纳米陶瓷材料

Al2O3纳米陶瓷颗粒的研究

摘要：纳米陶瓷是一种新型纳米材料,是现代陶瓷技术发展的最新领域。本文介绍了纳米陶瓷的特性，概述了目前Al2O3纳米陶瓷颗粒制备技术的研究现状和所在的问题。

关键词：纳米材料，纳米陶瓷，制备技术

Abstract：Nanoceramics is a kind of novel materials in nano scale and new field of modern technological development of ceramics.The characteristics of nanoceramics was introduced in this article.Also,the development and problems of the fabrication methods for Al2O3 nanoceramic particles is summarized.

Key words:nanomaterials,nanoceramics,fabrication methods

0引言

Aｌ2O3陶瓷因为其耐高温耐腐蚀机械强度高等特点而在现代社会中具有极其广泛的应用,如航空、电力、化工、机械等众多领域。随着纳米材料在近些年的新兴,Aｌ2O3纳米材料也逐渐成为众多材料科学家注意的研究对象。当组成物质的结构单元处于纳米级别

(Inm-lOOnm)时,由于其尺寸已经接近电子的相干长度,强相干所带来的自组织导致材料发生很大的变化。由于纳米尺度已经接近光的波长,再加上纳米颗粒巨大的比表面积,导致材料的表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等较为显著。表现在材料的溶点,强度,导电性,延展性等方面会有显著的变化。而要制备纳米陶瓷,首先我们要制备

单分散的Aｌ2O3纳米颗粒。目前制备Aｌ2O3纳米颗粒的方法很多,大致可以分为以下三类，气相法（CVD，PVD）、固相法（沉淀法，水热法，溶胶凝胶法）和液相法。

纳米陶瓷粉体制备技术的核心问题是要研究出一种“尺寸可控、表面清洁、不易团聚而又易大量合成纳米陶瓷粉体的方法”,以实现纳米陶瓷粉体的工业化生产。

评价制备Al2O3纳米颗粒方法的优劣，主要有以下标准，（1）粉体无团聚或者团聚度低；（2）颗粒的尺寸分布窄，晶相稳定性好。（3）颗粒纯度高，表面的清洁度高；（4）颗粒粒径和分布可控。

气相法所得的Al2O3纳米陶瓷粉体纯度高、团聚较少、烧结性能也往往较好。其缺点是设备昂贵、产量较低、不易普及。固相法制备Al2O3纳米颗粒所用设备简单、操作方便,但所得粉体往往不够纯,粒度分布也较大,适用于要求比较低的场合。液相法介于气相法与固相法之间,与气相法相比,液相法具有设备简单、无需真空等苛刻条件要求,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,因用液相法制备Al2O3纳米陶瓷颗粒很有发展前途。但是目前大多采用的是沉淀法制备，因为这种方法简单而且容易实现自动化生产。

1.纳米陶瓷材料特性

1.1表面效应

纳米陶瓷材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子

数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。当粒径降

到表面原子数比例达到约90%以上时,原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多,表面原子配位数不足和高的表面能,使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来,故具有很高的化学活性。

1.2小尺寸效应

当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。

1.3特殊的热学性质

固态物质在其形态为大尺寸时,其熔点是固定的,超细微化后纳米材料中有大量的界面,这些界面为原子提供了短程扩散途径及较高的扩散速率,并使得材料的烧结驱动力也随之剧增,这大大加速了整个烧结过程,使得烧结温度大幅度降低,当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。纳米陶瓷材料的烧结温度约比传统晶粒陶瓷低400－6000C左右,且烧结不需要添加任何添加剂,同时陶瓷的致密化速率也迅速提高,这样不仅降低了能耗,还减少了污染。同时由于晶粒尺寸小,分布窄,晶界与气孔的分离区减小以及烧结温度的降低使得烧结过程中不易

出现晶粒的异常生长,控制烧结的条件,已能获得晶粒分布均匀的陶瓷体。纳米陶瓷的导热系数随着晶粒尺寸的减小而下降,甚至出现负值,这一性能将成为超大规模集成器件的设计基础。

1.4特殊的力学性能

（1）纳米陶瓷的超塑性

所谓超塑性是指在拉伸试验中,在一定的应变速率下,材料产生较大的拉伸变形,一般陶瓷中,并不具备金属那样的晶格滑移系统,很难具备超塑性,在纳米陶瓷材料中利用晶界表面众多的不饱和链,造成沿晶界方向的平移,超塑性就可能实现。一般认为陶瓷具有超塑性就应该具有两个条件:（1）较小的粒径（2）快速的扩散途径(增强的晶格、晶界扩散能),纳米陶瓷具有较小的晶粒及快速的扩散途径,所以有望具有室温超塑性。

（2）纳米陶瓷增韧

陶瓷在通常情况下呈脆性,然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米陶瓷材料的晶粒尺寸极小且具有巨大的颗粒间界面,且界面的原子排列是相当混乱的,原子在外力变形的条件下很容易迁移,使纳米陶瓷在受力时易于变形而不呈现脆性。如5纳米颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界,原子的扩散系数要比大块材料高1014~1016倍,因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。

（3）纳米陶瓷的强度

不少纳米陶瓷材料的强度和硬度比普通材料高4~5倍,如在1000C 纳米TiO2陶瓷的显微硬度为1300kgf/mm2,而普通TiO2的显微硬度低于200kgf/mm2。在陶瓷基体中引入纳米级材料的分散相并进行复合,不仅可大幅度地提高其断裂强度和断裂韧性,明显改善其耐高温性能,而且也能提高硬度、弹性模量和抗热震、抗高温蠕变等性能。这是由于陶瓷是经原料加工成型后烧结而成的,而且陶瓷粉体的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能,如果粉体的颗粒堆积均匀,烧

结收缩一致且晶粒均匀长大,则颗粒越小产生的缺陷就越少,所制备

的材料强度就相应越高。

2. Al2O3纳米陶瓷颗粒制备

2.1气相法

气相法有化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)两种方法。

CVD是反应物在气化后发生化学反应,沉淀在基体上,进而得到固体材料。这个过程是属于原子范畴的传质过程。

PVD主要是在真空条件下,利用物理方法提供能量给原料,使其气化并通过等离子气体或低压气体,气化的原料沉积在基体表面。PVD

的主要方法有:溅射键膜,离子键膜,分子束外延等。

Borsella等人以烷基铝和N2O为反应物,以乙稀为反应敏化剂,用CO2激光加热后使之反应,合成了颗粒尺寸为5-20 nm的a- Al2O3纳米颗粒,Ananthapadmanabhan等人采用热等离子法,以氩气和氮气为等离子气体,使受压的空气和招粉发生反应,制备出了颗粒尺寸分布从几

个到30 nm的α-Al203颗粒。气相法所得的Al2O3纳米陶瓷粉体纯度高、