)生重要影響,為替代工程陶瓷的應(yīng)用開拓了新領(lǐng)域。1.1納米陶瓷材料的性能要求納米陶瓷粉體是介于固體與分子之間的具有納米數(shù)量級(jí)(1～100nm)尺寸的亞穩(wěn)態(tài)中間物質(zhì)。隨著粉體的超細(xì)化,其表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,產(chǎn)生了塊狀材料所不具有的特殊的效應(yīng)。具體地說納米粉體材料具有以下的優(yōu)良性能:極小的粒徑、大的比表面積和高的化學(xué)性能,可以顯著降低材料的燒結(jié)致密化程度、節(jié)能能源;使陶瓷材料的組成結(jié)構(gòu)致密化、均勻化,改善陶瓷材料的性能,提高其使用可靠性;可以從納米材料的結(jié)構(gòu)層次(1～100nm)上控制材料的成分和結(jié)構(gòu),有利于充分發(fā)揮陶瓷材料的潛在性能。另外,由于陶瓷粉料的顆粒大小決定了陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能。如果粉料的顆粒堆積均勻,燒成收縮一致且晶粒均勻長(zhǎng)大,那么顆粒越小產(chǎn)生的缺陷越小,所制備的材料有強(qiáng)度就相應(yīng)越高,這就可能出現(xiàn)一些大顆粒材料所不具備的獨(dú)特性能。1.2復(fù)合氧化物粉體的制備方法納米陶瓷的制備工藝主要包括納米粉體的制備、成型和燒結(jié)。目前世界上對(duì)納米陶瓷粉體的制備方法多種多樣,但應(yīng)用較廣且方法較成熟的主要有氣相合成和凝聚相合成2種,再加上一些其它方法。氣相合成:主要有氣相高溫裂解法、噴霧轉(zhuǎn)化法和化學(xué)氣相合成法,這些方法較具實(shí)用性。化學(xué)氣相合成法可以認(rèn)為是惰性氣體凝聚法的一種變型,它既可制備納米非氧化物粉體,也可制備納米氧化物粉體。這種合成法增強(qiáng)了低溫下的可燒結(jié)性,并且有相對(duì)高的純凈性和高的表面及晶粒邊界純度。原料的坩堝中經(jīng)加熱直接蒸發(fā)成氣態(tài),以產(chǎn)生懸浮微粒和或煙霧狀原子團(tuán)。原子團(tuán)的平均粒徑可通過改變蒸發(fā)速率以及蒸發(fā)室內(nèi)的惰性氣體的壓強(qiáng)來控制,粒徑可小至3～4nm,是制備納米陶瓷最有希望的途徑之一。凝聚相合成(溶膠-凝膠法):是指在水溶液中加入有機(jī)配體與金屬離子形成配合物,通過控制pH值、反應(yīng)溫度等條件讓其水解、聚合,經(jīng)溶膠→凝膠而形成一種空間骨架結(jié)構(gòu),再脫水焙燒得到目的產(chǎn)物的一種方法。此法在制備復(fù)合氧化物納米陶瓷材料時(shí)具有很大的優(yōu)越性。凝聚相合成已被用于生產(chǎn)小于10nm的SiO2、Al2O3和TiO2納米團(tuán)。從納米粉制成塊狀納米陶瓷材料,就是通過某種工藝過程,除去孔隙,以形成致密的塊材,而在致密化的過程中,又保持了納米晶的特性。方法有:沉降法:如在固體襯底上沉降;原位凝固法:在反應(yīng)室內(nèi)設(shè)置一個(gè)充液氮的冷卻管,納米團(tuán)冷凝于外管壁,然后用刮板刮下,直接經(jīng)漏斗送入壓縮器,壓縮成一定形狀的塊材;燒結(jié)或熱壓法:燒結(jié)溫度提高,增加了物質(zhì)擴(kuò)散率,也就增加了孔隙消除的速率,但在燒結(jié)溫度下,納米顆粒以較快的速率粗化,制成塊狀納米陶瓷材料。1.3陶瓷的力學(xué)性能90年代初,日本Niihara首次報(bào)道了以納米尺寸的碳化硅顆粒為第二相的納米復(fù)相陶瓷,具有很高的力學(xué)性能。納米顆粒Si3N4、SiC超細(xì)微粉分布在材料的內(nèi)部晶粒內(nèi),增強(qiáng)了晶界強(qiáng)度,提高了材料的力學(xué)性能,易碎的陶瓷可以變成富有韌性的特殊材料。納米陶瓷的特性主要在于力學(xué)性能方面,包括納米陶瓷材料的硬度,斷裂韌度和低溫延展性等。納米級(jí)陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能,特別是在高溫下使硬度、強(qiáng)度得以較大的提高。有關(guān)研究表明,納米陶瓷具有在較低溫度下燒結(jié)就能達(dá)到致密化的優(yōu)越性,而且納米陶瓷出現(xiàn)將有助于解決陶瓷的強(qiáng)化和增韌問題。在室溫壓縮時(shí),納米顆粒已有很好的結(jié)合,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)溫度卻要比工程陶瓷低400～600℃,且燒結(jié)不需要任何的添加劑。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,故低溫?zé)Y(jié)能獲得好的力學(xué)性能。通常,硬化處理使材料變脆,造成斷裂韌度的降低,而就納米晶而言,硬化和韌化由孔隙的消除來形成,這樣就增加了材料的整體強(qiáng)度。因此,如果陶瓷材料以納米晶的形式出現(xiàn),可觀察到通常為脆性的陶瓷可變成延展性的,在室溫下就允許有大的彈性形變。由于納米陶瓷具有的獨(dú)特性能,如作外墻用的建筑陶瓷材料則具有自清潔和防霧功能。隨著高技術(shù)的不斷出現(xiàn),人們對(duì)納米陶瓷寄予很大希望,世界各國(guó)的科研工作者正在不斷研究開發(fā)納米陶瓷粉體并以此為原料合成高技術(shù)納米陶瓷。2高性能陶瓷和納米陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)2.1工程陶瓷的發(fā)展從一些主要工業(yè)國(guó)家的高性能陶瓷(包括納米陶瓷)、工程陶瓷的市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)(見表1、表2、表3)可以看出,高性能陶瓷每5年的銷售額翻一番,在2000年達(dá)到大約500億美元的市場(chǎng),平均每年的增長(zhǎng)率在14%～15%左右,發(fā)展是極其迅速的。從工程陶瓷在高性能陶瓷中所占的比例來看,也是不斷增長(zhǎng)的,這說明在高性能陶瓷中,工程陶瓷的發(fā)展更快更有前景。而具有高性能的納米陶瓷如在高溫下具有高強(qiáng)度、高硬度以及優(yōu)良抗氧化性、耐磨性、耐腐蝕性的產(chǎn)品市場(chǎng)前景更是看好。2.2納米陶瓷的特性納米復(fù)合陶瓷與普通陶瓷材料相比,在力學(xué)性能、表面光潔度、耐磨性以及高溫性能諸方面都有明顯改善。近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)納米復(fù)相陶瓷的研究表明,在微米級(jí)基體中引入納米分散相進(jìn)行復(fù)合,可使材料的斷裂強(qiáng)度、斷裂韌性提高2～4倍,使最高使用溫度提高400～600℃,同時(shí)還可提高材料的硬度和彈性模量,提高抗蠕變性和抗疲勞破壞性能。西方發(fā)達(dá)國(guó)家特種復(fù)合陶瓷材料的增長(zhǎng)速度每年平均不低于15%。由于納米陶瓷具有不同于傳統(tǒng)陶瓷的獨(dú)特性能,納米陶瓷材料制成的燒結(jié)體可作為儲(chǔ)氫材料、熱交換器、微孔過濾器以及檢測(cè)溫度氣體的多功能傳感器。它的發(fā)展使陶瓷材料跨入了一個(gè)新的歷史時(shí)期。德國(guó)科學(xué)技術(shù)部曾經(jīng)對(duì)納米技術(shù)未來市場(chǎng)潛力作過預(yù)測(cè):他們認(rèn)為,到2000年,納米結(jié)構(gòu)器件市場(chǎng)容量將達(dá)到6375億美元,納米粉體、納米復(fù)合陶瓷以及其它納米復(fù)合材料市場(chǎng)容量將達(dá)到5457億美元,納米加工技術(shù)市場(chǎng)容量將達(dá)到442億美元,納米材料的評(píng)價(jià)技術(shù)市場(chǎng)容量將達(dá)到27.2億美元。3納米陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)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(xué)技術(shù),它將成為新世紀(jì)最重要的高