硅酸盐工业进展课程论文

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齐 齐 哈 尔 大 学

硅酸盐工业进展课程论文

题 目 纳米复合陶瓷材料的研究进展

学 院 材料学院

专业班级 无机081

学生姓名 邱舒笑

成 绩

2011年 6月 1日

硅酸盐工业进展课程论文

摘要：根据分类的不同，对纳米复合陶瓷材料进行了介绍，分析了其制备工艺，讨论了纳米复合陶瓷的力学性能与显微结构之间的关系，并研究了材料的强韧化机理

关键词：纳米复合陶瓷材料制备工艺显微结构

一、前言

陶瓷材料具有高的硬度、耐磨性、耐高温、耐腐蚀等其他材料无法比拟的优异性能，但脆性问题大大限制了陶瓷材料的应用发展。日本的Nihara 等首次在基体中引入纳米级的SiC 制备出纳米陶瓷复合材料，发现不仅可使基体材料的室温力学性能得到提高，而且可显著改善材料的高温性能，同时发现具有可切削加工性和超塑性。加入纳米相复合后陶瓷材料的室温强度和韧性大为提高，高温强度和抗蠕变性能也有显著改善，如加入15％纳米SiC，可使Al2O3材料的强度由350MPa 提高到1500MPa。

二、纳米复合陶瓷材料的强韧化机理

纳米复合陶瓷材料的强韧化机理纳米复合陶瓷材料中，纳米相粒子以晶内型和晶界型两种方式存在。纳米增强相颗粒细化了基体晶粒，使断裂模式由沿晶断裂变为穿晶断裂，强化了晶界，由于纳米颗粒高的硬度和强度，使裂纹偏转、弯曲，扩展路径更加曲折，消耗更多的能量，纳米颗粒对裂纹还具有钉扎作用，固定裂纹，使复合材料的性能得以提高。

2.1. 材料的显微结构

2.1.1 晶粒细化

K．Niihara 等认为纳米相的加入能抑制基体晶粒的异常长大，使基体结构均匀细化，由此使纳米复合陶瓷材料强度韧性得到显著提高。例如纳米SiC 不与Al2O3 反应，也难于移动或粗化，使晶界移动困难，从而抑制Al2O3 晶粒的长大；另外纳米SiC 的加入提高了成核浓度，在减小晶粒尺寸的同时促使晶粒大小均匀化，减小了晶粒异常长大的可能性，这种均匀细化的显微结构有利于提高材料的抗弯强度。实际上，亚晶界或微裂纹的存在使基体晶粒处于一种潜在分化状态，即纳米化效应。

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2.1.2 “晶内型”结构的形成

微米—纳米复合材料中，大部分纳米颗粒由于其粒径与基体颗粒存在数量级的差异，其烧结活性温度往往高于基体，所以在一定温度下基体颗粒以纳米颗粒为核形成晶粒，将纳米颗粒包裹在基体晶粒内部，形成“晶内型”结构。王丽丽等人通过研究发现，SiC 纳米级弥散体抑制了氧化物基体晶粒的明显长大。晶粒的细化一方面减小了材料中缺陷的尺寸，另一方面纳米SiC 的加入强化了晶界，Al2O3 晶粒内的张应力促使断裂的扩展由沿晶转变为穿晶，同时裂纹尖端遇到SiC 产生偏转，从而达到提高材料强度和断裂韧性的目的，表明晶内型的结构有利于提高纳米复合材料的力学性能。

2.1.3 纳米颗粒对基体晶粒形状的影响

对某些纳米复合陶瓷，纳米颗粒的存在促使基体晶粒呈细长的棒状生长。这种棒状晶粒的作用类似于晶须，微细纤维，与基体晶粒、晶界牢固结合在一起，可以引起裂纹偏转和桥联，增加裂纹路径，吸收更多的能量，从而提高材料韧性。

2.2断裂模式的改变

由微米复合陶瓷的沿晶断裂到纳米复合陶瓷的穿晶断裂是断裂模式的发展过程。纳米复合陶瓷的断裂模式兼有沿晶断裂和穿晶断裂，以穿晶断裂为主。穿晶断裂时，裂纹扩展需要消耗更多的能量，从而导致复合材料断裂韧性和抗弯强度的提高。郭小龙等认为：由于“内晶型”结构中存在大量次晶界，且基质颗粒与纳米颗粒的热膨胀系数及弹性模量失配，在次界面处将存在较大的残余应力，在Al2O3/SiC 复合材料中，晶粒内SiC 颗粒周围产生局部张应力，这种张应力通过Al2O3 晶粒传到晶界上，产生残余应力，从而强化晶界。同时，这种残余应力还可引发位错，纳米相使位错钉扎或堆积，起到分散、阻碍裂纹的作用，达到强化效果。Ohji 和张巨先等赞同Al2O3/SiC(n)内晶型结构易形成穿晶断裂，认为当Al2O3 晶粒中存在SiC 粒子时，由于其内存在较大的拉应力和因位错交截、组合导致形成微裂纹源，使裂纹很容易沿着晶内SiC 粒子径向方向扩展产生非平面穿晶断裂。

1.2残余应力

由于纳米弥散相颗粒和陶瓷基体间存在热膨胀系数和弹性模量的失配，在陶瓷材料中形成有利的应力分布，可以有效地吸收能量，提高裂纹扩展的阻力。纳米弥散相颗粒周围残余应力的存在无论是引起裂纹偏转或是钉扎裂纹，均会吸收更多能量，使基体材料的强度、韧性提高。在Al2O3/SiC 纳米复合陶瓷中，当分析二维残余应力时，尽管从总体上看，SiC 颗粒受压应力而Al2O3 基体受拉应力，但在Al2O3 基体晶粒中既存在压应力区也存在拉应力区，裂纹在压应力区受阻而在拉应力区扩展，因而裂纹扩展的路径曲折，起到增韧补强效果。张国军等分析了第二相颗粒与基体之间的应力状态及其对裂纹扩展的影响，发现当第二相颗粒的热膨胀系数大于基体材料时，如Si3N4/SiC，裂纹倾向于绕过颗粒继续扩展；当第二相的热膨胀系数小于基体材料时，如Al2O3/SiC，裂纹倾向于在颗粒处被钉扎或穿过颗粒。

三、纳米复合陶瓷材料的制备方法

为制备出具有高性能的纳米复合陶瓷，必须使纳米增强颗粒均匀分散在陶瓷基质

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中，阻止纳米颗粒的团聚，使其与陶瓷基体充分分散，经成型、合适的烧结制度，制备出理想的复合材料。

3.1 机械混合法

机械混合法是最早出现的一种纳米复合陶瓷材料制备技术，制备方法是将纳米粉末和基质粉末混合，球磨后烧结成型。通过颗粒间的固相反应直接合成化合物粉体，如金属碳化物、氟化物、氮化物、金属—氧化物复合粉体。机械混合法的不足之处在于不能保证两相组份的均匀分散性，球磨本身很难破坏纳米颗粒的团聚，以致球磨之后分散颗粒团聚、沉降造成进一步的不均匀。为此在机械混合的基础上使用大功率超声振荡以破坏团聚，并使用适量分散剂，提高分散均匀性。李建林等采用金属Ti 和B4C 为原料，通过高能球磨能原位反应生成纳米TiB2/TiC 材料粉体。

3.1 复合粉末法

复合粉末法是目前最常用的一种方法，制备过程是先经化学、物理过程制备含有基质和弥散相均匀分散的混合粉末，然后烧结成型，得到纳米复合陶瓷材料。该法多用于制备Si3N4/SiC 纳米复合陶瓷材料。如利用CVD 技术制备Si-C-N 复合粉末，经烧结制备SiC（n）/Si3N4 纳米复合陶瓷，以及利用B4C+TiH2+BN+B+C 之间的高温反应合成

Ti-B-C-N 复合超细粉末，再经热压烧结制得Ti（C，N）/TiB2 纳米复相陶瓷。

3.3 原位生成法

原位生成法是将基体粉末分散于可生成纳米颗粒的先驱体溶液中，经干燥、预成型、热处理生成含纳米颗粒的复合粉末，最后热压成型。其优点是保证两相分散均匀，且热处理或烧结过程中生成的纳米颗粒不存在团聚等问题。纳米前驱体的制备可通过Sol－Gel 法，有机前驱体法等。R．Riede 等用热解有前驱体的方法制备了Si3N4/SiC 纳米复合陶瓷，结构中Si3N4 晶粒尺寸为0.25μm，SiC 晶粒尺寸为20～100nm。

四、纳米复合陶瓷材料的应用与展望

在微米级基体中引入纳米分散相进行复合，可使材料的断裂强度和断裂韧性大大提高2～4 倍。最高使用温度提高400～600℃。尽管添加纳米颗粒对陶瓷有明显的强化作用，但韧化效果却较差；而晶须虽然可以很好地提高韧性，但其强化效果并不是很明显；采取纳米颗粒与晶须协同强化增韧的方法来提高陶瓷基体材料的强度和断裂韧性是一种有效且切实可行的途径。

CNTs（碳纳米管）由于其独特的结构而具有许多优异的性能，其弹性模量与金刚石相当（≈1.8TPa），弯曲强度14.2GPa，拉伸强度为高强度钢的100倍，密度只有钢的六分之一，而且具有高韧性，在失效前能承受很大的应变。CNTs的韧性和结构稳定性很好，具有优异的力学性能，是理想的纳米晶须增强增韧材料，也是纤维类强化相的终极形式。用碳纳米管与陶瓷基体复合制备出具有高力学性能的材料，是未来材料发展的趋势。

参考文献

1 Nihara K. New design concept of structural ceramics-ceramicnanocomposites[J]. J. Ceram Soc Jpn.，1991，99(10)：974

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2 Nihara K．Mechanisms of ceramic nanocomposites[J]．J．Am．Ceram Soc.，1998，81(6)：1453

3 张立德. 纳米材料研究的新进展及在21 世纪的战略地位[J]. 中国粉体技术，2000，6(1)：1

4 靳喜海，高濂. 纳米复相陶瓷的制备、显微结构和性能[J]. 无机材料学报，2001，16(2)：200

5 朱教群，梅炳初，陈艳林. 纳米陶瓷复合材料的制备方法[J]. 现代技术陶瓷，2002，(2)：31～34

6 吴人洁，江东亮，漆宗能. 复合材料[M]. 天津：天津大学出版社，2000：262

7 戴遐明，艾德生，等. 纳米陶瓷材料及其应用[M]. 北京：国防工业出版社，2005：６

8 李建林，曹广益，周勇，等. 高能球磨制备TiＢ2／TiC 纳米复合粉体[J].无机材料学报，2001，16(4)：707

9 张国军. 颗粒增韧陶瓷的增韧机理[J]. 硅酸盐学报，1994(3)：259～270

10 Riedel R et a1．Sintering of amorphous polymer-derived Si，N and Ccontaining composite powders[J]．J．Euro．Ceram．Soc．，1989，(5)：113

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/aas1.html