《纳米陶瓷》PPT课件

纳米陶瓷前言纳米材料之所以在近几十年来受到世界各国多方面的广泛关注，其根本原因是人们在研究中发现，纳米材料存在小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及量子隧道效应等基本特性。

这些特性使得纳米材料有着传统材料无法比拟的独特性能和极大的潜在应用价值。

由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性和强度都较差，因而使其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。

目前，虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的保温和高温力学性能，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等许多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻环境下起着其他材料不可替代的作用。

•利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料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（1～100nm），使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响。

纳米陶瓷材料的结构与常规材料相比发生了很大变化，颗粒组元细小到纳米数量级，比表面积大幅度增加，可使材料的强度、韧性和超塑性等力学性能大为提高，并对材料的热学、光学、磁学、电学等性能产生重要的影响。

1、高强度纳米陶瓷材料在压制烧结后，其强度比普通陶瓷材料高出4~5倍，如在100℃下纳米TiO2陶瓷的显微硬度为13000KN/mm²，而普通陶瓷的显微硬度低于2000KN/mm²。

2、高韧性纳米陶瓷由于其晶粒尺寸小至纳米级，在受力时可产生变形而表现出一定的韧性。

如室温下的纳米TiO2陶瓷表现出很高的韧性，压缩至原长度的1/4 仍不破碎。

3、超塑性纳米陶瓷在高温下具有类似与金属的超塑性，纳米TiO2 陶瓷在室温下就可发生塑性形变，在180℃下塑性形变可达100%。

4、烧结特性纳米陶瓷材料的烧结温度比传统陶瓷材料约低600℃，烧结过程也大大缩短。

12nm的TiO2粉体，不加任何烧结助剂，可在低于常规烧结温度400~600℃下进行烧结，同时陶瓷的致密化速率也迅速提高。

2.5 纳米材料纳米是一个尺度的度量;1nm=0.000000001m，即10－9m。

纳米材料—材料的组成中至少有一相的晶粒尺寸小于100nm的材料。

介观—介于宏观和微观之间的领域和微观领域之间的领域，包括团簇、纳米和亚微米体系。

其中的纳米体系就是指1~100nm之间的范围。

纳米材料可以分为纳米相材料和纳米复合材料。

纳米相材料—单相纳米颗粒组成的固相或多相构成，其中至少有一相为纳米级的固体材料。

纳米复合材料—可以为多种复合。

不同成分、不同相或不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体；把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中；纳米粒子分散到三维固体中。

如把纳米粒子放入常规的金属、高分子及陶瓷中。

2.5.1 纳米材料的基本特性：小尺寸效应——纳米材料中微粒尺寸小到光波波长或德布罗依波波长等物理特征相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，使得材料的声、光、电、磁、热、力学等性能出现改变而导致新的特性出现的现象叫纳米材料的小尺寸效应。

例如：光吸收明显加大，非导电材料的导电性出现，磁有序态向无序态转化，金属熔点明显降低等等。

表面界面效应：单位质量粒子表面积的增大，表面原子数目的骤增，使原子配位数严重不足，表面积带来高表面能，使粒子表面的原子及其活跃，很容易与周围的气体反应，也容易吸附气体的现象称为纳米材料粒子的表面效应。

由于表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合，因此，可提高烧结活性，催化剂的效率，吸波材料的效率，涂料的遮盖性，杀菌剂的效率等。

量子尺寸效应——微粒尺寸达到与光波波长或其他相干波长相当或更小时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散并使能隙变宽的现象叫纳米材料的量子尺寸效应。

纳米粒子的比热容，热膨胀率增大，磁性金属磁化率增大，纳米银粒径小于20nm时，成为绝缘体，纳米SiO2由绝缘体变为导体。

宏观量子隧道效应—微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。

纳米陶瓷的应用纳米陶瓷，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。

纳米陶瓷与普通陶瓷材料相比，在力学性能、表面光洁度、耐磨性以及高温性能诸方面都有明显的改善和提高。

陶瓷材料的脆性大、不耐热冲击、不均匀、强度差、可靠性低、加工困难等缺点大大地限制了陶瓷的应用。

随着纳米技术的广泛应用，希望以纳米技术束克服陶瓷材料的这些缺点，如降低陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。

因此纳米陶瓷被认为是解决陶瓷脆性的战略途径。

同时，纳米陶瓷也为改善陶瓷材料的烧结性和可加工性提供了一条崭新的途径。

另外由于纳米材料的特殊性能，其与陶瓷材料结合不仅可以提高陶瓷本身一些重要的性能，而且也克服了陶瓷的缺点——脆性、热冲低等，使纳米陶瓷有了发展的空间与必要。

研究表明当陶瓷材料成为纳米材料后，材料的力学性能得到极大改善，主要表现在以下三个方面：1)断裂强度大大提高；2)断裂韧性大大提高；3)耐高温性能大大提高。

由于纳米陶瓷具有独特的化学、物理和机械特性。

因此它们将被广泛的应用于各个领域：一、作为防护材料普通陶瓷在被用作防护材料时，由于其韧性差，受到弹丸撞击后容易在撞击区出现显微破坏、垮晶、界面破坏、裂纹扩展等一系列破坏过程，从而降低了陶瓷材料的抗弹性能。

纳米陶瓷高活性和耐冲击的性能，可有效提高主战坦克复合装甲的抗弹能力；增强速射武器陶瓷衬管的抗烧蚀性和抗冲击性；由防弹陶瓷外层和碳纳米管复合材料作衬底，可制成坚硬如钢的防弹背心；在离射武器方面如火炮、鱼雷等，纳米陶瓷可提高其抗烧结冲击能力，延长使用寿命。

目前，国外复合装甲已经采用高性能的高弹材料。

在未来的战争中，若能把纳米陶瓷用于车辆装甲防护，会具有更好抗弹、抗爆震、抗击穿的能力，提供更为有力的保护。

二、耐高温材料纳米陶瓷粉末涂料在高温环境下具有优异的隔热保温效果，不脱落、不燃烧，耐水、防潮，无毒、对环境无污染，对提高航空发动机的涡轮前温度．进而提高发动机的推重比和降低燃料消耗具有重要作用，适用于冶金、化工工业、电厂的热力锅炉及焦化煤气等热力设备和热力管网等高温设备的防腐、炉外降温，并有望成为舰艇、军用涡轮发动机高温部件的理想材料．以提高发动机效率、可靠性与工作寿命。