納米基復合材料復合材料原理

知識點3-陶瓷基納米復合材料概述主要內容一二三四制備性能應用與展望一、陶瓷基納米復合材料的概述1.定義：通過有效的分散、復合使異質相納米顆粒分布于基體陶瓷中的一類材料。2.分類：據異質相分布位置的不同分為：晶內型、晶界型、晶內-晶界混合型、納米-納米型四類圖1晶內型晶界型晶內-晶界混合型納米-納米型1）機械混合法機械混合法即球磨后燒結成型。優點：工藝簡單、成本低廉。不足：納米顆粒的團聚、分散不均、球磨介質磨損帶入雜質等措施：使用大功率超聲振蕩以破壞團聚，并使用適量分散劑，提高分散均勻性。球磨介質采用與基質相同的材料，可減少因球磨帶來的雜質，如制備納米SiC粉末增強Si3N4基陶瓷復合材料采用Si3N4磨球。二、制備方法1.制備流程2.制粉方法制粉擠壓燒結2）復合粉末法復合粉末法是目前最常用的一種方法。制備過程：是先經化學、物理過程制備含有基質和彌散相均勻分散的混合粉末，然后燒結成型，得到陶瓷基納米復合材料。復合粉末制備方法通常有：化學氣相沉積(CVD)先驅體轉化法激光合成法等。3）

原位反應法定義：原位反應法是將基體粉末分散于可生成納米顆粒的先驅體溶液中，經干燥、預成型、熱處理生成含納米顆粒的復合粉末，最后熱壓成型。特點：可保證兩相均勻分散，且熱處理過程中生成的納米顆粒不發生團聚。舉例：1）通過熱解有機先驅體聚六甲基環四烷，得到含SiC和Si3N4的復合粉末，經燒結成型可制得Si3N4/SiC陶瓷基納米復合材料。2）以Ti和B4C為原料，通過高能球磨能原位反應生成納米TiB2/TiC材料粉體，由于C原子的擴散首先生成TiC粒子。球磨30h后，Ti和B4C完全反應生成TiC和TiB2兩相。其反應機制為減慢的自蔓延反應。長時間球磨后，形成TiB2顆粒內部嵌有納米TiC粒子的復合納米粉體。4）濕化學法過程：液相中進行。特點：1）由于在液相中配制，各組分的含量可精確控制并可實現在分子或原子水平上的均勻混合。

2）可使生成的固相顆粒尺寸遠小于1μm，

3）可獲得粒度分布窄，形狀為球體的粒子。應用：濕化學法特別適用于制備多組分、超細粉料。分類：均勻共沉淀法、醇鹽水解法、溶膠一凝膠法、非均相凝固法、包裹法等。運用最廣泛的是溶膠-凝膠法，該法一般分四個步驟：1）先把基體粉末和溶劑配成溶液，然后加入納米粉末，采用超聲波、分散劑及調節溶液pH值等方法，實現均勻分散、破壞原有的團聚結構；2）通過調節工藝參數，在不發生析晶、團聚、沉降的情況下，使體系凝膠聚合3）經熱處理制得復合粉末；4）復合粉末燒結成型制成納米復合材料。由于基體粉末均勻分散在納米顆粒周圍，在熱處理過程中成核、長大，容易生成“晶內型”結構。此外，還有如等離子相合成法、離子濺射等方法。3.燒結1）無壓燒結無壓燒結是指在常壓(0.1MPa)下，具有一定形狀的素坯在高溫下燒結為致密、堅硬、體積穩定具有一定性能的燒結體的方法。此工藝簡單、成本低，但性能不及熱壓燒結制品。舉例：制備Si3N4/SiC、Al2O3/SiC等納米陶瓷復合材料。2）反應燒結反應燒結又稱活化燒結，指可以降低燒結活化能，使體系的燒結可以在較低的溫度下以較快速度進行，并且使得燒結體性能提高的燒結方法。舉例：Si3N4-莫來石-Al2O3納米復合材料，其過程為：在Si3N4表面進行部分氧化產生SiO2，然后表面氧化物與Al2O3反應產生莫來石。3）熱壓燒結熱壓燒結是指在燒結過程中使用壓力，可以阻止納米陶瓷在致密化之前發生晶粒生長。舉例：熱壓燒結法制備Si3N4/SiC納米復合材料。4）等離子放電燒結利用脈沖能放電，脈沖壓力和焦耳熱產生瞬時高溫場，使燒結體內部各個顆粒均勻地自身發熱和使顆粒表面活化，樣品內的傳熱過程可瞬間完成，實現燒結過程。舉例1：TiB2/TiN塊體材料，達理論密度的97.2%，TiB2與TiN顆粒尺寸分別為31.2～58.8nm，38.5～62.5nm?？沙焖贌Y，升溫速率可達600℃/min。舉例2：Al2O3/SiC納米復相陶瓷材料，燒結溫度1450℃，比熱壓燒結降200℃，抗彎強度1000GPa，維氏硬度19GPa，斷裂韌性比Al2O3明顯提高。三、陶瓷基納米復合材料的性能多種陶瓷基納米復合材料性能的改善材料斷裂韌性/MPa.m1/2彎曲強度/MPa最高使用溫度/℃未加填料加填料未加填料加填料未加填料加填料Al2O3/納米SiC3.54.835015208001300Al2O3/納米Si3N4

3.54.73508508001300MgO/納米SiC1.24.53407006001400Si3N4/納米SiC4.57.5850155012001400納米填料用量對納米SiC增強Si3N4復合材料性能的影響材料(1)Y2O3助劑/%(2)納米SiC(3)成型工藝斷裂韌性/MPa.m1/2彎曲強度/MPa室溫1400℃8Y8熱壓—105010775Y5熱壓8.39667675Y30SCP530%SC80熱壓7.89507507Y30SCP730%SC80熱壓7.59257008Y30SCP830%SC80燒結6.38946008Y30SCP830%SC80熱壓7.68358608Y30SCP(t)830%SC80熱壓7.68057958Y25SCP825%SC80熱壓7.68556808Y25SCP(t)825%SC80熱壓7.87956508Y25SCP815%SC80熱壓7.69058658Y30SCb(t)830%B20熱壓6.8718—8Y30SCb(T)830%B20熱壓4.45945408Y20SCb820%B20熱壓6.38375608Y20SCb(T)820%B20熱壓5.26305658Y30SCPR830%PR熱壓4.9460—表注：（1）（t）為1800℃

2h處理；（T）為1900℃

1.5h處理；（2）%為質量分數；（3）SC80、B20和PR分別表示不同種類納米SiC粉。納米尺度的碳化物、氧化物、氮化物等彌散到陶瓷基體中可以大幅度改善陶瓷材料的韌性和強度。舉例1：Si3N4/SiC納米復合材料具有高強、高韌和高熱穩性及化學穩定性，

可制作陶瓷刀具。。