碳纳米管增韧氧化铝纳米复合陶瓷的研究现状

1、8/9/2022碳纳米管增韧氧化铝纳米复合陶瓷的研究现状报告人： 闫寒冰 李文挺 杨艳钊徐 赞碳纳米管增韧氧化铝纳米复合陶瓷的研究现状文献来源： 陶瓷学报（Jouranl of Ceramics） 2010年12月 第31卷 第4期增韧途径： 纤维补强增韧 纳米陶瓷增强增韧颗粒弥散补强增韧CNTs/Al2O3纳米复合陶瓷表征及力学性能测试方法2研究背景介绍 1增韧机理及性能影响因素4合成过程 3发展展望 51、研究背景 氧化铝（Al2O3）陶瓷具有良好的力学性能、化学稳定性、电绝缘性和隔热性能，已经成目前材料行业中使用最为广泛的陶瓷材料，但是，由于其断裂韧性较差，限制了其在航空工程材料等先进结

2、构材料领域的发展。 为了扩展Al2O3 陶瓷的应用范围，提高其断裂韧性，工程研究人员尝试在Al2O3 陶瓷中掺杂一些特定材料来提高复合陶瓷的断裂韧性，例如：Fe、Mo、Cr、Ni、ZrO、MgO、SiC 和碳纤维等 。碳纳米管（CNTs）以其超高弹性模量（大于1TPa）和超高强度（钢的10100 倍）成为短纤维（纳米级）增韧的首选。2、CNTs增韧Al2O3纳米陶瓷的表征及力学性能测试方法2.1 表征方法 材料的组织结构与其性能之间有着密切的联系。弄清材料的组织结构及其与材料性能的关系，就可以通过一定的方法控制其组织结构的形成条件，进而得到所希望的性能。对于研究CNTs 增韧Al2O3纳米陶瓷

3、来说，一般研究中采用以下的表征手段：1.利用X射线衍射能谱（XRD） 来表征材料的晶体结构，确定材料中是否含有CNTs 和Al2O3，同时也可确定Al2O3 的晶相。但是在实际测试中，在其XRD 图谱中根本无法辨认出代表CNTs 的C（002）峰，这种情况下，就可以用到另外一种表征手段- 拉曼光谱。通过拉曼光谱来确定材料中是否确实存在CNTs。2.X 射线光电子能谱（XPS） 可以用来准确测定复合陶瓷中各元素的比例，进而确定CNTs 在复合陶瓷中的准确含量。3.傅立叶红外光谱（FT-IR） 可以用来表征CNTs 和Al2O3 之间化学键的结合情况和红外发射率等性能。4.热重（TG）分析 可以表

4、征复合陶瓷的高温抗氧化性能。以上的表征手段都是通过数据的处理和分析。利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）及其附加的分析设备可以更直观的分析和了解材料的微观组分及结构。5.SEM 能直接观测到纳米粉体的微观结构，并通过二次电子成像得到材料微观结构照片。SEM 具有很好的景深，能够清晰地观察到CNTs 和Al2O3 两种相的结合状态以及复合陶瓷的表面和断口形貌。6.TEM 能清晰地观察到CNTs 和Al2O3 的晶格及其结合界面。X 射线散射能谱（EDS）和电子能量损失谱（EELS）可以用来辅助分析电镜图中区域或线上元素分布情况，8/9/20222.2 力学性能测试方法8/9/2

5、022 Al2O3 陶瓷材料本身具有很高的硬度（15- 22GPa），CNTs 的加入主要是为了改善其断裂韧性（KIC）。因此在表征CNTs/Al2O3 复合陶瓷的力学性能时，主要测试的是陶瓷的断裂韧性及与其密切相关的抗折强度（f）、硬度等参数，主要是辅助求解断裂韧性或者提供材料高硬度的证明。 目前，对于陶瓷材料，测试硬度主要采用金刚石压头加载压入法，测试内容主要为维氏硬度(显微硬度、HV)；测试抗折强度主要采用三点弯曲法断裂韧性是评价结构陶瓷力学性能及可靠性的一个重要参数，它表征陶瓷抗损伤和抗裂纹扩展能力。但至今尚无一种标准精确的测试方法。目前最常用的测试方法主要有三种，分别是压痕法、单边切

6、口梁法和山形切口梁法。3、合成过程陶瓷材料的制备过程一般分为: 陶瓷粉体的制备+烧结过程目前，在CNTs 增韧Al2O3陶瓷的研究报道中，陶瓷粉体的制备方法大致分为原位合成法、杂凝聚法、球磨法和溶胶-胶法；而烧结过程一般使用热压法（HP）和等离子体烧结技术（SPS）。粉体的制备是CNTs/ Al2O3复合陶瓷成型过程中最为关键的环节。下面就从烧结粉体制备的角度对CNTs增韧Al2O3陶瓷的制备过程进行分类综述。3.1 溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶法是目前制备纳米复合粉体最常用的方法之一。将CNTs 加入到由Al盐水解的AlOOH溶胶中，充分搅拌后加入凝胶剂并回流，静置后得到CNTs-AlOOH 混

7、合凝胶，凝胶经干燥及煅烧后即可得到CNTs/Al2O3复合粉体。 该法的优点在于基体和增强相之间是分子级别的混合，有助于提高CNTs 在Al2O3基体中的分散性。另外，无机氧化物晶粒在生长的过程中有可能以CNTs为核进行生长，在CNTs表面上形成氧化物包覆层，有助于提高界面的结合强度，进而提高CNTs 的增韧效果。3.2 球磨法 球磨法就是将基体和增强相置于球磨罐中直接混合，因其方法简单，目前应用较为广泛。Wei采用球磨法及热压烧结工艺制备了CNTs/Al2O3复合陶瓷，SEND 法测试断裂韧性结果显示，CNTs/Al2O3复合陶瓷在CNTs 含量为3vol%（约为1.5wt%） 时，其断裂韧

8、性值达到最高，为5.01MPam1/2，较之纯, Al2O3陶瓷提高了79%。4.CNTs/Al2O3纳米复合陶瓷的增韧机理及性能影响因素4.1 增韧机理： CNTs在Al2O3 陶瓷中主要起到的是短纤维增韧的作用，由于CNTs 超强的力学性能，CNTs 在拔出和断裂时，都要消耗更多的能量，有利于阻止陶瓷裂纹的扩展。此外，CNTs 对陶瓷晶粒的桥联、钉扎等作用，能达到传递和均摊载荷的目的，使陶瓷裂纹扩展方式由沿晶断裂转化为穿晶断裂，能显著提高Al2O3 陶瓷的韧性。CNTs 还能与陶瓷形成独特网络结构，使裂纹沿晶界发生偏转，同样有助于提高Al2O3陶瓷的断裂韧性。4.CNTs/Al2O3纳米复

9、合陶瓷的增韧机理及性能影响因素4.2 性能影响因素：事实上，CNTs/Al2O3 复合陶瓷断裂韧性的好坏主要取决于以下几个因素：一、CNTs 在陶瓷基体中的分散性。 这是左右复合陶瓷韧性的最主要因素，由于CNTs 的絮状结构，这也是实际操作中最难判断和实现的。二、 CNTs与陶瓷基体的相容性。 不同方法制备的CNTs，其外表面上多多少少都存在一部分非晶碳，其中以CVD 法制备的最为突出。而非晶碳与Al2O3 陶瓷基体的相容性较差，使得增强相与基体之间形成不了强有力的结合，也就很难实现增韧的效果。目前，有不少研究正致力于改善CNTs 与陶瓷之间的结合强度以提高CNTs 的增韧效果.三、烧结工艺对

10、复合陶瓷本身的致密度的影响 陶瓷材料的致密度直接影响其力学性能的稳定性，因此研究过程中也应注意烧结工艺的控制。 CNTs 增韧Al2O3 纳米复合陶瓷作为短纤维增韧的探索性研究项目近年来得到了广泛关注，由于CNTs 的高韧性和高强度，使得它作为短纤维增强相对陶瓷材料断裂韧性的提高起到了一些积极地作用，但还远未达到其极限效应，还有很大的潜力可挖。5、展望 目前，CNTs 对陶瓷材料的增韧机理还不是很完善，还有待进一步研究。通过不断改进实验方法和检测手段，不断完善增韧机理，将CNTs 在陶瓷材料中的增韧作用推到极致，再兼顾CNTs 优良的电学、热力学等性能，就可以将CNTs/Al2O3复合陶瓷推广到航空航天、电子工业和国防工业等社会生产的各个领域，得到更为广泛地应用。 作为无机非金属材料工程专业的学生，我们将义不容辞地承担起这份责任。 数风流人物，还看今朝，行动起来！5、展望1 毕松, 苏勋家等.碳纳米管增韧氧化铝纳米复合陶瓷的研究现状. 陶瓷学报（