纳米氧化铝对陶瓷烧结性能的影响.docVIP

纳米氧化物陶瓷特性、烧结及应用 1　纳米陶瓷的特性 与传统的陶瓷材料相比,运用宣城晶瑞新材料有限公司生产的纳米氧化物烧结出来的陶瓷具有如下特性: 1.1　力学性能 纳米氧化物陶瓷的力学性能,包括纳米陶瓷材料的硬度、断裂韧度和低温延展性等。特别是在高温下硬度、强度得到较大的提高,纳米陶瓷的出现将有助于解决陶瓷的强化和增韧问题。 对纳米二氧化钛（VK-T25）纳米二氧化钛（VK-T25）就能获得较好的力学性能。纳米二氧化钛（VK-T25）经800℃烧结后,维氏硬度H=630,断裂韧度KIC(MPa·m1/2)为2.8,孔隙度为10%;而1000℃烧结后,H=925,KIC=2.8,孔隙度为5%。 1.1.1　强度、硬度和韧性 许多纳米陶瓷材料的硬度和强度比普通陶瓷材料高出4~5倍。如在100℃下, 纳米二氧化钛（VK-T25）陶瓷的显微硬度为1300kgf/mm2,而普通TiO2陶瓷的显微硬度低于200kgf/mm2。 纳米超微粒制成的纳米陶瓷材料具有良好的韧性,是由于超微粒制成的固体材料具有大的界面,界面原子排列相当混乱,原子在外力变形条件下容易迁移,因此表现出较好的韧性与一定的延展性。室温下的纳米二氧化钛（VK-T25）陶瓷晶体表现出很高的韧性,压缩至原长度的1/4仍不破碎。 1.1.2　超塑性 纳米氧化物陶瓷在高温下具有类似金属的超塑性,这已成为纳米氧化物陶瓷领域最令人注目的焦点之一。超塑性是指在应力作用下产生异常大的拉伸形变而不发生破坏的能力。众所周知,陶瓷材料是具有方向性的离子键和共价键的过渡键型,并且位错密度小,晶界难以滑移,使得陶瓷硬度大,脆性高,普通陶瓷材料在常温下几乎不产生塑性形变。只有当温度达到1000℃以上,由于质点的热运动加速,陶瓷才具有一定的塑性。 最近研究发现,随着粒径的减少, 纳米二氧化钛（VK-T25）和纳米氧化锌（VK-J30）陶瓷的形变率敏感度明显提高,主要由于试样中气孔减少,可以认为这种趋势是细晶陶瓷所固有的。最细晶粒处的形变率敏感度大约为0.04,表明这些陶瓷具有延展性,尽管没有表现出室温超塑性,但随着晶粒的进一步减小,这一可能是存在的。一般认为陶瓷具有超塑性应该具有两个条件:(1)较小的粒径;(2)快速的扩散途径(增强的晶格、晶界扩散能力)。纳米陶瓷具有较小的晶粒及快速的扩散途径,所以有望具有室温超塑性。 纳米陶瓷具有超塑性,克服了陶瓷产品难以加工的缺陷,有利于陶瓷产品的商业化。如Nieh等人在纳米二氧化锆（VK-R200）中加入Y2O3的陶瓷材料中观察到超塑性达800%。Si3N4纳米陶瓷同样存在超塑性行为,是微米级Si3N4陶瓷的21.4%。晶粒尺寸为300nm的Y-TZP陶瓷材料的起始应变速率为1×10-2s-1,压缩应变可达350%。当晶粒尺寸减至150nm时,材料可在1250℃下呈现出超塑性,且起始应变速率达到3×10-2s-1,压缩应变量达到380%。 通过原子力显微镜发现纳米钇稳定二氧化锆（VK-R200Y3）陶瓷(50nm)在经室温循环拉伸实验后,其样品的断口区域发生了局部超塑性形变,并从断口侧面观察到了大量通常出现在金属断口的滑移线。 纳米陶瓷材料产生超塑性的机理尚不完全清楚,一般认为这是由于扩散蠕变引起的晶界滑移所致,扩散蠕变速率与扩散系数成正比,与晶粒尺寸的3次方成反比。与普通材料相比,纳米材料的扩散系数提高了3个数量级,晶粒尺寸降低了3个数量级,扩散蠕变速率提高1012倍。因此,在较低的温度下,纳米陶瓷材料因其高的扩散蠕变速率可对外应力作出迅速反应,造成晶界方向的平移,从而表现出超塑性。 1.2　烧结特性 纳米微粒颗粒小,比表面积大,扩散速率高,因而用纳米粉进行烧结,致密化的速度快、烧结温度低。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。纳米晶体的自扩散率为传统晶体的1011至1019倍,使纳米材料的固态反应可以在室温或低温下进行。通过对Y2O3浓度为3%的二氧化锆（VK-R30Y3）纳米粉末的致密化和晶粒生长这两个高温动力学过程进行研究表明,由于晶粒尺寸小、分布窄,晶界与气孔的分离区减小以及烧结温度的降低使得烧结过程中不易出现晶粒的异常生长。控制烧结的条件,已能获得晶粒分布均匀的陶瓷体。 2、纳米陶瓷素坯的成型 成型是将粉体转变成具有一定形状,体积和强度的坯体的过程。常用的成型方法有冷等静压成型、超高压成型、原位成型、离心注浆成型、凝胶直接成型、凝胶浇注成型等6种。凝胶浇注成型是依靠有机单机体聚合来完成坯体固化的一种湿法成型法。整个成型过程包括浆料制备、脱气、注模、凝胶化、脱膜、排有机物、烧结等几个工艺步骤。由于它是一种胶态凝固过程,因而对改善素坯及最终烧结体的显微结构有很大作用,另外,这种方法可以用于成型复杂形状,有着广阔的应用前景。在纳米Y