第五章_纳米固体概述.ppt

2.3 微波烧结 要想使纳米陶瓷材料烧结过程中晶粒不过分长大，必须采用快速升温、快速降温的烧结方法。 微波烧结的升温速度快（500 oC/min），升温时间短（约2min），解决了纳米晶异常长大问题。且能量可节约50%左右。 微波烧结的原理是利用在微波电磁场中材料的介质损耗，使陶瓷材料整体加热到烧结温度而实现致密化。 采用微波烧结可制备ZrO2或Al2O3纳米陶瓷材料。 四、纳米复合材料 §1 纳米复合材料分类 §2 陶瓷基纳米复合材料 §1 纳米复合材料分类 复合材料的结构：一个相为连续相，称为基体，而另一相是以一定的形态分布于连续相中，称为增强体。 如果增强体是纳米级，如纳米颗粒、纳米晶片、纳米晶须、纳米纤维等，就称为纳米复合材料。 纳米复合材料的强度和韧性比单组分纳米材料可提高2-5倍（表4-1）。 纳米复合材料按基体形状可分为三种类型： （1）0-0复合，即不同成分、不同相或不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体，结构具有纳米非均匀性，也称为聚集型； （2）0-2复合，即把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中，称为纳米复合薄膜材料。有时，也把不同材质构成的多层膜如超晶格也称为纳米复合薄膜材料。 （3）0-3复合，即纳米粒子分散在常规三维固体中。另外，介孔固体亦可作为复合母体通过物理或化学方法将纳米粒子填充在介孔中，形成介孔复合的纳米复合材料。 按复合方式不同，纳米复合材料有 （1）晶内型和晶间型纳米复合材料，是纳米粒子主要弥散于基体晶粒内或基体晶粒间，可改善力学性能及耐用性； （2）而纳米/纳米型复合材料则是由纳米级增强体和纳米基体晶粒构成，使材料增加某些新的功能，例如可加工性和超塑性等。 纳米复合材料按基体材料类型可以分为三种： （1）陶瓷基纳米复合材料是指在陶瓷基体结构中弥散有纳米级增强相的陶瓷基复合材料。 （2）金属基纳米复合材料是以金属及合金为基体，与一种或几种金属或非金属纳米级增强相相结合的复合材料。 （3）聚合物基纳米复合材料则是由各种纳米单元与有机高分子基体材料以各种方式复合成型的一种新型复合材料。 §2 陶瓷基纳米复合材料的制备 2.1 固相法 2.2 液相法 2.3 气相法 2.4 原位复合法 §2 陶瓷基纳米复合材料 2.1固相法 2.1.1 热压烧结 2.1.2热等静压烧结 2.1.3 反应烧结 2.1.4 微波烧结 2.1.5 自蔓延高温合成 2.1.1 热压烧结 将陶瓷粉体在一定温度和一定压力下进行烧结，称为热压烧结（hot press sintering，简称HP）。 与无压烧结相比，烧结温度低得多。 通过热压烧结可制得具有较高致密度的陶瓷基纳米复合材料，并且晶粒无明显长大。 例如以Si3N4粉和纳米SiCw晶须为原料，加入少量添加剂（如MgO等），在1600-1700 oC的Ar气中热压烧结，压力20-30MPa，可得到致密的（理论密度95%）SiCw/Si3N4纳米复合材料。 2.1.2热等静压烧结 热等静压烧结（hot isostatic press sintering，简称HIP）也属于热压烧结的一种。 与一般热压烧结法相比，HIP法使混合物料受到各向同性的压力，使显微结构均匀。 HIP法施加压力高，在较低温度下即可烧结。 对氧化铝基复合材料而言，无压烧结温度为1800 oC，热压烧结（20MPa）温度为1500 oC，而HIP烧结（400MPa），在1000 oC的较低温度下就已致密化了。 2.1.3 反应烧结 反应烧结（reaction sintering，简称RS）是将陶瓷基体粉末和增强体纳米粉末混合均匀，压制成型，经高温加热进行氮化或碳化，反应生成陶瓷基体，从而获得陶瓷基纳米复合材料的方法。 用这种方法可以制备氮化硅或碳化硅基纳米复合材料。 例如，以硅粉为原料，加入一定量的SiCw，成型后，在N2＋H2的气氛下预氮化1-1.5小时，进行机械加工，以达到所需尺寸。最后在1350 oC -1450 oC氮化18-36小时，得到尺寸精密的SiCw/Si3N4纳米复合材料。 2.1.4 微波烧结 微波烧结的升温速度快（500 oC/min），升温时间短（约2min），解决了普通烧结方法不可避免的纳米晶异常长大问题。 例如，采用微波烧结（Microwave sintering，简称MS）可制备ZrO2/Al2O3纳米复合材料。化学共沉淀法ZrO2－Y2O3－Al2O3纳米复合粉体压制成型微波烧3-4分钟ZrO2/Al2O3纳米复合材料（纳米－纳米型复合）。 2.1.5 自蔓延高温合成 自蔓延高温合成法（Self－propagation High－temperature Synthesis， SHS）：按配比混合原料成型点燃试样一端反应放出大量的热试样其它部分发生反应反应完毕。