功能无机材料 纳米陶瓷
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100 nm时，大部分呈黑色，这是光被完全 吸收的缘故。
纳米陶瓷的制备
纳米陶瓷粉体的要求 首先必须保证陶瓷粉体到达纳米级别; 其次要求纳米粉体纯度高及表面的清洁度高、尺寸
分布狭窄、几何形状归一(接近球形) 、晶相稳定; 另外一个重要的要求就是无团聚或团聚低。
纳米材料的团聚
纳米颗粒随着尺寸的减小，颗粒之间的静电吸引 力、范德华作用力、毛细管作用力等较弱的相互 作用显得越来越重要，形成了所谓的软团聚。
K1C=(2Ecγ)1/2 Ec是弹性模量，γ是断裂能
所以提高材料的弹性模量也能改善其断裂韧性。
纳
米 纳米陶瓷是指显微结构中，晶粒、晶界
陶 瓷 的
以及它们之间的结合都处于纳米尺寸水平 的陶瓷材料。包括晶粒尺寸、晶界宽度、 第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都是纳 米级。
定 义
来自百度文库
由于纳米陶瓷的晶粒细化，晶界数量大幅 度增加，可使材料的韧性和塑性大为提高，
当颗粒尺寸<50 nm 时，颗粒之间的范德华 力非常强；颗粒比表面积的增加，水蒸汽在颗粒 之间凝结的趋势加剧，在颗粒之间形成化学键， 加剧了团聚，形成硬团聚。
团
团聚的存在致使成形的坯堆积密度低和形态
聚
不均匀，会使烧结温度提高，也造成烧结体的结
构瑕疵、裂纹。
软团聚可通过在压块过程中以较低压力消除，或者 超声波分散
超细粉体与陶瓷材料性能关系
工艺角度：原料粒度越小，熔点越低，烧结温度越 低，烧结时间越短。
陶瓷密度： 密度与热压时间关系 ln[(1-p)/(1-p0)]=kt p0是初始密度，p是时间为t时的密度， k是致 密速度。 而ln(1/t)=A+△H/RT △H是活化能，A是常数，T是热压温度。
颗粒越细，活化能越高，从p0到p所需时间更短。也就是说在某时 间温度下，超细粉体作原料能得到更致密材料。
陶瓷强度σ ： 材料的断裂强度与粉末原料的粒度有如下关系：
σ=σ0+Kc/d1/2 Kc是常数，d是粒径
结论：减小原料的粒度可以提高材料的强度。
陶瓷增韧
根据Griffith的断裂力学理论 密切关K1系c=yσC1/2， 表明断裂韧性与断裂强度有
其中K1c是断裂韧性，y是几何形状因子 σ材料临界断裂强度，C是裂纹长度 而在应力状态下，可改写成：
化合成中有实际意义
活性好
粒度变小，表面原子数成倍增加 具有较高的表面活性和催化性，起补强作用 参与反应可明显加快反应速度，具有良好的
化学反应性
熔点低
金的熔点1063o 2nm 33o 5nm 830o 14nm 956o
普通钨粉烧结 3000o 掺入0.1%-0.5%纳米级钨粉，可降到1200o
ΔT=2γSLT0/ρL0d
γSL是固液界表面张力 ΔT是块状物质的熔点与超细粉体熔点差
磁性强
超细粉体的体积比强磁性物质的磁畴还小， 即使不磁化，本身也是一个永久磁体，具有 较大的矫顽力。
非常有利于提高磁性材料的存储能力。
光吸收和热导性
在低温或者超低温下，几乎没有热阻。 而超级粉体特别是金属粉体，当颗粒小于
3. 从纳米材料的结构层次(1～100nm)上控制材 料的成分和结构， 有利于充分发挥陶瓷材料的潜 在性能，而使定向设计纳米材料的组织结构和性能 成为可能。
纳米粉体的特性
比表面积大 活性高 熔点低 磁性强 光吸收和热导性好
比表面积大
材料的粒径越小，比表面积越大 表面能增加 具有较好的分散性和吸附性能 例如超细铜颗粒在吸附贮气、相间反应和催
The methods to eliminate agglomeration
纳米陶瓷的制备： 纳米粉体的合成 素坯的成型 产品的烧结
超细粉体的合成方法
按产品粒径大小：微米粉体制备法、亚微米粉体制备法； 纳米粉体制备法。工艺条件控制不同----容易引起混乱。
硬团聚不易消除。只能在粉体制备过程中可通过选 择合适的沉淀条件、沉淀前或干燥过程的特殊处理、 最佳焙烧条件的选择的方法防范团聚的形成。
在团聚已经形成后，可采用沉积或沉降、研磨、超 声波处理、加入分散剂、高的成形压力等方法去除。
团聚清除
课堂小测验
Briefly writing the types of powder agglomeration and reason of agglomeration
美国麻省理工Dr Haggerty认为：
当前妨碍陶瓷材料广泛使用的最大问题是它 的可靠性，解决的根本途径是发展高强度陶 瓷材料的增强复合陶瓷材料。
无论发展哪一种材料，首先都必须得到高纯 超细的粉体原料。
超细化粉体
现有陶瓷材料的晶粒尺寸一般是在微米级的水平。 晶粒尺寸小到纳米级，晶粒的表面积和晶界的体 积会以倍数增加，表面能亦剧增。 颗粒的粒度减少而引起表面效应和体积效应，使 得材料的物理、化学性质发生变化，甚至出现特殊的 物理与化学性质。
并对材料的电学、热学、磁学、光学等性
能产生重要的影响，甚至出现许多特殊的
物理与化学性质。 。
纳米陶瓷结构
单相陶瓷 复相陶瓷
单相陶瓷
纳米复相陶瓷
晶间型
晶内型
混合型
纳米/纳米复合型
纳米粉体的优势
1. 具有极小的粒径、大的比表面积和高的化学性 能, 可以降低材料的烧结致密化程度，节约能源；
2. 使材料的组成结构致密化、均匀化， 改善陶瓷 材料的性能, 提高其使用可靠性；
功能无机材料之陶瓷
超细-纳米陶瓷
授课人：赵宏滨
陶瓷粉体的发展
例如：普通瓷---高铝瓷---75%氧化铝瓷--95%氧化铝瓷---99%氧化铝瓷。
促使研究向高纯、超细单相过渡到复合组份。 除组分设计外，提高陶瓷性能的关键在于结
构设计，从结构角度出发，强化晶粒尺寸， 强度将出现飞跃。
大量研究表明，技术的核心在于原料的超细 化。
陶瓷材料的发展趋势
原料粒度
单相
相组成 1970年
多相设计 陶瓷材料的发展趋势
功能
化学功能 力学功能 电学功能 光学功能
反应性 催化剂 选择分离
强度 增强 耐磨
绝缘 压电，导电 介电
光导性 透光性
化工原料 V2O5、沸石 ALPO4 氮化硅，碳化硅，赛龙，碳酸钙，二氧化硅氧化 铝、碳化硼
氮化铝、碳化硅 PTZ、ZnO，氧化钛 钛酸钡，钛酸锶，氧化铝 二氧化硅 赛龙(Si-Al-O-N )、二氧化钛、氧化铝
纳米陶瓷的制备
纳米陶瓷粉体的要求 首先必须保证陶瓷粉体到达纳米级别; 其次要求纳米粉体纯度高及表面的清洁度高、尺寸
分布狭窄、几何形状归一(接近球形) 、晶相稳定; 另外一个重要的要求就是无团聚或团聚低。
纳米材料的团聚
纳米颗粒随着尺寸的减小，颗粒之间的静电吸引 力、范德华作用力、毛细管作用力等较弱的相互 作用显得越来越重要，形成了所谓的软团聚。
K1C=(2Ecγ)1/2 Ec是弹性模量，γ是断裂能
所以提高材料的弹性模量也能改善其断裂韧性。
纳
米 纳米陶瓷是指显微结构中，晶粒、晶界
陶 瓷 的
以及它们之间的结合都处于纳米尺寸水平 的陶瓷材料。包括晶粒尺寸、晶界宽度、 第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都是纳 米级。
定 义
来自百度文库
由于纳米陶瓷的晶粒细化，晶界数量大幅 度增加，可使材料的韧性和塑性大为提高，
当颗粒尺寸<50 nm 时，颗粒之间的范德华 力非常强；颗粒比表面积的增加，水蒸汽在颗粒 之间凝结的趋势加剧，在颗粒之间形成化学键， 加剧了团聚，形成硬团聚。
团
团聚的存在致使成形的坯堆积密度低和形态
聚
不均匀，会使烧结温度提高，也造成烧结体的结
构瑕疵、裂纹。
软团聚可通过在压块过程中以较低压力消除，或者 超声波分散
超细粉体与陶瓷材料性能关系
工艺角度：原料粒度越小，熔点越低，烧结温度越 低，烧结时间越短。
陶瓷密度： 密度与热压时间关系 ln[(1-p)/(1-p0)]=kt p0是初始密度，p是时间为t时的密度， k是致 密速度。 而ln(1/t)=A+△H/RT △H是活化能，A是常数，T是热压温度。
颗粒越细，活化能越高，从p0到p所需时间更短。也就是说在某时 间温度下，超细粉体作原料能得到更致密材料。
陶瓷强度σ ： 材料的断裂强度与粉末原料的粒度有如下关系：
σ=σ0+Kc/d1/2 Kc是常数，d是粒径
结论：减小原料的粒度可以提高材料的强度。
陶瓷增韧
根据Griffith的断裂力学理论 密切关K1系c=yσC1/2， 表明断裂韧性与断裂强度有
其中K1c是断裂韧性，y是几何形状因子 σ材料临界断裂强度，C是裂纹长度 而在应力状态下，可改写成：
化合成中有实际意义
活性好
粒度变小，表面原子数成倍增加 具有较高的表面活性和催化性，起补强作用 参与反应可明显加快反应速度，具有良好的
化学反应性
熔点低
金的熔点1063o 2nm 33o 5nm 830o 14nm 956o
普通钨粉烧结 3000o 掺入0.1%-0.5%纳米级钨粉，可降到1200o
ΔT=2γSLT0/ρL0d
γSL是固液界表面张力 ΔT是块状物质的熔点与超细粉体熔点差
磁性强
超细粉体的体积比强磁性物质的磁畴还小， 即使不磁化，本身也是一个永久磁体，具有 较大的矫顽力。
非常有利于提高磁性材料的存储能力。
光吸收和热导性
在低温或者超低温下，几乎没有热阻。 而超级粉体特别是金属粉体，当颗粒小于
3. 从纳米材料的结构层次(1～100nm)上控制材 料的成分和结构， 有利于充分发挥陶瓷材料的潜 在性能，而使定向设计纳米材料的组织结构和性能 成为可能。
纳米粉体的特性
比表面积大 活性高 熔点低 磁性强 光吸收和热导性好
比表面积大
材料的粒径越小，比表面积越大 表面能增加 具有较好的分散性和吸附性能 例如超细铜颗粒在吸附贮气、相间反应和催
The methods to eliminate agglomeration
纳米陶瓷的制备： 纳米粉体的合成 素坯的成型 产品的烧结
超细粉体的合成方法
按产品粒径大小：微米粉体制备法、亚微米粉体制备法； 纳米粉体制备法。工艺条件控制不同----容易引起混乱。
硬团聚不易消除。只能在粉体制备过程中可通过选 择合适的沉淀条件、沉淀前或干燥过程的特殊处理、 最佳焙烧条件的选择的方法防范团聚的形成。
在团聚已经形成后，可采用沉积或沉降、研磨、超 声波处理、加入分散剂、高的成形压力等方法去除。
团聚清除
课堂小测验
Briefly writing the types of powder agglomeration and reason of agglomeration
美国麻省理工Dr Haggerty认为：
当前妨碍陶瓷材料广泛使用的最大问题是它 的可靠性，解决的根本途径是发展高强度陶 瓷材料的增强复合陶瓷材料。
无论发展哪一种材料，首先都必须得到高纯 超细的粉体原料。
超细化粉体
现有陶瓷材料的晶粒尺寸一般是在微米级的水平。 晶粒尺寸小到纳米级，晶粒的表面积和晶界的体 积会以倍数增加，表面能亦剧增。 颗粒的粒度减少而引起表面效应和体积效应，使 得材料的物理、化学性质发生变化，甚至出现特殊的 物理与化学性质。
并对材料的电学、热学、磁学、光学等性
能产生重要的影响，甚至出现许多特殊的
物理与化学性质。 。
纳米陶瓷结构
单相陶瓷 复相陶瓷
单相陶瓷
纳米复相陶瓷
晶间型
晶内型
混合型
纳米/纳米复合型
纳米粉体的优势
1. 具有极小的粒径、大的比表面积和高的化学性 能, 可以降低材料的烧结致密化程度，节约能源；
2. 使材料的组成结构致密化、均匀化， 改善陶瓷 材料的性能, 提高其使用可靠性；
功能无机材料之陶瓷
超细-纳米陶瓷
授课人：赵宏滨
陶瓷粉体的发展
例如：普通瓷---高铝瓷---75%氧化铝瓷--95%氧化铝瓷---99%氧化铝瓷。
促使研究向高纯、超细单相过渡到复合组份。 除组分设计外，提高陶瓷性能的关键在于结
构设计，从结构角度出发，强化晶粒尺寸， 强度将出现飞跃。
大量研究表明，技术的核心在于原料的超细 化。
陶瓷材料的发展趋势
原料粒度
单相
相组成 1970年
多相设计 陶瓷材料的发展趋势
功能
化学功能 力学功能 电学功能 光学功能
反应性 催化剂 选择分离
强度 增强 耐磨
绝缘 压电，导电 介电
光导性 透光性
化工原料 V2O5、沸石 ALPO4 氮化硅，碳化硅，赛龙，碳酸钙，二氧化硅氧化 铝、碳化硼
氮化铝、碳化硅 PTZ、ZnO，氧化钛 钛酸钡，钛酸锶，氧化铝 二氧化硅 赛龙(Si-Al-O-N )、二氧化钛、氧化铝