正文 第12章 陶瓷增韌(1 / 1)

由於大多數陶瓷是由離子鍵或共價鍵組成的,所以與金屬材料和高分子材料相比,它有自己的特性:熔點高、硬度高、彈性模量高、高溫強度高、耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等。許多精細陶瓷都是優異的高溫結構材料。其中,有些陶瓷還具有優異的綜合性能,例如ZrO2,既是優良的結構材料,用於製造整形模、拉絲模、切削刀具、表帶、連杆、推杆、軸承、氣缸內襯、活塞帽、坩堝、磨球等;又是具有氧離子導電性的功能材料,用於製造氧傳感器,廣泛應用於檢測汽車尾氣,鍋爐煙氣及鋼液氧含量,還可製造高溫燃料電池和電化學氧泵。又如,Si3N4既可作發動機零部件和刀具材料,又可作抗腐蝕和電磁方麵應用的材料。SiC既是極有前途的高溫結構材料,又是常用的發熱體材料、非線性壓敏電阻材料、耐火材料、磨料和原子能材料。

然而,特種陶瓷與傳統陶瓷一樣,它的最大缺點是塑性變形能力差、韌性低、不易成型加工。由於這些缺點,材料一經製成製品,其顯微結構就難以像金屬和合金那樣可通過變形加工來求得改善,特別是其中的孔洞、微裂紋和有害雜質不可能通過變形加工來改變其形態或予以消除。並且,陶瓷的力學性能的結構敏感性也比金屬和合金強得多,因此,陶瓷材料往往容易產生突發性的脆性斷裂。由於這些缺點,使得結構陶瓷的廣泛應用受到一定的限製。改善陶瓷材料的韌性並達到工程化應用水平一直是材料科學家孜孜以求的目標。近年來的研究表明,由於納米陶瓷晶粒大大細化,晶界數量大幅度增加,可使陶瓷的強度、韌性和超塑性大為提高,並對材料的電、磁、光、熱等性能產生重要的影響。

由於納米粉末具有巨大的比表麵積,使作為粉末性能驅動力的表麵能劇增,擴散速率增大,擴散路徑變短。燒結活化能降低,因而燒結致密化速率加快,燒結溫度降低,燒結時間縮短。既可獲得很高的致密化,又可獲得納米級尺度的顯微結構組織,這樣的納米陶瓷將具有最佳的力學性能。還有利於減少能耗,降低成本。例如,納米Al2O3的燒結溫度比微米級。Al2O3降低了300℃~400℃;納米ZrO2的燒結溫度比微米級ZrO2降低了400℃;納米Si3N4燒結溫度比微米級Si3N4降低了400℃~500℃。納米Y—TZP陶瓷的超塑性應變速率比031μ的亞微米Y—TZP高出34倍;納米TiO2陶瓷的顯微硬度是普通TiO2的6.5倍;納米SiC陶瓷的斷裂韌性比普通SiC提高100倍。

近年來納米陶瓷的一個重要發展方向是納米複合陶瓷。納米複合陶瓷一般分為三類:①晶內型,即晶粒內納米複合型,納米粒子主要彌散於微米或亞微米級基體晶粒內;②晶間型,即晶粒間納米複合型,納米粒子主要分布於微米或亞微米級基體晶粒問;③晶內-晶間納米複合型,由納米級粒子與納米級基體晶粒組成。在陶瓷基體中引人納米級分散相粒子進行複合,使陶瓷材料的強度、韌性及高溫性能得到大大改善。