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纳米陶瓷范文1
氧化锆纳米线的合成方法
成果简介：该项目研制的氧化锆纳米线的合成方法，涉及一种纳米陶瓷材料的制备工艺。该方法是以氧氯化锆(ZrOCl2・8H2O)、草酸(H2C2O4・2H2O)为原料，在室温下，分别配制氧氯化锆(ZrOCl2)与草酸(H2C2O4)水溶液，并在不断搅拌氧氯化锆(ZrOCl2)溶液的情况下，将草酸(H2C2O4)水溶液慢慢加入到氧氯化锆ZrOCl2溶液中，然后继续不断地搅拌，得到锆溶胶；然后将多孔氧化铝膜浸入到所得的锆溶胶中，待10分钟后，在压力为1.3MPa情况下加压5小时；将经处理过的膜从溶胶中取出，在红外灯下烘干，再在500℃、氩气氛下常压焙烧5小时，即得到氧化锆纳米线阵列。该方法工艺简单，原料易得，可合成出直径为50～300纳米，长度大于10微米的氧化锆纳米线。该发明可望在催化、涂料、氧传感器、陶瓷增韧、固体氧化物燃料电池等诸多领域中得到广泛的应用。
纳米陶瓷粉体表面乳液聚合改性方法
成果简介：该项目研制的纳米陶瓷粉体表面乳液聚合改性的方法属于纳米陶瓷粉体制造技术领域，其特征在于依次含有以下步骤：用高速混合搅拌法使陶瓷粉体表面预先涂覆用以使陶瓷粉体表面呈疏水性的偶联剂；使经过偶联剂预处理的纳米陶瓷粉体、乳化剂和水在超声波的作用下形成稳定的乳液体系；以5～0份纳米陶瓷粉体，0.5～5份有机单体的质量比来加入有机单体，继续超声分散，同时缓慢滴加入引发剂，升温到形成自由基的温度(70～80℃)，直至反应结束。用该发明所述的方法可制出具有良好分散性的、经过表面聚合改性的、稳定的陶瓷粉体乳液体系以直接进行离心成型得到颗粒分散均匀的陶瓷素坯。打碎了纳米陶瓷粉体间的硬团聚，消除了直接影响素坯成型的消极因素，有利于陶瓷的低温烧结和晶粒细化。
热喷涂用纳米陶瓷粉末的低成本规模化生产方法
成果简介：该技术生产纳米热喷涂粉末材料，可以控制粉末的晶体粒度、颗粒粒度和形貌，颗粒内部保持纳米结构。粉末技术指标如颗粒大小及其分布、颗粒形状、流动性等，满足热喷涂工艺的要求。该技术方法适用于Al2O3、ZrO2、TiO2、SiO2等氧化物陶瓷材料及其复合物的纳米热喷涂粉末的生产。通过反应物浓度、温度、压力、添加剂、成型、晶化等参数的控制和调节，可实现低成本规模化生产。该技术成果具有良好的应用前景。
低温燃烧－水热合成制备纳米陶瓷颜料
成果简介：该项目的目的就是突破传统的烧结工艺，将低温燃烧（Low-Temperature Combustion Synthesis，简称LCS）技术和水热合成（Hydrothermal Synthesis）技术相结合，制造纳米陶瓷颜料。该类颜料在陶瓷计算机喷墨打印装饰等领域具有广阔的用途。该颜料主要指标包括，颜料平均粒径＜50nm；颜料使用温度（根据产品而定）在1250℃左右；其他性能与普通陶瓷颜料相同。
纳米电子陶瓷材料及其器件工业性制备新技术
成果简介：该项目采用超重力反应沉淀法合成纳米级介质陶瓷基体材料，利用超重力的作用，消除微观混合的影响，克服了常规搅拌釜或管式沉淀法合成颗粒的过程技术上的不足，同时结合溶胶－凝胶法引入表面改性剂，提高基体材料与添加剂的混合均匀程度，控制添加剂的分布状态，改善成型、烧结等特性，制备出粒径、粒度分布、物相均可控的改性中低温纳米介质陶瓷材料；并从浓悬浮体结构模型出发，协调超细粉体在介质中的分散行为；利用纳米效应特性及三维仿真设计软件，优化介质材料设计及合成工艺。
微乳液纳米反应器合成制备纳米陶瓷颜料
成果简介：微乳液法制备纳米陶瓷颜料是利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂分子界面膜的作用下生成的热力学稳定的、各向同性的、外观透明或半透明的低粘度分散体系。微乳液中剂量小的溶剂被包裹在剂量大的溶剂中形成一个微泡，微泡的表面被表面活性剂所包裹，其粒径在1～100nm，通过选择表面活性剂及控制相对含量，可将其水相液滴尺寸限制在纳米级，不同微乳液滴相互碰撞发生物质交换，在水核中发生化学反应，每个水相微区相当于一个“微反应器”，在每个微泡中固相的成核、生长、凝结等过程仅仅局限在一个微小的球形液滴内从而形成球形微粒，从而得到纳米陶瓷颜料。
精密纳米陶瓷手术刀
成果简介：传统钢制手术刀在使用和加热消毒时易腐蚀、钝化，寿命低；金刚石手术刀加工工艺复杂，透明，操作困难，价格昂贵。该成果采用纳米陶瓷材料与加工高技术克服了上述缺点，刀口锋利，无磁，无毒，无静电，寿命长，防腐蚀，具有生物体组织相容性，精度高，刀口可快速愈合，术后无明显切痕，易于操作，可在高温下使用，且成本适中。
永久性自洁净纳米陶瓷釉
成果简介：该产品是一种永久性自洁净纳米陶瓷釉，在普通陶瓷釉中添加进多种纳米氧化物材料，改变传统陶瓷釉配方，使用传统的陶瓷类产品制备工艺烧结，使新陶瓷类产品陶瓷釉表面有纳米结构，因此具有疏水和永久性自洁净功能。该陶瓷釉主要用于电力瓷瓶、瓷棒、建筑和家用等自洁净陶瓷类产品中。该发明的陶瓷釉制备工艺简单、成本低、不改变陶瓷产品的生产工艺，且耐温范围大、耐酸碱性好。
纳米陶瓷涂层、纹路技术在电饭煲、电压力锅上应用
成果简介：电饭煲、电压力锅的内锅需要采用纳米陶瓷涂料。该项目研制的涂料采用无机质的陶瓷经过纳米技术处理和机能性添加剂结合，加水分解和缩合过程后，最终形成精密的、高强度的纳米陶瓷涂料，以金属为基质的内锅表面经过超硬化处理后，在低温下（200摄氏度以下）固化成形，表面硬度高，无任何毒性和腐蚀性物质，无任何气味，具有节能、耐高温、不粘、安全等特点。采用纹路技术的电饭煲、电压力锅的风锅，其特征在于锅体内壁均布多边形或圆形或椭圆形凹槽，特点是内锅加热辐射面积增加，扩大内锅受热面积，节约热源。大米或烹饪的食物与锅体均布有间隙，水填充其中，加热时水汽传热更充分，底部受热均匀，不糊底。
金属陶瓷材料
成果简介：该项目建成乌海市第一条用焦化厂废气生产年产3万吨耐火材料生产线，主要针对高铝、异形耐火材料的生产。进行了“稀土电解用新型惰性阳极材料”“纳米陶瓷刀具”开发。该项目产品为新型惰性阳极材料及配套产品。以既有良好导电性又具有高温抗腐蚀性且成本低廉的金属铝化物材料为阳极，替代传统的石墨阳极。利用陶瓷相的纳米尺寸效应提高刀具的韧性使其高于10MPam1/2以上，同时使用具有特殊物理、化学性质及高温性能的新金属间化合物材料来粘结纳米陶瓷。
纳米材料及加工技术
成果简介：该项目来源于黑龙江省科技攻关计划，主要研究内容包括纳米材料的制备及成形、纳米材料的加工技术、超分子薄膜体系的自组装技术与机理。取得的成果如下：超纯超细纳米陶瓷粉末原料的制备技术：采用湿化学法制备超纯超细纳米陶瓷粉末，粒度在30～80nm之间，无硬团聚；纳米陶瓷超塑成形技术：采用无粘结剂冷等静压成形素坯，在真空热压烧结炉中烧结，最后在真空烧结炉中完成超塑成形；纳米复合粉体制备技术：应用高能球磨法采用变转速多次循环球磨工艺，制备出了平均晶粒尺寸约为25nm的WC-10Co-0.8VC-0.2Cr3C2(wt%)纳米复合粉末，提高了纳米WC-Co复合粉末的制备效率；纳米复合粉体压制成形技术：采用二次双向模压成形工艺对纳米WC-Co复合粉末进行压制，纳米WC-Co粉末素坯的相对密度达到55%以上；控制纳米晶WC-Co烧结过程中晶粒长大技术：制备出了平均晶粒尺寸为250nm，综合性能较高的硬质合金块体；纳米陶瓷表面精密磨削技术：采用了在线电解修整（ELID）磨削技术对纳米陶瓷块材进行了镜面磨削；纳米陶瓷材料特性的测量技术：采用了纳米压痕技术原理，获得纳米陶瓷的力学性能；超分子薄膜体系自组装技术：采用液相沉积的方法，完成了硫醇单分子表面金属团簇的形成。
纳米陶瓷材料产业化制备技术开发
成果简介：该项目运用了材料设计理论和显微结构的控制技术。该项目采用高温溶胶－凝胶工艺，将几十种矿物原料或工业废渣在高温下溶化成均质的高温溶胶(玻璃质溶体)，从而解决了陶瓷材料制备中的组成不均匀性和残留气孔等难题，将高温容胶快速冷却后形成非晶态溶胶体(一种可晶化的玻璃)，然后将非晶态的凝胶体在特定的热处理制度下使之原位受控晶化，形成晶粒尺寸在纳米级且结构均匀致密的纳米微晶陶瓷。该项目的关键技术主要包括高温溶制技术，是解决材料组成均匀和性能可靠的关键技术；玻璃熔体的成形技术，是实现纳米微晶陶瓷制品产业化制备的关键；原位受控晶化技术，获得具有理想显微结构和优良性能的纳米微晶陶瓷材料的关键。
新型纳米复相陶瓷的制备和性能
成果简介：该成果内容包括CrN、TiN和NbN纳米粉体的制备、高强度高导电Si3N4/TiN纳米复相陶瓷、高强度可切削的Si3N4/BN纳米复相陶瓷和高力学性能的ZTM/SiC、ZTA/LaAl11O18纳米复相陶瓷等。通过纳米复合工艺制备了高强度的纳米复相陶瓷及高强度高导电和高强度可切削的具有结构-功能一体化特性的纳米复相陶瓷，在汽车、电子、机械和化工行业具有潜在的应用前景。
α-氧化铁基纳米陶瓷制备的CO气敏元件(中试)
成果简介：该项目是在完成省科技厅1995年下达的“用于CO选择性检测的α-Fe2O3基纳米粉体的合成及气敏元件研制”(闽科鉴字[1997]第81号)成果基础上，进行的中试。中试目标是考察放大批量合成纳米粉体并制作CO气敏元件的工艺的可行性和元件的各项性能指标：建立一条制作元件的中试生产线及气敏元件自动检测系统；建立CO气敏元件技术标准。中试选定的纳米粉体和元件生产工艺是可行的。元件性能仍保持小试的样品水平，达到国内外同类产品先进水平。其主要技术指标：加热功率≤100mV；清洁空气中阻值≤10M；灵敏度≥3(100ppmCO)；响应时间≤10秒；气体分辨率≥3(100ppmCO，H2)。中试所确定的元件制作工艺可作为批量生产的依据，建议进行批量生产，并着手组织力量设计与元件匹配的传感器，并组织生产整机。
纳米陶瓷范文2
关键词纳米陶瓷，团聚，表面改性，应用
1前 言
纳米材料为颗粒或尺寸在一维尺度上小于100nm，并且具有截然不同于块状材料的电学、磁学、光学、热学或力学性能的一类材料体系[1]。其介于团簇与体相之间的特殊状态，具有宏观体相的元胞和键合结构[2]，赋予了纳米微粒许多优异的性能，如小尺寸效应、表面与界面效应、体积效应、宏观量子隧道效应等。
Si3N4、AlN、TiN、SiC、BN等陶瓷纳米粉体是一类高性能的纳米材料，除了具备纳米级材料所特有的效应，还保持了陶瓷材料的高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能。目前，科研工作者已研究了其在塑料、橡胶、聚氨酯等材料中的应用，制备了一系列性能优异的复合材料。但是由于纳米粒子的比表面积大，表面能高，具有很高的活性，处于非热力学稳定状态，且在使用过程中分散性差，易于团聚[3～4]，所以在应用上还存在着技术瓶颈。因此，在制备和应用的过程中需要通过对其进行表面改性处理，以更好地发挥其特殊的功能效应。
2陶瓷纳米粉体的表面改性与应用
2.1 纳米氮化硅（Si3N4）
纳米Si3N4表面呈叔胺结构（Si3N），由于其表面积大，表面硅原子的化学键得不到饱和，存在着许多硅悬键（N3Si0）。当它们暴露于空气中时，该结构具有很高的反应活性，能与空气中的水和氧发生缓慢的反应，而在粉体的颗粒表面生成一系列的表面活性基团。对纳米氮化硅粉体的XPS和FTIR分析表明，颗粒表面的吸附杂质主要是O2及CO2、H2O。
纳米Si3N4的改性方法有化学方法和物理方法两种，其中化学方法有偶联剂法、表面活性剂法、大分子法等。王君等人[5]用硅烷偶联剂缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH-50）对纳米氮化硅进行表面改性，实验证明该方法有效、可行，并且KH-50的最佳用量为氮化硅用量的1%。田春燕[6]通过实验发现加入适量的表面活性剂能改善纳米Si3N4的分散效果，阳离子型表面活性剂聚甲基丙烯酸胺的分散效果优于非离子型表面活性剂吐温280；分散体系的pH值也影响纳米Si3N4粉的分散效果。张卫昌[7]等人用液体羧基丁腈橡胶对纳米Si3N4粉体表面进行改性研究，处理过的Si3N4粉体粒径明显减小，在有机溶剂中的分散性良好；亲水性减小，亲油性增加，表面自由能明显降低，处理后的纳米Si3N4粉体更容易在聚合物中分散。
纳米粒子物理改性的手段可分为机械力分散法、超声波分散法、高能处理法等。F.Brenscheidt[8]等人用高强度脉冲法对Si3N4陶瓷的纳米粉体进行表面修饰，发现其力学性能尤其是抗磨性能得到很大的提高。
氮化硅[9]既可作发动机零部件和刀具材料，又可做抗腐蚀和电磁方面的材料，但其塑性变形能力差、韧性低、不易形变。由于纳米粉末具有巨大的比表面积，使作为粉末性能驱动力的表面能剧增，扩散速率增大，路径变短，因而烧结致密化速度加快，温度下降，烧结时间缩短，既可获得很高的致密化又可获得纳米级尺度的显微结构，这样的纳米陶瓷具有最佳的力学性能，还有利于减少能耗，降低成本。纳米Si3N4的烧结温度比微米级的降低了400～500℃。许多研究还发现，将纳米氮化硅粉体加入聚合物中也有望提高聚合物复合材料的相关性能：夏茹等[10]用粒径为20nm的纳米氮化硅(Si3N4)填充丁腈橡胶(NBR)制备纳米橡胶复合材料，用大分子偶联剂对纳米Si3N4进行表面处理，研究了复合材料的力学性能和热老化性能等。结果表明，纳米Si3N4的加入一定程度上提高了NBR的撕裂强度、拉伸强度、耐磨性等，明显降低了内耗，改善了橡胶的动态力学性能和耐热老化性能。董英鸽等人[11]以微米级氮化硅为起始原料，加入纳米氮化硅来增强基体，随着加入量的增加，显气孔率增加，吸水率增加；加入3wt%的纳米氮化硅时，试样的体积密度最大，抗弯强度、洛氏硬度、断裂韧性最好，具有较理想的显微结构。
对纳米Si3N4粒子进行适当的表面改性可有效阻断在高表面能作用下的团聚现象，继续保持纳米Si3N4粒子的特有性能，从而拓展了纳米Si3N4的应用领域。
2.2 纳米氮化铝（AlN）
红外光谱测出在氮化铝粉末表面存在着-OH、-NH-和-NH2等活性基，因此可以认为在氮化铝表面同样发生了类似于氮化硅表面所发生的表面化学反应。此外，氮化铝粉末由于表面活性较高，易与空气中的水蒸气发生反应，因此氮化铝粉末表面还会包覆Al(OH)3或AlOOH（铝水合物）的薄膜。
徐征宙[12]等人用硅烷偶联剂KH-550对纳米AlN粉末表面进行修饰改性并采用XRD和红外光谱分析了硅烷处理AlN粉末的修饰机理。马文石[13]对纳米AlN粉用偶联剂-苯乙烯接枝进行表面修饰，显著提高了其抗水解的能力，室温下长达一个月遇水不发生变化；在70℃的热水浴浸泡24h，其悬浮液pH值仍能保持在7.0。其最佳工艺条件是：以无水乙醇为溶剂、处理剂的加入量为5wt%、70℃反应3h，活化指数可以达到1.0。
AlN陶瓷纳米粉体本身具有极好的热稳定性和优良的导热性，当表面经修饰处理的纳米陶瓷粉体在橡胶基体中均匀地分散并达到良好的相容时，不仅对橡胶具有明显的补强效果，而且能将橡胶动态内耗生热有效导出，从而提高橡胶耐动态热老化性能，延长其寿命，特别适合制造汽车橡胶减震件。王涂根[14]研究了纳米AlN含量对复合材料性能的影响和Cu/AlN复合材料的软化温度特性。结果表明，在烧结过程中，弥散分布在铜基体中的纳米AlN颗粒对致密化以及晶粒长大都有阻碍作用。随着复合材料中AlN颗粒质量分数的增加，材料的密度和导电性呈下降趋势，而硬度出现极大值。复合材料的软化温度达到700℃，远远高于纯铜的软化温度(150℃)，从而提高了材料的热稳定性。
2.3 纳米氮化钛（TiN）
氮化钛具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗热震、密度低且硬度高等优异性能，用它作为增强相，可有效提高金属、陶瓷基体材料的力学性能和导电性能。它的熔点比大多数过渡金属氮化物高，而密度却比大多数过渡金属氮化物低，因而它是一种很有特色的陶瓷材料，可用以制造汽车橡胶减震件。
许育东[15]等人运用超声分散技术研究了纳米TiN粉的分散性能并得到了优化的超声及分散工艺参数：分散介质为无水乙醇，加入量为3wt%，超声时间为30～40min。实验发现，分散体系中表面活性剂的引入是必要的，且加入量要合适。加入吐温-80等非离子型表面活性剂比加入十二烷基苯璜酸等阴离子表面活性剂的效果更好。分散体系的pH值对分散状况有一定的影响。
刘宁[16]等人研究了纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具与普通Ti(C，N)基金属陶瓷刀具及硬质合金刀具在切削正火态45钢时的磨损曲线及磨损机理。结果表明：纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具的效果明显；与硬质合金刀具相比，纳米改性金属陶瓷刀具优良的综合性能使其具有更高的耐磨性。夏法锋[17]等人研究的含有纳米TiN粒子的Ni2TiN复合镀层，不仅具有细密的显微结构，而且表现出优良的性能，如较高的硬度以及良好的耐磨性能和耐腐蚀性能。Ni2TiN复合镀层的磨损量大约为纯镍镀层的1/5，其平均腐蚀速率为纯镍镀层的1/3左右，20钢的1/5。
2.4 纳米氮化硼（BN）
氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体，化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮，具有四种不同的变体：六方氮化硼(hBN)、菱方氮化硼(rBN)、立方氮化硼(cBN)和纤锌型氮化硼(wBN)。其中立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，但热稳定性和化学惰性远高于金刚石。具有弱铁磁性，在573～973K有氧化性，表面有B2O3保护层（反应式为2BN+3/2O2=B2O3+N2）。而六方氮化硼的突出特点是具有类似石墨的层状结构和很好的性。
王向东[18]以氢氧化法制备出纳米氮化硼包覆微米氮化硅的Si3N4/BN纳米复合粉体，氮气氛下处理后，所得复合粉体经1800℃热压烧结可获得加工性能良好的复相陶瓷。李永利等通过原位化学包覆工艺制备的可加工Al2O3/BN纳米复合材料的抗热震性能明显优于Al2O3基体材料，其热震温差ΔTc从195℃提高到约395℃，抗热震损伤性能也得到相应的改善。
2.5 纳米碳化硅（SiC）
碳化硅为共价化合物，Si-C之间的键合力很强，属于金刚石结构。它的高温强度大，一般陶瓷在1200℃～1400℃时强度显著下降，而碳化硅的抗弯强度在1400℃时仍保持在500～600MPa。碳化硅的热传导能力很高，热稳定性、耐蚀性、耐磨性也很好。作为陶瓷材料，它具有高硬度、高热稳定性及抗腐蚀性；作为半导体材料，它有宽的带隙、耐电击穿、热稳定性好等特点。
李超[19]等人根据置换反应的原理将Cu2+还原为Cu原子，在纳米SiC颗粒表面成核，实现了Cu包覆纳米SiC颗粒。分析表明：复合粉体包覆完全、分散均匀、无明显团聚、大部分呈球形。在空气中会部分氧化，生成一定量的Cu2O，应用时可根据需要进行适当处理。纳米SiC颗粒表面改性后，可以改善其在Cu基合金中的分散性和相容性，满足了表面改性的要求。
车剑飞[20]采用缩聚法在纳米SiC表面接枝了聚缩醛。分析结果表明，纳米SiC表面形成了良好的表面修饰层，接枝物聚缩醛以化学键结合于纳米SiC表面。张巨先、候耀永[21]以pH值缓冲溶液作为沉淀剂，利用非均匀成核法在纳米SiC微粒表面均匀涂覆一层Al(OH)3。通过控制 Al(OH)3的生成量，控制涂层的厚度。涂覆后的SiC粒子表面性质被改变，其水悬浮液表现出类似Al2O3的胶体特性，并且其在水中的分散状况也得到改善。此外，涂覆后的SiC粒子，在1000℃以下具有很强的抗氧化能力。
李建卫[22]等人采用改性纳米SiC粉体对球墨铸铁进行了强韧化处理，研究了不同的纳米SiC粉体加入量对球墨铸铁的微观组织、力学性能以及耐磨损性能的影响。结果表明，经改性的纳米SiC粉体强韧化处理后，球墨铸铁的韧性和耐磨损性能提高，其中的石墨球尺寸减小，圆整度提高，铁素体含量增多。当粉体加入量为0.11%(质量分数)时，其延伸率和冲击功分别增加了19%和194%。耐磨损性能提高的原因是石墨球形态的改善和基体组织韧性的提高。
喻丽华[23]用分散良好、界面结合良好的纳米SiC改性酚醛树脂，用超声波对纳米SiC进行物理分散，用偶联剂对其进行表面化学改性。经表面改性的SiC纳米粒子酚醛树脂较纯酚醛树脂的热稳定性要好。
由于SiC纳米粉制得的涂层具有更为优良的耐高温强度、耐磨性，可作为结构材料广泛应用于航空、航天、汽车、机械、石化等工业领域；SiC材料的高热导率和高绝缘性等特性，使其可在电子工业中作大规模的集成电路的基片和封装材料；SiC纳米涂层也是高温结构陶瓷的理想材料，可涂覆在高温燃气轮机的转子、喷嘴、燃烧器、高温气体的热交换器部件上，以及发动机的汽缸和活塞等部件上，还可作为核反应堆材料及火箭头部雷达天线罩等。高热辐射性是SiC纳米涂层的一个很有实用价值的特性。将SiC纳米涂层喷涂于各种加热炉的内衬上，可增加炉壁的热辐射能力，提高加热元件或炉体与工件之间的热交换强度和速度，实现高效节能的目的[24]。致密的SiC纳米涂层光散射小、在宽电磁波范围内反射率高，因此是迄今为止最为理想的卫星反射镜材料[25]。
3结 论
只有解决好纳米粒子在材料中的团聚问题，纳米粒子的特殊效应才会在材料中得到很好的体现，从而使材料的力学、光学、热学等方面的性能得到较大的提高。由于纳米材料表面处理技术复杂、成本高，以及在不同的应用领域往往需要不同的改性方法，这为改性纳米陶瓷工业化推广带来诸多不便，需要不断探索更简便、更有效的改性方法，从而更广泛地推进纳米陶瓷的应用。
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Surface Modification and Application of Nano-Powder
Wang HaiyanZhang Yuchuan
(College of Chemistry and EngineeringAnhui UniversityHefeiAnhui 230031)
纳米陶瓷范文3
关键词：纳米硬度显微镜度钾长石陶瓷 显微结构
中图分类号：J527 文献标识码：A 文章编号：
1. 前言
硬度是“某一物体抵抗另一物体产生变形能力的度量”，它反映了材料的弹性极限、弹性模量、屈服极限、脆性、乃至于材料结晶状态、原子间键结合力和原子结构等特性，是材料局部区域力学性能在特定条件下的整体综合表现。它是材料对外界物体机械作用的局部抵抗能力的一种表现，反映了固体物质凝聚或结合强弱的程度。
纳米压痕技术是最近几年发展起来的一种新技术[1]。纳米压痕硬度仪的主要功能是测量材料的硬度和弹性模量，还可以用来研究脆性材料的断裂韧性、金属材料的屈服应力和应变硬化特征[2]、聚合物的阻尼和内摩擦参数特性如存储和耗散模量、蠕变的活化能和应力指数[3]、薄膜的力学性能和摩擦系数[4]等。
纳米硬度其测试原理有经典力学方法（Oliver和Pharr方法）、应变梯度塑性理论、Hainsworth方法等等，其中经典力学方法是目前使用最广的方法，也是当前市场上主要的商业化纳米硬度计中所设置的计算方法[5]。该理论认为：在加载过程中，试样首先发生弹性变形，随着载荷的增加，试样开始发生塑性变形；卸载曲线反映了被测物体的弹性恢复过程。通过分析加载卸载曲线可以得到材料的硬度和弹性模量。
纳米硬度的计算仍采用传统的硬度公式
(1-1)
其中：Fmax－最大压入载荷；A－压痕的投影面积。
弹性模量E由下面的公式推导
(1-2)
(1-3)
其中S为卸载曲线上端部的斜率，β为与压头有关的常数[54]。Er为复合响应模量，Ei，Vi分别为压头的弹性模量和泊松比。
为了从载荷－位移数据中计算出硬度和弹性模量，必须知道弹性接触韧度(S)和接触面积(A)。但是与传统硬度计算不同的是，A值不是由压痕照片得到的，而是根据“接触深度”计算得到的，这是因为纳米压痕试验中载荷和压深很小，如果采用传统方法确定A值，则计算出的硬度值误差很大。
Oliver-Pharr方法是通过将卸载曲线顶部的载荷与位移的关系拟合为一指数关系：
(1-4)
此处B和m为拟合参数，hf为完全卸载后的位移。弹性接触韧度便可以对其积分计算出
(1-5)
为了确定接触面积，我们首先必须知道接触深度hs[34]，对于弹性接触[55]，接触深度总是小于总的穿透深度（即最大位移hmax）。接触深度可以由下式（1-6）给出
(1-6)
此处是一与压头形状有关的常数。接触面积A便可以根据经验公式A＝f(hs)计算得出[34]。一旦知道了接触韧度和接触面积，硬度和弹性模量便可以计算出。
是否考虑弹性变形，是显微硬度与纳米硬度最大的区别，在纳米硬度法测量陶瓷材料时，其弹性变形在总变形中的比例较大，纳米硬度法获得的数值与显微硬度获得的数值相差势必较大。
2．纳米硬度在测量钾长石陶瓷中的意义
目前，人们的讨论都没有考虑到陶瓷材料的显微结构对测试结果的影响，例如，在压痕法测试钾长石陶瓷中，在4.9N的载荷下，其裂纹长度为30微米左右，在此范围内，试样的显微结构是不均匀的。这就使得压痕法测得的硬度值与断裂韧性值存在一定的离散性。在Ritter报道的采用Vickers压痕对钠钙硅酸盐试验中，在9.8N的载荷下获得的压痕裂纹，其尺寸的变异系数(即均方差与平均值之比)为14.4％[5]。在压痕法测量陶瓷复合材料时，其裂纹长度一般为几十个微米左右，在此范围内，陶瓷的显微结构是不均匀的，同时，不同的晶相组织对裂纹生长的影响也是不同的，所以，对于陶瓷复合材料来讲，压痕法得到的只是材料局部的力学性能而不是材料宏观的力学性能。压痕法只是适合于内部组织均一的陶瓷进行力学性能测定。为了解决这个问题，由于试验仪器方面的限制，人们以往的做法是从统计学的角度出发，多采集试验数据[6]，而没有在根本上从材料学的角度去解决这个问题。
纳米硬度仪通过自身的AFM系统，能够直观的区别陶瓷微观组织中的玻璃相与晶相，通过分别测量钾长石晶相与玻璃相的硬度值，可以直观的显示出陶瓷内部不同组织对陶瓷整体硬度值的贡献。通过金相显微观察出不同制备方法的陶瓷试样的晶相含量，就可以定性的分析不同制备方法制备的试样硬度值[7]。
3．显微硬度测试钾长石陶瓷力学性能的不足
将钾长石粉末经过相关成型工艺后在1250℃，保温60min进行烧结，烧结后得到的试样经HF腐蚀后进行显微硬度测试，其具体的压痕情况见下图。
从图1中可以看出，对P3试样相近区域进行显微硬度试验，压痕b效果较好，而压痕a出现破碎现象，没有获得较好的压痕，不能进行硬度的测量，这是由于钾长石试样中存在一定的玻璃相，而在用显微硬度测量钾长石陶瓷试验中，由于陶瓷中的玻璃相在加载过程中出现破碎现象，无法获得较好的压痕，进而无法得到其硬度值。所以在显微硬度测量时，我们得到的只是晶相或者是大部分为晶相区域的硬度值，这就无法反映钾长石陶瓷整体的力学性能。而如果减小加载载荷直至到测量玻璃相的硬度值也不会发生破碎现象时，其载荷太小，用肉眼去测量压痕长度时误差太大，其数据不可信。
4. 钾长石晶相硬度值的测定
对钾长石晶相进行纳米硬度试验，试验过程为实验过程：
(1)采用光学显微镜聚焦于试样，并划定安全界限；
(2)调整air-indent控制参数为：载荷为50N；加载、卸载速率为25N /sec，进行air-indent，校正设备；
(3)设置预定载荷加载,具体加载-卸载曲线如图2所示压针逼近试样表面，并确定表面接触零点，压入试样，卸载，返回数据。
通过实验得到的载荷-位移曲线得到晶相的硬度值，如图3所示，其硬度值为12.77GPa。
图4与图5分别为纳米硬度试验前后的AFM图，图中白色区域为晶相，这是因为试样经过HF腐蚀后，玻璃相腐蚀较多，从图4的表面粗糙度分析也可以看出晶相与玻璃相的区别。图中晶相粗糙度很小，能够进行纳米硬度试验。从图5中可明显看出硬度试验后的压痕。
五，结论
通过纳米硬度可以针对陶瓷内部具体显微结构进行力学性能测试，为研究陶瓷各种显微结构，各种晶相组织及玻璃相对陶瓷整体力学性能的影响开辟了一条新的思路。
参考文献
Tabor D.Indentation Hardness; Fifty years on a personal view. Philo Mag A, 1996, 74(5): 1207-1212
Oliver W C, Pharr G M. J , Mater, Res, 1992, 37(6): 1564
Pharr G M. Measurement of mechanical properties by ultra-low load indentation.Mater Sci Eng A, 1998, 253; 151-159
Field J S, Swain M V. Asimple predictive model for spherical indentation. J Mater Res, 1993, 8(2): 297-306
Loubet J L, Lucas B N, Oliver W C.Some measurements of viscoelastic properties with the help of nanoindentation. In: NIST Special Publication 896, International Workshop on Instrumented Indentation.San Diego, CA, 1995. 31-34
纳米陶瓷范文4
一、纳米材料在工程上的应用
纳米材料的小尺寸效应使得通常在高温下才能烧结的材料如SiC,BC等在纳米尺度下在较低的温度下即可烧结,另一方面,纳米材料作为烧结过程中的活性添加剂使用也可降低烧结温度,缩短烧结时间。由于纳米粒子的尺寸效应和表面效应,使得纳米复相材料的熔点和相转变温度下降,在较低的温度下即可得到烧结性能良好的复相材料。由纳米颗粒构成的纳米陶瓷在低温下出现良好的延展性。纳米TiO2陶瓷在室温下具有良好的韧性,在180°C下经受弯曲而不产生裂纹。纳米复合陶瓷具有良好的室温和高温力学性能,在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等方面具有广泛的应用,在许多超高温、强腐蚀等许多苛刻的环境下起着其它材料无法取代的作用。随着陶瓷多层结构在微电子器件的包封、电容器、传感器等方面的应用,利用纳米材料的优异性能来制作高性能电子陶瓷材料也成为一大热点。有人预计纳米陶瓷很可能发展成为跨世纪新材料,使陶瓷材料的研究出现一个新的飞跃。纳米颗粒添加到玻璃中,可以明显改善玻璃的脆性。无机纳米颗粒具有很好的流动性,可以用来制备在某些特殊场合下使用的固体剂。
二、纳米材料在涂料方面的应用
纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。
日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。
三、纳米材料在催化方面的应用
催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。
光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的TiO／SiO2负载型光催化剂。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。
四、纳米陶瓷材料增韧改性
纳米陶瓷范文5
关键词:纳米技术;新型建材;应用;前景
1 纳米涂料的应用
通常传统的涂料都存在悬浮稳定性差,耐老化、耐洗刷性差,光洁度不够等缺陷。而纳米涂料则能较好的解决这一问题,纳米涂料具有下述优越的性能:(1)具有很好的伸缩性,能够弥盖墙体细小裂缝,具有对微裂缝的自修复作用。(2)具有很好的防水性,抗异物粘附、沾污性能,抗碱、耐冲刷性。(3)具有除臭、杀菌、防尘以及隔热保温性能。(4)纳米涂料的色泽鲜艳柔和,手感柔和,漆膜平整,改善建筑的外观等。
2 纳米水泥的应用
普通水泥混凝土因其刚性较大而柔性较小,同时其自身也存在一些固有的缺陷,使其在使用过程中不可避免地产生开裂并破坏。为了解决这一问题就必须加速对具有特殊性能混凝土的研发,而纳米混凝土就能有效的解决这样问题,纳米混凝土,与普通混凝土相比,纳米混凝土的强度、硬度、抗老化性、耐久性等性能均有显著提高,同时还具有防水、吸声、吸收电磁波等性能,因而可用于一些特殊的建筑设施中(如国防设施)。通常在普通混凝土中加入纳米矿粉(纳米级SiO2、纳米级CaCO3)或者纳米金属粉末已达到纳米混凝土的性能,而且通过改变纳米材料的掺量还能配置出防水砂浆等。目前开发研制的纳米水泥材料包括纳米防水复合水泥,纳米敏感水泥、纳米环保复合水泥以及纳米隐身复合水泥。
纳米防水水泥是通过在水泥中添加XPM水泥外加剂的纳米材料而制成的,该纳米外加剂掺入水泥后,可以加快水泥诱导期和加速期的水化反应,改善水泥凝固的三维结构,同时提高水泥石的密实度,增强了防水性能。
纳米敏感水泥是在水泥中加入对周围环境变化十分敏感的纳米材料,从而达到改善水泥制品温敏、湿敏、气敏、力敏等性能。根据添加的敏感材料的不同可将纳米敏感水泥用于化工厂的建设、高速路面的铺设等。
纳米环保复合水泥是利用纳米材料的光催化功能,从而使水泥制品具有杀菌、除臭以及表面自清洁等功能。通常是选用TiO2作为纳米添加剂。
纳米隐身复合材料是通过使用具有吸收电磁波功能的纳米材料(纳米金属粉居多),在电磁波照射时,纳米材料的表面效应使得原子与电子运动加剧,促使电子能转化为热能,加强对电磁波的吸收,从何使材料能够在很宽的频带范围内避开雷达、红外光的侦查,这一材料常用于军事国防建筑等。
3 纳米玻璃的应用
普通玻璃在使用过程中会吸附空气中的有机物,形成难以清洗的有机污垢,同时,水在玻璃上易形成水雾,影响可见度和反光度。而通过在平板玻璃的两面镀制一层TiO2纳米薄膜形成的纳米玻璃,则能有效的解决上述缺陷,同时TiO2光催化剂在阳光作用下,可以分解甲醛、氨气等有害气体。此外纳米玻璃具有非常好的透光性以及机构强度。将这种玻璃用作屏幕玻璃、大厦玻璃、住宅玻璃等可免去麻烦的人工清洗过程。
4 纳米技术在陶瓷材料中的应用
陶瓷因其具有较好的耐高温以及抗腐蚀性以及良好的外观性能而在工程界得到了广泛的应用(如铺贴墙面的瓷砖),但是陶瓷易发生脆性破坏,因而在使用过程中也受到了一定的限制。使用纳米材料开发研制的纳米陶瓷则具有良好的塑性性能,能够吸收一定量的外来能量。在陶瓷基中加入纳米级的金属碳化物纤维可以大大提高陶瓷的强度,同时具有良好的抗烧蚀性,火箭喷气口的耐高温材料就选用纳米金属陶瓷作为耐高温材料。用纳米SiC、Si3N、ZnO、SiO2、TiO2、A12O3等制成的陶瓷材料具有高硬度、高韧性、高强度、耐磨性、低温超塑性、抗冷热疲劳等性能优点。纳米陶瓷将作为防腐、耐热、耐磨的新材料在更大的范围内改变材料的力学性质,具有非常广阔的应用前景。
5 纳米技术在防护材料中的应用
通常是在胶料中加入炭黑等以提高材料的防水性能,但这种材料的耐腐蚀性以及耐侯性较差,易老化,研制具有高强、耐腐蚀、抗老化性能的防水材料也是工程界一直在积极研究的问题,纳米防水材料能够很好满足上述要求,北京建筑科学研究院就成功的研制了具有较好耐老化性能的纳米防水卷材,该类防水卷材具有很好的强度、韧性、抗老化性以及光稳定性、热稳定性等。纳米防水卷材具有叫广泛的应用前景,如建筑顶面、地下室、卫生间、水利堤坝以及防潜工程等。
6 纳米保温材料
随着我国推行节能减排的方针,工程界也越来越注重建筑的保温节能性能,我国目前使用的比较多的仍是聚氨酯、石棉等传统隔热保温材料,这些材料在使用过程中容易产生一些对人体有害的物质,如石棉与纤维制品含有致癌物质,聚氨酯泡沫燃烧后释放有毒气体,而通过使用纳米材料开发研制的保温材料则能避免这些弊端,如以无机硅酸盐为基料,经高温高压纳米功能材料改性而成的保温材料不仅具有很好的保温效果,同时对人体也无损害,是一种绿色环保保温材料。
7 纳米技术在其粘合剂以及密封材料和剂方面的应用
对于一些在深海中作业的结构以及其他特殊环境下工作的构件,它们对结构的密封性的要求非常高,已超过了普通粘合剂和密封剂所能满足的范围。国外通过在普通粘合剂和密封胶中添加纳米SiO2等添加剂,使粘合剂的粘结效果和密封胶的密封性能都大大提高。其工作机理是在纳米SiO2的表面包覆一层有机材料,使之具有永久性,将它添加到密封胶中很快形成一种硅石结构,即纳米SiO2形成网络结构的胶体流动,提高粘接效果,由于颗粒尺寸小,更增加了胶的密封性。大型建材机械等主机工作时的噪声达到上百分贝,用纳米材料制成的剂,既能在物体表面形成半永久性的固态膜,产生根好的作用,大大降低噪声,又能延长装备使用寿命,具有非常好的应用前景。
纳米陶瓷范文6
专利号：200620065647.3
生产陶瓷用的布料系统装置
本实用新型公开了生产陶瓷用的布料系统装置，包括固定机架，固定机架上设有移动架，移动架由安装在固定机架上的传动机构来带动，移动架上设有输送带，输送带由安装在移动架上的传动机构来带动。首先在输送带平面上布上构成花纹图案的物料，然后启动固定机架上的传动机构来迫使移动架往前走，当输送带的前端运动到模具或坯体的上方时，固定机架上的传动机构迫使移动架往后走，同时移动架上的传动机构驱使输送带以移动架同样的速率往前转动，这样，输送带上的构成花纹图案的物料就会均匀、准确地落到模具或坯体的上方。
专利号：200620154787.8
陶瓷材料反光装置
本实用新型涉及照明装置技术领域，具体地说是一种陶瓷材料反光装置，包括杯或罩，以及灯泡安装孔，其特征在于装置采用多晶多相陶瓷材料烧结制成，杯罩的内表面上一层透明的白釉，在其表面上形成光滑反射面和反射界面。本实用新型同现有技术相比，能得到在一定角度内光通量更大、含紫外光线更少、光线更均匀柔和的优质光照。上釉的烧结陶瓷材料其成分可以是普通硅酸盐陶瓷，也可是致密氧化物陶瓷，这种材料对可见光具有镜面反射和漫反射作用，对紫外线有很好的吸收。上釉后，透明的釉层及界面对可见光也有镜面反射、散射、透射及增反射作用，烧成釉层时采用快速冷却或添加二氧化钛，可增大釉面的镜面反射率。
专利号：200620044421.5
数控陶瓷器具切削机床
本实用新型涉及一种用于半瓷化陶瓷进行切削加工的数控陶瓷器具切削机床。包括底座、主轴箱、数控滑台、刀架、刀具、尾座及其电气控制系统；主轴箱的主轴上或主轴与尾座上装有陶瓷器具定位夹紧装置；所述陶瓷器具定位夹紧装置由带定位的夹具体、连接在夹具体上的压紧螺母，以及安装在夹具体内的弹性垫组成；或由安装在主轴上的定位轴、安装在尾座上装有弹性垫块的夹紧装置组成；或由安装在主轴上的夹具体、安装在夹具体上的真空吸盘，以及将真空吸盘与真空系统相连的连接件组成。本实用新型适用于传统的陶瓷工业进行数控化改造，使陶瓷器具与工业陶瓷形状更精确，可以加工优美的花纹和花边，达到高档产品的要求。
专利号：200620141353.4
一种建筑陶瓷
本实用新型涉及一种建筑陶瓷，其基体的表面依次附着有彩色涂料层和金属层。另外，在陶瓷基体表面和彩色涂料层之间，还具有一层结晶体。由于在陶瓷基体的表面增加了彩色涂料层和金属层，使得建筑陶瓷的外观具有彩色的金属光泽，美观、富丽，大大增加了其作为装饰材料的效果。
专利号：200620154177.8
内衬聚合纳米陶瓷的钢管
