关于纳米陶瓷,简介,成形,特性,研究现状,应用前景,面临问题。
学、热学、磁光学等性能产生重要影响,为陶瓷的应用开拓了新领域。
2 纳米陶瓷的特性
纳米陶瓷是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料,也就是说陶瓷的晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。由于纳米陶瓷的界面占有可与颗粒相比拟的体积百分比、表面活性高、小尺寸效应以及界面的无序性使它具有不同于传统陶瓷的独特性能。为材料的利用开拓了一个崭新的领域。纳米陶瓷的特性和烧结方法的研究已成为材料科学研究的热点。
2.1 纳米陶瓷的超塑性
超塑性是指在拉伸试验中,在一定的应变速率下,材料产生较大的拉伸形变。陶瓷材料的结构和键性决定了其滑移系统少,位错产生和运动困难,而且有沿晶界分离的倾向,使得它本质上是一种脆性材料,在常温下几乎不产生塑性变形,很难具备超塑性。由于纳米陶瓷的界面占有可与颗粒相比拟的体积百分比和表面众多的不饱和化学键,界面的原子排列是相当混乱的,原子在外力变形的条件下很容易迁移,因此表现出很好的韧性与延展性。同时在纳米陶瓷材料中,晶界相所占体积分数很大[1],超塑性就可能实现。如Nieh等在3Y TZP(含3mo%l氧化钇的四方多晶氧化锆)陶瓷材料中观察到超塑性达800%。国内上海硅酸盐研究所也发现,纳米3Y TZP经室温循环拉伸试验后,样品的断口区域发生了局部超塑性形变,形变量高达380%,并在断口侧面观察到了大量的滑移线
性形变可达100%[3][2]。纳米TiO2陶瓷在室温下就可发生塑性形变,在180 下塑。以上实验表明,纳米陶瓷材料具有超塑性的潜力给陶瓷材料在低温、高应变速率下进行塑性成型加工带来了希望。
2.2 纳米陶瓷的力学性能
纳米陶瓷的特性主要体现在力学性能方面,包括硬度、断裂韧度和低温延展性等。根据Hall Petch方程,材料的屈服强度与晶粒尺寸的平方根成反比,这表明随晶粒的细化材料强度显著增加。此外,大体积的界面区提供足够的晶界滑移机会,导致形变增加。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。不少纳米陶瓷材料的硬度和强度比普通材料高出4~5倍,如在100 下,纳米TiO2陶瓷的显微硬度为13000kN/mm,而普通TiO2陶瓷的显微硬度低于2000kN/mm。又例如对于AlC系统来说,纳米复合材料的强度比单相氧化铝的强度2O3/Si
提高了3~4倍。关于增强机理有各种解释,Niihara认为基体晶粒细化而使临界裂纹尺寸大幅度下降,另一原因是环绕着SiC粒子形成压缩应力,造成微裂纹增韧。由于上述原因,Al2O3/SiC纳米陶瓷复合材料的强度得到大幅度改善。另外由于晶粒内存在硬SiC粒子,造成位错钉扎和塞积,形成亚晶界,这种Al2O3基体内的亚晶界退火后,由于Al2O与SiC热失配而进一步扩展,使抗断裂强度再次提高。也有的研究认为,增强机理是由于加工诱导表面产生压缩应力所致,SiC粒子的加入并不影响本体材料的韧性,但退火可能起到双重作用,既愈合表面缺陷同时又削弱了表面压缩应力。此外,有人提出,粒子存在使裂纹尖端桥联是纳米陶瓷材料的主要增强机理。裂纹桥联是一种裂纹尾部效应。它发生在裂纹尖端,靠桥联元(剂)连接裂纹的两个表面并提供一个使裂纹面相互靠近的应力,即闭合应力,这样导致强度因子随裂纹扩展而增加。裂纹桥联可能穿晶破坏,也有可能出现互锁现象,即裂纹绕过桥联元沿晶发展(裂纹偏转)并形成摩擦桥,使裂纹在扩展的过程中必然需要更多的能量,因此有利于材料韧性的提高[5][4]22。
2.3 纳米陶瓷的铁电性能
陶瓷的铁电性能与它的晶粒尺寸有很大的关系。一般认为,随着晶粒尺寸的变小,铁电材料的铁电性能降低,存在有一个临界尺寸,当材料的晶粒尺寸低于这个尺寸时,铁电材料的铁电性消失。各种铁电材料的临界尺寸一直是人们研究的热点。在所有的铁电材料中,钛酸钡陶瓷的临界尺寸是研究最多的。以前人们
[6]研究表明:当晶粒尺寸小于1 m时,随着陶瓷晶粒的变小,钛酸钡陶瓷的介电常数减少。但当晶粒尺寸
在纳米范围内时,这个规律发生了变化,当晶粒尺寸为50nm时,钛酸钡陶瓷的介电常数约为780,当晶粒[8][9],,8[7]