等离子热喷涂用陶瓷粉体的制备技术现状及发展(二)

点击数：989发布时间：2017-05-16 15:57:30　

3、纳米陶瓷粉体

纳米陶瓷：指显微结构中的物相（包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔与尺寸缺陷等）都在纳米量级的水平上的陶瓷材料。现有陶瓷材料的晶粒尺寸一般是在微米级的水平。当其晶粒尺寸变小到纳米级的范围时，晶粒的表面积和晶界的体积会以相应的倍数增加，晶粒的表面能亦随之剧增。由于颗粒的线度减少而引起表面效应和体积效应，使得材料的物理、化学性质发生一系列变化，而且甚至出现许多特殊的物理与化学性质。

纳米材料的制备：

1.纳米粉体的合成；

2.素坯的成型；

3.产品的烧结粉体合成按合成条件分类：

1、气相法：气相法是直接利用气体，或者通过各种手段将物质转变为气体，使之在气体状态下发生物理变化或者化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米粒子的方法。

优点：制得的纳米陶瓷粉体的纯度较高，团聚较少，烧结性能较好

缺点：产量低，设备昂贵

2、液相法：液相法则是选择一种或多种合适的可溶性金属盐类，按所制备的材料组成计量配制成溶液，使各元素呈郭或分子态，再选择一种合适的沉淀剂或用蒸发、升华、水解等操作，使金属离子均匀沉淀或者加热分解而得到纳米陶瓷粉体

优点：设备较简单，粉体较纯，团聚少，易工业化生产

3、固相法：指纳米粉体是由固相原料制得，按其加工的工艺特点可分为机械粉碎法和固相反应法两类。

优点：所用设备较简单，方便操作

缺点：纯度较低，料度分布较广

素坯成型：是将粉末转变成具有一定形状、体积和强度的坯体的过程，素坯的相对密度和显微结构的均匀性对陶瓷在烧结过程中的致密化有极大的影响。

素坯的成型方法：

传统方法：干压成型、离心注浆法、挤压法、注射法

新型方法：凝胶注膜法、直接凝固注模成型

烧结：陶瓷材料致密化、晶体长大、晶界形成的过程

纳米陶瓷烧结过程的关键：如何在控制晶粒长大很少的前提下实现致密化

烧结方法：（传统）无压烧结、热压烧结仍广泛使用。（新）微波烧结、等离子体烧结、高压烧结、爆炸烧结

纳米陶瓷的性能：

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度下，纳米二氧化钛陶瓷的显微硬度为13000KN/mm，而普通二氧化钛陶瓷的显微硬度低于2000KN/mm。日本的新原皓一制备了纳米陶瓷复合材料，并测定了其相关的力

学性能，研究表明纳米陶瓷复合材料在韧性和强度上都比原来基体单相材料均有较大程度的改善，对氧化铝/碳化硅系统来说，纳米复合材料的强陶度比单相氧化铝的强度提高了3-4倍。

2、韧性：传统的陶瓷由于其粒径较大，在外表现出很强的脆性，但是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很高的韧性，压缩至原长度的

1/4仍不破碎。1988年Lzaki等人首先用纳米碳化硅补强氮化硅陶瓷使氮化硅陶瓷力学性能显著改善。

3、超塑性：

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。如Nieh等人在四氧化锆中加入Y2O3的陶瓷材料中观察到超塑性达800%。上海硅酸盐研究所研究发现，纳米3Y-TZP陶瓷（100nm）在经室温循环拉伸试验后，其样品的端口区域发生了局部超塑性形变，形变量高达380%，并从端口侧面观察到了大量通常出现在金属端口的滑移线，这些都确认了纳米陶瓷材料存在着拉伸超塑性。

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摄氏度，烧结过程也大大缩短。12nm的TiO2粉体，不加任何烧结助剂，可以在低于常规烧结温度400-600摄氏度下进行烧结，同时陶瓷的致密化速率也迅速提高。通过对加3%T2O3的ZrO2纳米陶瓷粉体的致密化和晶粒生长这2个高温动力学过程研究表明，由于晶粒尺寸小，分布窄，晶界与气孔的分离区减小，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。控制烧结的条件，可获得晶粒分布均匀的纳米陶瓷块体。

4.粉体制备的现状

目前，高质量纳米粉体制备已取得了重大进展，有些方法已在工业中应用。如在美国INCO公司采用机械研磨方法，使用直径为2m、长3m的球磨机，每次可处理1000kg的0D-nm粉体，用此法已成功的加工了Ni、Inconel718、316不锈钢等纳米喷涂粉体。也可将0D-nm的纳米粒子加水溶性粘合剂，用液相分散喷雾干燥法直接重组纳米喷涂粉，在此过程中需加入抑制热喷涂过程中0D-nm长大、粗化的抑制剂、合金促进剂、涂层/基体润滑剂等。

5.结束语

热喷涂粉体是制约热喷涂技术应用和发展的关键。从目前的研究结果来看，因为纳米材料与其相应的微米级材料材料相比具有许多优异的性能，并且用热喷涂技术制备的纳米结构涂层的结合强度为163MPa。