《纳米陶瓷》PPT课件

❖ 随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随 之产生。利用纳米技术开发的纳米陶瓷 材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改 性，使材料的强度、韧性和超塑性大幅 度提高，克服了工程陶瓷的许多不足， 为陶瓷的应用开拓了新领域。
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纳米陶瓷的特性
种类 超塑性
铁电性能
增韧
在一定的应变 随着晶粒尺寸的变 由于纳米陶瓷的晶粒
陶瓷的致密化速率也迅速提高。通过对加
3%Y2O3的ZrO2纳米陶瓷粉体的致密化和晶 粒生长这 2个高温动力学过程研究表明，由
于晶粒尺寸小，分布窄，晶界与气孔的分离
区减小，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，
优点：设备较简单，粉体较纯，团聚少，
易工业化生产
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3、固相法：指纳米粉体是由固相原 料制得，按其加工的工艺特点可分 为机械粉碎法和固相反应法两 类。
优点：所用设备较简单，方便操作
缺点：纯度较低，料度分布较广
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素坯成型:是将粉末转变成具有一定形状、
体积和强度的坯体的过程,素坯的相对 密 度和显微结构的均匀性对陶瓷在烧结过 程 中的致密化有极大的影响
纳米陶瓷
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纳米陶瓷：
指显微结构中的物相(包括晶粒尺寸、晶界 宽度、第二相分布、气孔与尺寸缺陷等)都 在纳米量级的水平上的陶瓷材料。
纳米陶瓷的晶粒、晶界以及它们之间的结合 都处在纳米尺寸水平。
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现有陶瓷材料的晶粒尺寸一般是在微 米级的水平。当其晶粒尺寸变小到纳米级 的范围时，晶粒的表面积和晶界的体积会 以相应的倍数增加，晶粒的表面能亦随之 剧增。
速率下，材料 小，铁电材料的铁 尺寸极小，纳米材料
产生较大的拉 电性能降低，而且 具有很大的比表面积，
特 伸形变。因此 存在一个临界尺寸，表面的原子排列混乱，
表现出甚佳的 当材料的晶粒大小 纳米晶粒易在其它晶
性 韧性与延展性。低于这个尺寸时， 粒上运动，使纳米陶
铁电材料的铁电性 瓷在受力时易于变形
消失。
素坯的成型方法：
传统方法：干压成型、离心注浆法、挤压 法、注射法
新型方法：凝胶注膜法、直接凝固注模成 型
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烧结：
陶瓷材料致密化、晶体长大、晶界形成的 过程
纳米陶瓷烧结过程的关键：
如何在控制晶粒长大很少的前提下实现致 密化
烧结方法：（传统）无压烧结、热压烧结
仍广泛使用。（新）微波烧结、等离子体
而不呈现脆性。
例
3mol%氧化钇的 四方多晶氧化锆
子 陶瓷、纳米TiO2
纳米钛酸钡陶瓷
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加了纳米SiO2的AlN 陶瓷
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纳米陶瓷的应用
❖ 军事领域
纳米陶瓷具有高活性和耐冲击的性能。因此，可以
大大地改善武器和装甲的抗烧蚀性和抗冲击性、提
高硬度、减轻重量、延长使用寿命等。
形纳
纳
战米
米
机吸 波
烧结、高压烧结、爆炸烧结
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13Baidu Nhomakorabea
制备方法评价
❖ 不论哪种制备方法一般需满足以下标准： 1.化学纯度高，均匀性好，粉体流动性好。 2.晶相稳定性好，表面清洁度高。 3.粒径小于100nm，粒度分布范围窄。 4.团聚程度小，粒子几何形状规一，颗粒一般为自形
晶形。
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纳米陶瓷的性能：
防
材
弹
料
背
军
心
用
隐
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特点
❖ 陶瓷材料的几大优点： ❖ 耐高温、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、低膨胀
系数、质轻等优点 ❖ 缺点：脆 、延展性差
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纳米材料的制备： 纳米粉体的合成 素坯的成型 产品的烧结
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粉体合成按合成条件分类：
1、气相法：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：制得的纳米陶瓷粉体的纯度较 高，团聚较少，烧结性能较好
缺点：产量低，设备昂贵
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2、液相法 ：液相法则是选择一种或多 种合适的可溶性金属盐类，按所制备的 材料组成计量配制成溶液，使各元素呈 郭或分子态，再选择一种合适的沉淀剂 或用蒸发、升华、水解等操作，使金属 离子均匀沉淀或结晶出来，最后将沉淀 或结晶脱水或者加热分解而得到纳米陶 瓷粉体
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3、超塑性
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形变。
如 Nieh 等人在四方二氧化锆中加入 Y2O3 的陶瓷材料中观察到超塑性达800%.上海
硅酸盐研究所研究发现，纳米 3Y-TZP陶
瓷(100nm左右)在经室温循环拉伸试验后，
其样品的断口区域发生了局部超塑性形变，
形变量高达380%，并从断口侧面观察到
了大量通常出现在金属断口的滑移线，这
些都确认了纳米陶瓷材料存在着拉伸超塑
性。
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4、烧结特性
纳米陶瓷材料的烧结温度比传统陶瓷材料
约低600℃,烧结过程也大大缩短。12nm的
TiO2粉体，不加任何烧结助剂，可以在低于 常规烧结温度 400-600℃下进行烧结，同时
由于颗粒的线度减少而引起表面效应 和体积效应，使得材料的物理、化学性质 发生一系列变化，而且甚至出现许多特殊 的物理与化学性质。
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概况
❖ 陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在 日常生活及工业生产中起着举足轻重的 作用。但是，由于传统陶瓷材料质地较 脆，强度较差，使它的应用受到了较大 的限制。
有较大程度的改善，对 Al2O3/SiC 系统来说， 纳米复合材料的强陶度比单相氧化铝的强度提
高了3-4倍。
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2、韧性 传统的陶瓷由于其粒径较大，在外表
现出很强的脆性，但是纳米陶瓷由于其 晶粒尺寸小至纳米级，在受力时可产生 变形而表现出一定的韧性。如室温下的 纳米TiO2陶瓷表现出很高的韧性，压缩 至原长度的 1/4仍不破碎。1988年Lzaki 等人首先用纳米碳化硅补强氮化硅陶瓷 使氮化硅陶瓷力学性能显著改善。
1、高强度：
纳米陶瓷材料在压制、烧结后，其强度比
普通陶瓷材料高出4-5倍，如在 100度下，纳米
TiO2陶瓷的显微硬度为13000KN/mm2，而普通
TiO2陶瓷的显微硬度低于2000KN/mm2。日本 的新原皓一制备了纳米陶瓷复合材料，并测定
了其相关的力学性能，研究表明纳米陶瓷复合
材料在韧性和强度上都比原来基体单相材料均