纳米陶瓷材料的现状及其发展

《纳米材料与技术》课程论文题目：纳米陶瓷材料的现状及其发展学生姓名：葛影学号： ********** 专业： M11材料科学与工程所在学院：金陵科技学院龙蟠学院日期：2012年5 月1日纳米陶瓷材料的现状及其发展葛影金陵科技学院龙蟠学院 1121416033摘要：由纳米材料的定义与性能，引入了陶瓷纳米的定义与性能，由于硬度高、耐高温、耐磨损、质量轻和导热性好，陶瓷材料是现代工业三大基本材料之一，与传统陶瓷材料相比，纳米陶瓷材料由于其独特的结构与性能而倍受人们的关注。

纳米材料及技术运用到陶瓷材料中极大地改善了它的应用性能。

本文介绍了纳米陶瓷材料的特性和种类，以及制备方法、研究技术、研究现状和发展前景。

着重介绍纳米陶瓷材料的优良力学性能、光学性能以及电学性能，并结合国内外研究现状，对其前景进行探讨。

关键词：纳米陶瓷现状技术前景1引言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，韧性、强度较差，因而使其应用受到了较大的限制。

随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。

所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。

要制备纳米陶瓷，这就需要解决：粉体尺寸形貌和粒径分布的控制，团聚体的控制和分散；体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制。

纳米陶瓷材料依据性能可分为两大类型:一类是纳米结构陶瓷，另一类是纳米功能陶瓷。

前者是在传统陶瓷粉体中通过加入纳米颗粒，或是将传统陶瓷粉体纳米化，通过在烧结凝固时控制凝固或结晶相的大小和分布，从而改变陶瓷显微结构以提高其力学性能所制得的纳米陶瓷材料，这些力学性能有硬度、强度、塑性和韧性等。

后者是通过添加具有独特功能的纳米相或颗粒，或本身在常规微米级时未能完全表现出来的通过超细化而具有特殊功能的纳米陶瓷材料，这些特殊功能包括声学、光学、电学、磁学、生物活性、对环境的敏感性等。

对于纳米功能陶瓷在保证一定功能的基础上有时需要兼顾一定的力学性能。

2 纳米陶瓷材料的研究现状2.1纳米陶瓷材料的性能研究2.1.1 力学性能研究表明当陶瓷材料成为纳米材料后，材料的力学性能得到极大改善，主要表现在以下三个方面: 1)断裂强度大大提高；2)断裂韧性大大提高；3)耐高温性能大大提高。

与此同时，材料的硬度、弹性模量、热膨胀系数都会发生改变。

不少纳米陶瓷材料的硬度和强度比普通陶瓷材料高出4～5倍。

在陶瓷基体中引入纳米分散相并进行复合，不仅可大幅度提高其断裂强度和断裂韧性，明显改善其耐高温性能，而且也能提高材料的硬度、弹性模量和抗热震、抗高温蠕变的性能。

图1给出了氧化铝陶瓷试片的维氏硬度、断裂韧性与纳米α- Al2O3粉添加量的关系[1]。

2.1.2 低温超塑性陶瓷的超塑性是由扩散蠕变引起的晶格滑移所致，扩散蠕变率与扩散系数成正比，与晶粒尺寸的3次方成反比，普通陶瓷只有在很高的温度下才表现出明显的扩散蠕变。

而纳米陶瓷的扩散系数提高了3个数量级，晶粒尺寸下降了3个数量级，因而其扩散蠕变率较高，在较低的温度下，因其较高的扩散蠕变速率而对外界应力做出迅速反应，造成晶界方向的平移，表现出超塑性，使其韧性大为提高。

2.1.3 扩散与烧结性能由于纳米陶瓷材料存在着大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径，与单晶材料相比，纳米陶瓷材料具有较高的扩散率。

增强扩散能力的同时又使纳米陶瓷的烧结温度大为降低。

实验也表明烧结温度降低是纳米材料的普遍现象。

2.1.4 磁学性能晶粒中的磁各向异性与颗粒的形状、晶体结构、内应力以及晶粒表面的原子状况有关。

由于纳米颗粒尺寸超细，其磁学性能与粗晶粒材料有着显著的区别，表现出明显的小尺寸效应。

另外在纳米材料中存在大量的界面成分。

当晶粒尺寸减小到纳米级时，晶粒之间的铁磁相互作用开始对材料的宏观磁性有着重要影响。

与铁磁原子类似，根据相互作用的大小，纳米晶粒体可表现出超顺磁性、超铁磁性、超自旋玻璃态等特性[2]。

2.1.5 电学性能高性能的电子陶瓷材料一个重要的发展趋势是：用纳米粉体作为原材料生产诸如陶瓷电容器、压电陶瓷，将纳米材料应用到陶瓷工艺中去，生产纳米复合或纳米改性的高技术陶瓷。

蔡晓红等人利用化学沉淀法制备了锆钛酸铅(PZT)超微细粉，用此超微细粉制备的PZT 圧电陶瓷与传统的圧电陶瓷比较发现: 圧电电压常数d33、介电常数εT33/ε都比普通PZT数值有很大提高，同时材料的密度较传统低，具有优良的压电、介电、声电等电学性能，因此PZT纳米粉体被广泛用来制备压电陶瓷、微位移驱动器、超声换能器等电子元器件[3]。

2.1.6 纳米陶瓷的其它性能纳米陶瓷具有极小的热导率，因而有可能成为有价值的热阻涂层或包覆材料。

纳米陶瓷材料的光透性可以通过控制其晶粒尺寸和气孔率来控制，因此使得纳米晶陶瓷材料在传感器和过滤技术方面具有潜在用途。

电学特性，陶瓷粉体晶粒的纳米化会造成晶界数量的大大增加、晶界变得很薄，这样可大大减小晶界物质对材料的不利影响，可提高陶瓷材料的绝缘性、介电性等性能。

如果生产的陶瓷材料是以晶界效应来体现其性能的，如半导体中的正温度系数(PTC)陶瓷，则纳米细化晶粒又将可能提高它的灵敏度及稳定性。

纳米陶瓷不仅具有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能，还具有高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗和光吸收效应等性能。

这些独特的性能都有待于人们的进一步研究和应用。

与传统的材料相比，纳米陶瓷材料除具有优良的力学性能和热物理性能外，由于结构特殊，使它在制备吸波材料方面具有其他常规材料所不具备的优点，如矫顽力比较高，可引起磁滞损耗，界面极化，多重散射，这些都是吸波材料所必需的，因此纳米陶瓷材料可用来制备吸波材料，用于武器装备高温部位的隐身[4]。

3 纳米陶瓷材料的研究方法及技术3.1实验研究的制备方法3.1.1 纳米陶瓷的烧结方法对于纳米陶瓷来说，它与常规陶瓷烧结的不同之处在于，普通陶瓷的烧结一般不必过多考虑晶粒的生长，而在纳米陶瓷的烧结过程中必须采取一切措施控制晶粒长大。

纳米陶瓷的特殊烧结方法可控制纳米陶瓷晶粒的大小，以防长大后严重影响纳米陶瓷所具有的独特性能，主要有以下几种方法:1) 传统烧结法传统烧结法是在室温下压实粉末，进行烧结，最终的烧结性能取决于纳米材料压实母体，如微孔尺寸微小而且分布均匀，烧结后才可得到高密度纳米材料。

2）压力烧结法此法对压制成型母体中的气孔的要求不像无压力烧结严格，压力的施加有效地消除了大尺寸的气孔。

3) 特种烧结法特种烧结法是利用高压和高温的交替作用（高压力、低温或低压力、高温）对成型的纳米块体进行烧结，这种温度和压力交替的烧结作用可阻止其粒子长大，使组织致密，主要有微波烧结法等。

4）两步烧结法一般的无压烧结是采用等速烧结进行的，即控制一定的升温速度，到达预定温度后保温一定时间获得烧结体。

在无压烧结中，由于温度是唯一可以控制的因素，因此如何选择最佳的烧结温度，从而在控制晶粒的长大的前提下实现坯体的致密化，是纳米陶瓷制备中最需要研究的问题。

两步烧结法的目的是要避开烧结后期的晶粒生长过程，其基本做法是：首先，将烧结温度升至较高的温度，使坯体的相对密度达到70%左右；然后，将烧结温度降到较低的温度下保温较长的时间使烧结继续进行而实现完全的致密化。

这一阶段晶粒没有明显生长。

两步烧结法的烧结过程如图2所示。

图2 两步烧结法制备Y2O 3陶瓷的晶粒 密度变化曲线Vladimir利用化学气相沉积制得含3-30mol%Al 的ZrO2纳米粉，采用无压烧结得到了粒径小于45nm的纳米陶瓷。

认为Al在烧结初期通过抑制扩散和增强偏析，起到晶粒生长抑制剂的作用，如图3所示。

图3掺加Al 的ZrO2晶粒生长示意图由于纳米陶瓷烧成的研究时间不长，目前应用到纳米陶瓷烧结中的方法不多，主要是把某些普通陶瓷的烧成方法加以改进用到纳米陶瓷的烧成中。

根据烧成条件的不同，我们将现有的烧成方法按图4分类。

图4 纳米陶瓷的烧结分类3.2 产业化的生产方法走向产业化的纳米陶瓷材料生产不同于实验研究的少量制备，首先要考虑生产成本、技术条件、原料价格、利润、产品质量的稳定性和可靠性以及实际应用的具体要求，而其中成本则是纳米陶瓷材料走向产业化的关键。

目前纳米陶瓷材料产业化的生产方法主要是指粉体的制备，主要有等离子体法、湿化学法等。

应当明确的是纳米技术和纳米材料(包括纳米陶瓷材料)属于高科技的项目，追求其高收益的同时应当充分考虑到它的高风险性。

4 纳米陶瓷材料的应用4.1 防护材料普通陶瓷在被用作防护材料时，由于其韧性差，受到弹丸撞击后容易在撞击区出现显微破坏、垮晶、界面破坏、裂纹扩展等一系列破坏过程，从而降低了陶瓷材料的抗弹性能。

纳米陶瓷耐冲击的性能，可有效提高主战坦克复合装甲的抗弹能力，增强速射武器陶瓷衬管的抗烧蚀性和抗冲击性；由防弹陶瓷外层和纳米碳管复合材料作衬底，可制成坚硬如钢的防弹背心；在高射武器方面如火炮、鱼雷等，纳米陶瓷可提高其抗烧结冲击能力，延长使用寿命。

目前，国外复合装甲已经采用高性能的防弹材料，在未来的战争中，若能把纳米陶瓷用于车辆装甲防护，会具有更好的抗弹、抗爆震、抗击穿能力，提供更为有力的保护[5]。

4.2 高温材料纳米陶瓷高耐热性、良好的高温抗氧化性、低密度、高断裂韧性、抗腐蚀性和耐磨性，对提高航空发动机的涡轮前温度，进而提高发动机的推重比和降低燃料消耗具有重要作用，有望成为舰艇、军用涡轮发动机高温部件的理想材料，以提高发动机效率、可靠性与工作寿命[6]。

4.3 电学性能的应用压电陶瓷广泛用于电子技术、激光技术、通讯、生物、医学、导航、自动控制、精密加工、传感技术、计量检测、超声和水声、引燃引爆等军用、商用及民用领域。

4.4 信息领域电子陶瓷的应用范围日趋广阔，包括基板、传感器、感测器、电容器、压电蜂鸣器和热敏电阻等[7]。

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，晶粒的表面积及晶界的体积亦以相应的倍数增加。

纳米功能陶瓷可降低产品的成本，并且大大提高产品的质量。

如纳米Y2O3和ZrO2在较低温度烧结的陶瓷具有很高的韧性和强度，被用于轴承和刀具等耐磨器件。

用纳米Al2O3陶瓷粉体为基体，利用其致密速度快、烧结温度低和良好的界面延展性，在烧结过程中控制颗粒尺寸在200-500nm的最佳范围，可以获得具有良好超塑性的纳米陶瓷材料。

4.5 汽车工业纳米陶瓷具有高硬度、高韧性、超塑性、高耐磨性以及耐高温高压性、抗腐性、气敏性、易加工可切削性等性能，拓展了它在汽车工业中的应用领域[8]。