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纳米陶瓷材料概论
学生姓名：
某某某
学 院： 某某某学院
专业年级： 2007级材料化学一班 题 目： 纳米陶瓷材料概论 指导教师： 某某某
完成时间：
2010年 10月24日
纳米陶瓷材料概论
作者名 湖南沙市某某某某某某大学07材料化学
摘要：
本文主要是队纳米陶瓷材料的主要特点、分类、应用的阐述。同时，也对纳米材料的现有状况、还有发展状况的概括。
关键字：
纳米陶瓷材料 阐述 现状 发展 概括
中国的陶器可追溯到9000年前，瓷器也早在4000年前出现。最初利用火煅烧粘土制成陶器。经历了漫长的发展，陶瓷质量有了很大提高。后来提高燃烧温度的技术出现，发现高温烧制的陶器，由于局部熔化而变得更加致密坚硬，完全改变了陶器多孔、透水的缺点。以粘土、石英、长石等矿物原料烧制而成的瓷器登上了历史舞台。 一种坚硬易碎的物体,缺乏韧性,缺乏塑性，这是一般陶瓷在人们日常生活中的映像。但是现代科技制造的陶瓷已经远远冲出了这样的范畴。在学术上，陶瓷学家把陶瓷看成是用无机非金属化合物粉体,经高温烧结而成,以多晶聚集体为主的固态物。这一定义虽同时指出了材料的制备特征和结构特征,但却把玻璃、搪瓷、金属陶瓷等摒除在外。所以,在许多场合,陶瓷泛指一切经高温处理而获得的无机非金属材料。
随着今年围观技术的发展，人们在围观尺寸的认识越来越深入，而陶瓷方面也得到了发展。这使得人们认识到,材料的性能和它的晶粒尺寸关系极为密切,诸如强度、蠕变、硬度、电学性能、光学性能等,无一不与晶粒尺寸成一定的指数关系。以正方形的晶粒密堆积计算,当晶界相的厚度约为晶粒长度的45%时,两者的体积相当,晶界相的厚度是有限度的,一般为数个纳米,这意味着晶粒尺寸减小时,晶界相的相对体积增加,晶相占据整个体积的比例增大,晶界相的作用对整个性能的影响更为显著。由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性都将引起材料物理性能上的变更,故当晶粒尺寸小到一定程度时,某些性能
将会发生突变。如:由于晶粒尺寸的减小将使材料的力学性能有数量级的提高,同时,由于晶界数量的大大增加,使可能分布于晶界处的第二相物质的数量减小,晶界变薄使晶界物质对材料性能的负影响减少到最低程度;晶粒的细化使材料不易造成穿晶断裂,有利于提高材料的断裂韧性;并且将有助于晶粒间的滑移,使材料具有塑性行为。因此,诸如高硬度、高强度和陶瓷超塑性的材料不断出现,若这些新型的陶瓷材料具有纳米级水平显微结构,即晶粒尺寸,晶界宽度,第二相分布,气孔尺寸,缺陷尺寸等都限于100 nm量级,则为纳米陶瓷。就就是纳米材料的产生以及来源。纳米陶瓷材料是80年代中期发展起来的先进材料的代表。
纳米陶瓷在陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处于纳米尺寸水平。包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都是纳米级。由于纳米陶瓷的晶粒细化，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。
纳米陶瓷材料实在围观的方面微观领域研究产生的,它的出现开拓了人们认识物质世界的新层次,对材料的工艺,制备科学,以至整个材料科学带来了新的研究内涵。虽然,电子显微镜,包括扫描电子显微镜和透射电子显微镜以及高分辨电镜和分析电镜等现代表征技术的发展,使人们能进入到纳米量级(10-9m)线度上来研究纳米陶瓷中晶界的化学组分及显微结构,但由纳米材料所引起的诸如超微粉体学,烧结动力学,各种掺入纯物质的纳米陶瓷的显微结构以及由此引起的物理性能的变化,都是当今研究陶瓷的热门话题,还有待于人们进一步的研究。
特点：
随着材料晶粒、以及陶瓷制作分体的细化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了块状材料所不具有的特殊的效应：
1.具有极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能。可以降低材料的烧结致密化程度，节约能源。
2.使材料的组成结构致密化、均匀化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性。
3.可以从纳米材料的结构层次(0.1-100nm)上控制材料的成分和结构，有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能。而使定向设计纳米材料的组织结构和性能成为可能。
制备：
纳米陶瓷的制备方法都是按照不同的烧结方式来区分的。现有的几种常见方式有以下几种：
反应烧结无压烧结气氛烧结烧结固体烧结压力烧结气压烧结高压气相反应烧结超高压烧结热等静压烧结热压烧结放电等离子烧结 1．无压烧结
无压烧结，是在无外加压力的条件下对材料进行烧结，无压烧结具有设备简单、操作方便且易于对复杂形状和大体积试样进行烧结的优点。
由于温度是无压烧结过程中唯一可控制的因素，而材料的致密化过程又要受到粉体性质、素坯密度等多种因素的影响，因此，人们在采用无压烧结方法时通常会采取有效的辅助手段，如引入添加剂或选择易于烧结的粉料等方法来获得纳米陶瓷。 2．热压烧结
热压烧结是指纳米陶瓷粉体在加热的同时还受到外加压力的作用，陶瓷体的致密化主要是靠外加压力作用下物质的迁移而完成。
与常压烧结相比，热压烧结的烧结温度通常要低很多，这有利于抑制陶瓷体中各相晶粒的长大，能烧结出性能优良的纳米陶瓷。但是，热压烧结过程中
在材料不同的部分容易出现压力不均匀情况，因此热压烧结多用于形状简单产品的制备。 3．烧结锻压法
烧结锻压是一种与热压烧结相似的烧结方法。和热压烧结一样，烧结锻压也是在加热粉体的同时施加一定的压力，使样品的致密化主要依靠外加压力作用下物质的迁移而完成。与热压烧结不同的是：烧结锻压中样品先要成型，而烧结过程中不使用模具样品的径向形变。由于没有模具的受压，烧结锻压可以在比热压高得多的压力下进行，同时样品由于形变的作用更明显，更有利于陶瓷的烧结。烧结锻压制备纳米陶瓷最大的特点之一就是在一定温度下外压必须足够大时，致密化的过程才能进行。 4．超高压烧结
热压烧结是在加热粉体的同时施加一定的压力，使样品的致密化主要依靠外加压力作用下物质的迁移而完成的一种烧结方法。但是当人们将热压烧结应用于纳米陶瓷的制备时，却往往不能获得预期的成果，即：热压烧结并不能有效地降低纳米粉体的烧结温度。经过研究，人们发现主要原因是普通热压烧结所施加的外压过低，无法达到“阈值”所致。于是，超高压烧结便应运而生。超高压烧结是在超高压力(通常大于1GPa)的条件下，对材料进行强化烧结的一种方法。超高压烧结的优点是能够显著降低烧结温度，控制晶粒的长大，使晶体结构发生变化，同时使材料迅速达到高致密化，是获得致密纳米陶瓷材料的一种有效途径。
例如：Mishra采用1GPa条件下，在温度923~1323K温度下研究了纳米氧化铝的烧结，得出在1273K条件保温时间10分钟得到完全致密氧化铝，晶粒尺寸为142nm，硬度值达到25GPa。该工艺同样存在无法获得大尺寸纳米材料的缺点。
5．热等静压烧结
热等静压烧结(HIP)，是一种在高温高压同时作用下，物料受到等静压而收缩致密的烧结技术，在烧结时通常采用惰性气体、液态金属或固体颗粒作为压力传递介质对粉末的各个方向施加相等的压力。热等静压烧结方法可以克服压力不均匀现象，使陶瓷显微结构更加均匀。高温等静压烧结结合了无压烧结和普通单向热压烧结两者的优点。与传统的无压烧结和普通的单向热压烧结相比
其优点是：烧结时间相对较短，烧结温度相对较低，而且压力较高，分布均匀，可在较低温度下制备出微观结构均匀、晶粒较细且完全致密的材料。 6．放电等离子烧结
放电等离子体烧结是一种新型的快速烧结方法，该法融等离子活化、热压、电阻加热为一体，该过程除具有热压烧结的焦耳热和加压造成的塑性变形促进烧结过程外，还在粉末颗粒间产生直流脉冲电压，并有效利用了粉体颗粒间放电产生的自发热作用。因而具有表面活化、高速扩散、高速物质迁移、有效加热、塑性变形提高、高密度能量供应、晶内快速冷却等效果，从而升温速度快、烧结时间短、晶粒均匀、有利于控制烧结体的细微结构、获得的材料致密度高，性能好等特点。 7．微波烧结
陶瓷材料对微波能部分或完全吸收，处于微波场中的陶瓷材料能吸收微波的能量而进行自身加热。微波烧结的特点是加热过程在被加热材料整个体积内同时进行，升温迅速、温度均匀，因此晶粒更细、结构更均匀，且烧结温度更低。因此适合纳米复相陶瓷材料的烧结。微波烧结是一种采用微波直接加热进行烧结的方法。由于被加热材料吸收微波能，转化为材料内部分子的动能和势能，能量从材料内部产生，不会存在温度梯度，因此被加热材料的各处温度非常均匀。
参考文献： （参考文献自己）
