纳米陶瓷的制备与应用

第２３卷第３期２０∞年６月黔东南民族师范高等专科学校学报Ｊｏ啪ａｌ０ｆＳ０ｕｔｈｅａｓｔＧｌｌｉ出ｏｕＮａｔｉｏｒｌａｌＴｅ８ｃｈ一８ＣｏⅡｅｇｅＶｄ．２３Ｎｏ．３Ｊｕｎ．２０Ｑ５

纳米陶瓷的制备与应用

杨章富，邹勇

（黔东南民族师范高等专科学校化学系，贵州凯里５５６０００）

【摘要】蚋米陶瓷改变了传统陶瓷的脆性，大幅度提高了材料的强度、硬度、韧性和超塑性．综述了近年国内外纳米陶瓷的性能、稍备工艺．提出目前在生产纳米陶瓷工艺上存在的主要问题及应用前景．

［关奠词］蚋米陶瓷；嗣备工艺；应用

【中圈分类号】ｍ１７４．７５＋８【文献标识码】Ａ【文章编号】１００２—６９９“２００５）０３—０００１９—０２

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１妯ｙｗｏｒｄｓ：ＩＩｌｃｏｒｐｏｍｔｅａｐｐｌｉｃａｌｉｏｎ；ｎａｎｏｐｏｒｃｅｌａｉｎ；ｐｒ印蹦ｔｉ∞

所谓纳米陶瓷是指在显微结构中物相所具有的纳米级尺度的陶瓷材＿｜辟，就是说晶粒尺寸，晶界的宽度，第二相分布，缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上，它被认为是陶瓷研究发展的第三个台阶［Ｉ】．晦瓷粉料颗粒大小决定了陶瓷材料的徽观结构和宏观性能［２】．纳米陶瓷的力学性能，包括纳米陶瓷材料的硬度、断裂韧度和低温延展性等，在高温下其硬度、强度比普通尚瓷有较大提高，有助于解决陶瓷的强度和增韧问题．对纳米晶粒Ｓｉ０２进行研究表明［，Ｊ，纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越

性．１９９８年址ｉ等人用纳米碳化硅来补强氮化硅陶瓷使氮化硅陶瓷的力学性能显著改善【４】．许多纳米陶瓷材料的硬度和强度比普通陶瓷材料高出４—５倍ｂ】．在１００℃下，纳米Ｔｉ０２陶瓷的显微硬度为１３００ｋ∥—ｎ２，而普通ｎ０２陶瓷的显徽硬度低于２００ｋ∥衄２．纳米陶瓷的晶粒尺寸极小，纳米材料具有极大的晶面，晶面的原子排列混乱。纳米晶粒易在其他晶粒上运动，使纳米陶瓷在受力时易于变形而不呈现臆性，而表现出一定的延展性和较好的韧性．纳米材料中有大量的界面，这些界面原子提供了短程扩散途径及较高的扩散速率，材料的烧结驱动力也随之剧增，加速了整个烧结过程，使得烧结温度大幅度降低．纳米晶体的自扩散率为传统晶体扩散率的１０“至ｌＯ”倍，使纳米材料的固态反应可以在室温或低温下进行．纳米材料中利用晶界表面的不饱和链，造成沿晶界方向的平移，实现纳米陶瓷的超塑性【６－７】．由于纳米陶瓷硬度高、耐高温、耐磨损、质量轻和导热性好，使得它成为现代工业的基本材料之一．

１纳米冉瓷的崩备工艺

１．１气相合成法

气相合成法主要有热化学气相反应法，激光气相法和等离子体气相合成法．

１．Ｉ．Ｉ热化学气相反应法（ｃｖＤ法）．ｃｖＤ法是目前世界上用于制

备纳米粉体的常用方法，ｃｖＤ法稍备纳米粉体工艺是一个热化学

气相反应和形核生长的过程．在高于热力学计算，临界反应温度条件下，反应产物的蒸气形成很高的过饱和蒸气压，使得反应产物自动凝聚形成大量的核，这些核在加热区不断地长大聚积成颗粒，在合适的温度下会晶化成为徽晶．随着载气气流的输运和真空的抽送，反应产物迅速离开加热区进入低温区，颗粒生长、聚集、晶化过程停止，最后进入收集室收集起来，就可以获得所需的纳米粉体．此工艺过程可通过调节浓度、流速、温度和组成比例等工艺参数获得最佳工艺条件，实现对纳米粉体组成、形貌、尺寸和晶相等的控制．ｃｖＤ法可制备出Ｓｉｃ，ｓｉ３Ｎ４等单相粉体，并且被用来制备各种复合粉体．能制备出小于３５姗的无定形Ｓｉｃ／ｓｉ３Ｎ４纳米粉体，且做到ｓｉｃ／ｓｉ３Ｎ‘比例可调，该设备简单，采用电阻炉外加热方式，通

【收稿日期】２００４～０６一１６

［作者简介】杨章富（１９８ｌ一），男，贵州剑河人，黔东南民族师范高等专科学校化学系Ｏｌ（本）学生；邹勇，黔东南民族师范高等专科学校化学系副教授，指导教师．

　万方数据

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纳米陶瓷的制备与应用

作者：杨章富， 邹勇， YANG Zhang-fu， ZOU Yong

作者单位：黔东南民族师范高等专科学校化学系,贵州,凯里,556000

刊名：

黔东南民族师范高等专科学校学报

英文刊名：JOURNAL OF SOUTHEAST GUIZHOU NATIONAL TEACHERS COLLEGE

年，卷(期)：2005，23(3)

引用次数：0次

1.张立德纳米材料 2000

2.贡长生无机精细化学的生产 2000

3.施锦行纳米陶瓷的制备及其特性 1997(03)

4.高勇纳米材料的性能及制备技术[期刊论文]-兵器材料科学工程 1997(06)

5.田明原.施尔畏.仲维卓纳米陶瓷与纳米陶瓷粉末 1998(02)

6.TATSUKI D.ATSUSHI N Tensile creep behavior of aluminal siuicon carbide nanocomposite 1994(12)

7.王宏志.高濂.郭景坤纳米结构材料[期刊论文]-硅酸盐通报 1999(01)

8.黄政仁.江东亮Sic和Si3N44纳米陶瓷粉末制备技术

9.LeeS.CHOIuS.etal measuring thermal conductivity of fluids containing oxide manoparticles 1999

10.王宏志.高濂共沉淀制备纳米YAG粉体[期刊论文]-无机材料学报 2004(04)

11.顾少轩.周静.刘静溶胶-凝胶法制备锐钛矿型TiO2薄膜[期刊论文]-硅酸盐通报

1.学位论文杨绍文先进纳米ZrO<,2>陶瓷粉体制备工艺研究2005

本文针对化学共沉淀法制备超细粉末对两相混合的特殊要求，提出了一种采用化工厂半成品或工业产品为基本原料，经加工提纯、水热合成胶体、团聚控制、低温煅烧处理技术制备高纯、超细纳米粉体材料，并辅以表面活性剂-稳定剂处理技术试验研究，确定了先进纳米ZrO2陶瓷粉体制备工艺流程；完成了先进纳米ZrO2陶瓷粉体制备工艺研究的实验室研究和扩大试验研究，提供全面而系统的研究成果。

试验以工业氯氧化锆为原料，加入沉淀剂氨水，采用化学共沉淀法制备先进纳米ZrO2陶瓷粉体，进行了纳米ZrO2粉体制备的实验室研究。实验室研究主要考察了试验反应物ZrO2浓度、表面活性剂PEG添加量、反应终点pH、干燥和煅烧条件对粉体粒径、形貌和团聚状态的影响。实验表明：在凝胶形成前预先向氯氧化锆混合溶液中加入适量的表面活性剂，包裹形成的氢氧化物微粒，改善了粒子的表面活性，使其相互隔离，表面活性剂起到了位阻效应和静电效应，从而起到分散剂作用，减少了颗粒的团聚现象；干燥及煅烧过程中，引入非离子型有机溶剂来改善胶粒的界面结构，减弱了界面间的表面张力，防止了硬团聚的形成，从而实现了粉末制备全过程的团聚控制。合成过程中加入了稳定剂氧化钇，对形成氧化锆的晶型有重要作用，在烧结中也有促进致密化和抑制晶粒生长的作用。运用X射线衍射仪，透射电镜，比表面积分析仪(BET)等对制备的ZrO2粉体的特性、粒径、形貌进行了表征。分析了分散剂加入量、pH值及ZrO2的浓度对制备纳米ZrO2粉体质量的影响，并作出合理的分析。试验确定的最佳试验条件为：ZrO2浓度：300g/1；PEG添加量：ZrO2摩尔数的10％；Y2O3添加量：ZrO2摩尔数的的3％(仅考虑粒径)；反应终点pH：9.0。试验得到纳米二氧化锆粉体粒径10nm，形貌为类球状，分布均匀，分散性好；外观为纯白色疏松粉末。

以实验室试验为基础，在中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所湿法车间进行了纳米ZrO2粉体制备技术的扩大试验研究。扩大试验进行了反应过程升温时间、反应温度、部分洗涤水和醇的返回系统等试验。获得了产品粒径为10～50nm、分布均匀、分散性好、纯度高的二氧化锆产品。该工艺各工序作业在半工业试验设备上均顺利实现，工艺过程操作可行，易于工业实施。半工业试验与实验室比较，放大520倍，半工业试验共投入工业级原料ZrOCI2·8H2O87kg，制得纳米ZrO2产品30.89kg。纳米ZrO2回收率94.14％。工艺技术指标先进，经济效益显著。

2.学位论文于金伟高性能纳米陶瓷刀具及切削性能研究2008

在现代化加工过程中，提高加工效率的最有效方法是采用高速切削加工技术，随着现代科学技术和生产的发展，越来越多地采用超硬难加工材料

，以提高机器设备的使用寿命和工作性能。而陶瓷刀具则以其优异的耐热性、耐磨性和化学稳定性以及高硬度，在高速切削领域和难加工材料方面显示了传统刀具无法比拟的优势。特别是近几年来，随着纳米技术的发展，世界各国竞相在纳米陶瓷刀具领域投入大量的人力和财力进行研究，用纳米材料开发的刀具，其力学性能和使用性能会大大提高，生产纳米复合陶瓷刀具，将有巨大的市场前景。纳米复相陶瓷刀具材料的研究成功有望从根本上解决陶瓷材料的脆性问题，比起传统刀具陶瓷刀具材料，它具有更高的抗弯强度、断裂韧度等力学性能。

本研究以氧化铝为基体，添加纳米级碳化物、硼化物和特殊添加剂，利用纳米陶瓷粉末的优异性能，提高材料的断裂韧性和抗疲劳性能，从陶瓷刀具切削可靠性要求出发，对纳米陶瓷刀具材料的组份、界面微观结构和制备工艺进行设计。研究纳米陶瓷粉末增韧机理，从根本上解决陶瓷刀具材料脆性高的问题。研究纳米陶瓷刀具的力学性能和切削性能，开发出适于高速硬态干式切削加工用高断裂韧性纳米陶瓷切削刀具。本课题研究的理论成果对于深入认识纳米陶瓷刀具材料的微观本质、力学性能和切削性能之间的关系有着重要的理论意义，对于推动纳米陶瓷刀具材料的设计、开发、推广应用以及产业化进程有重要的指导作用。

3.学位论文陈锋纳米复合陶瓷粉体的制备及超塑成形2001

3Y-TZP(3mol﹪ yttria stabilized tetragonal zirconia polycrystal)是一种非常具有发展前景的具有超塑性的纳米陶瓷材料,该论文重点研究了3Y-TZP纳米陶瓷粉体的制备、烧结及超塑成形工艺.该文还研究了纳米YAG/Al<,2>O<,3>复合陶瓷材料的制备工艺.陶瓷材料的超塑性一直引起人们的广泛兴趣.该论文通过3Y-TZP陶瓷材料的胀形实验,实现了陶瓷材料的超塑成形.YAG/Al<,2>O<,3>复合材料是一种很在希望的耐高温结构材料,同时陶瓷基体中纳米第二相的引入,能非常有效提高陶瓷韧性,改善陶瓷的力学性能.该论文采用共沉淀法制备了YAG/Al<,2>O<,3>复合粉全,其粉体大小为100纳米左右,并通过XRD、TEM研究了煅烧时间,煅烧温度等工艺参数对粉体的组成,颗粒大小,以及形貌的影响,从而得出了比较理想的粉体煅烧时间和煅烧温度.