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纳米陶瓷

时间:2015-04-20

利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是指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在纳米水平(1~100nm),使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高,克服了工程陶瓷的许多不足,并对材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响,为替代工程陶瓷的应用开拓了新领域。
纳米陶瓷粉体是介于固体与分子之间的具有纳米数量级(0.1~100nm)尺寸的亚稳态中间物质。随着粉体的超细化,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。
 
具体地说纳米粉体材料具有以下的优良性能:极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能,可以显著降低材料的烧结温度、节能能源;使陶瓷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;可以从纳米材料的结构层次(l~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。
 
另外,由于陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能。如果粉料的颗粒堆积均匀,烧成收缩一致且晶粒均匀长大,那么颗粒越小产生的缺陷越小,所制备的材料的强度就相应越高,这就可能出现一些大颗粒材料所不具备的独特性能。

纳米陶瓷的特性主要在于力学性能方面,包括纳米陶瓷材料的硬度,断裂韧度和低温延展性等。纳米级陶瓷复合材料的力学性能,特别是在高温下使硬度、强度得以较大的提高。有关研究表明,纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性,而且纳米陶瓷出现将有助于解决陶瓷的强化和增韧问题。
 
在室温压缩时,纳米颗粒已有很好的结合,高于500℃很快致密化,而晶粒大小只有稍许的增加,所得的硬度和断裂韧度值更好,而烧结温度却要比工程陶瓷低400~600℃,且烧结不需要任何的添加剂。其硬度和断裂韧度随烧结温度的增加(即孔隙度的降低)而增加,故低温烧结能获得好的力学性能。
 
通常,硬化处理使材料变脆,造成断裂韧度的降低,而就纳米晶而言,硬化和韧化由孔隙的消除来形成,这样就增加了材料的整体强度。因此,如果陶瓷材料以纳米晶的形式出现,可观察到通常为脆性的陶瓷可变成延展性的,在室温下就允许有大的弹性形变。


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