陶瓷基纳米复合材料

存在的问题
• 脆性是陶瓷材料难以克服的缺点，通过纳米化，易碎的陶 瓷可以具有和塑料一样的韧性。在制备纳米陶瓷中还存在 以下问题：纳米陶瓷粉体的尺寸、形貌和粒径分布的控制， 团聚体的控制和分散，块体的形态缺陷、粗糙度以及成分 的控制等等。 • 虽然纳米陶瓷还有许多关键技术问题需要解决，但是 纳米陶瓷的制备已经较为成熟，新工艺和新方法不断涌现。 相信随着研究的深入，纳米陶瓷的制备将更加完善，使纳 米陶瓷在工业生产中广泛应用，从而使纳米陶瓷的优良特 性得以造福人类。
陶瓷基纳米复合材料的性能
陶瓷基纳米复合材料中纳米粒子主要弥散于基体晶粒 内或晶粒间，其作用不仅可以提高室温力学性能，如纳米 复合陶瓷能使其基体材料的强度和韧性提高2~5倍，而且 可改善高温力学性能，如硬度、强度、抗蠕变性及其抗疲 劳破坏性能。
一 高强度、高韧性
纳米复合材料的强度和韧性均比未加增强体的基 体材料要高，这些性能的改善，有利于抗热、抗震等
（亦称纳米复相陶瓷）
小组成员：张凯华 季玮炜 刘方宁 李可可 吴银坤
定义：是指通过有效的分散、复合而使异相纳米颗粒均匀
弥散地保留在基体陶瓷结构之中的一类材料。
分类：根据弥散相的位置不同可分为：晶内型、晶界型、
晶内/晶界混合型。
制备工艺：
纳米陶瓷复合材料的制备工艺流程与一般的颗粒分散型陶 瓷基复合材料基本相同，所不同的是它的第二相和基体的 原料粉末粒径均是纳米级的。
热学-力学性能的改善。此外，弥散相与氮化物、碳
化物、硼化物陶瓷基是直接结合的，这对于改善复合 材料的高温力学性能极为有利。
二 良好的抗蠕变性
增强体的加入有利于提高复合材料的抗蠕变性和抗疲劳性。
三 超塑性
陶瓷基纳米复合材料具有类似于金属的加工性和超塑性。
陶瓷具有超塑性应该具有两个条件：
较小的粒径 较快的扩散途径（增强的晶格、晶界扩散能力）
四 原位生成法
工艺：首先将基体粉末分散于含有可生成纳米相组分的先驱体溶液中， 经干燥、浓缩、成型坯件，最后在热处理或挠结过程生成纳米相粒子， 成为纳米陶瓷复合材料。
优点：纳米相在基体中分布均匀 纳米粒子不存在团聚问题
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纳米颗粒复合陶瓷的强韧化机制
在纳米级陶瓷基体中引入纳米相可以抑制晶体晶粒的异常长大， 使组织结构均匀化，这无疑有利于材料力学性能的改善。但纳米复合 陶瓷的断裂强度和断裂韧性如此之大，必然有新的增韧强化机理存在， 与下面几个过程有关。
机械粉碎法 固相法 固相反应法
纳米陶瓷 粉体的制 备技术
液相法
沉淀法 水热法 溶胶-凝胶法 水解法
气相法——激光气相合成
固相法：是指纳米粉体是由固相原料制得。
液相法：是目前实验室和工业上采用的制备纳米陶瓷粉体 的方法，与气相法相比，液相法具有设备简单、无需真空 等苛刻物理条件、易放大等优点，同时又比固相法制得的 粉体纯净、团聚少，很容易实现工业化生产，因此很有发 展前途。
电磁学性能
• 纳米材料与常规材料在结构上，特别是在磁结构上有很大 差别，因此在磁性方面会有其独特的性能： 第一 电阻和电导 纳米非晶氮化硅(粒径大约15nm)的电 导比常规非晶氮化硅高； 第二 介电特性 纳米材料的介电常数和介电损耗对颗粒尺 寸有很强的依赖关系，电场频率对介电行为有极强的影响； 第三压电效应 经研究表明，未经退火和烧结的纳米非晶 氮化硅块体具有强的压电效应。
强韧化机制
1、内晶型 结构的形成
强韧化机制
2、残余应力引 起裂纹偏转或裂 纹被钉扎
3、微米晶粒的 潜在纳米化
强韧化机制
4、纳米化效应 有利于穿晶断裂 的诱发
强韧化机制
5、纳米颗粒对 基体晶粒形状的 影响
6、纳米颗粒对 耐高温性能的改 善
总之，纳米颗粒复合材料的强韧化机理至今仍不十 分清楚，尚未形成系统完整理念，但上述几方面的 实验结果和机理的初步探讨，对纳米复合强韧化理 论上的完善和材料研制是有益的。
力学性能
关于纳米级复相陶瓷的研究都表明在陶瓷基体中引入纳米 分散相进行复合，能使材料的力学性能得到极大改善，其 中最突出的作用有三点： 第一，大大提高断裂强度； 第二，大大提高断裂韧性； 第三，大大提高耐高温性能。 • 同时，纳米复合也能提高材料的硬度 、弹性模量，并对热 膨胀系数 、导热系数，抗热震性产生影响。
纳米陶瓷的应用领域
一 二
三 四
硬性防护和软性保护材料 耐高温材料
生物材料、临床应用材料 以陶瓷粉末为吸收剂的吸收材料
五
压电材料
纳米陶瓷晶体结构上没有对称中心，具有压电效应
六
信息材料
纳米功能陶瓷除了可降低产品的成本，满足电子元件小型化的 需要外，还可减少连接的距离，将会提高对环境的稳定性
七
清洁材料
光学性能
• 纳米材料在结构上与常规材料有很大差别，突出表现在小 尺寸颗粒和庞大体积分数的界面，界面原子排列和键的组 态的无规则性较大，使纳米材料的光学性能出现一些与常 规材料不同的新现象： 第一 红外吸收 对纳米材料红外吸收的研究表明，红外 吸收谱中出现蓝移和宽化； 第二 荧光现象 用紫外光激发掺Cr和Fe的纳米相A12O3时， 在可见光范围观察到新的荧光现象； 第三 光致发光 退火温度低于673K时，纳米非晶氮化硅 块体在紫外光到可见光范围的发光现象与常规非晶氮化硅 不同，出现6个分立的发光带。
搅动球磨亦称高能球磨。 它利用内壁不带齿的搅动 球磨机进行粒子粉碎与混 料。
气流粉碎的缺点是由于物料 与气流充分接触，粉碎后物 料吸附的气体较多，增加了 粉末使用前排除吸附气体的 工序
机械混合分散法的不足：
不能保证两相组分分散的均匀性，特别是球磨本身不能避免纳米粒 子的团聚。 在球磨之后的干燥过程中，还由于已分散粒子的团聚和沉降会进一 步造成不均匀性。
改善的方法：
在机械混合分散的基础上辅以大功率超声波振动以破坏粒子间的 团聚； 调整体系的PH值使基体和纳米相粉末分散后的悬浮颗粒的双电层 结构具有静电稳定性 使用适当的分散剂(也称助磨剂)。
二 复合粉末法
复合粉末法是通过化学、物理过程直接制取基体与纳米相均匀分散 (混合)的复合粉末，再将复合粉末热压烧结制备纳米陶瓷复合材料的 一种方法。制备复合粉末的方法有溶胶—凝胶法和化学气相沉积法。
“纳米易洁陶瓷”
展望
• 纵观纳米陶瓷的发展历史，对高纯度、高均匀性和化学组成精 确的纳米陶瓷粉体的制备和应用开发研究是纳米技术研究的一 个长久课题，如何高效率、低成本地获取优质纳米陶瓷粉体， 仍然是当今各国科学家和企业界研究的重点 。未来纳米陶瓷发 展的方向主要有以下几个方面： • （1）纳米陶瓷粉体新的制备方法和工艺条件的研究与开发； 开发高效率、低成本的制备技术； • （2）纳米粉体形成纳米陶瓷的反应机理研究； • （3）智能化敏感陶瓷元件计算机用光纤陶瓷材料、计算机硬 盘和高稳定性陶瓷电容器； • （4）研究纳米粉体对环境的污染机理，做好应用过程中的环 境保护； • （5）加速纳米粉体的工业化生产和应用进程。
图l展示不同系统的 陶瓷中，引入一定 量的纳米相后，陶 瓷的断裂强度、耐 高温性能的提高。
热学性能
• 纳米陶瓷材料的结构与常规材料相比发生了很大变化，颗 粒组元细小到纳米数量级，界面组元大幅度增加，主要在 以下三个方面对材料的热学性能产生重要影响： 第一 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，因而纳米材料熵对 比热的贡献比常规材料大得多； 第二 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； 第三 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。
机械混合分散法
复合粉末法
液相分散包裹法
原位生长法
一 机械混合分散法
先分别制备基体粉末和纳米相粉末，然后将它们进行混合球磨。球磨 是一种机械粉碎方法，同时能将基体原料粉末与纳米相原料粉末混合。 通常有滚动球磨、振动球磨、搅动(高能)球磨和气流粉碎等。
振动球磨利用高 频振动产生的球 对球的冲击来粉 碎粒子与混料 。
• 气相法：是直接利用气体、或者通过各种手段将物质转变 为气体，使之在气体状态下发生物理变化或者化学反应， 最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米粒子的方法。
• 优点：容易控制气氛，所得的纳米陶瓷粉体纯度高、团聚 较少，烧结性能也往往较好 • 缺点：设备昂贵、产量较低、不易普及。
纳米粉体的分散技术
按照纳米粒子的 分散或形成方式
三 液相分散包裹法
将纳米粉末分 散于基体溶液
超声振动、分散 剂及调整pH
调整工艺参 数
无析晶、沉淀 、团聚、沉降
使体系冻结、 凝胶或聚合
破坏粉末团聚
热处理
均匀分散的复 合粉末
优点：
液态下分散、无团聚、沉降，故均匀性可以保证； 基体组分均匀分散在纳米颗粒周围。热处理过程 中成核、长大，有可能形成具有“内晶型”结构 雏形的包团结构的复合粉末。 制备高性能纳米级复相陶瓷