关于纳米陶瓷,简介,成形,特性,研究现状,应用前景,面临问题。
过程中,将等离子活化、热压融为一体,故具有快速升温、烧结时间短、冷却迅速、外加压力和烧结气氛可控、节能环保等特点,可广泛地用于金属、陶瓷和各种复合材料的烧结,包括一些难以烧结的材料。但目前关于SPS的烧结机理还存在争议,尤其是导电与非导电粉料的SPS机制相差甚远,它们的烧结中间过程还有待于进一步深入研究。对于导电粉体,Tokita[13]提出了大家比较认可的观点。他认为粉末颗粒微区存在电场诱导的正负极,在脉冲电流作用下颗粒间产生放电,激发等离子体。SPS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,因而产生了一些SPS过程所特有的有助于烧结的因素。(1)由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场中反方向的高速流动,可使粉末得以净化、活化;(2)由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生,在粉末颗粒未接触部位产生的放电热,以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热,都大大促进了粉末颗粒原子的扩散,其扩散系数比通常热压条件下的要大得多,从而达到粉末烧结的快速化;(3)On Off快速脉冲的加入,使粉末内的放电部位及焦耳发热部件,都会快速移动,使粉末的烧结能够均匀化。
SPS系统可用于短时间、低温、高压(500~1000MPa)烧结,也可以用于低压(20~30MPa)、高温(1000~2000 )烧结。用SPS方法,人们成功烧结得到了晶粒尺寸为的30nm的致密BaTiO3陶瓷
晶粒的致密的MgO陶瓷[14][7]和不同纳米以及Si3N4/SiC
[19][15]、MgO/BaTiO3[16]、Nd2Ti2O7/Al2O3[17]、Ti3SiC2/SiC等多种纳米复合材料,并且性能优良。Li等还用SPS法制备了碳纳米管。
3.3 微波烧结
微波是一种高频电磁波,其频率范围为0.3~300GHz。在微波烧结中使用的频率主要为2.45GHz。微波烧结是利用微波电磁场中陶瓷材料的介质损耗使材料整体加热至烧结温度而实现烧结和致密化。在微波电磁场作用下,陶瓷材料会产生一系列的介质极化,如电子极化、原子极化、偶极子转向极化和界面极化等。参加极化的微观粒子种类不同,建立或消除极化的时间周期也不一样。由于微波电磁场的频率很高,使材料内部的介质极化过程无法跟随外电场的变化,极化强度矢量P总是滞后于电场E,导致产生与电场同相的电流,从而构成材料内部的耗散,在微波波段,主要是偶极子极化和界面极化产生的吸收电流构成材料的介质耗散。材料与微波的交互作用导致材料吸收微波能量而被加热,在单位时间内,材料吸收的微波能量即发热量可表示为:
P=2 f tg |E|0 r
式中f为微波频率,E为内电场幅值, 为介电损耗因子, r tg 0为材料的介电常数。2(1)
微波烧结的原理与常规烧结工艺有本质的区别:常规烧结时热量是通过介质由表向里扩散,而微波烧结则利用了微波的体加热特性,即材料吸收的微波能被转化为材料内部分子的动能和势能,使材料整体同时均匀加热,因此其加热和烧结速度非常快;由于材料内外同时均匀受热,使试样内部的温度梯度很小,从而可使材料内部热应力减至最小,这对于制备超细晶粒结构的高密度、高强度、高韧性材料非常有利。此外,在微波电磁能的作用下,材料内部分子(或离子)的动能增加,使烧结活化能降低、扩散系数提高,因此可实现低温快速烧结,使微粉晶粒来不及长大就已完成烧结,从而制备出保持微细晶粒的烧结体。另外,微波辐射加热主要通过材料中的电偶极子来实现,材料中这种偶极子的主要位置就是晶界。由于纳米材料和常规材料相比较的一个主要特点是晶界多,因此微波烧结方法常用于实现可能的纳米陶瓷烧结
3.4 超高压烧结[20 22]。
超高压烧结指在大于1GPa的压力下进行烧结。其特点是,不仅能够使材料迅速达到高密度,晶粒尺寸可以达到纳米范围内,而且使晶体结构甚至原子、电子状态发生变化,从而赋予材料在通常烧结或热压烧结工艺下所达不到的性能,而且可以合成新的材料[23 27]。
(2)对纳米材料来讲,高压烧结过程中的烧结动力主要有两个方面: = sinter+ appl/3
[25]这里 sinter为没有施加外力时的烧结动力,由晶粒曲率的变化而引起; appl为外力作用下的烧结动力。2(2)所知,