4 纳米陶瓷的补强增韧
先进陶瓷材料在高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用,然而,脆性是陶瓷材料难以克服的弱点。英国材料学家Cahn曾评述,通过改进工艺和化学组分等方法来克服陶瓷脆性的尝试都不太理想,无论是固溶掺杂的氮化硅、相变增韧的氧化锆要在实际中作为陶瓷发动机材料还不能实现。纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径之一[32]。
纳米陶瓷具有类似于金属的超塑性是纳米材料研究中令人注目的焦点。例如,纳米氟化钙和纳米氧化钛陶瓷在室温下即可发生塑性形变,180℃时,塑性形变可达100%。存在预制裂纹的试样在180℃下弯曲时,也不发生裂纹扩展[28, 33]。九十年代初,日本的新原皓一(Niihara)报道用纳米SiC颗粒复合氧化铝材料的强度可达到1GPa以上[34],而常规的氧化铝基陶瓷强度只有350-600MPa。Al2O3/SiC纳米复合材料在1300℃氩气中退火2小时后强度提高到1.5GPa,它的高力学性能是与纳米复相陶瓷的精细显微结构直接相关的。德国马普冶金材料研究所的科研人员将聚甲基硅氮烷在高温下裂解后,制得的a-Si3N4微米晶与a-SiC纳米晶复合陶瓷材料。它具有良好的高温抗氧化性能,可在1600℃的高温使用(氮化硅材料的最高使用温度一般为1200-1300℃)[35]。他们最新进展是通过添加硼化物提高材料的热稳定性,利用生成BN的包覆作用稳定纳米氮化硅晶粒,将这种Si-B-C-N陶瓷的使用温度进一步提高到2000℃,这是迄今国际上使用温度最高的块体陶瓷材料。
目前,纳米陶瓷粉体的制备较为成熟,新工艺和新方法不断出现,已具备了生产规模。纳米陶瓷粉体的制备方法主要有气相法、液相法、高能球磨法等。气相法包括惰性气体冷凝法、等离子法、气体高温裂解法、电子束蒸发法等。液相法包括化学沉淀法、醇盐水解法、溶胶-凝胶法、水热法等。我们研究组提出利用原位选择性反应法制备了纳米晶TiC和TiN复合TZP的复合粉料[36-37],为陶瓷材料的显微结构设计提供了新的研究思路。纳米陶瓷的致密化手段也趋于多样化,其中微波烧结和放电等离子体烧结(SPS)具有良好的效果。美国宾州大学陈一苇教授利用无压烧结制备平均粒径为60nm的致密Y2O3块体材料,为发展纳米陶瓷带来新的希望[38]。2001年6月,日本经济产业省报道将纳米陶瓷等新型材料应用于飞机部件制造技术。
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