納米陶瓷制備工藝研究.pdf

1、納米陶瓷因優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性、抗氧化性、耐腐蝕及與金屬類似的超塑性，展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。然而，高致密度的納米陶瓷的制備卻非常困難。在高溫?zé)Y(jié)促進(jìn)致密化的過程中，總是伴隨著晶粒的快速長大。目前，最具商業(yè)價(jià)值的無壓燒結(jié)工藝在這一領(lǐng)域中的進(jìn)展并不如預(yù)想的那樣迅速，極大地制約了納米陶瓷的廣泛應(yīng)用。 本文考察了當(dāng)前納米陶瓷的致密化研究狀況，梳理出無壓燒結(jié)制備致密納米陶瓷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并有針對(duì)性地提出了解決問題的途徑。作者認(rèn)為，無壓燒結(jié)制備致

2、密納米陶瓷應(yīng)著重解決下述問題： A.制備粒徑細(xì)小、分散良好的無團(tuán)聚納米粉體。 B.制備出高密度、微觀結(jié)構(gòu)均勻的生坯。 C.采用動(dòng)態(tài)控制燒結(jié)技術(shù)，利用晶粒長大和致密化的動(dòng)力學(xué)差異，促使競(jìng)爭(zhēng)向有利于致密化的方向轉(zhuǎn)化。對(duì)于某些體系，相變輔助致密化效應(yīng)尤其值得關(guān)注。 在此基礎(chǔ)上，論文選擇了粉體制備、凝膠注模成型、相變輔助致密化結(jié)合動(dòng)態(tài)控制燒結(jié)三個(gè)問題為重點(diǎn)加以研究。并獲得如下主要結(jié)論： A.采用不

3、同濕化學(xué)工藝，制備出Al2O3、Nb2O5、TiO2納米粉體。結(jié)果表明：碳酸銨鋁(AACH)經(jīng)1100℃煅燒1.5 h，可以獲得平均晶粒尺寸為30 nm的α-Al2O3納米粉體，添加α-Al2O3籽晶后，煅燒溫度可降至1050℃。AACH在煅燒中的相變歷程：AACH→amorphous→γ→δ→θ→α，與γ-AlOOH中γ→α相變沒有本質(zhì)的區(qū)別，缺乏δ-Al2O3并非AACH相變歷程的特征。使用粗晶氧化鈮及濃硫酸為原料，采用沉淀法可低成

4、本制備出各種晶型的納米Nb2O5粉體。在煅燒過程中納米Nb2O5粉體歷經(jīng)amorphous→δ→γ→β→α相變歷程。 B.在水基凝膠注模中，分散劑PAA-Na有效降低氧化鋁的等電點(diǎn)并增加Zeta電勢(shì)，分散效果良好，分散劑的最佳用量為1.6wt％。pH值對(duì)料漿顆粒表面的Zeta電勢(shì)的影響非常大，當(dāng)pH值在10.5左右時(shí)，料漿最穩(wěn)定。懸浮體的粘度隨著球磨時(shí)間的延長而降低，當(dāng)球磨時(shí)間達(dá)到10 h時(shí)，粘度最小，球磨時(shí)間繼續(xù)延長時(shí)，粘度

5、有增大的趨勢(shì)。固相量的增大，使氧化鋁陶瓷料漿的粘度迅速增大。采用水基凝膠注模工藝對(duì)于所用納米氧化鋁粉體所能達(dá)到的最高固相量?jī)H為30 vol％。無法滿足凝膠注模的需求。采用有機(jī)溶劑基凝膠注模工藝對(duì)所選納米氧化鋁粉體可以獲得40 vol％固相量的料漿。提高料漿溫度可以顯著降低體系粘度，在阻聚劑0.5mmol/L對(duì)苯二酚協(xié)助下，70℃料漿固化誘導(dǎo)期延長至約60 min。所得料漿成功澆鑄出結(jié)構(gòu)致密均勻的生坯。盡管燒結(jié)樣品結(jié)構(gòu)均勻性良好，相對(duì)密度

6、仍然偏低，進(jìn)一步提高料漿固相量仍有待進(jìn)一步開發(fā)。 C.論文采用動(dòng)態(tài)控制燒結(jié)、相變輔助致密化效應(yīng)，研究納米γ-Nb2O5、β-Nb2O5、TiO2陶瓷的致密化和晶粒長大過程。結(jié)果表明：動(dòng)態(tài)控制燒結(jié)技術(shù)和相變輔助致密化效應(yīng)有效利用了晶粒長大和致密化的動(dòng)力學(xué)差異，促進(jìn)致密化的同時(shí)，晶粒尺寸維持在納米范疇；可以用無壓燒結(jié)工藝獲得致密的、晶粒尺寸分別為～80 nm和～40nm，接近完全致密的γ-Nb2O5和β-Nb2O5納米陶瓷。在δ-

7、Nb2O5→γ-Nb2O5相變溫度附近，納米Nb2O5致密化速率顯著提高。在1000℃以前，隨著相變的進(jìn)行，Nb-O-Nb鍵強(qiáng)持續(xù)降低，鍵的松弛和斷裂導(dǎo)致大量單空位尺度的缺陷，導(dǎo)致原子可遷移性大幅提高，是導(dǎo)致致密化速率提升的主要原因。在TiO2燒結(jié)過程中，伴隨著銳鈦礦→金紅石相變的是大量單空位尺度缺陷的生成，這是相變促進(jìn)納米TiO2致密化的主要原因?！跋嘧兇龠M(jìn)致密化”、“添加劑活化晶格”、“(位錯(cuò))自激活燒結(jié)”等，均有著相似的活化燒結(jié)機(jī)