功能无机材料课件 纳米陶瓷.ppt

陶瓷粉体的发展 例如：普通瓷---高铝瓷---75%氧化铝瓷---95%氧化铝瓷---99%氧化铝瓷。 促使研究向高纯、超细单相过渡到复合组份。 除组分设计外，提高陶瓷性能的关键在于结构设计，从结构角度出发，强化晶粒尺寸，强度将出现飞跃。 大量研究表明，技术的核心在于原料的超细化。 陶瓷材料的发展趋势 功能 美国麻省理工Dr Haggerty认为： 当前妨碍陶瓷材料广泛使用的最大问题是它的可靠性，解决的根本途径是发展高强度陶瓷材料的增强复合陶瓷材料。 无论发展哪一种材料，首先都必须得到高纯超细的粉体原料。 超细粉体与陶瓷材料性能关系 工艺角度：原料粒度越小，熔点越低，烧结温度越低，烧结时间越短。 陶瓷密度： 密度与热压时间关系 ln[(1-p)/(1-p0)]=kt p0是初始密度，p是时间为t时的密度， k是致密速度。 而ln(1/t)=A+△H/RT △H是活化能，A是常数，T是热压温度。 陶瓷强度σ ： 材料的断裂强度与粉末原料的粒度有如下关系：σ=σ0+Kc/d1/2 Kc是常数，d是粒径 结论：减小原料的粒度可以提高材料的强度。 陶瓷增韧 根据Griffith的断裂力学理论 K1c=yσC1/2， 表明断裂韧性与断裂强度有密切关系 其中K1c是断裂韧性，y是几何形状因子 σ材料临界断裂强度，C是裂纹长度 而在应力状态下，可改写成： K1C=(2Ecγ)1/2 Ec是弹性模量，γ是断裂能 所以提高材料的弹性模量也能改善其断裂韧性。 纳米陶瓷是指显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处于纳米尺寸水平的陶瓷材料。包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都是纳米级。 由于纳米陶瓷的晶粒细化，晶界数量大幅度增加，可使材料的韧性和塑性大为提高，并对材料的电学、热学、磁学、光学等性能产生重要的影响，甚至出现许多特殊的物理与化学性质。 。 纳米陶瓷结构 单相陶瓷 复相陶瓷 纳米复相陶瓷 1. 具有极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能, 可以降低材料的烧结致密化程度，节约能源； 2. 使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； 3. 从纳米材料的结构层次(1～100nm)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，而使定向设计纳米材料的组织结构和性能成为可能。 纳米粉体的特性 比表面积大 活性高 熔点低 磁性强 光吸收和热导性好 比表面积大 材料的粒径越小，比表面积越大 表面能增加 具有较好的分散性和吸附性能 例如超细铜颗粒在吸附贮气、相间反应和催化合成中有实际意义 活性好 粒度变小，表面原子数成倍增加 具有较高的表面活性和催化性，起补强作用 参与反应可明显加快反应速度，具有良好的化学反应性 熔点低 金的熔点1063o 2nm 33o 5nm 830o 14nm 956o 普通钨粉烧结 3000o 掺入0.1%-0.5%纳米级钨粉，可降到1200o 磁性强 超细粉体的体积比强磁性物质的磁畴还小，即使不磁化，本身也是一个永久磁体，具有较大的矫顽力。 非常有利于提高磁性材料的存储能力。 光吸收和热导性 在低温或者超低温下，几乎没有热阻。 而超级粉体特别是金属粉体，当颗粒小于100 nm时，大部分呈黑色，这是光被完全吸收的缘故。 纳米陶瓷的制备 纳米陶瓷粉体的要求 首先必须保证陶瓷粉体到达纳米级别; 其次要求纳米粉体纯度高及表面的清洁度高、尺寸分布狭窄、几何形状归一(接近球形) 、晶相稳定;另外一个重要的要求就是无团聚或团聚低。 纳米颗粒随着尺寸的减小，颗粒之间的静电吸引力、范德华作用力、毛细管作用力等较弱的相互作用显得越来越重要，形成了所谓的软团聚。 当颗粒尺寸50 nm 时，颗粒之间的范德华力非常强；颗粒比表面积的增加，水蒸汽在颗粒之间凝结的趋势加剧，在颗粒之间形成化学键，加剧了团聚，形成硬团聚。 团聚的存在致使成形的坯堆积密度低和形态不均匀，会使烧结温度提高，也造成烧结体的结构瑕疵、裂纹。 软团聚可通过在压块过程中以较低压力消除，或者超声波分散 硬团聚不易消除。只能在粉体制备过程中可通过选择合适的沉淀条件、沉淀前或干燥过程的特殊处理、最佳焙烧条件的选择的方法防范团聚的形成。 在团聚已经形成后，可采用沉积或沉降、研磨、超声波处理、加入分散剂、高的成形压力等方法去除。 课堂小测验 Briefly writing the types of