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1、电子陶瓷工艺原理大作业 学院：物理与光电工程学院 专业：电子科学与技术 班级： 05111202 姓名： 童杰 学号： 05111188 纳米陶瓷材料的制备技术及应用概述陶瓷材料作为材料的三大支柱之一 ,在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用 。但是 ,由于传统陶瓷材料质地较脆 ,韧性、强度较差 ,因而使它的应用受到了较大的限制 ,随着纳米技术的广泛应用 ,纳米陶瓷随之产生 ,希望以此来克服陶瓷材料的脆性 ,使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性 .英国著名材料专家指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径 ,因此纳米陶瓷的研究就成了当今材料科学研究的热点领域。纳米材料一般指尺寸为 1 100 ,
2、处于原子团族和宏观物体交接区域内的粒子 。而从原子团族制备材料的方法 ,称这为纳米技术 .纳米材料由于具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应而产生奇异的力学、电学、磁学、热学、光学和化学活性等特性 ,它既是一种新材料又是新材料的重要原料。所谓纳米陶瓷 ,是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料 ,也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上 .由于界面占有可与颗粒相比拟的体积百分比 ,小尺寸效应以及界面的无序性使它具有不同于传统陶瓷的独特性能 。本文将描述纳米陶瓷的主要制备技术及纳米陶瓷在光学、电学、力学等科学领域的应用。关键词纳米陶瓷、制备、应
3、用Deposition technologies and application of nano-technology ceramic materialsAbstractAs one of the three pillars of the ceramic material material, plays an important role in daily life and industrial production. However, since the conventional ceramic materials brittle texture, toughness, strength i
4、s poor, thus making the application has been greater restrictions, with the extensive application of nanotechnology, nano-ceramic attendant, hoping to overcome the ceramic material brittle, like the ceramic metal with the same flexibility and workability. Cahn pointed out that the famous British exp
5、erts nano-ceramic material is a strategic way to solve the brittleness of ceramics, so the research of nano-ceramic material has become a hot area of scientific research today.Nanomaterials generally refers to the size of 1 100nm, families and groups of atoms in the particle transfer of macroscopic
6、objects within the region. From the method of radical ethnic material preparation, saying it is nanotechnology. Nano materials have surface effect, volume effect, the quantum size effect and macroscopic quantum tunneling effect and produce bizarre mechanical, electrical, magnetic, thermal, optical,
7、and chemical activity and other characteristics, it is both a new and an important raw material of new materials. The so-called nano-ceramic, refers to the microstructure of ceramic materials with nanometer-scale phase, ie grain size, grain boundary width, the second phase distribution, defect size,
8、 etc. are on the nanometer level. Since the interface can have a different share unique properties compared to conventional ceramic particles prepared by the volume percentage of the small size effect and make the interface disorder.The main preparation techniques of nano ceramic and nano-ceramic ap
9、plications in the field of science optical, electrical, mechanical, etc. This article will describe.Key WordsNano-ceramic, deposition technologies, application前言陶瓷材料在日常生活、工业生产及国防领域中起着举足轻重的作用。但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了很大限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服传陶瓷的脆性，使其具有像金属一样的柔韧性和可加工性。与传统陶瓷相比。纳米陶瓷的原子在外
10、力变形条件下自己容易迁移，因此表现出较好的韧性与一定的延展性，因而从根本上解决了陶瓷材料的脆性问题。英国著材料科学家卡恩在Nature杂志上撰文道：“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。”所谓纳米陶瓷，是指陶瓷材料的显微结构中，晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都限于100nm以下，是上世纪80年代中期发展起来的新型陶瓷材料。由于纳米陶瓷晶粒的细化，品界数量大幅度增加，可使材料的韧性和塑性大为提高并对材料的电学、热学、磁学、光学等性能产生重要的影响，从而呈现出与传统陶瓷不同的独特性能，成为当今材料科学研究的热点。目录摘要2前言3第一章 纳米陶瓷加工中的理论问题 61.1 决定陶瓷
11、性能的主要因素1.2 扩散及烧结1.3 纳米陶瓷的超塑性1.4 纳米陶瓷增韧第二章 制备工艺和方法 92.1热化学气相反应法(CVD法)2.2激光气相法(LICVD法)2.3等离子体气相合成法(PCVD)2.4高压水热法2.5溶胶 -凝胶 (SOL-GEL)法第三章 纳米陶瓷的应用 19 3.1在力学方面的应用 3.2在光学方面的应用 3.3在生物、医学方面的应用3.4在磁学方面的应用3.5在电学方面应用结论 22参考文献 23第一章加工中的理论问题1.1决定陶瓷性能的主要因素 决定陶瓷性能的主要因素组成和显微结构 ,即晶粒、晶界、气孔或裂纹的组合性状 ,其中最主要的是晶粒尺寸问题 ,晶粒尺寸
12、的减小将对材料的力学性能产生很大影响 。图 1是陶瓷材料的晶粒尺寸与强度的关系图 ,其中的实线部分是现在已达到的 ,而延伸的虚线部分则是希望达到的。从图中可见晶粒尺寸的减小将使材料的力学性能有数量级的提高 ,同时 ,由于晶界数量级的大大增加 ,使可能分布于晶界处的第二相物质的数量减小 ,晶界变薄使晶界物质对材料性能的负影响减小到最低程度 ;其次 ,晶粒的细化使材料不易造成穿晶断裂 ,有利于提高材料韧性 ;再次 ,晶粒的细化将有助于晶粒间的滑移 ,使材料具有塑性行为 。因此 ,纳米陶瓷将使材料的强度、韧性和超塑性大大提高 ,长期以来人们追求的陶瓷增韧和强化问题在纳米陶瓷中可望得到解决。2.2扩散
13、及烧结由于纳米材料中有大量的界面 ,这些界面为原子提供了短程扩散途径及较高的扩散速率 ,并使得材料的烧结驱动力也随之剧增 ,这大大加速了整个烧结过程 ,使得烧结温度大幅度降低 .纳米陶瓷烧结温度约比传统晶粒陶瓷低6 0 0 ,烧结过程也大大缩短,以纳米2 陶瓷为例 ,不需要加任何助剂 ,1 22 粉可以在低于常规烧结温度 40 0 6 0 0下进行烧结 ,同时陶瓷的致密化速率也迅速提高。通过对2 3 浓度为 3%的2 纳米粉末的致密化和晶粒生长这2个高温动力学过程进行研究表明 ,由于晶粒尺寸小 ,分布窄 ,晶界与气孔的分离区减小以及烧结温度的降低使得烧结过程中不易出现晶粒的异常生长 。控制烧结
14、的条件 ,已能获得晶粒分布均匀的陶瓷体。美国和西德同时报道 ,成功地制备了具有清洁界面的纳米陶瓷2 (1 2),与粒度为 1 . 32 陶瓷相比得到相同硬度 ,而烧结温度降低 ,因而 ,纳米粉末的出现 ,大大改变了材料的烧结动力学 ,使陶瓷烧结得以很大的改善。2.3纳米陶瓷的超塑性所谓超塑性是指在拉伸试验中 ,在一定的应变速率下 ,材料产生较大的拉伸形变 ,一般陶瓷中 ,并不具备金属那样的晶格滑移系统 ,很难具备超塑性 ,在纳米材料中利用晶界表面众多的不饱和链 ,造成沿晶界方向的平移 ,超塑性就可能实现 .如等人在四方二氧化锆中加入2 3 的陶瓷材料中观察到超塑性达 80 0 % ,3 4纳米
15、陶瓷同样存在超塑性行为 ,是微米级3 4陶瓷的 2 1 . 4%。上海硅酸盐研究所研究发现 ,纳米 3 -陶瓷 (1 0 0左右 )在经室温循环拉伸试验后 ,其样品的断口区域发生了局部超塑性形变 ,形变量高达 380 % ,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。等人对制得的2 3 -纳米复相陶瓷进行拉伸蠕变实验 ,结果发现伴随晶界的滑移 ,2 3 晶界处的纳米粒子发生旋转并嵌入2 3 晶粒之中 ,从而增强了晶界滑动的阻力 ,也即提高了2 3 -纳米复相陶瓷的蠕变能力。最近研究发现 ,随着粒径的减小 ,纳米2 和陶瓷的形变敏感度明显提高 ,如图 2所示 ,由于这些试样气孔很少 ,可以认为这种趋势是细晶陶瓷所固有的 .
