納米陶瓷99課件

納米陶瓷納米陶瓷：指顯微結(jié)構(gòu)中的物相(包括晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔與尺寸缺陷等)都在納米量級(jí)的水平上的陶瓷材料。納米陶瓷的晶粒、晶界以及它們之間的結(jié)合都處在納米尺寸水平?，F(xiàn)有陶瓷材料的晶粒尺寸一般是在微米級(jí)的水平。當(dāng)其晶粒尺寸變小到納米級(jí)的范圍時(shí)，晶粒的表面積和晶界的體積會(huì)以相應(yīng)的倍數(shù)增加，晶粒的表面能亦隨之劇增。由于顆粒的線度減少而引起表面效應(yīng)和體積效應(yīng)，使得材料的物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生一系列變化，而且甚至出現(xiàn)許多特殊的物理與化學(xué)性質(zhì)。納米陶瓷的特性種類超塑性鐵電性能增韌特性在一定的應(yīng)變速率下，材料產(chǎn)生較大的拉伸形變。因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與延展性。

隨著晶粒尺寸的變小，鐵電材料的鐵電性能降低，而且存在一個(gè)臨界尺寸，當(dāng)材料的晶粒大小低于這個(gè)尺寸時(shí)，鐵電材料的鐵電性消失。

由于納米陶瓷的晶粒尺寸極小，納米材料具有很大的比表面積，表面的原子排列混亂，納米晶粒易在其它晶粒上運(yùn)動(dòng)，使納米陶瓷在受力時(shí)易于變形而不呈現(xiàn)脆性。

例子3mol%氧化釔的四方多晶氧化鋯陶瓷、納米TiO2

納米鈦酸鋇陶瓷

加了納米SiO2的AlN陶瓷

軍事領(lǐng)域

納米陶瓷具有高活性和耐沖擊的性能。因此，可以大大地改善武器和裝甲的抗燒蝕性和抗沖擊性、提高硬度、減輕重量、延長(zhǎng)使用壽命等。納米吸波材料軍用隱形戰(zhàn)機(jī)納米防彈背心納米陶瓷的應(yīng)用特點(diǎn)陶瓷材料的幾大優(yōu)點(diǎn)：耐高溫、高硬度、耐磨損、耐腐蝕、低膨脹系數(shù)、質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)：脆、延展性差粉體合成按合成條件分類：1、氣相法：氣相法是直接利用氣體，或者通過各種手段將物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理變化或者化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過程中凝聚長(zhǎng)大形成納米粒子的方法。優(yōu)點(diǎn)：制得的納米陶瓷粉體的純度較高，團(tuán)聚較少，燒結(jié)性能較好缺點(diǎn)：產(chǎn)量低，設(shè)備昂貴2、液相法：液相法則是選擇一種或多種合適的可溶性金屬鹽類，按所制備的材料組成計(jì)量配制成溶液，使各元素呈郭或分子態(tài)，再選擇一種合適的沉淀劑或用蒸發(fā)、升華、水解等操作，使金屬離子均勻沉淀或結(jié)晶出來，最后將沉淀或結(jié)晶脫水或者加熱分解而得到納米陶瓷粉體優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備較簡(jiǎn)單，粉體較純，團(tuán)聚少，易工業(yè)化生產(chǎn)3、固相法：指納米粉體是由固相原料制得，按其加工的工藝特點(diǎn)可分為機(jī)械粉碎法和固相反應(yīng)法兩

類。優(yōu)點(diǎn)：所用設(shè)備較簡(jiǎn)單，方便操作缺點(diǎn)：純度較低，料度分布較廣燒結(jié)：陶瓷材料致密化、晶體長(zhǎng)大、晶界形成的過程

納米陶瓷燒結(jié)過程的關(guān)鍵：如何在控制晶粒長(zhǎng)大很少的前提下實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié)方法：（傳統(tǒng)）無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)仍廣泛使用。（新）微波燒結(jié)、等離子體燒結(jié)、高壓燒結(jié)、爆炸燒結(jié)制備方法評(píng)價(jià)不論哪種制備方法一般需滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：1.化學(xué)純度高，均勻性好，粉體流動(dòng)性好。2.晶相穩(wěn)定性好，表面清潔度高。3.粒徑小于100nm，粒度分布范圍窄。4.團(tuán)聚程度小，粒子幾何形狀規(guī)一，顆粒一般為自形晶形。1、高強(qiáng)度：納米陶瓷的性能：納米陶瓷材料在壓制、燒結(jié)后，其強(qiáng)度比普通陶瓷材料高出4-5倍，如在100度下，納米TiO2陶瓷的顯微硬度為13000KN/mm2，而普通TiO2陶瓷的顯微硬度低于2000KN/mm2。日本的新原皓一制備了納米陶瓷復(fù)合材料，并測(cè)定了其相關(guān)的力學(xué)性能，研究表明納米陶瓷復(fù)合材料在韌性和強(qiáng)度上都比原來基體單相材料均有較大程度的改善，對(duì)Al2O3/SiC系統(tǒng)來說，納米復(fù)合材料的強(qiáng)陶度比單相氧化鋁的強(qiáng)度提高了3-4倍。3、超塑性超塑性是指在拉伸試驗(yàn)中，在一定的應(yīng)變速率下，材料產(chǎn)生較大的拉伸形變。如Nieh等人在四方二氧化鋯中加入Y2O3的陶瓷材料中觀察到超塑性達(dá)800%.上海硅酸鹽研究所研究發(fā)現(xiàn)，納米3Y-TZP陶瓷(100nm左右)在經(jīng)室溫循環(huán)拉伸試驗(yàn)后，其樣品的斷口區(qū)域發(fā)生了局部超塑性形變，形變量高達(dá)380%，并從斷口側(cè)面觀察到了大量通常出現(xiàn)在金屬斷口的滑移線，這些都確認(rèn)了納米陶瓷材料存在著拉伸超塑性。4、燒結(jié)特性納米陶瓷材料的燒結(jié)溫度比傳統(tǒng)陶瓷材料約低600℃,燒結(jié)過程也大大縮短。12nm的TiO2粉體，不加任何燒結(jié)助劑，可以在低于常規(guī)燒結(jié)溫度400-600℃下進(jìn)行燒結(jié)，同時(shí)陶瓷的致密化速率也迅速提高。通過對(duì)加3%Y2O3的ZrO2納米陶瓷粉體的致密化和晶粒生長(zhǎng)這2個(gè)高溫動(dòng)力學(xué)過程研究表明，由于晶粒尺寸小，分布窄，晶界與氣孔的分離區(qū)減小，燒結(jié)溫度的降低使得燒結(jié)過程中不易出現(xiàn)晶粒的異常生長(zhǎng)。控制燒結(jié)的條件，可獲得晶粒分布均勻的納米陶瓷塊體。生物領(lǐng)域生物功能陶瓷能夠模仿人體某些特殊生理行為，可以用來構(gòu)成牙齒和骨骼等某些人體部位，甚至可望部分或整體地修復(fù)或替換人體的某種組織器官，或者增加其功能。納米保健陶瓷片納米陶瓷的應(yīng)用壓電方面

由于納米陶瓷晶體結(jié)構(gòu)上沒有對(duì)稱中心，具有壓電效應(yīng)。通過控制納米晶粒的生長(zhǎng)可獲得量子限域效應(yīng)，以及性能奇異的鐵電體，以提高壓電熱解材料機(jī)電轉(zhuǎn)換和熱釋性能。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器壓電變壓器納米陶瓷的應(yīng)用堅(jiān)韌方面

納米功能陶瓷很好地解決了陶瓷的脆性問題，將納米金屬顆粒尤其是高溫合金相制成的納米顆粒，加入到陶瓷材料中，可以使陶瓷的韌性和抗沖擊力得到很大的提高，又不降低原有的強(qiáng)度和硬度。納米陶瓷刀機(jī)床滾動(dòng)軸承納米陶瓷的應(yīng)用汽車工業(yè)

納米陶瓷具有高硬度、高韌性、超塑性、高耐磨性以及耐高溫高壓性、抗腐性、氣敏性、易加工可切削性等性能，拓展了它在汽車工業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域。手動(dòng)擋桿納米陶瓷軸承納米陶瓷的應(yīng)用涂料工業(yè)

納米陶瓷粉末涂料在高溫環(huán)境下具有優(yōu)異的隔熱保溫效果，不燃燒、不脫落、耐水、防潮、無毒，對(duì)環(huán)境沒有污染。納米陶瓷粉末涂料耐高溫透明納米陶瓷涂料納米陶瓷的應(yīng)用

麥飯石和遠(yuǎn)紅外線材料麥飯石與遠(yuǎn)紅外材料按一定比例混勻，共同粉碎，然后在1100℃左右煅燒，經(jīng)超細(xì)粉碎，引入到各種材料中，制成的產(chǎn)品在常溫下由于可見光的激發(fā)能發(fā)射出遠(yuǎn)紅外線，它有促進(jìn)人體微循環(huán)的作用，從而廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健等領(lǐng)域。富士康全世界第一款納米陶瓷風(fēng)扇納米陶瓷軸承（NCB）的風(fēng)扇：耐高溫，納米級(jí)的粒子潤(rùn)滑劑性能好，壽命成倍延長(zhǎng)。防止溫度過高而卡住軸心的現(xiàn)象金屬表面晶體缺陷

真實(shí)金屬或合金晶體的表面幾乎都有缺陷，表面缺陷的存在對(duì)表面物理、表面化學(xué)、表面晶相等均有顯著影響。當(dāng)我們向潤(rùn)滑油中添加一定比例的納米級(jí)的金屬陶瓷材料時(shí)，這些新鮮的金屬表面的懸空鍵便會(huì)迅速與納米金屬材料結(jié)合，形成牢固的共價(jià)鍵或金屬鍵結(jié)構(gòu)。我國(guó)第一款大量出口的發(fā)動(dòng)機(jī)寶馬一