陶瓷表面改性技術(shù)

11.4陶瓷表面改性技術(shù)11.4.1傳統(tǒng)陶瓷表面改性技術(shù)11.4.2特種陶瓷表面改性技術(shù)習(xí)題與思考題參考文獻(xiàn)2.1表面涂層法2.1.1熱噴涂法2.1.2冷噴涂法2.1.3溶膠凝膠涂層2.1.4多弧離子鍍技術(shù)2.2離子滲氮技術(shù)2.2.1離子滲氮的理論2.2.2離子滲氮技術(shù)的主要特點(diǎn)2.2.3離子滲氮的設(shè)備和工藝2.2.4技術(shù)應(yīng)用2.3陽(yáng)極氧化2.3.1鋁和鋁合金的陽(yáng)極氧化2.3.2鋁和鋁合金的特種陽(yáng)極氧化2.3.3鋁和鋁合金陽(yáng)極氧化后的封閉處理2.3.4陽(yáng)極氧化的應(yīng)用2.4氣相沉積法2.4.1化學(xué)氣相沉積2.4.2物理氣相沉積法2.5離子束濺射沉積技術(shù)2.5.1離子源2.5.2技術(shù)方法2.5.3應(yīng)用11.4.2特種陶瓷表面改性技術(shù)3.1離子注入技術(shù)3.1.1離子注入技術(shù)原理3.1.2金屬蒸氣真空離子源(MEVVA)技術(shù)3.1.3離子注入對(duì)陶瓷材料表面力學(xué)性能的影響3.2等離子體技術(shù)3.2.1脈沖等離子體技術(shù)3.2.2等離子體輔助化學(xué)氣相沉積3.2.3雙層輝光等離子體表面合金化3.3激光技術(shù)3.3.1激光表面處理技術(shù)的原理及特點(diǎn)3.3.2激光表面合金化3.3.3激光化學(xué)氣相沉積3.3.4準(zhǔn)分子激光照射技術(shù)3.4離子束輔助沉積3.4.1基本原理3.4.2舊AD設(shè)備簡(jiǎn)介3.4.3舊AD工藝類(lèi)型與特點(diǎn)3.4.4舊AD過(guò)程的影響因素3.4.5舊AD技術(shù)的應(yīng)用參考文獻(xiàn)4傳統(tǒng)陶瓷的表面裝飾及改性4.1陶瓷表面的抗菌自潔性能4.1.1抗菌劑種類(lèi)及其抗菌機(jī)理4.1.2抗菌釉的制備方法4.1.3影響表面抗菌性能的因素4.2陶瓷墻地磚的表面玻化4.2.1低溫快燒?；u4.2.2陶瓷磚復(fù)合微晶化表面改性4.2.3陶瓷磚的表面滲花4.2.4拋光磚的表面防污性能陶瓷磚的表面微晶化4.3.1微晶玻璃的概念4.3.2微晶玻璃的特性微晶玻璃的應(yīng)用4.3.4微晶玻璃的制備與玻璃析晶4.3.5主要的微晶玻璃系統(tǒng)4.3.6基礎(chǔ)玻璃熱處理過(guò)程4.3.7晶核劑的作用機(jī)理4.3.8微晶玻璃與陶瓷基板的結(jié)合性4.4陶瓷表面的金屬化沉積法燒結(jié)法4.4.3噴涂金屬化法4.4.4被銀法（Pd法）4.4.5化學(xué)鍍實(shí)現(xiàn)陶瓷微粒表面金屬化4.4.6雙層輝光離子滲金屬技術(shù)4.4.7陶瓷墻地磚表面的鐳射?；男?.5陶瓷表面的蓄光發(fā)光性能4.5.1硫化物系列蓄光型發(fā)光材料4.5.2鋁酸鹽體系蓄光型發(fā)光材料及發(fā)光機(jī)理4.5.3硅酸鹽體系蓄光型發(fā)光材料及發(fā)光機(jī)理4.5.4發(fā)光陶瓷釉的制備4.6陶瓷表面的抗靜電性能4.6.1抗靜電原理抗靜電陶瓷4.6.3研究現(xiàn)狀及展望4.7麥飯石在健康陶瓷表面改性中的功用4.7.1麥飯石的基本性質(zhì)4.7.2麥飯石的機(jī)理分析麥飯石健康陶瓷的制備4.7.4麥飯石在高溫保健陶瓷中的應(yīng)用4.8陶瓷的吸波性能4.8.1吸波材料的基本性質(zhì)4.8.2納米吸波材料的吸波機(jī)理4.8.3納米吸波材料的研究進(jìn)展參考文獻(xiàn)5陶瓷纖維表面改性技術(shù)5.1概述5.2碳纖維表面改性5.2.1氧化處理5.2.2表面涂覆處理5.2.3等離子體處理5.2.4碳纖維的其他表面改性技術(shù)碳化硅纖維表面改性5.3.1電化學(xué)表面處理5.3.2表面涂覆法5.3.3電子束輻射技術(shù)5.4氮化硅纖維表面改性5.5玻璃纖維表面改性5.5.1玻璃纖維的表面處理方法5.5.2光催化型玻璃纖維抗靜電玻璃纖維5.6硅酸鋁陶瓷纖維的改性5.6.1最初的用于硅酸鋁陶瓷纖維的涂層5.6.2紅外輻射涂層5.6.3環(huán)保型的涂層材料參考文獻(xiàn)6陶瓷粉體表面改性6.1概述6.1.1根據(jù)粉體表面改性方法的分類(lèi)6.1.2根據(jù)粉體表面改性的工藝分類(lèi)6.1.3根據(jù)粉體表面改性劑的分類(lèi)Si3N4陶瓷粉體表面改性6.2.1聚電解質(zhì)作為表面分散劑6.2.2偶聯(lián)劑對(duì)Si3N4粒子的表面改性Si3N4顆粒表面烷基化Si3N4表面涂覆Al(OH)3AI2O3陶瓷粉體表面改性6.3.1有機(jī)羧酸改性AI2O3粉體6.3.2偶聯(lián)劑涂覆AI2O3粉體6.3.3納米氮化硼包覆AI2O3粉體Y2O3包覆AI2O3粉體TiO2粉體表面改性TiO2無(wú)機(jī)包覆處理改性TiO2有機(jī)包覆處理改性6.4.3機(jī)械力化學(xué)改性TiO2粉體6.5碳酸鈣粉體表面改性無(wú)機(jī)改性劑有機(jī)改性劑6.5.3超細(xì)粉碎與表面改性劑復(fù)合改性6.5.4低溫等離子表面改性碳酸鈣6.6碳化硅陶瓷粉體表面改性AI(OH)3涂覆SiC粉體6.6.2聚合物表面接枝6.7陶瓷微球表面的改性6.7.1陶瓷微球改性工藝6.7.2改性后陶瓷微球的性能6.8陶粒、膨脹珍珠巖的防水機(jī)理6.8.1陶粒膨脹珍珠巖的親水機(jī)理和憎水機(jī)理6.8.2陶粒與膨脹珍珠巖的憎水處理工藝參考文獻(xiàn)7先進(jìn)陶瓷的表面改性技術(shù)7.1氮化鋁陶瓷的表面改性7.1.1氮化鋁表面化學(xué)法鍍Ni?P合金7.1.2融鹽熱歧化反應(yīng)可以成功進(jìn)行氮化鋁陶瓷表面鈦金屬化7.1.3界面反應(yīng)原理7.1.4動(dòng)力學(xué)分析7.1.5相應(yīng)的分析手段7.2碳化硅陶瓷表面改性7.2.1涂層技術(shù)7.2.2碳化硅表面涂層的制備方法7.2.3等靜壓后處理技術(shù)7.2.4碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的表面改性7.3冷噴涂法制備PZT陶瓷7.3.1冷噴涂技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展現(xiàn)狀7.3.2冷噴涂的技術(shù)要求7.3.3冷噴涂工藝的重要特征7.3.4冷噴涂技術(shù)的實(shí)現(xiàn)7.3.5冷噴涂技術(shù)制備PZT陶瓷7.3.6冷噴涂的工業(yè)化進(jìn)程7.4氧化鋁陶瓷表面改性涂層技術(shù)7.4.2離子注入技術(shù)7.5氮化硅陶瓷表面改性涂層技術(shù)7.5.2離子注入技術(shù)離子注入結(jié)構(gòu)陶瓷表面改性技術(shù)的研究現(xiàn)狀（崔琳）1陶瓷材料表面改性的意義及離子注入技術(shù)新型結(jié)構(gòu)陶瓷具有高硬度、高強(qiáng)度、良好的耐磨性能、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性及高溫力學(xué)性能，近年來(lái)有關(guān)的研究十分活躍。但是，陶瓷材料的致命弱點(diǎn)是脆性很大而無(wú)多少延性，在實(shí)用中易引起零件的早期失效或脆性斷裂，從而極大地限制了其廣泛應(yīng)用。陶瓷材料的摩擦系數(shù)和磨損率也比較，使得陶瓷制成的精密轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)零件以及軸承、模具、刀具在服役時(shí)因磨損量大而達(dá)不到預(yù)期壽命。國(guó)內(nèi)外的研究人員不僅致力于陶瓷材料增韌技術(shù)的研究，而且也日益重視陶瓷材料摩擦磨損和潤(rùn)滑的研究，并且逐漸成為當(dāng)前材料科學(xué)和摩擦學(xué)領(lǐng)域的前沿課題之一。離子注入工藝是七十年代發(fā)展起來(lái)的表面改性技術(shù)，它能將所需元素的離子在幾十至幾百千伏的電壓下注入材料表面，在零點(diǎn)幾微米的表層中增加注入元素的濃度，同時(shí)產(chǎn)生輻照損傷，從而改變材料的結(jié)構(gòu)和各種性能。根據(jù)國(guó)內(nèi)外資料分析，離子注入陶瓷材料是對(duì)現(xiàn)有增韌、提高耐磨性途徑的補(bǔ)充。離子注入有以下特點(diǎn)：（1）進(jìn)入晶格的離子濃度不受熱力學(xué)平衡條件的限制；（2）注入是無(wú)熱過(guò)程，可在室溫或低溫下進(jìn)行，不引起材料熱變形；（3）注入離子的濃度和深度可用注入積分劑量及注入電壓控制，注入離子的分布可用理論計(jì)算或用離子束背散射和核反應(yīng)分析等方法測(cè)定；（4）注入離子與基體間沒(méi)有明顯的界面，注入層不會(huì)脫落；（5）不受合金平衡相圖中固溶度的限制，能注入互不相溶的雜質(zhì)，可改變陶瓷材料的表面硬度、斷裂韌度、彎曲強(qiáng)度，能減小摩擦系數(shù)，提高耐磨性。與以前改善陶瓷力學(xué)性能的方法相比，離子注入技術(shù)更新穎、更具有潛力。2離子注入對(duì)陶瓷材料表面力學(xué)性能的影響2.1離子注入對(duì)陶瓷材料表面斷裂韌度的影響國(guó)外學(xué)者在研究離子注入法改變陶瓷材料力學(xué)性能時(shí)通過(guò)采用微觀壓痕法測(cè)量并計(jì)算后發(fā)現(xiàn)：AI3O2和TiB2的離子注入層的硬度和斷裂韌度都比其陶瓷基體有較大的增加［6］。表面硬度、表面斷裂韌度及彎曲強(qiáng)度不僅與離子注入溫度有關(guān)，還與注入劑量有關(guān)，當(dāng)劑量大于2X1015ion.cm-2時(shí)，表面會(huì)發(fā)生無(wú)定形化，以Y2O3和AI2O3為添加劑的熱壓Si3N4陶瓷注入惰性氣體離子和金屬離子后，其表面顯微硬度會(huì)在高劑量注入時(shí)降至原來(lái)的75%，同時(shí)由于無(wú)定形化，體積膨脹將高達(dá)20%。國(guó)內(nèi)的研究人員研究了離子注入陶瓷表面殘余應(yīng)力對(duì)其斷裂韌度的影響。當(dāng)Mo離子注入Al2O3陶瓷表面時(shí)能產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力，大劑量的注入會(huì)使注入層產(chǎn)生非晶化，殘余應(yīng)力明顯釋放；若繼續(xù)增加注入劑量，因受射束熱的影響非晶化，表面殘余應(yīng)力又有新的提高；因此，可以通過(guò)對(duì)注入劑量及能量控制，來(lái)改善Al2O3陶瓷表面裂紋敏感性】9］。Ni離子注入Al2O3-ZrO2陶瓷表面的改性研究，也發(fā)現(xiàn)了表面殘余應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展的抑制作用，這對(duì)其斷裂韌度的影響很大，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合分析可得知表面殘余壓應(yīng)力變化趨勢(shì)同材料斷裂韌度變化趨勢(shì)一致。離子注入后陶瓷表面斷裂韌度的變化，可認(rèn)為與表面無(wú)定形化的形成及產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力有關(guān)。無(wú)定形化導(dǎo)致在注入期積累的壓縮應(yīng)力釋放。與無(wú)定形相關(guān)的體積膨脹會(huì)改變預(yù)存表面缺陷的形狀和尺寸及外力作用下缺陷應(yīng)力集中的程度。因?yàn)闊o(wú)定形化的大體積膨脹鈍化表面缺陷和裂紋的邊緣及尖端，甚至?xí)]合下表面開(kāi)放的裂紋，當(dāng)遇到外部壓應(yīng)力時(shí)可以減少表面缺陷的應(yīng)力集中。隨注入離子劑量的增加及注入時(shí)間的延長(zhǎng)，無(wú)定形層變厚，效果更明顯。2.1離子注入對(duì)陶瓷摩擦性能的影響研究表明：離子注入Al2O3和Na-Ca-Si玻璃時(shí)，由于離子注入產(chǎn)生的壓應(yīng)力通過(guò)閉合頸向裂紋，以防止劃痕處平行裂紋到達(dá)表面，這樣極大地限制了移動(dòng)顆粒的數(shù)量，減少了粗糙摩擦和劃痕周?chē)鸭y，所以在高應(yīng)力時(shí)，離子注入減小摩擦率。在這項(xiàng)研究中還建立了輻射損傷、硬度及表面應(yīng)力之間的相互關(guān)系模型，并研究了其摩擦學(xué)行為。B+注入CVD技術(shù)沉積的Si3N4陶瓷薄膜后，顯著改善其摩擦性能，摩擦系數(shù)降低0.22，這可能是由于形成了B的氮化物第二彌散相并減輕了粘著，磨損率的降低可歸因于：（1）第二彌散相的形成提高了斷裂強(qiáng)度；（2）注入劑量處于晶體相硬化區(qū)域。利用LBM方法（即離子束混合法）在Si3N4表面涂覆一層Mo膜，之后將其放在一臺(tái)往復(fù)式摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行濕摩擦試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)表面的摩擦系數(shù)減少，使用掃描電鏡、電子探針等還可以考查摩擦面，對(duì)其摩擦學(xué)性能改善的機(jī)制進(jìn)行探討。有人進(jìn)行了離子注入對(duì)材料表面耐磨性、抗氧化腐蝕性能影響的研究，得出的結(jié)論是：為提高材料表面耐磨性而注入N離子時(shí)，最適合的能量范圍是30?100keV。從上述研究中可以看到：利用不同劑量的不同離子注入，能夠使金屬和陶瓷材料的摩擦系數(shù)降低0.2?0.6,耐磨性可以提高幾倍至幾百倍。這可能是離子注入材料后，可以增強(qiáng)表面的內(nèi)聚性能，降低其與對(duì)偶件表面的粘著，因而耐磨性得到提高。2.3離子注入對(duì)陶瓷抗彎強(qiáng)度的影響當(dāng)把800keV氬離子和400keV氮離子注入單晶和多晶AI2O3陶瓷表面上時(shí)，發(fā)現(xiàn)單晶的AI2O3彎曲強(qiáng)度增加幅度比多晶AI2O3陶瓷大。Ni離子注入AI2O3-ZrO2陶瓷后，其表面的力學(xué)性能有較大改變，彎曲強(qiáng)度增幅達(dá)10%。離子注入后陶瓷表面彎曲強(qiáng)度的變化應(yīng)歸因于表面殘余壓應(yīng)力，表面殘余壓應(yīng)力又與溫度有關(guān)，所以注入溫度和表面無(wú)定形化均對(duì)抗彎強(qiáng)度有影響，100keV時(shí)增加效果最明顯。在相同條件下，重離子比輕離子更強(qiáng)烈地輻射硬化，因此增加效果更顯著。單晶與多晶相比，前者表面缺陷更少，增加效果更大。2.4離子注入對(duì)陶瓷硬度的影響一般來(lái)說(shuō)，低劑量注入時(shí)硬度會(huì)增大，但是劑量增到一定程度時(shí)，當(dāng)陶瓷表面呈無(wú)定形化后，硬度就會(huì)急劇下降。例如，Ni離子注入AI2O3-ZrO2陶瓷時(shí)，在注入劑量增大的初期，硬度增加得很快；在劑量達(dá)到無(wú)定形化臨界值5X1016ioncm-2時(shí)，應(yīng)力出現(xiàn)峰值，硬度的增加也達(dá)到最大值的30%。但是，a-AI2O3陶瓷材料低劑量離子注入強(qiáng)化引起的硬度增加卻應(yīng)歸功于輻射損傷(未發(fā)生無(wú)定形化)，因?yàn)楦吣苤仉x子穿入靶材料，由于與靶分子準(zhǔn)彈性碰撞失去能量直至停止，在離子附近產(chǎn)生大量空位和間隙，從材料表面至Rp深度處損傷區(qū)域晶格膨脹畸變，又受到未損傷區(qū)域原子的束縛，產(chǎn)生較大的表面殘余應(yīng)力。固溶硬化、沉淀硬化和輻射損傷導(dǎo)致觀測(cè)到的硬化，硬度的最大值與殘余應(yīng)力的最大值相對(duì)應(yīng)。在高劑量離子注入時(shí)，硬度會(huì)急劇下降，這是因?yàn)楸韺赢a(chǎn)生無(wú)定形化，無(wú)定形化與殘余應(yīng)力的變化有關(guān)，有關(guān)的研究仍在進(jìn)行中。3結(jié)語(yǔ)目前陶瓷增韌技術(shù)主要采用纖維增韌、剛性顆粒增韌、柔性顆粒增韌，但增韌相與基體間復(fù)雜的界面工程難以處理。離子注入陶瓷表面，可明顯增加它的表面斷裂韌度、彎曲強(qiáng)度，其增韌機(jī)理的研究仍在進(jìn)行中，但其廣泛應(yīng)用前景已引起人們的極大關(guān)注。離子注入工藝可對(duì)結(jié)構(gòu)陶瓷等硬質(zhì)材料本身進(jìn)行表面強(qiáng)化，以進(jìn)一步提高其摩擦磨損性能。但工藝上、機(jī)理上的研究不多，進(jìn)一步的深入研究還有待開(kāi)展。離子注入工藝對(duì)結(jié)構(gòu)陶瓷的硬度有影響。研究認(rèn)為低劑量注入時(shí)硬度會(huì)增大，但劑量增加到一定程度時(shí)，當(dāng)陶瓷表面呈無(wú)定形化后，硬度就會(huì)急劇下降。7.5.3陽(yáng)離子萃取技術(shù)7.5.4氮化硅表面的改性對(duì)本身的力學(xué)性能的影響7.6氧化鋯陶瓷表面改性7.6.1離子注入ZrO2陶瓷7.6.2ZrO2陶瓷表面化學(xué)鍍參考文獻(xiàn)8生物陶瓷的表面改性8.1生物陶瓷的基本性質(zhì)8.1.1生物陶瓷基本要求8.1.2生物陶瓷體內(nèi)的反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理8.2生物陶瓷的分類(lèi)8.2.1惰性生物陶瓷8.2.2生物活性陶瓷8.3生物陶瓷改性的方法8.3.1生物陶瓷骨修復(fù)材料的缺陷8.3.2提高生物陶瓷材料的表面與整體活性，增強(qiáng)局部骨的生長(zhǎng)與結(jié)合性能8.3.3材料的力學(xué)性能的提高8.4展望習(xí)題與思考題參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)9陶瓷表面改性的測(cè)試與表征9.1