宣城市晶瑞新材料有限公司

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1、纳米陶瓷的特性

与传统的陶瓷材料相比,运用宣城晶瑞新材料有限公司生产的纳米氧化物烧结出来的陶瓷具有如下特性:

1.1　力学性能

纳米氧化物陶瓷的力学性能,包括纳米陶瓷材料的硬度、断裂韧度和低温延展性等。特别是在高温下硬度、强度得到较大的提高,纳米陶瓷的出现将有助于解决陶瓷的强化和增韧问题。

对纳米二氧化钛（VK-T25）进行研究[1],发现在室温压缩时,纳米颗粒已有很好的结合性,高于500℃很快致密化,而晶粒大小只有稍许的增加,所得的硬度和断裂韧度值更好,而烧结温度却要低400~600℃,且烧结不需要任何的添加剂。纳米二氧化钛（VK-T25）其硬度和断裂韧度随烧结温度的增加(即孔隙度的降低)而增加。在800℃~900℃温度范围烧结,与经优化烧结的块状陶瓷相比,两者的硬度和断裂韧度值相符。低温烧结后,纳米二氧化钛（VK-T25）就能获得较好的力学性能。纳米二氧化钛（VK-T25）经800℃烧结后,维氏硬度H=630,断裂韧度KIC(MPa·m1/2)为2.8,孔隙度为10%;而1000℃烧结后,H=925,KIC=2.8,孔隙度为5%。

1.1.1　强度、硬度和韧性

许多纳米陶瓷材料的硬度和强度比普通陶瓷材料高出4~5倍。如在100℃下, 纳米二氧化钛（VK-T25）陶瓷的显微硬度为1300kgf/mm2,而普通TiO2陶瓷的显微硬度低于200kgf/mm2。

纳米超微粒制成的纳米陶瓷材料具有良好的韧性,是由于超微粒制成的固体材料具有大的界面,界面原子排列相当混乱,原子在外力变形条件下容易迁移,因此表现出较好的韧性与一定的延展性。室温下的纳米二氧化钛（VK-T25）陶瓷晶体表现出很高的韧性,压缩至原长度的1/4仍不破碎。

1.1.2　超塑性

纳米氧化物陶瓷在高温下具有类似金属的超塑性,这已成为纳米氧化物陶瓷领域最令人注目的焦点之一。超塑性是指在应力作用下产生异常大的拉伸形变而不发生破坏的能力。众所周知,陶瓷材料是具有方向性的离子键和共价键的过渡键型,并且位错密度小,晶界难以滑移,使得陶瓷硬度大,脆性高,普通陶瓷材料在常温下几乎不产生塑性形变。只有当温度达到1000℃以上,由于质点的热运动加速,陶瓷才具有一定的塑性。

最近研究发现,随着粒径的减少, 纳米二氧化钛（VK-T25）和纳米氧化锌（VK-J30）陶瓷的形变率敏感度明显提高,主要由于试样中气孔减少,可以认为这种趋势是细晶陶瓷所固有的。最细晶粒处的形变率敏感度大约为0.04,表明这些陶瓷具有延展性,尽管没有表现出室温超塑性,但随着晶粒的进一步减小,这一可能是存在的。一般认为陶瓷具有超塑性应该具有两个条件:(1)较小的粒径;(2)快速的扩散途径(增强的晶格、晶界扩散能力)。纳米陶瓷具有较小的晶粒及快速的扩散途径,所以有望具有室温超塑性。

纳米陶瓷具有超塑性,克服了陶瓷产品难以加工的缺陷,有利于陶瓷产品的商业化。如Nieh等人在纳米二氧化锆（VK-R200）中加入Y2O3的陶瓷材料中观察到超塑性达800%。Si3N4纳米陶瓷同样存在超塑xing行为,是微米级Si3N4陶瓷的21.4%。晶粒尺寸为300nm的Y-TZP陶瓷材料的起始应变速率为1×10-2s-1,压缩应变可达350%。当晶粒尺寸减至150nm时,材料可在1250℃下呈现出超塑性,且起始应变速率达到3×10-2s-1,压缩应变量达到380%。

通过原子力显微镜发现纳米钇稳定二氧化锆（VK-R200Y3）陶瓷(50nm)在经室温循环拉伸实验后,其样品的断口区域发生了局部超塑性形变,并从断口侧面观察到了大量通常出现在金属断口的滑移线。

纳米陶瓷材料产生超塑性的机理尚不完全清楚,一般认为这是由于扩散蠕变引起的晶界滑移所致,扩散蠕变速率与扩散系数成正比,与晶粒尺寸的3次方成反比。与普通材料相比,纳米材料的扩散系数提高了3个数量级,晶粒尺寸降低了3个数量级,扩散蠕变速率提高1012倍。因此,在较低的温度下,纳米陶瓷材料因其高的扩散蠕变速率可对外应力作出迅速反应,造成晶界方向的平移,从而表现出超塑性。

2、应用前景

由于纳米陶瓷具有独特的化学、物理和机械特性,因此它们将被广泛的应用于各个领域。

2.1下一代电脑芯片

纳米陶瓷材料由于具有超高纯度、好的热导性和长久的耐干扰性能,可以使微处理器集成化程度更高、运行速度更快。美国各地的实验室还在创造原子级或分子级计算机电路,这个热点领域就是“纳米技术”。可以预见,未来人类会拥有被嵌入到钢笔、衣服、眼睛甚至我们身体中的、与网络相连接的计算机。

2.2良好的保温材料

通过Sol-Gel法合成的纳米陶瓷具有多孔并且特别轻的特性,但能承受于自身重量100倍以上的力,它可以广泛用于办公室和家庭,作隔热、承载用,节约能源,减少环境污染。此外,还可用这种材料使窗户变得智能化.当阳光太强时,它能自动使室内变暗;当阳光不太强时.它又能使之变亮。

2.3更坚硬的切削工具

由纳米陶瓷材料制成的陶瓷工具将比传统的陶瓷工具更加耐磨损、耐腐蚀、耐高温,因而提高了工作效率,降低了制造成本和劳动强度。

2.4消除环境污染

纳米材料具有特别大的晶界表面,其化学、物理、机械性能特别活跃,因此它可以用作毒性气体如一氧化碳、氮氧化物的催化剂,用于汽车或能源发动装置中,可以减少环境污染。

2.5高能磁性物质

磁铁的强弱可以用矫顽磁力和饱和磁化强度来衡量.这些参数随晶粒的减小和表面积的增大而提高。由纳米材料制成的磁性物质具有不寻常的磁性性能,可用在潜艇、汽车发动机、陆地动力发生装置、轮船发动机、超敏感分析仪器、医学分析磁共振等装置上。

2.6高灵敏度的传感器

传感器本身的灵敏度依赖于制造传感器材料的化学、物理、机械性能。由纳米陶瓷材料制成的传感器具有较高的敏感性,其典型应用有烟雾检测器、飞机器翼上冰层检测器、汽车发动机性能传感器等。

3、结束语

纳米陶瓷作为一种新型高性能陶瓷,是近年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,将越来越受到世界各国科学家的关注。纳米陶瓷的研究与发展必将引起陶瓷工业的发展与变革,以及引起陶瓷学理论上的发展乃至建立新理论体系,以适应纳米尺度的研究需要,使纳米陶瓷材料具有更佳的性能以致使新的性能、功能的出现成为可能。我们期待着纳米陶瓷在工程领域乃至日常生活中得到更广泛的应用。