陶瓷粉体
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纳米陶瓷
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。
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。 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。
纳米材料的制备： 纳米粉体的合成 素坯的成型 产品的烧结
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
2、应用于提高陶瓷材料的超塑性 只有陶瓷粉体的粒度小到一定程度 才能在陶瓷材料中产生超塑性行为,其 原因是晶粒的纳米化有助于晶粒间产生 相对滑移,使材料具有塑性行为。
3、应用于制备电子(功能)陶瓷 纳米陶瓷粉体之所以广泛地用于 制备电子陶瓷,原因在于陶瓷粉体晶粒 的纳米化会造成晶界数量的大大增加, 当陶瓷中的晶粒尺寸减小一个数量级, 则晶粒的表面积及晶界的体积亦以相 应的倍数增加
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
纳米陶瓷的性能：
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 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。
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
烧结： 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 烧结、高压烧结、爆炸烧结
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 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， 可获得晶粒分布均匀的纳米陶瓷块体。
4、应用于制备陶瓷工具刀 纳米技术的出现以及纳米粉体的工 业化生产,使得制备金属陶瓷刀成为现实。 在金属陶瓷中主要加入纳米氮化钛 以后可以细化晶粒,晶粒细小有利于提高 材料的强度、硬度,同时断裂韧性也得到 提高
5、应用于制备生物陶瓷 1）接近于生物惰性的陶瓷,如氧化铝 (Al2O3) 2）表面活性生物陶瓷,如致密羟基磷灰石 (10CaO-3P2O5H2O)。 3）可吸收生物陶瓷,如磷酸三钙(CaOP2O5) (TCP)
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 优点：设备较简单，粉体较纯，团聚少， 易工业化生产
6、应用于制备功能性陶瓷纤维 (1) 防紫外线纤维。 (2) 远红外线保温纤维。 (3) 抗菌防臭纤维
纳米陶瓷的应用： 1、应用于提高陶瓷材料的机械强度
结构陶瓷是以强度、刚度、韧性、耐 磨性、硬度、疲劳强度等力学性能为特 征的材料。 用纳米陶瓷粉体制备的陶瓷材料能有 效减少材料表面的缺陷,获得形态均一和 平滑的表面,能增强界面活性,提高材料单 晶的强度,还能有效降低应力集中,减少磨 损,特别是可以有效提高陶瓷材料的韧性。
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。
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。
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。
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。 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。
纳米材料的制备： 纳米粉体的合成 素坯的成型 产品的烧结
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
2、应用于提高陶瓷材料的超塑性 只有陶瓷粉体的粒度小到一定程度 才能在陶瓷材料中产生超塑性行为,其 原因是晶粒的纳米化有助于晶粒间产生 相对滑移,使材料具有塑性行为。
3、应用于制备电子(功能)陶瓷 纳米陶瓷粉体之所以广泛地用于 制备电子陶瓷,原因在于陶瓷粉体晶粒 的纳米化会造成晶界数量的大大增加, 当陶瓷中的晶粒尺寸减小一个数量级, 则晶粒的表面积及晶界的体积亦以相 应的倍数增加
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
纳米陶瓷的性能：
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 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。
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
烧结： 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 烧结、高压烧结、爆炸烧结
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 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， 可获得晶粒分布均匀的纳米陶瓷块体。
4、应用于制备陶瓷工具刀 纳米技术的出现以及纳米粉体的工 业化生产,使得制备金属陶瓷刀成为现实。 在金属陶瓷中主要加入纳米氮化钛 以后可以细化晶粒,晶粒细小有利于提高 材料的强度、硬度,同时断裂韧性也得到 提高
5、应用于制备生物陶瓷 1）接近于生物惰性的陶瓷,如氧化铝 (Al2O3) 2）表面活性生物陶瓷,如致密羟基磷灰石 (10CaO-3P2O5H2O)。 3）可吸收生物陶瓷,如磷酸三钙(CaOP2O5) (TCP)
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 优点：设备较简单，粉体较纯，团聚少， 易工业化生产
6、应用于制备功能性陶瓷纤维 (1) 防紫外线纤维。 (2) 远红外线保温纤维。 (3) 抗菌防臭纤维
纳米陶瓷的应用： 1、应用于提高陶瓷材料的机械强度
结构陶瓷是以强度、刚度、韧性、耐 磨性、硬度、疲劳强度等力学性能为特 征的材料。 用纳米陶瓷粉体制备的陶瓷材料能有 效减少材料表面的缺陷,获得形态均一和 平滑的表面,能增强界面活性,提高材料单 晶的强度,还能有效降低应力集中,减少磨 损,特别是可以有效提高陶瓷材料的韧性。
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。
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。