纳米陶瓷的特性和烧结方法研究进展(3)

关于纳米陶瓷,简介,成形,特性,研究现状,应用前景,面临问题。

其原因是在纳米尺寸内,钛酸钡陶瓷的晶体结构为多相共存以及在纳米陶瓷中大量晶界和相邻晶粒的应力等方面的共同作用。

2.4 纳米陶瓷增韧

传统的陶瓷由于其粒径较大,在外表现出很强的脆性。由于纳米陶瓷的晶粒尺寸极小,纳米材料具有很大的比表面积,表面的原子排列混乱,纳米晶粒易在其它晶粒上运动,使纳米陶瓷在受力时易于变形而不呈现脆性。室温下,纳米TiO2陶瓷表现出很高的韧性,压缩至原长度的1/4仍不破碎。另外,在微米级的陶瓷中引入纳米相,可以抑制基体晶粒长大,使组织结构均化,有利于改善陶瓷材料的力学性能。再如在陶瓷制品中添加适量的纳米SiO2,不但大大降低了陶瓷制品的脆性,而且使其韧性一跃几倍至几十倍。

3 纳米陶瓷的烧结

对于纳米陶瓷来说,它与常规陶瓷烧结的不同之处在于,普通陶瓷的烧结一般不必过多考虑晶粒的生长,而在纳米陶瓷的烧结过程中必须采取一切措施控制晶粒长大。由于纳米陶瓷粉体具有巨大的比表面积,使作为粉体烧结驱动力的表面能剧增,扩散增大,扩散路径变短,所以纳米粉体烧结与常规粉体的烧结相比具有以下特点:烧结活化能低,烧结速率快和烧结开始温度降低。纳米陶瓷在烧结过程中如何完成致密化过程主要与材料中的空位、空位团、孔洞等在烧结过程中的变化密切相关。在纳米陶瓷粉体的烧结中,由于扩散速率加快,外加应力和剩余应力共同作用,使小晶粒通过晶界滑移,以一种更致密有效的方式排列。陶瓷粉体的纳米烧结致密化中,粒子之间颈的形成并不是随意的,而是在粒子表面通过相互平行的,结晶排列的小刻面之间的有序配合形成的。分子动力学模型表明,纳米粉体烧结的初级阶段主要是由于大量的位错作用产生即在粒子间形成颈的曲率最大处,产生大的剪切应力,剪切应力又产生位错并驱动位错运动,位错运动通过引起晶粒旋转而产生致密化。同时,这种旋转还会导致仍未结晶排列的粒子发生结晶排列。因此,要获得纳米陶瓷,必须控制其晶粒长大,因此就要创造致密化速率大、晶粒生长较慢的烧结条件。有很多的关于纳米陶瓷烧结方法的报道,本文主要介绍应用广泛并且比较成功的纳米陶瓷的一些特殊的烧结方法并对烧结机理进行解释。

3.1

两步烧结法

一般的无压烧结是采用等速烧结进行的,即

控制一定的升温速度,到达预定温度后保温一定

时间获得烧结体。在无压烧结中,由于温度是唯

一可以控制的因素,因此如何选择最佳的烧结温

度,从而在控制晶粒的长大的前提下实现坯体的

致密化,是纳米陶瓷制备中最需要研究的问题。

两步烧结法的目的是要避开烧结后期的晶粒生

长过程,其基本做法是:首先,将烧结温度升至较

高的温度,使坯体的相对密度达到70%左右;然

后,将烧结温度降到较低的温度下保温较长的时

间使烧结继续进行而实现完全的致密化。这一

阶段晶粒没有明显生长。两步烧结法的烧结过

程如图1所示。从烧结理论上看,两步烧结法是通过巧妙的控制温度的变化,在抑制晶界迁移(这将导致晶粒长大)的同时,保持晶界扩散(这是坯体致密化的动力)处于活跃状态,来实现在晶粒不长大的前提下完成烧结的目的。运用两步烧结法,得到了密度高达99%以上,晶粒尺寸为60nm的Y2O3陶瓷和晶粒尺寸仅为8nm完全致密的BaTiO3陶瓷(清华大学制备)

3.2 放电等离子烧结(SPS)[10 12]图1 两步烧结法制备Y2O3陶瓷的晶粒 密度变化曲线Fig.1 GrainsizeevolutionasfunctionofdensityduringfabricatingY2O3ceramicsbytwo stepsintering。

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