纳米陶瓷的性能及其应用

纳

米

陶

瓷

的

性

能

及

其

应

用

班级:06材料物理学号:*********** **:***

日期:2008/12/28

纳米陶瓷的性能及其应用

摘要:纳米陶瓷是近几年来发展起来的先进材料,受纳米微粒基本物理效应的作用,在力、光、电、热、磁等方面具有许多优异性能,特别是室温超塑性、高韧性、低温易烧结等潜在性能将大大拓宽陶瓷材料的应用领域[1]。

关键词:纳米陶瓷;性能;应用

1.概述

陶瓷材料在日常生活、工业生产及国防领域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很大限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服传统陶瓷的脆性，使其具有像金属一样的柔韧性和可加工性。与传统陶瓷相比，纳米陶瓷的原子在外力变形条件下自己容易迁移，因此表现出较好的韧性与一定的延展性，因而从根本上解决了陶瓷材料的脆性问题。英国著名材料科学家卡恩在Nature杂志上撰文道：“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。”[2]

所谓纳米陶瓷，是指陶瓷材料的显微结构中，晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都限于100nm以下，是上世纪80年代中期发展起来的新型陶瓷材料。由于纳米陶瓷晶粒的细化，晶界数量大幅度增加，可使材料的韧性和塑性大为提高并对材料的电学、热学、磁学、光学等性能产生重要的影响，从而呈现出与传统陶瓷不同的独特性能，成为当今材料科学研究的热点[3]。

2.纳米陶瓷的性能

2.1力学性能

大量研究表明,纳米陶瓷材料具有超塑性性能,所谓超塑性是指材料在一定的应变速率下产生较大的拉伸应变。纳米TiO2陶瓷在室温下就能发生塑性形变,在180℃下塑性变形可达100%。若试样中存在微裂纹,在180℃下进行弯曲时,也不会发生裂纹扩展。[4-6]掺杂Y2O3四方氧化锆多晶体纳米陶瓷材料(Y-TZP),当晶粒尺寸为15nm时,材料可在1250℃下呈现超塑性,且起始应变速率达到3×10-2s-1,压缩应变量达380%。对晶粒尺寸为350nm的3Y-TZD陶瓷进行循环拉伸试验发现,在室温下就已出现形变现象。另外纳米ZnO陶瓷也具有超塑性性能。纳米Si3N4陶瓷在1300℃下即可产生200%以上的形变。

关于纳米陶瓷生产超塑性的原因,一般认为是扩散蠕变引起晶界滑移所致。扩散蠕变速率与扩散系数成正比,与晶粒尺寸的三次方成反比,当纳米粒子尺寸减小时,扩散系数非常高,从而造成扩散蠕变异常。因此在较低温度下,因材料具有很高的扩散蠕变速率,当受到外力后能迅速作出反应,造成晶界方向的平移,从而表现出超塑性,塑性的提高也使其韧性大为提高。

纳米陶瓷的硬度和强度也明显高于普通材料。在100℃下,纳米TiO2陶瓷的

显微硬度为12740N/mm2,而普通TiO2陶瓷的显微硬度低于1960N/mm2。在陶瓷基体中引入纳米分散相进行复合,对材料的断裂强度、断裂韧性会有大幅度的提高,还能提高材料的硬度、弹性模量、抗热震性以及耐高温性能。又如纳米SiC弥散到Si3N4基体中形成的纳米复合材料,其韧性常数KIC为4. 5 ~ 7. 5MPa·m1/2,断裂强度σs为850 ~1400MPa,最高工作温度可达1200~1500℃。[7]

2.2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。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/ε0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[8]。

2.3光学性能

随着现代科学技术的发展,隐身技术在各国军事高科技领域越来越重要,吸波材料作为实现隐身技术的方式之一,其研究也越来越广泛。早期应用的多属于磁性吸收材料,如铁氧体吸波材料、金属微粉吸波材料、多晶铁纤维吸波材料。这些材料一个很重要的特点就是在高温下失去磁性,从而失去吸波性能,因此磁性吸波材料一般只能用于武器常温部位的隐身。武器装备高温部位的隐身必须采用高温吸波材料,通常为陶瓷吸波材料,其吸收剂为陶瓷吸收剂。

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[8]。

2.4磁学性能

晶粒中的磁各向异性与颗粒的形状、晶粒结构、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影响材料的宏观磁性。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[9]。

2.5 超塑性

超塑性纳米陶瓷具有类似金属的超塑性，这己成为纳米陶瓷领域最令人注目的焦点之一。普通陶瓷材料在常温下几乎不产生塑性形变，只有在很高的温度下才有扩散蠕变，表现出塑性。而纳米陶瓷在较低的温度下就能表现出超塑性，使其韧性大为提高，在900℃可发生无裂纹形变，同时断裂韧性提高了5％。在1550℃和2.4×10- 4s-1 的应变速率下延伸率可将近400%；室温下合成的TiO2 陶瓷，它可以弯曲，其塑性变形高达100％，韧性极好[10]。

2.6 烧结性能

由于纳米材料中有大量的界面,这些界面为原子提供了短程扩散途径及较高

的扩散速率,并使得材料的烧结驱动力也随之剧增,这大大加速了整个烧结过程,使得烧结温度大幅度降低。纳米陶瓷烧结温度约比传统晶粒陶瓷低600℃,烧结过程也大大缩短。纳米陶瓷的烧结温度降低,而烧结速率却增加了。不需任何添加剂,就能很好的完成烧结过程,达到高致密化、形成高密度、细晶粒的材料,这对需高温烧结的陶瓷材料的生成特别有利[11]。

2.7 较高的强度和韧性

陶瓷的性能取决于其微观组织结构,其中晶粒尺寸和气孔率是两个主要因素,陶瓷强度随气孔率的增加按指数级下降,同时强度与晶粒尺寸的平方根成反比,

纳米陶瓷中晶粒尺寸和气孔尺寸都是纳米级,因而具有较高的强度和韧性,一般

比普通陶瓷高出3—5倍[9]。

3．纳米材料的应用

3．1 纳米陶瓷在军事领域中的应用及趋势

虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的室温和高温力学性能、拉弯强度、断裂韧性使其在切削工具、轴承、发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景。

3.1.1 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。纳米陶瓷高活性和耐冲击的性能，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；由防弹陶瓷外层和碳纳米管复合材料作衬底，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高弹材料[12]。在未来的战争中，若能把纳米陶瓷用于车辆装甲防护，会具有更好抗弹、抗爆震、抗击穿的能力，提供更为有力的保护。3.1.2吸波材料

陶瓷材料除具有优良的力学性能和热物理性能外，高的机械强度、化学稳定性好，同时又具有吸波功能，能满足隐身要求，已被广泛用作吸收剂。据报道，F-117隐身飞机的尾喷管上用的就是陶瓷吸波材料，可以承受1093℃的高温，法国采用陶瓷复合纤维也制造出了无人驾驶的隐身飞机。随着技术的进步，吸波材料向“薄”、“轻”化发展；兼容吸收毫米波、厘米波和米波；追求宽频带吸收。而纳米材料在这方面具有得天独厚的条件：良好的吸波性能；宽频带、兼容性好、质量轻、厚度薄等特点，使得纳米陶瓷材料成为陶瓷吸波材料研究重要方向之一。目前研究较多的纳米碳化硅陶瓷吸波材料，不仅吸波性能好、能减弱发动机红外信号，而且具有密度小、强度高、韧性好、电阻率大等特点，是国内外发展很快的吸收剂之一[3]。

3．2纳米陶瓷粉体在日用功能制品领域中的应用

高性能的纳米陶瓷粉体材料具有其多种奇特和优良的功能特性，在国外最先应用于军事领域，或以军事为背景的电子、信息、航空和航天等领域，随后逐渐