纳米复相陶瓷研究动态.docx

纳米复相陶瓷研究动态王辅忠1 ,2陈维石1 安希忠2英1费(1 锦州师范学院物理系121003)(2 北京科技大学材料学院100083)摘 要 20 世纪 80 年代中期发展起来的纳米复相陶瓷 ,对陶瓷材料的性能产生重大的影响 ,为材料的利用开拓了一个新的领域 ,已成为材料科学研究的热点之一 。综述了纳米复相陶瓷新近的研究动态 ,介绍了其制备方法和性能 。关键词 纳米复相陶瓷 复合材料 综述 制备近几年来 ,纳米复相陶瓷越来越引起了材料学专家的广泛注意 。纳米复相陶瓷是指第二相纳米颗粒以 某种方式弥散于陶瓷主晶相中形成的一种纳米复合材 料 ,分为晶内型 、晶界型和纳米 纳米复合型 3 种 ,纳 米复相陶瓷现已成为提高陶瓷材料性能的一个重要途径 。研究表明 ,在微米陶瓷基体中引入纳米分散相进 行复合 ,可使陶瓷材料的强度 、韧性 、硬度 、弹性模量 、 抗蠕变性 、抗疲劳性和高温性能等都有不同程度的改 善 ,对材料的电 、磁等性能也产生较大影响 。纳米复相 陶瓷是当今高温结构陶瓷研究的热点之一 。复合粉末的制备是利用化学 、物理过程直接制取基质与弥散相在一起完成的 。该复合粉末均匀分布 , 对其进行成形后采取不同的方法进行烧结 ,可获得纳 米复相陶瓷 。制备纳米复合粉末的方法有 : 化学气相 沉积法 、碳热还原氧化法以及溶胶 凝胶法等 。例如 : 将气凝氧化硅经特殊处理后与炭黑按一定比例均匀混 合 ,混好的起始原料放入石墨坩埚中 ,在高温炉氧化气 氛下进行碳还原反应 ,在 1 5001 700 的温度内生成 si3 n4 sic 纳米 复 合 粉 体 , 以 此 为 原 料 加 入 al2 o3 和y2 o5 作为烧结助剂 ,充分混合后 ,在气压烧结炉中 1 . 5mpa 氮气压力下 ,1 8002 000 烧结 24 h ,即可获 得 si3 n4 sic 复相陶瓷 ; 以硅溶胶 、尿素和 炭 墨 为 原 料 ,经氨解溶胶 凝胶合成 si3 n4 sic 复合粉末 ,成形 烧结后同样可制得 si3 n4 sic 复相陶瓷 ; 另外以化学 法制备 al2 o3 和 zro2 ,采用相应的技术使之混合均匀 , 利用微波烧结制得 al2 o3 zro2 纳米复相陶瓷 ; 利用 pcvd 法制备 tio2 tin 纳米复合粉体 , 经成形 、烧结 制成纳米复相陶瓷 ;同样利用溶胶 凝胶法 ,经成形用 脉冲电流烧结可以制得 zro2 基复相陶瓷 。1 . 3 液相分散 成形 烧结法将纳米粉末分散于含有基体溶液中 ,通过调整工 艺参数在没有析晶 、团聚 、沉降情况下 ,使体系冻结 、凝 胶 ,经热处理而得到复合粉末 。复合粉体经成形 、烧结可获得纳米复相陶瓷材料 。用该方法制备的纳米复相陶瓷材料 ,其显微结构更为致密 ,如利用凝浇注技术制 备 al2 o3 sic 复 合 粉 末 , 即 将 纳 米 sic 粉 末 和 al2 o3 粉 (0 . 1m) 分散于含有有机单体的丙烯酰胺 ,交联剂亚甲基双丙烯酰胺的水溶液中 ,用过硫酸铵为引 发剂 ,在一定温度和催化条件下快速聚合 ,缓慢干燥后 得到复合粉末 ,经成形 、烧结可制备出显微结构致密的 纳米复相陶瓷材料 。1纳米复相陶瓷的制备方法制备纳米复相陶瓷的目标是使陶瓷基体结构中均匀分散纳米级颗粒 ,并使这些颗粒进入基体内部形成 “内晶”结构 。常见制备纳米复相陶瓷的方法有 :1 . 1 机械混合分散 成形 烧结法将纳米粉末掺入到基体粉末中进行混合 、球磨 、成 形 、烧结得到纳米复相陶瓷 。该方法的优点是制备工 艺简单 ,不足之处是球磨本身不能完全破坏纳米颗粒 间的团聚 ,不能做到 2 相组成的均匀分散 。若在机械混合的基础上使用大功率超声波以破坏团聚 ,并调整 体系的 p h 值或使用适量分散剂 , 可使最终的分散性 有一定的改善 。另外 ,由于球磨介质的磨损 ,会带入一些杂质给纳 米复 相 陶 瓷 的 性 能 带 来 不 利 影 响 , 如 将 al2 o3 、tic 、cr2 o3 按一定比例在酒精介质中球磨 72 h ,在真空中干 燥 ,采用石墨模具在 1 750 、25 mpa 压力下 n2 气氛热 压烧结 20 min , 得到 al2 o3 tic 复 相 陶 瓷 ; 由 氩 气 保 护 ,利用该方法可制得 al2 o3 与合金的复相陶瓷 。1 . 2 复合粉末 成形 烧结法全国性建材科技期刊 陶瓷 2003 年 第 1 期 总第 161 期12 1 . 4原位生成 成形 烧结法将基体粉末分散于含纳米成分的前驱体溶液中 ,经热处理生成纳米 微米复合粉末 ,该复合粉末分散 均匀 ,通过成形和烧结工序制备纳米复相陶瓷材料 ,如制备 si3 n4 sic 纳米复相陶瓷 ,经热解有机前驱体聚碳硅烷 ,在 5501 100 温度内热解 ,生成 si3 n4 sic复合粉末 ,经成形 、烧结可得到纳米复相陶瓷材料 。80 %al2 o3 15 % zro2 ( 3 y) 5 % sic 热 压 试 样 的 强 度为 555 mpa ,断裂韧性为 3 . 8mpam12 ,强度较 al o sic2 3体系有所提高 ,但韧性没有提高 。用沉淀 法 制 备 出 al2 o3 sic 纳 米 复 合 粉 体 , sic颗粒均匀分布于 al2 o3 基体晶粒内 ,纳米 sic 颗粒阻碍 了晶界移动 ,提高了烧结温度 ,同时抵制 al2 o3 晶粒生 长 ,使基体晶粒变小 ,尺寸分布均匀 。纳米 sic 的加入 使 al2 o3 的断裂方式从以沿晶断裂为主转变为以穿晶 断裂为主 ,有利于力学性能的提高 。2纳米复相陶瓷研究的实例将纳米 sic 粉末加入 si3 n4 中 ,以 y2 o3 和 al2 o3 作烧结助剂 ,采用热压烧结工艺 ,可制备 si3 n4 sic 纳米 复相陶瓷 。研究表明 ,添加体积含量 20 % 25 %) 时 , 弥散相阻止了细长形的 si3 n4 晶粒生长 ,将形成等轴 、精细的 si3 n4 晶粒 ,成为纳米 纳米复相材料 ,这种材料在高 温下具有超塑变形的能力 。3) 纳米级 sic 粒子位于 si3 n4 基体的晶界 , sic 与si3 n4 晶粒之间无晶界杂质 ,是直接牢固结合 ,这有利 于改善复合材料的高温性能和抗氧化性能 。1 39113 yoshio a , toshio o , naoto h. influence of starting powdercharacteristics on mechanical properties of sic - particlesi3 n4 compos2ites. journal of the ceramic society of j apan ,1992 ,100(4) :46346814 高濂 ,王浩 ,刘茜 ,等 . 纳米 sic - ca - - sialon 复相陶 瓷的研究 . 硅酸盐学报 ,1996 ,24 (6) :69469815 高濂 ,王宏志 ,洪金生. 放电等离子超快速烧结 sic - al2 o3 纳米复相陶瓷. 无机材料学报 ,1999 ,14 (1) :556016 piciacchioa a ,lee s , messing g l . processing and micro2 structure development in alumina - silicon carbide intragranular particu2 late composites. j . am. ceram. soc . ,1994 ,77(8) :2 1572 16417 anya c c. hertzian flaw analysis and models for the predic2tion of flexural fracture strength of al2 o3 and al2 o3sicp nanocompos2ites. jorunal of materials science ,1998 ,33 :97798418 王宏志 ,高濂 ,归林华 ,等 . al2 o3 - zro2 (3 y) - sic 纳米 复合材料的制备及性能. 无机材料学报 ,1999 ,14 (2) :28028619 王 宏 志 , 高 濂 , 陈 红 光 , 等 . al2 o3 基 复 合 材 料 中 纳 米sic 对微观结构的影响 . 无机材料学报 ,1998 ,13 (4) :60360720 韩亚苓 ,钱全钢 ,蒋玉齐 ,等 . 无压烧结 al2 o3sic 纳米 复相陶瓷的研究 . 硅酸盐学报 ,2001 ,26 (1) :767921 张庭璇 . 纳米科学技术中的陶瓷 . 全国性建材科技期 刊 陶瓷 ,1994 (1) :202522 史可顺 . 高温陶瓷复合材料的进展. 硅酸盐学报 ,1993 ,21 (1) :778723 钟仁志 ,张长瑞 , 周新贵 , 等 . 用聚碳硅烷为先驱体制 备 sicsi3 n4 纳米复相陶瓷. 复合材料学报 ,1999 ,16 (4) :131624 新原皓一 . 伊崎宽正 ,中平敦 ,等 . 高温超强度 si3 n4 - sic l 复合材料 . 粉体 粉末冶金 ,1990 ,37 (2) :34835125 徐利华 ,丁子上 ,黄勇. 先进复相陶瓷的研究现状和展 望 ( ) . 硅酸盐通报 ,1997 ,2 :5659参考文献1 梁忠友 . 纳米复相陶瓷研究进展 . 全国性建材科技期刊陶瓷 ,1999 (4) :10112 曾照强 ,胡晓清. 添加 cr2 o3 对 al2 o3 - tic 陶瓷烧结及 纳米结构形成的影响 . 硅酸盐学报 ,1998 ,26 (5) :1781813 osso d , tillement o ,legaer g , et al . alumina - alloy nano2composite powders by mechanosynthesis. journal of materials science ,1998 ,33 :3 0193 1194 daroczi l ,becke l d , posgay g ,et al . magnetic properties of ball milled nanocrystalline ni and fe . nanostruct mater ,1995 ,6 :9819895 李虹 ,黄利萍 ,蒋薪 . 纳米 sic - si3 n4 复合粉体制备材 料的显微结构. 硅酸盐学报