纳米陶瓷.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2,#,浅谈纳米材料在陶瓷中,的运用及发展,1,2,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,目,录,重要性及现状特点,纳米陶瓷制备,纳米陶瓷性能,应用,纳米陶瓷材料,发展前景,纳米陶瓷分类,2,2,纳米陶瓷材料,提起陶瓷，人们很容易想到日常生活中的饭碗、茶具、坛坛罐罐。其典型性格是,脆,，十足的易碎品。然而神通广大的高科技却神奇地改变着陶瓷脆弱和笨重的本性，使之成为制造高新技术兵器的重要材料。陶瓷在历史上出现过,3,次大飞跃：从陶瓷到瓷器，这是第一次重大飞跃。,20,世纪四五十年代，一些强度高、性能好的陶瓷材料出现了，并被广泛应用于工业领域，从传统陶瓷到工程陶瓷，这是陶瓷发展史上的第二次重大飞跃。现在陶瓷业正从工程陶瓷进入到纳米陶瓷的阶段，这是陶瓷发展史上的第三次重大飞跃。所谓纳米陶瓷，是指陶瓷原料及其显微结构中所体现的晶粒、晶界、气孔和缺陷分布等的尺度，都在纳米级以内。这将使陶瓷的性能得到极大的改善，以至发生突变而出现的新性能。,3,2024/11/29 周五,4,2024/11/29 周五,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,重要性及现状特点,陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在生产生活中起着举足轻重的作用。,很多化学家研究各种材料的陶瓷，如纳米陶瓷，大大扩展了应用领域，因此如何提高陶瓷的利用率和陶瓷的实用化，应成为目前陶瓷的热点。,随着纳米技术的应用，纳米陶瓷随之产生，利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料，使得材料的强度、韧性、和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的许多不足,传统陶瓷的材料质地较脆，韧性、强度较差，因而其应用受很大限制，一般仅用于摆放。,5,2,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,纳米陶瓷分类,纳米结构陶瓷,纳米功能陶瓷,在传统陶瓷粉底中通过加入纳米颗粒，或者将传统陶瓷粉体纳米化，通过烧结凝固时控制凝固或晶体相的大小和分布，从而改变陶瓷显微结构以提高其力学性能，制得纳米陶瓷材料。,通过添加具有独特功能的纳米相或颗粒，或本身功能在常规微米级时未能完全表现出来的，在通过超细化后而得到表现，从而具有特殊功能的纳米陶瓷材料,结构陶瓷改变的力学性能包括：硬度、强度、塑性、韧性,这些特殊功能包括：声学、光学、电学、磁学、生物活性、对环境的敏化性,6,2,PPT,模板下载：,一般说来，纳米陶瓷粉体物理制备方法的工艺条件较为苛刻，应用范围较窄，粉体粒径控制较为困难，而化学制备方法是在液相和气相条件下，首先形成离子或原子，然后逐步长大，形成所需要的粉体，容易得到粒径小、纯度高的超细粉体。,高能机械球磨法：,在真空蒸发室内充入低压惰性气体，加热金属或化合物蒸发源，由此产生的原子雾与惰性气体原子碰撞而失去能量，凝聚而成纳米尺寸的团簇，并在液氮冷却棒上聚集起来，最后得到纳米粉体。,1987,年美国,Argonne,实验室的,Siegles,采用此法成功地制备了,Ti02,纳米陶瓷粉体，粉体粒径为,520,nm。,蒸发凝聚法：,物理制备方法,8,2024/11/29 周五,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,化学制备方法,液相化学法,气相化学法,9,2,纳米陶瓷制备,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,纳米粉体的合成,素胚的成型,产品的烧结,10,2,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,纳米粉体,固相,合成,凝聚相,合成,气相,合成,随着粉体的超细化，其表面电子结构和晶体结构发生变化产生了块状材料所不有的特殊的效应,纳米粉体,纳米陶瓷粉体使介于固体与分子之间的具有纳米数量级尺寸的亚稳态中间物质。,11,2,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,纳米粉体材料具有以下优异的性能,:,纳米陶瓷材料具有极小的粒径、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,;,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,;,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,可以从纳米材料的结构层次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,而使纳米材料的组织结构和性能的定向设计成为可能。,12,2,气相合成法,化学气相合成法可以认为是惰性气体凝胶法第一种变型，它既可以制备纳米非氧化物粉体，也可制备纳米氧化物粉体,气象高温裂解法、喷雾转化法、化学气相合成法,化学气相合成法增强了低温下的可烧结性，并且有相对高的纯净性和高的表面及晶粒边界纯度,原料的坩蝸中经加热直接蒸发为气态，以产生悬浮微粒或烟雾状原子团，原子团的平均粒径可通过改变蒸发速率以及蒸发室内的惰性气体的压制来控制,13,2024/11/29 周五,凝聚相合成法,在水溶液中加入有机配体与金属离子形成配合物，通过控制,PH,值、反应温度等条件让其水解、聚合，经溶胶、凝胶而形成一种空间骨架结构，在脱水焙烧得到目的产物的一种方法。,14,2024/11/29 周五,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,素胚成型,新型方法,传统方法,干压成型、离心,注浆法、挤压法、,注射法,将粉末转变成具有一定形状、体积和强度的胚体的过程，素胚的形状密度和显微镜结构的均匀性对陶瓷在烧结构成中的致密化有极大的影响,凝胶注膜法、直接,凝固注膜成型,15,2,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,烧结,新型方法,传统方法,无压烧结、,热压烧结,陶瓷材料致密化、晶体长大、晶体形成的过程,微波烧结、等离子体,烧结、高压烧结、,爆炸烧结,16,2,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,纳米陶瓷的性能,纳米陶瓷的性能,力学性能,超塑性能,烧结性能,高强度,高韧性能,17,2,力学性能,不少纳米陶瓷材料的硬度和强度比普通陶瓷材料高出,4-5,倍，在陶瓷基体中引入纳米分散相并进行复合，不仅可大幅度提高其断裂强度和断裂韧性，明显改善其耐高温性能，而且也能提高材料的硬度、弹性模量和抗热震、抗高温蠕变的性能。,18,2024/11/29 周五,根据,Hall-Petch,关系,y=,0+Kd,（,-,）,式中,:,y,为屈服应力；,0,是移动单个位错所需的克服点阵摩擦的力；,K,是常数；,d,是平均晶粒尺寸。如果用硬度来表示，则可用下式表示，,H=HQ+Kd,（,-,）,式中，,K,值为正数。由上面公式可知，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。,19,2024/11/29 周五,高强度性能,大体积的界面区提供足够的晶界滑移机会，导致形变增加。当普通陶瓷成为纳米陶瓷后，因品粒尺寸减小，故材料的硬度和强度提高，一般要高出,4,5,倍。如在,100,下，纳米陶瓷的显微硬度为,13000kN,mm2,，而普通陶瓷的显微硬度低于,2000kN,mm2,。在陶瓷基体中引入纳米分散相并进行复合，所制得的纳米陶瓷复合材料的强度大幅提高。,20,2024/11/29 周五,材料的超塑性：所谓超塑性是指材料在一定的应变速率下，产生较大的拉伸形变。,尽管人们发现,A1203,、,Si3N4,等陶瓷材料在高温时,(1100,一,1600,),具有超塑性，但普通陶瓷室温超塑性却未见报道。而纳米陶瓷因其超微颗粒的小尺寸效应、表面和界面效应、量子尺寸和宏观量子隧道效应，使其在材料形成过程和结构中有突出表现，从而使纳米陶瓷呈现出独特性能。由此，人们追求的陶瓷超塑性问题有望在纳米陶瓷中解决。,21,2024/11/29 周五,超塑性能,陶瓷的超塑性是由扩散蠕变引起的晶格滑移所致，扩散蠕变率与扩散系数成正比，与晶粒尺寸的,3,次方成反比，普通陶瓷只有在很高的温度下才表现出明显的扩散蠕变，而纳米二氧化锆陶瓷的扩散系数提高了,3,个数量级，晶粒尺寸下降了,3,个数量级，因而其扩散蠕变率较高，在较低的温度下，因其较高的扩散蠕变速率而对外界应力做出迅速反应，造成晶界方向的平移，表现出超塑性，使其韧性大为提高。,22,2024/11/29 周五,室温超塑性是纳米陶瓷最具吸引力的潜在性能之一，也是纳米陶瓷最具应用前景的方面之一。众所周知普通陶瓷材料由于太硬太脆，加工极困难很难像金属一样进行切割、钻孔等操作，这也是普通陶瓷材料的应用受局限的原因之一。纳米陶瓷的室温超塑性将使得陶瓷在保留其耐化学腐蚀、耐高温高压等优良性能的前提上，有可能像其他材料一样进行锻造、挤压、拉拔、弯曲等特种加工，不需磨削，直接制备精密尺寸的零件。,23,2024/11/29 周五,高韧性能,传统的陶瓷由于粒径较大，在外表现出很强的脆性，但是纳米陶瓷由于其粒径尺寸小至纳米级，在受力时可产生变形而表现出一定的韧性,24,2024/11/29 周五,烧结性能,由于纳米陶瓷材料存在着大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径，与单晶材料相比，纳米陶瓷材料具有较高的扩散率，增强扩散能力的同时又使纳米陶瓷材料的烧结温度大为降低，添加,10%,纳米二氧化锆（,VK-R30Y3）,可使普通陶瓷降低烧结温度,50-100,C。,25,2024/11/29 周五,以氧化铝纳米陶瓷为例：,由于氧化铝陶瓷胚体熔点高，烧结温度高达1800，较难烧结，大大消耗了能源，因此，实现氧化铝快速低温烧结是降低氧化铝陶瓷能耗和生产成本的关键。一般情况下，加入某种添加剂可改善烧结性能，促进烧结。预烧氧化铝结构陶瓷时，通常要加入适量添加剂，如硼酸盐、高纯纳米a1203等，可降低预烧温度，促进晶型转化。,氧化铝陶瓷的烧结是通过表面张力来使物质迁移而得到实现的。高温氧化物较难烧结，主要是它们有较大的晶格能和较稳定的结构状态。指点迁移需要较高的活化能。采用纯度高，粒径小，比表面积大，表面活性高的单分散超细a1203粉料，由于颗粒间扩散距离短，只需要较低的烧结温度和烧结活化能。如果氧化铝尺寸能降低到30nm以下，则烧结温度能较低到100度以下。另外，氧化铝颗粒粒度的分布范围要尽可能窄，颗粒均匀。,26,2024/11/29 周五,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,应用,抗菌方面,生物领域,高灵敏度的传感器,更坚硬的切削工具,军事领域,汽车工业,航空领域,27,2,28,2024/11/29 周五,29,2024/11/29 周五,30,2024/11/29 周五,31,2024/11/29 周五,32,2024/11/29 周五,33,2024/11/29 周五,34,2024/11/29 周五,35,2024/11/29 周五,36,2024/11/29 周五,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,发展前景,纳米陶瓷作为一种新型的高性能陶瓷,将越来越受到世界各国科学家的关注。纳米陶瓷材料的发展是现代物理和先进技术结合的产物,是近年来发展起来的一门全新的科学技术,它将成为新世纪最重要的高新技术之一。纳米陶瓷的研究与发展,必将引起陶瓷工业的发展与变革,引起陶瓷学理论上的发展乃至新的理论体系的建立,以适应纳米尺度的研究需要,从而使纳米陶瓷材料具有更佳的性能,使其在工程领域乃至日常生活中得到更广泛的应用。,37,2,