CN101066861A - 陶瓷复合纳米材料及其制备方法、使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及陶瓷复合材料技术领域，特别涉及陶瓷复合纳米材料及其制备方法、使用方法，本纳米材料表面涂覆技术为低温涂覆，且有不沾易洁、耐高温、耐蚀之高附着力效果；于生活用品中可大量应用；该陶瓷复合纳米材料以溶胶－凝胶技术及特种分散技术制备得到。
Description
技术领域：
本发明涉及陶瓷复合材料技术领域，特别涉及陶瓷复合纳米材料及其制备方法、使用方法。
背景技术：
纳米技术作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术，其潜在的重要性毋庸置疑，一些发达国家都投入大量的资金进行研究工作。如美国最早成立了纳米研究中心，日本文教科部把纳米技术列为材料科学的四大重点研究开发项目之一。
日本在材料科学领域一直走在世界的前沿，特别是在高技术陶瓷材料方面占有领先、突出的地位。一般来看，日本和欧美乃至中国在陶瓷材料研究方面水平相差并不大，但在新型陶瓷材料的产业方面日本在世界上占有绝对领先的优势。尽管日本近几年来经济停滞不前，新型陶瓷材料没有能像预想的那样在汽车工业得到广泛的应用，但是近5年来陶瓷产业的平均递增率接近6％，1998年度日本陶瓷的总产量接近1.7兆日元。纳米复合陶瓷从20世纪80年代末起，日本大力开展纳米复合陶瓷的研究。研究集中在纳米级氧化物陶瓷，主要有M90-SIC系、AL2O3-SiC系、Si3N4-SIC系等等。与一般复合陶瓷不同的是，弥散相的晶粒很小，直径一般小于100纳米，弥散分布在直径为微米的母相晶粒内和晶界之间。AL2O3-SiC纳米复合陶瓷的抗弯强度比AL2O3单体提高近3倍。纳米复合陶瓷不仅在常温下具有很高的强度，其高温强度性能也明显提高。近来，双向纳米复合陶瓷和纳米压电复合陶瓷是引人注目的新方向。
复合陶瓷通过材料内部复合相的协同增韧补强效应，可使陶瓷材料的性能大幅度提高，对陶瓷材料实行多层次复合是获得超强、超韧的有效途径。随着控制弥散相的粒度、晶粒尺寸从微米级→亚微米级→纳米级的减小，材料强度出现了大幅度的飞跃。例如：日本研制出的具有超塑性的ZrO2-Al2O3复合材料，抗弯强度达2450MPa。因此，复合陶瓷技术和纳米技术相结合，可制备纳米复合材料，纳米复合材料的强度和韧性的提高可归结为晶粒细化和断裂模式的改变。
我国陶瓷材料研究最近获得新的突破：高性能纳米复合陶瓷在上海研制成功，这种纳米复合陶瓷材料的强度、韧性，以及降低电阻率等方面的性能均达到国际水准。
由于这种陶瓷是用几种陶瓷复合而成，并添加具有磁性、电性、光性能的其他材料，因而它既拥有结构陶瓷的力学性能，又具备功能陶瓷的特殊功能。如由于磁性材料的添加，其电阻率大大降低，使其从高绝缘体变成了可导电的材料，扩大了应用面，从而也使原先不可切割的陶瓷，如今可用电火花进行切割，大大降低了陶瓷材料的加工成本。
陶瓷材料具有金属和其他材料不可比拟的耐高温、耐腐蚀、耐磨性能，可广泛应用在一些军工、航空、航天、汽车制造等高科技领域，如航天飞行器的外壳，就是用耐高温的陶瓷材料制成的。但是高强度、高韧性的陶瓷在制备方面有很高的要求，传统的制备方法常会出现陶瓷粉体组分不均匀、烧结过程长而导致晶粒过大，破坏陶瓷材料的力学性能和可靠性，以致难以推广应用。上海硅酸盐研究所研制的纳米复合陶瓷，有望突破我国陶瓷材料在应用上的“瓶颈”，加快高性能纳米陶瓷产业化的进程。
总之，纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点，正如钱学森院士所预言的那样：纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。
发明内容：
本发明的目的之一是提供陶瓷复合纳米材料。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
它包括下述组份，按重量份计：
纳米级硅溶胶 100
纳米氧化钾 1.0～3.0
纳米氧化锂 0.5～1.0
纳米氧化锆 0.2～0.6
纳米碳化硅 0.2～1.5
纳米氧化钛 0.3～2.0
纳米氧化锌 0.1～3.0
纳米氧化钙 0.1～1.0
纳米氧化铝 0.1～2.0。
本发明的目的之二是提供陶瓷复合纳米材料的制备方法，其制备如下：首先将纳米级硅溶胶加入反应器中，然后加入纳米氧化钾、纳米氧化锂，再加入纳米氧化锌或纳米氧化钙、纳米氧化铝中的一种或一种以上的纳米级氧化物，边加料边搅拌，然后慢慢加热至70～80℃，开始反应，系统PH值为10～12；反应液在反应初期呈白色混浊状，随反应的进行逐渐透明，反映65～75小时，所得反应生成物为无色或荧光色的透明液，将配方量的纳米氧化锆、纳米碳化硅、纳米氧化钛逐渐加入所得透明液中，经超声波分散至完全分散即得纳米陶瓷复合材料。
本发明的目的之三是提供陶瓷复合纳米材料的使用方法：先对陶瓷表面进行清洁，然后进行粗化，再将所述复合纳米材料涂覆于陶瓷表面，干燥后再加以150～260℃的温度进行烧结固化。
利用纳米复合材料于陶瓷材料中产生多孔特性，使原重量之陶瓷体积变大，达到质轻的效果。本发明运用纳米材料在烧结过程中释放气体的机制使陶瓷表面及内部产生多孔性结构进而达到轻量化之目的，其主要功能为量轻、比表面积增大、强度增大，应用范围可为建筑材料、机械设备、过滤器材、吸附材料及电子行业等。
利用纳米复合材料于陶瓷材料中低热变率达到烧制过程低变形率之功能。由两种或两种以上组分材料的热膨胀系数和弹性模量的失配，复合材料经热压加工后，在纳米颗粒和基体中存在残余热应力，这种局部应力集中足以使合适的滑移面位错源开动，而产生许多新位错，这个应力对复合材料的强化及烧制过程中热变形率的控制有一定的效果。
利用纳米复合材料于陶瓷材料中增加陶瓷材料之韧性及弹性，改善易碎之不良特性。纳米陶瓷的力学性能显著提高与内晶型结构的形成有密切的关系。内晶型结构的形成不仅可以强化晶界，改善界面上的应力分布，而且由内晶型结构形成的次界面对力学性能提高有密切的关系。用纳米陶瓷颗粒散分布在另一种陶瓷基体中组成的复合材料称为纳米复合陶瓷材料，这种复合材料的强度、断裂韧度，硬度和抗蠕变性等力学性能要比单一陶瓷要好得多。
利用纳米复合材料于陶瓷材料中之憎水性及表面张力达到低吸水率之要求。以纳米氧化钛，以改性碳化硅之特殊憎水性，达到陶瓷低吸水率之功能再加以致密之纳米陶瓷复合材料使其不致有吸水受热破裂之虞。
一般陶瓷釉料表面为玻璃质表面，传统工艺为烧釉技术外，无法以其他材料涂覆，在烧釉过程中耗费极大的能源及人力，本纳米材料表面涂覆技术为低温涂覆，约150～260℃，且有不沾易洁、耐高温、耐蚀之高附着力效果。
利用纳米类陶瓷材料以溶胶-凝胶技术复合其他材料以单层或双层及以上涂覆在陶瓷表面再加以低温，约150～260℃，烧结固化，其优点为以低温将无毒安全之色料混散在纳米涂层中再涂覆在陶瓷表面上，既有美观更有不沾、易洁、安全之功能于民生用品中可大量应用。
具体实施方式：
例一：本发明的复合材料包括下述组份，按重量份计：
纳米级硅溶胶 100
纳米氧化钾 2.0
纳米氧化锂 0.5
纳米氧化锆 0.2
纳米碳化硅 0.3
纳米氧化钛 0.5
纳米氧化锌 0.1
纳米氧化钙 0.2
纳米氧化铝 0.2
例二：
纳米级硅溶胶 100
纳米氧化钾 3.0
纳米氧化锂 1.0
纳米氧化锆 0.6
纳米碳化硅 1.0
纳米氧化钛 1.5
纳米氧化锌 2.0
纳米氧化钙 1.0
纳米氧化铝 1.5。
陶瓷复合纳米材料的制备方法：首先将纳米级硅溶胶加入反应器中，然后加入纳米氧化钾、纳米氧化锂，再加入纳米氧化锌或纳米氧化钙、纳米氧化铝中的一种或一种以上的纳米级氧化物，边加料边搅拌，然后慢慢加热至70～80℃，开始反应，系统PH值为10～12；反应液在反应初期呈白色混浊状，随反应的进行逐渐透明，反映70小时，所得反应生成物为无色或荧光色的透明液，将配方量的纳米氧化锆、纳米碳化硅、纳米氧化钛逐渐加入所得透明液中，经超声波分散至完全分散即得纳米陶瓷复合材料。
陶瓷复合纳米材料的使用方法：先对陶瓷表面进行清洁，然后进行粗化，再将所述复合纳米材料涂覆于陶瓷表面，干燥后再加以150～260℃的温度进行烧结固化。
Claims (3)
1、陶瓷复合纳米材料，其特征在于：它包括下述组份，按重量份计：
纳米级硅溶胶 100
纳米氧化钾 1.0～3.0
纳米氧化锂 0.5～1.0
纳米氧化锆 0.2～0.6
纳米碳化硅 0.2～1.5
纳米氧化钛 0.3～2.0
纳米氧化锌 0.1～3.0
纳米氧化钙 0.1～1.0
纳米氧化铝 0.1～2.0。
2、陶瓷复合纳米材料的制备方法，其特征在于：首先将纳米级硅溶胶加入反应器中，然后加入纳米氧化钾、纳米氧化锂，再加入纳米氧化锌、纳米氧化钙、纳米氧化铝中的一种或一种以上的纳米级氧化物，边加料边搅拌，然后慢慢加热至70～80℃，开始反应，系统PH值为10～12；反应液在反应初期呈白色混浊状，随反应的进行逐渐透明，反映65～75小时，所得反应生成物为无色或荧光色的透明液，将配方量的纳米氧化锆、纳米碳化硅、纳米氧化钛逐渐加入所得透明液中，经超声波分散至完全分散即得陶瓷复合纳米材料。
3、陶瓷复合纳米材料的使用方法，其特征在于：先对陶瓷表面进行清洁，然后进行粗化，再将所述陶瓷复合纳米材料涂覆于陶瓷表面，干燥后再加以150～260℃的温度进行烧结固化。
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