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纳米陶瓷、复相陶瓷及纳米复相陶瓷
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发布时间:2017/3/22 16:34:50                                     【字号:  】                                             【打印】 

摘要:纳米陶瓷、复相陶瓷及纳米复相陶瓷的研究是纳米材料研究领域中的一个重要部分,综述了其发展
过程和研究动态,阐述了纳米矍相陶瓷的优异性能、产生机理及应用前帚,展望了纳米复相陶瓷的发展趋势
关键词:纳米陶瓷;复相陶瓷;纳米复相陶瓷

“纳米复合材料”的概念于20世纪80年代初被提出⋯,按相的数目进行分类”l,有3种类型的复合方式:0—0复合(聚集型)、0—2复合(纳米复合薄膜)和0—3复合.纳米复合材料按组成可分为3类”o:陶瓷基、金属基、聚合物基.其中的陶瓷基纳米复合材料(CNC),即纳米复相陶瓷,以别于普通的陶瓷基复合材料(CMC,复相陶瓷).

    为提高陶瓷材料的综合性能,国内外学者最初将研究重点集中在多组分复相微米陶瓷上,希望微米尺度的异质相能均匀分布于基体晶界处,但效果不佳;此后随着纳米技术和纳米材料的发展,人们对单组分单相纳米陶瓷寄予了厚望,但由于陶瓷粒子本身不具备塑性变形能力以及其纳米粒子的高表面活性,使人们认识到这一思路也存在缺陷;新发展的纳米复相陶瓷中,异质相纳米粒子可均匀弥散复合于陶瓷基体中,目前已成为阳际研究热点.本文将对这3种材料的构成、发展动态进行综述.

1 复相陶瓷与纳米陶瓷

    陶瓷材料的发展经历了从多组分、多相陶瓷到单组分、单相陶瓷,又到新的复相(或多相)陶瓷的历程”.复相陶瓷(陶瓷基复合村料)包括纤维(或晶须)补强陶瓷复合材料、}J补强多相复合陶瓷、第二相弥散复相陶瓷、表面梯度改性复相陶瓷、两(多)相(包括金属相、陶瓷相、有机相)组成的有序复相陶瓷等”。,复合的主要目的是充分发挥陶瓷的高硬度、耐尚温、耐腐蚀性并改善其脆性.  

    以往研究的微米一微米复合材料中,微米K度的第二相颗粒(或晶须、纤维)全部分布在基体晶界处,增韧效果有限,要设汁和制备兼具高强度、高韧性且能经受恶劣环境考验的材料十分困难,纳米技术和纳米材料的发展为之提供了新的思路。

    1987年德国Karch等”首次报道厂纳米陶瓷的高韧性、低温超塑性行为,此后,世界各国对发腥纳米陶瓷以解决陶瓷材料脆性和难加T性寄予厚颦,但10多年来对事组分纳米陶瓷的研究未7f突破性进展究其原因,一方面陶瓷粒f本身
1:具龌陛变形能力,另一方面巨大的比表面积和我面活性极难使晶粒在烧结时不长大,这促使材料研究者另辟新径,由此纳米复相陶瓷成为月前国际匕研究的热点.

2 纳米复相陶瓷

    纳米复相陶瓷是指通过有效的分散、复合而使异质柏(第二相)纳米粒子均匀弥散地保留在陶瓷摹体中而得到的复合材料.Newnham”将纳米复相陶瓷按联缀模式(数宁代丧维数,前嗤《宁表示第二相,后一数字表示最体丰}1)作了如下分类:0—0、0—1、0—2、0—3;1一l、2—1、2—2、2—3;1—3、3—3(见图1).新原皓⋯(K Niihara)sl将纳米复相陶瓷按微观结构分为4类:晶问型一A、晶内型一R、混合型一c、纳水/纳米复合型一D(见图2).在前3类中,基体
秆jnn。^是非纳米相,20 f垃纪90年代末,Niihara教授领导的研究小组报道了一些有关纳米复相陶瓷的令人振奋的试验结果.如A1,O,一SiC(体积分数为5%)晶内型纳米复合陶瓷的室温强度达到了单组分AI:O;陶瓷的3~4倍,在1100℃强度达1 500 MPa”““,这些引起J’材料研究者的极大必趣.从那时起直到现在,纳米复相陶瓷的研究不断深入『l。”,我国也相继开展了一系列的1:作,目前对纳米复槽陶瓷的研究处于国际一流水平。

    科学家预言在2l世纪纳米材料将是“最订前途的材料”,并将纳米技术研究列入2I IIt;纪前10年11个关键领域之一,这砦都与纳米复棚陶瓷显露出的优异性能分不开,如表1所示.从表1中可以看出,纳米复合陶瓷的性能较单一组分陶瓷有犬幅度地提高,幅度之大远不同于一般微水级复相陶瓷,显然,这与其微观结构的改变有直接关系.纳米粒子的种类、数鼍、晶粒粒径及粒径分布、形貌、晶界、中『日J相、晶内缺陷、晶州纯度、晶间残余应力等都与性能的改善存在一定的芙系.

    晶内型纳米相的韧化机理。““⋯是:①晶内型结构导致纳米化效应纳米粒子进入微米级陶瓷基体后,由于纳米颗粒与基体颗粒存在数量级的蔗异,且纳米相的烧结温度比基体的低,闪此在-定温度F基体颗粒以纳米颗粒为核发牛致密化,将纳米颗粒包裹在基体颗粒内部,使一定量的纳米颗粒分布在晶界处,大部分纳米颗粒分ni在微水晶粒内部,因此,材料结构中除基体颗粒问的土晶界外,在纳米相和基体晶粒间还存住着夫量次品界和微裂纹,引起荩体颗粒的潜在分化.相当于组织的再细化,使得主晶界的作用被削弱;②诱发穿晶断裂.纳米化效应使晶粒内部产,上微裂纹.并且两种颗粒的热膨胀系数和弹性模蕈失配.在主品界处形成了强化作用的压应力,而在次品界处(基体内部)形成局部拉应力,则穿晶断裂的几率人大增加;《j』纳米粒子使裂纹二次偏转或被钉扎.沿晶内微裂纹或次融界扩疑的主裂纹前端遇到纳米粒子时,无法穿过而发生偏转或被钉扎,耗散了断裂能鞋,使材料增强增韧。

    晶间型结构韧化机理“”’””1是::1I主^自界被纳米粒子局部强化,纳米粒子一基体的品界较微米一微米复合陶瓷的晶界f净,杂质和玻璃相极少,晶界强度大大提高,纳米相与基体产-:良好结合,起到了固定晶界、强化晶界的作用;②晶界纳米粒子使裂纹二次偏转或被钉扎.沿芏晶界扩展的微裂纹前端遇到纳米粒子时,囚晶界强度很高而无法继续前进,或被钉扎,或在更大外力作用r偏转进入晶内,诱发穿晶断裂;@,晶问纳米粒子形成有利的应力分布.当纳米相的弹性模量大于基体时,纳米粒子周围形成切向压应力,使得朝向纳米粒子扩展的主裂纹远离该粒子所在晶界而向晶内前进,并增加了裂纹扩展路径.

    晶内型和晶问型结构韧化机理的主要区别在Ij主晶相内部或界面的纳米相的主导作用的差别d自内型是纳米复相陶瓷的结构特征,但晶内型和晶l、一J型结构共存又是这种材料的共性.由于制籍单纯“d自问刊”或“品内型”材料十分困难,因此.在令后较长一段时间材料研究者的工作重点可能足设计最佳晶内/晶界比并制备出混合型结构的纳米复相陶瓷。

    Niihara教授认为,2l世纪高强度、高韧性的材料J二要是微米(基体)和纳米(第二相)混合的复合材料⋯““笔者认为,制备纳米/纳米复合^!(nano/nano—type)材料是材料研究者的目标.

3 纳米复相陶瓷的性能及应用

    如前所述,制备纳米复相陶瓷的主要目的是充分发挥陶瓷的高硬度、耐高温、耐腐蚀性并改善其脆性,应用F高温燃气轮机、航天航空部件等”2”.WC—Co材料”‘口『用于微型钻头、打印针、精密£模具等.研究上作多集中在力学性能(室温及高温韧性、抗弯强度、超塑性、硬度、弹性模鞋、耐高温性、耐氧化性、抗高温蠕变性、残余膻力等)面,对其他rf=能的研究日前也已引起研究者的重视.

    Niihara等⋯J研究,si,N。一SiC纳米复合陶瓷的热导率、热膨胀系数随纳米SiC粒子掺量变化的规律,发现热导率先降后增、热膨胀系数呈线性增加,但二者的变化幅度都不大,这些现象与d6界低杂质浓度、高扩散率有关.Granqvisl⋯J、Ku.一duⅢ3等研究了Cu—SiO,、GaSh—SiO,纳米复台陶瓷的光学性能,发现光调制与材料中的可移动粒子数量有关.认为它们町应用于耐高温透明光学部件.Shull等旧。研究』,Gd3Ga”5 Fc㈤Ol:和稳定在离子交换树脂中的1一Fe:O,的磁致冷班象,预测其在低场和高温中的效率会提高,这种村料可望用于65~70 K温度环境以取代目前使川的Gd,Ga,Of2(<25 K)顺磁致冷材料;Yamamolo等”1在银基体的超碰氧化铁品粒样品中观察到了巨磁阻效应Chatterjee等”“证实通过改变金属相及其粒子大小,可使Au—AI:O、、Ni—SiO,、Pt—SiO,纳米复合陶瓷的电阻率改变4个数鞋级;Sawaguchi等“J发现在A1203一SiC中,当SiC含量(体积分数)分别为10%和20%时,其电阻率相应为lO“n·CIII和106n·cn一,这些材料可望应用于光电于和电池技术中.

4纳米复相陶瓷的发展趋势预测

    由宏观复合到微观复合是材料技术发展的必然趋势,原位反应或引入纳米粒子以形成纳米笈合材料是其主要的方法;在组织与结构I:向蜓精细方向进行优化和控制,在组成上向多相复合化的方向组合,在性能£:向多功能力‘向耦合;由结构复合向结构功能·体化方向发展,不仅满足力学性能的要求,同时还具有声、光、电、磁、热等某方面或多方面的性能;以材料没计指导材料制备L?材料研究的永恒目标.

 

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