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表面改性技术在陶瓷材料中的应用

表面改性技术在陶瓷材料中的应用
表面改性技术在陶瓷材料中的应用

表面改性技术在陶瓷材料中的应用

引言:

材料表面处理是材料表面改性和新材料制备的重要手段,材料表面改性是目前材料科学最活跃的领域之一。传统的表面改性技术,方法有渗氮、阳极氧化、化学气相沉积、物理气相沉积、离子束溅射沉积等。随着人们对材料表面重要性认识的提高,在传统的表面改性技术和方法的基础上,研究了许多用于改善材料表面性能的技术,主要包括两个方面:利用激光束或离子束的高能量在短时间内加热和熔化表面区域,从而形成一些异常的亚稳表面;离子注入或离子束混合技术把原子直接引进表面层中。陶瓷材料多具有离子键和共价键结构,键能高,原子间结合力强,表面自由能低,原子间距小,堆积致密,无自由电子运动。这些特性赋予了陶瓷材料高熔点、高硬度、高刚度、高化学稳定性、高绝缘绝热性能、热导率低、热膨胀系数小、摩擦系数小、无延展性等鲜明的特性。但陶瓷材料同样具有一些致命的弱点,如:塑性变形差,抗热震和抗疲劳性能差,对应力集中和裂纹敏感、质脆以及在高温环境中其强度、抗氧化性能等明显降低等。

正文:

一、陶瓷材料表面改性技术的应用

1.不同添加剂对陶瓷材料性能的影响。

由于陶瓷材料的耐高温特性经常被应用到高温环境中,特别是高温结构

陶瓷,其高温抗氧化性受到人们的关注。Si

3N

4

是一种强共价结合陶瓷,具有高

硬度、高强度、耐磨和耐腐蚀性好的性能。但是没有添加剂的Si

3N

4

几乎不

能烧结,陶瓷材料的高温强度强烈地受材料组成和显微结构的影响,而材料的显微结构特别是晶界相组成是受添加剂影响的,晶界相的组成对高温力学性能的影响极其敏感。对致密氮化硅而言,坯体中的物质传递对材料的氧化起着决定性作用,一般认为,在测试条件下,具有抛物线规律的氮化硅材料,其决定氧化的主要因素取决于晶界的添加剂离子和杂质离子的扩散速率,不同的添加剂对氮化硅陶瓷的氧化行为影响有所不同[1,2,3]。

2.离子注入技术。

离子注入就是用离子化粒子,经过加速和分离的高能量离子束作用于材料表面,使之产生一定厚度的注入层而改变其表面特性。可根据需要选择要注入的元素,并根据工艺条件控制注入元素的浓度分布和注入深度,形成所需要的过饱和固溶体、亚稳相和各种平衡相,以及一般冶金方法无法得到的合金相或金属间化合物,可直接获得马氏体硬化表面,得到所需要的表面结构和性能由于形成的改性表面不受热力学条件的限制(相平衡、固溶度),所以具有独特的优点。离子注入表面处理技术有:金属蒸汽真空弧离子源离子注入,等离子源注入等。在相同的条件下,重离子比轻离子有更强烈的辐射硬化,因此其对抗弯强度的增加更显著;由于单晶的表面缺陷少所以增加效果

更好]7,6[。

3.脉冲等离子技术。

脉冲等离子体在表面改性中的应用使表面改性技术有了新的发展。脉冲高能量密度等离子体是一种脉冲等离子体能量束,它主要由充、放电系统和轴等离子体枪组成。在充放电过程中引起内电极材料的蒸发和溅射,等离子体中因而包含内电极材料的粒子(含离子)。当脉冲高能量密度等离子体轰击到样品时,在其表面的瞬间作用产生高压和高温,样品表面处于熔融状态,等离子体在样品表面发生离子注入与沉积,使得样品表面形成一层与基体性质和结构不同的薄膜材料,从而使其得到改性表面。立方氮化硼是自然界不存在的亚稳相化合物,有极强的化学和热稳性,其硬度仅次于金刚石,而耐热性优于金刚石,因而用于许多领域,但很难合成。高能量的等离子体与材料表面作用时,所产生的一系列物理和化学过程给氮化硼的形成提供了条件,瞬间作用带来的高温高压,有利于以荷能离子形式存在的氮化硼在此间形成氮化硼晶核。

4.镀层。

随着微电子技术的快速发展,电子设备趋向薄、轻、短、网络化和多功能化,电子线路也越来越复杂,这样使得电路在工作时会产生大量的热量,为了不使电子元件因热聚集和热循环而损坏,散热就成了必须解决的问题。解决的方法是让热量通过与半导体元件相连接的具有高的热导率的基片散发

出去。化学镀、激光镀等技术被应用于半导体材料的金属化]9,8[,半导体材料

在使用以前,要使其表面金属化,即在其表面敷上一层金属薄层,使其能用简易的焊接工艺与金属导电层连接成一体。化学镀具有覆盖能力强的特点,对于复杂工件的各个部位可以得到较均匀的镀层,且化学镀有优良的深镀能力,可以大大减少镀件盲孔、深孔内的无镀层现象。

二、陶瓷涂层的制备

随着现代科技的不断发展,对材料的要求也越来越高,不仅要具有抗疲劳、抗震动抗温度急变等性能,而且要具有耐高温、耐腐蚀、高硬度、高化学稳定性等性能,而传统的单一金属材料或单一的陶瓷材料都不能满足这些要求。在金属基体上制备陶瓷涂层,能把陶瓷材料的特点和金属材料的特点有机地结合起来,获得既有金属强度和韧性,又有陶瓷材料耐高温、耐腐蚀等优点的复合材料,越来越受人们的重视。

1.热喷涂

热喷涂作为表面工程学的一个重要组成部分,是表面防护和表面强化的新技术。它利用氧乙炔(丙烷)火焰、电弧或等离子等热源将各种金属、合金以及陶瓷、塑料等熔化并高速喷射到工件表面,从而与基体形成一层牢固的涂层,达到高度耐磨、减摩、耐蚀、耐高温以及修补恢复尺寸等目的。由于该技术具有施工灵活、应用性广的特点,因而在各工业部门获得广泛应用。常见的热喷涂方法有:火焰喷涂、爆炸喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂、超音速喷涂等。喷涂法具有许多特点:可供喷涂的材料很多,如陶瓷、金属、塑料、玻璃及其混合物,也可以将不同的材料组成涂层重叠,形成复合涂层;被喷涂

的构件尺寸不受限制;可自由选择涂层的厚度;采用高温火焰喷射,对被涂构件的热影响小;喷涂设备简单,可直接将设备搬至现场进行喷涂,操作工序少,效率高,涂层形成速度快。

2.溶胶- 凝胶法

溶胶-凝胶法涂层技术是利用易水解的金属醇盐或无机盐,在某种溶剂中与水发生反应,经水解缩聚形成溶胶,将溶胶涂覆在金属表面,再经干燥,热处理后形成涂层;其特点是:反应可在低温下进行;能制备高纯度、高均质的涂层;所需设备简单,操作方便。

3.化学、物理气相沉积法

化学气相沉积是指在相当高的温度下,混合气体与基体的表面相互作用,使混合气体中的某些成分分解,并在基体表面形成一种金属或化合物的固态薄膜或镀层。其特点为:可以形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层;可以控制晶体结构、结晶方向的排列,可以控制镀层的密度、纯度;可获得梯度沉积物和混合镀层;能够在复杂形状的基体以及颗粒上镀层;涂层均匀,组织致密,纯度高,涂层与基体结合紧密。

物理气相沉积法有溅射法、离子镀法、蒸镀法等。溅射法即以动量传递的方法将材料激发为气体原子,并飞出溅射到基体上沉积形成涂层。离子镀法就是用电子束使蒸发源的材料蒸发成原子,被在基体周围的等离子体离子化后,在电场作用下以更大的动能飞向基体而形成涂层。蒸镀法是用电子束使蒸发源的材料蒸发成原子或离子而沉积在基体表面形成涂层。

4.复合镀

复合镀层既是在一定浓度的镀液中加入一些不溶性的陶瓷微粒,并进行搅拌,使之分布均匀,在进行电镀或化学镀的过程中,陶瓷颗粒在镀层中被共析,成为金属陶瓷复合镀层。其镀层具有硬度高、耐磨、耐腐蚀、自润滑等优异的性能。

三、陶瓷涂层的应用

1.在航天航空工业中的应用

现代航空发动机采用压气机使空气增压升温,高温压缩空气进入燃烧室使燃料充分燃烧是提高发动机的功率和热效率的主要措施之一。采用热喷涂技术在压气机涡壳内表面喷涂可磨耗密封涂层,与压气机叶片尖部的硬质涂层形成一对可磨耗密封磨损副,在运行中能形成理想的径向气流间隙,从而提高发动机的功率,降低燃料的消耗。航天飞机在返回地面时经过大气层,由于空气的摩擦力使机身要承受1000 ℃的高温,为了保持机舱内的温度,在机身表面喷涂黑色硼化硅和白色硼硅酸盐涂层,应用该涂层高的发射率,使热量尽快散发出去。

2.在机械工业中的应用

一些机械的高温炉辊多在800℃~1200℃的高温下运行,在这样的高温下,钢铁软化并在表面生成氧化铁鳞,硬度显著降低,当软态的钢件在炉辊上

运动甚至是轻微滑动容易结瘤,使钢件表面因结瘤的脱落产生划痕等缺陷。采用高速火焰喷涂、爆炸喷涂或等离子喷涂等技术,在高温炉辊表面喷涂特种陶瓷或金属陶瓷涂层,如喷涂含BN 的金属陶瓷涂层,具有优异的耐高温、抗氧化、抗粘着、防结瘤和自清理性能,既可提高炉辊的使用寿命,又可以生产出质量高的钢材。现代纺织机械特别是化纤机械,向高速、轻质等方向发展,各种导丝、纺丝部件,为了减轻重量,提高转速和节能,多采用铝合金制造,其表面容易受很细的高速化纤丝的磨损而产生沟槽。在化纤机的纺丝、导丝

部件的表面,采用等离子喷涂Al

2O

3

基复合陶瓷涂层,经处理获得桔皮状外观

形貌,使其寿命提高5倍。现代造纸和印刷机械,尽管运行速度很高,但负荷小。由于陶瓷涂层具有高耐磨蚀性能、高防粘性、高选择性、润湿性、亲水性、高电绝缘、高可刻蚀性和图纹清晰性,并能保持粗糙度的纸张的咬入性,使等离子喷涂陶瓷涂层技术在造纸和印刷机辊子上得到广泛应用。

3.在微电子及电子工业中的应用

在金属板上热喷涂绝缘的陶瓷涂层,具有高热导率的金属能将强电流所产生热发散开,而陶瓷涂层则提供很好的介电绝缘性能。如在铜板上喷涂Al2O3 陶瓷涂层,其厚度在不到1mm时,就能够在1300 ℃高温下耐压2500V 以上,热导率比在相同厚度铜板上烧结氧化铝层的总热导率高5 倍。在铁皮上喷涂钛酸钡,厚度为30μm时,其介电常数已超过6000 ,因此这种涂层已被广泛应用在固定电容器、可变电容器、混合集成电路的片容器及电容器网络的基片上。

小结:

本文从陶瓷本身及陶瓷涂层两个方面综述了表面改性技术在陶瓷材料中的应用,讨论了陶瓷涂层的制备技术。随着科学技术的发展,不仅对陶瓷材料的性能的要求愈来愈高,随着制备技术的进步,陶瓷材料的表面改性技术愈来愈高,应用范围越来越广泛,陶瓷的传统概念将为陶瓷的表面改性技术所打破。表面改性技术在陶瓷材料改性方面的应用克服了陶瓷固有的弱点,使陶瓷材料能够以其优良的物理、化学性能,在航天、航空、电力、电子、冶金、机械等工业,甚至现代生物医学中得到广泛的应用。

参考文献

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PTFE-based composites filled with multi-component. [J] Journal of Harbin Institute of Technology (New Series), 2007(14).

粉体表面改性设备介绍

粉体表面改性设备

中国粉体表面改性设备种类很多,例如高速混合机、捏合机、密炼机、开炼机、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机等,但这些设备大多从化工机械借用过来。存在许多严重问题,针对这些问题,近年来有了许多改进和进展,本文重点介绍引进国外机型和对高冷搅机组进行的改进。 现状粉体表面改性设备,主要担负三项职责,一是混合,二是分散,三是表面改性剂在设备中熔化和均匀分散到物料表面,并产生良好的结合。由于混合物的种类和性质各不相同,混合、分散和表面改性要求的质量指标也不相同,因而出现多种性质不同的改性设备,而这些设备又多为借用,因而并不能很好地完成改性任务。主要使用的改性设备为: •。重力混合器 •。气动混合器 •。转鼓式混合机 •。v型混合机 •。Z型混合机 •。高速混合机及高速混合机和冷却混合机组(简称高冷搅机组) •。开炼机 •。密炼机 •。混炼型单螺杆挤出机,布斯混炼机 •。双螺杆挤出机以及静态混合器,空腔混合器,和拉伸混合器等。 这些设备存在的主要问题是: ①多数是间歇式的,连续式设备如单、双螺杆挤出机大都是直线运动式,混合效果差。存在产量低,能耗大,工人劳动强度高,易造成环境污染等问题。

②升温慢,改性时间长,相反改性剂用量大,改性效果差。 ③比较而言,高冷搅机组价格低、耐用、易操作、改性效果好。 ④与国外设备相比,差距明显,主要表现在连续性和改性效果方面。 可以说,中国的粉体表面改性设备的落后,严重制约表面改性深加工技术的发展。已经到了非改不可的地步。 从90年代开始,一些科技人员就着手对改性设备进行改革、到2002年已经取得阶段性成果。 这些阶段成果包含两个方面: ①引进国外连续改性机型 ②对高冷搅机组进行改革 引进国外机型 引进、吸收、消化国外先进设备,是现阶段我们的主要手段之一。改性设备也不例外,现在由大专院校、科研单位与生产企业共同引进开发的改性设备已经问世,且价格大大低于直接购买的国外同类设备。 1、PS系列粉体表面改性机 由原武汉工业大学北京研究生部非矿所和青岛青矿矿山设备有限公司共同开发研制成功的PSC系列粉体表面改性机是表面化学改性的专用设备,它具有设计先进,科学,能连续生产,产量高,能耗低,自动化程度高,工人劳动强度低,无粉尘污染,且表面改性剂用量少,包覆率高等特点。 ①PSC表面改性性能结构特征: 本机由给料输送、主机、改性剂供给、排料、成品输送、成品收集仓、加热、给风、除尘等系统构成。

材料表面的硅烷化改性

实验64 材料表面的硅烷化改性 一.实验目的 1.利用硅烷偶联剂改性有机或无机材料。 2.制备无机-有机杂化粉体或薄膜材料。 二.实验原理 很多纳米材料都是重要的无机化工产品,是橡胶.塑料.油漆.油墨.造纸.农药及牙膏等行业不可缺少的优良原料。以SiO2纳米颗粒为例,纯粹制备的SiO2颗粒表面上存在着大量的羟基基团,呈极性.亲水性强,众多的颗粒相互联结成链状,链状结构彼此又以氢键相互作用,形成由聚集体组成的立体网状结构,在这种立体网状结构中分子间作用力很强,应用过程中很难均匀分散在有机聚合物中,颗粒的纳米效应很难发挥出来。如何将纳米SiO2均匀分散在高分子材料中,以提高聚合物材料的各项性能是一个重要的研究方向。 硅烷偶联剂发展至今已有一百多种产品,按Y有机官能团的不同,可分为链系基类硅烷偶联剂.氨基硅烷偶联剂.环氧基类硅烷偶联剂.烷基丙烯酰氧基类硅烷偶联剂及双官能基型硅烷偶联剂等。 硅烷偶联剂处理技术原理简单.操作方便,其与材料表面的作用机理一直是研究的重点,目前关于硅烷在材料表面行为的理论有很多假设,主要有化学键理论.物理吸附理论.表面浸润理论.可逆水解平衡理论和酸碱相互作用理论等。 硅烷偶联剂分子含有两种反应性基团,化学结构可以用X3SiRY来表示,其中,X是可进行水解反应并生成硅烃基(Si-OH)的基团,如卤素.氨基.烷氧基和乙酰氧基等,硅醇基团可和无机物(如无机盐类.硅酸盐.金属及金属氧化物等)发生化学反应,生成稳定的化学键,将硅烷与无机材料连接起来。Y是非水解基团,可与有机基团如乙烯基.氨基.巯基.环氧基等起反应,从而提高硅烷与聚合物的粘连性。R是具有饱和键或不饱和键的碳链,将官能团Y 和Si原子连接起来。因此硅烷偶联剂分子被认为是连接无机材料和有机材料的“分子桥”,能将两种性质悬殊的材料牢固地连接在一起,形成无机相/硅烷偶联剂/有机相的结合形态,从而增加了后续有机涂层与基地材料的结合力。 一般来说,硅烷分子中的两个端基团既能分别参与各自的反应,也能同时起反应。通过适当的控制反应条件,可在不改变Y官能团的前提下取代X官能团,或者在保留X官能团的情况下,使Y官能团改性。若在水性介质中对Y官能团改性,那么X基团同时水解。则硅烷的作用过程依照四步反应模型来解释: ①与硅相连的3个Si-X基团水解成Si-OH; ②Si-OH之间缩合反应,脱水生成Si-OH的低聚硅烷; ③低聚物中的Si-OH与基体表面的-OH形成氢键; ④加热固化过程中发生脱水反应,与基材以共价键连接。 界面上硅烷偶联剂只有一个硅与基材表面键合,剩下两个Si-OH可与其他硅烷中的Si-OH 缩合形成Si-O-Si结构。 常用的硅烷偶联剂主要有; (十二烷基三甲氧基硅烷) (乙烯基三乙氧基硅烷)

表面改性技术在陶瓷材料中的应用

表面改性技术在陶瓷材料中的应用 引言: 材料表面处理是材料表面改性和新材料制备的重要手段,材料表面改性是目前材料科学最活跃的领域之一。传统的表面改性技术,方法有渗氮、阳极氧化、化学气相沉积、物理气相沉积、离子束溅射沉积等。随着人们对材料表面重要性认识的提高,在传统的表面改性技术和方法的基础上,研究了许多用于改善材料表面性能的技术,主要包括两个方面:利用激光束或离子束的高能量在短时间内加热和熔化表面区域,从而形成一些异常的亚稳表面;离子注入或离子束混合技术把原子直接引进表面层中。陶瓷材料多具有离子键和共价键结构,键能高,原子间结合力强,表面自由能低,原子间距小,堆积致密,无自由电子运动。这些特性赋予了陶瓷材料高熔点、高硬度、高刚度、高化学稳定性、高绝缘绝热性能、热导率低、热膨胀系数小、摩擦系数小、无延展性等鲜明的特性。但陶瓷材料同样具有一些致命的弱点,如:塑性变形差,抗热震和抗疲劳性能差,对应力集中和裂纹敏感、质脆以及在高温环境中其强度、抗氧化性能等明显降低等。 正文: 一、陶瓷材料表面改性技术的应用 1.不同添加剂对陶瓷材料性能的影响。 由于陶瓷材料的耐高温特性经常被应用到高温环境中,特别是高温结构 陶瓷,其高温抗氧化性受到人们的关注。Si 3N 4 是一种强共价结合陶瓷,具有高 硬度、高强度、耐磨和耐腐蚀性好的性能。但是没有添加剂的Si 3N 4 几乎不 能烧结,陶瓷材料的高温强度强烈地受材料组成和显微结构的影响,而材料的显微结构特别是晶界相组成是受添加剂影响的,晶界相的组成对高温力学性能的影响极其敏感。对致密氮化硅而言,坯体中的物质传递对材料的氧化起着决定性作用,一般认为,在测试条件下,具有抛物线规律的氮化硅材料,其决定氧化的主要因素取决于晶界的添加剂离子和杂质离子的扩散速率,不同的添加剂对氮化硅陶瓷的氧化行为影响有所不同[1,2,3]。 2.离子注入技术。 离子注入就是用离子化粒子,经过加速和分离的高能量离子束作用于材料表面,使之产生一定厚度的注入层而改变其表面特性。可根据需要选择要注入的元素,并根据工艺条件控制注入元素的浓度分布和注入深度,形成所需要的过饱和固溶体、亚稳相和各种平衡相,以及一般冶金方法无法得到的合金相或金属间化合物,可直接获得马氏体硬化表面,得到所需要的表面结构和性能由于形成的改性表面不受热力学条件的限制(相平衡、固溶度),所以具有独特的优点。离子注入表面处理技术有:金属蒸汽真空弧离子源离子注入,等离子源注入等。在相同的条件下,重离子比轻离子有更强烈的辐射硬化,因此其对抗弯强度的增加更显著;由于单晶的表面缺陷少所以增加效果 更好]7,6[。

材料改性与表面工程

材料改性与表面工程 镁合金被誉为“21世纪最具发展潜力和前途的绿色工程材料”。他是金属结构材料中最轻的一种,镁合金从早期被应用于航空航天工业到目前在汽车材料、光学仪器、电子电信、军工工业等方面的应用有了很大发展。但是镁合金的耐蚀性耐磨性硬度及耐高温性能较差,在某种程度上又制约了镁合金材料的广泛应用。采用冷喷涂技术在镁合金表面喷涂覆盖上一层致密的保护膜,是解决镁合金腐蚀和磨损问题,提高镁合金铸件使用寿命,拓宽镁合金应用范围的关键之一。 1.冷喷涂原理和特点 超音速冷喷涂(简称冷喷涂)是近年发展起来的一种新型涂层制备工艺,常以金属材料(如钛、镍、钨、钴、铜、合金等)[1-5]为喷涂材料进行金属表面改性和功能涂层的制备。 冷喷涂技术[6]就是将经过一定低温预热的高压(1.5~3.5MPa)气体(N2、He 或压缩气体)分两路,一路通过送粉器,携带经预热(100~600℃)的粉末粒子(1~50 m)从轴向送入高速气流中;另一路通过加热器使气体膨胀,提高气流速度(300~1200 m/s),最后两路气流进入喷枪,在其中形成气─固双相流,在完全固态下撞击基体,通过较大的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。在喷涂过程中,喷枪距离为5~30 mm。 冷喷涂实现低温状态下的金属涂层沉积,具有如下主要优点:其一,喷涂粉末在加工过程中工作温度低,几乎无氧化现象,涂层表面组织均匀;其二,涂层密度大、结合强度高;其三,涂层材料适用广泛,可制备硬度大、耐磨性高、强度高的涂层;其四,可以加工具有特殊物理化学性质的涂层;其五,组织稳定;其六,涂层表面具有残余的压应力,使耐疲劳性增加;其七,喷涂粉末可以回收再利用。 2.国内外用冷喷涂技术在镁合金基体上喷涂铝合金涂层的研究现状 Yongshan Tao[7]等人用冷喷涂的方法在AZ91D镁合金表面沉积一层纯铝涂层,发现涂层中存在微米尺寸的裂纹和孔洞,涂层颗粒边界处中形成了新的界面和亚晶相;在质量分数为3.5%的中性NaCl溶液中浸渍后发现涂层的抗点蚀性能比具有相似纯度的铝块好。在浸渍过程中,由于在涂层中存在着相互独立的微米级或纳米级的孔洞而发生了传质现象。在浸渍十天之后,由于涂层致密细颗粒的结构,它仍然可以为AZ91D 镁合金基体提供良好的耐蚀性保护。 他们还在铝粉中加入α-Al2O3作为增强颗粒,发现涂层和纯铝涂层相比有较小的气孔率,由于α-Al2O3在基体上的渗透和侵蚀,涂层和基体之间的结合力也增强;α-Al2O3在铝基体上的捣固和增强作用涂层具

功能陶瓷材料总复习讲解学习

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功能陶瓷材料总复习 绪论 什么是功能陶瓷?常见的功能陶瓷的分类、特性与用途。 1、定义:指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性,且具有相互转化功能的一类陶瓷。 2、分类:电容器陶瓷、压电、铁电陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、导电、超导陶瓷、生物与抗菌陶瓷、发光与红外辐射陶瓷、多孔陶瓷。 3、特性:性能稳定性高、可靠性好、资源丰富、成本低、易于多功能转化和集成化等 4用途:在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作用。举例:电容器陶瓷、谐振器元器件基材料、压电式动态力传感器、压电式振动加速度传感器。 介电陶瓷 以感应的方式对外电场作出响应,即沿着电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变,这类材料称为电介质 各种极化机制以及频率范围。 极化机制:电子极化、离子极化、偶极子极化、空间电荷极化 松弛极化 频率范围:

铁电体, 晶体在某温度范围内具有自发极化Ps,且自发极化Ps的方向能随外电场而取向,称为铁电体。材料的这种性质称为铁电性。 电畴:铁电体中自发极化方向一致的微小区域 铁电体的特性:铁电体特性包括电滞回线Hysteresis loop、电畴Domains、居里点Tc及居里点附近的临界特性。 电滞回线: 铁电体的P 滞后于外电场E而变化的轨迹(如图

居里点Tc:顺电相→铁电相的转变温度 T>Tc 顺电相 TTc存在Ps和电滞回线。 频率色散(Frequency Dispersion) 高介电常数,大的应变 复合钙钛矿:晶胞中某一个或几个晶格位置被2种以上离子所占据

材料表面改性与涂层技术

材料表面改性技术与涂层技术 课程测试作业 姓名:刘志勇 学号:103111002

第一部分各种表面工程技术原理、特点及应用比较 常见的表面工程技术主要有离子注入、激光表面处理、高温扩散渗入、化学转化处理、电镀、物理气相沉积、化学气相沉积、热浸镀、热喷涂、喷焊等。下面我主要就以上表面工程技术进行分开论述,并对其加以比较。 一、离子注入 真空中的一束离子束高速射向另一块固体材料时,离子束会把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面,这个现象叫做溅射;而当离子束射到固体材料时,从固体材料表面弹了回来,或者穿出固体材料而去,这些现象叫做散射;另外有一种现象是,离子束射到固体材料以后,受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来,并最终停留在固体材料中,这一现象就叫做离子注入。 离子注入技术又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。其基本原理是:用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去,离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用,入射离子逐渐损失能量,最后停留在材料中,并引起材料表面成分、结构和性能发生变化,从而优化材料表面性能,或获得某些新的优异性能。此项高新技术由于其独特而突出的优点,已经在半导体材料掺杂,金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用,取得了巨大的经济效益和社会效益。 二、激光表面处理技术 激光表面处理技术是融合了现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多学科技术的高新技术,包括激光表面改性技术、激光表面修复技术、激光熔覆技术、激光产品化技术等,能使低等级材料实现高性能表层改性,达到零件低成本与工作表面高性能的最佳组合,为解决整体强化和其它表面强化手段难以克服的矛盾带来了可能性,对重要构件材质与性能的选择匹配、设计、制造产生重要的有利影响,甚至可能导致设计

非金属矿物粉体表面改性技术探讨

非金属矿物粉体表面改性技术探讨 发表时间:2018-07-26T10:08:10.707Z 来源:《基层建设》2018年第15期作者:张仕奇张君杰张扬[导读] 摘要:表面改性是进行非金属矿物材料性能优化的关键技术,本文对非金属矿物分体表面改性的方法和表面改性工艺进行了分析。 内蒙古科技大学内蒙古自治区包头市昆都仑区 014010 摘要:表面改性是进行非金属矿物材料性能优化的关键技术,本文对非金属矿物分体表面改性的方法和表面改性工艺进行了分析。 关键词:非金属矿物;表面改性;技术 随着新型复合材料的兴起,非金属矿物表面改性技术也得到了快速的发展,表面改性是非金属矿物材料必须的加工技术,通过表面改性能够使材料的性能和应用价值得到极大的提升。 1 表面改性方法 表面改性的方法很多,能够改变非金属矿物粉体表面或界面的物理化学性质的方法,如表面物理涂覆、化学包覆、无机沉淀包覆或薄膜、机械力化学、化学插层等可称为表面改性方法。目前工业上非金属矿物粉体表面改性常用的方法主要有表面化学包覆改性法、沉淀反应改性法和机械化学改性法及复合法。 (1)表面化学包覆改性法:是目前最常用的非金属矿物粉体表面改性方法,这是一种利用有机表面改性剂分子中的官能团在颗粒表面吸附或化学反应对颗粒表面进行改性的方法。所用表面改性剂主要有偶联剂(硅烷、钛酸酯、铝酸酯、锆铝酸酯、有机络合物、磷酸酯等)、表面活性剂(高级脂肪酸及其盐、高级胺盐、非离子型表面活性剂、有机硅油或硅树脂等)、有机低聚物及不饱和有机酸等。改性工艺可分为干法和湿法两种。 (2)沉淀反应法:是利用化学沉淀反应将表面改性物沉淀包覆在被改性颗粒表面,是一种“无机/无机包覆”或“无机纳米/微米粉体包覆”的粉体表面改性方法。粉体表面包覆纳米Ti02、ZnO、CaC03等无机物的改性,就是通过沉淀反应实现的,如云母粉表面包覆TiO2制备珠光云母颜料、钛白粉表面包覆Si02和A1203。 (3)机械力化学改性法:是利用超细粉碎过程及其他强烈机械力作用有目的地激活颗粒表面,使其结构复杂或无定形化,增强它与有机物或其他无机物的反应活性。机械化学作用可以增强颗粒表面的活性点和活性基团,增强其与有机基质或有机表面改性剂的使用。以机械力化学原理为基础发展起来的机械融合技术,是一种对无机颗粒进行复合处理或表面改性,如表面复合、包覆、分散的方法。 (4)化学插层改性法:是指利用层状结构的粉体颗粒晶体层之间结合力较弱(如分子键或范德华键)或存在可交换阳离子等特性,通过化学反应或离子交换反应改变粉体的性质的改性方法。因此,用于插层改性的粉体一般来说具有层状或似层状晶体结构,如蒙脱土、高岭土等层状结构的硅酸盐矿物或粘土矿物以及石墨等。用于插层改性的改性剂大多为有机物,也有无机物。 (5)复合改性法:是指综合采用多种方法(物理、化学和机械等)改变颗粒的表面性质以满足应用的需要的改性方法。目前应用得复合改性方法主要有物理涂覆/化学包覆、机械力化学/化学包覆、无机沉淀反应/化学包覆等。 2 表面改性工艺 表面改性工艺依表面改性的方法、设备和粉体制备方法而异。目前工业上应用的表面改性工艺丰要有干法工艺、湿法工艺、复合工艺三大类。干法工艺根据作业方式的不同又可以分为间歇式和连续式;湿法工艺又可分有机改性工艺和无机改性工艺;复合工艺又可分为物理涂覆/化学包覆、机械力化学/化学包覆、无机沉淀反应/化学包覆工艺等。 (1)干法工艺:是一种应用最为广泛的非金属矿物粉体表面改性工艺。目前对于非金属矿物填料和颜料,如重质碳酸钙和轻质碳酸钙、高岭土与煅烧高岭土、滑石、硅灰石、硅微粉、玻璃微珠、氢氧化铝和轻氧化镁、陶土、陶瓷颜料等,大多采用干法表面改性工艺。原因是干法工艺简单,作业灵活、投资较省以及改性剂适用性好等特点。其中,间歇式干法工艺的特点是可以在较大范围内灵活调节表面改性的时间(即停留时间),但颗粒表面改性剂难以包覆均匀,单位产品药剂耗量较多,生产效率较低,劳动强度大,有粉尘污染,难以适应大规模工业化生产,一般应用于小规模生产。连续式改性工艺的特点是粉体与表面改性剂的分散较好,颗粒表面包覆较均匀,单位产品改性剂耗量较少,劳动强度小,生产效率高,适用于大规模工业化生产。连续式干法表面改性工艺常常置于干法粉体制备工艺之后,大批量连续生产各种非金属矿物活性粉体,特别是用于塑料、橡胶、胶粘剂等高聚物基复合材料的无机填料和颜料。 (2)湿法表面有机改性工艺:与干法工艺相比具有表面改性剂分散好、表面包覆均匀等特点,但需要后续脱水(过滤和干燥)作业。一般用于可水溶或可水解的有机表面改性剂以及前段为湿法制粉(包括湿法机械超细粉碎和化学制粉)工艺而后段又需要干燥的场合,如轻质碳酸钙(特别是纳米碳酸钙)、湿法细磨重质碳酸钙、超细氢氧化铝与氢氧化镁、超细二氧化硅等的表面改性,这是因为化学反应后生成的浆料即使不进行湿法表面改性也要进行过滤和干燥,在过滤和干燥之前进行表面改性,还可使物料干燥后不形成硬团聚,改善其分散性。无机沉淀包覆改性也是一种湿法改性工艺。它包括制浆、水解、沉淀反应和后续洗涤,脱水、煅烧或焙烧等工序或过程。 (3)机械力化学/化学包覆复合改性工艺:是在机械力作用或细磨、超细磨过程中添加表面改性剂,在粉体粒度减小的同时对颗粒进行表面化学包覆改性的工艺。这种复合表面改性工艺的特点是可以简化工艺,某些表面改性剂还具有一定程度的助磨作用,可在一定程度上提高粉碎效率。不足之处是温度不好控制;此外,由于改性过程中颗粒不断被粉碎,产生新的表面,颗粒包覆难以均匀,要设计好表面改性剂的添加方式才能确保均匀包覆和较高的包覆率;此外,如果粉碎设备的散热不好,强烈机械力作用过程中局部的过高温升可能使部分表面改性剂分解或分子结构被破坏。 (4)无机沉淀反应/化学包覆复合改性工艺:是在沉淀反应改性之后再进行表面化学包覆改性,实质上是一种无机/有机复合改性工艺。这种复合改性工艺已广泛用于复合钛白粉表面改性,即在沉淀包覆SiO2或A1203薄膜的基础上,再用钛酸酯、硅烷及其他有机表面改性剂对Ti02/Si02或A1203复合颗粒进行表面有机包覆改性。 (5)物理涂覆/化学包覆复合改性工艺:是一种物理涂覆的方式,在进行金属镀膜或者覆膜之后,在通过有机化学进行改性的工艺。 参考文献: [1] 刘伯元.中国粉体表面改性(塑料填充改性)的最新进展[C]// 中国建筑材料及非金属矿物加工与检测技术交流大会.建筑材料工业技术情报研究所,2009. [2] 郑水林.粉体表面改性工艺设备及其选择[C]// 中国白色工业矿物技术与市场交流大会.2009.

新型陶瓷材料的应用与发展

新型陶瓷材料的应用与 发展 Company Document number:WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

新型陶瓷材料的应用与发展摘要:本文首先简单介绍了传统陶瓷材料向现代新型陶瓷材料转变的过程,新型陶瓷材料克服了传统陶瓷本身内部的缺陷,故使其性能大大提高,扩大了应用领域。然后论述了新型陶瓷材料分为结构陶瓷和功能陶瓷,以及它们耐高温、生物相容性能、电磁性、质量轻等特性及各自的应用领域,重点讨论了新型陶瓷材料在航空航天、军事、生物工程、电子工业等的应用,最后简单说明了新型陶瓷材料的近况和发展趋势。 关键字:新型陶瓷材料应用发展 引言:在当今科技高度发展的工业社会,每一项工业化的成就都与材料科学、材料的制造及实际使用有着密不可分的关联,它使得某些新的科学设想、构思及生产过程得以实现。离开了材料科学与材料工业,世界上的许多科学创造和发明都是难以实现或达到的。陶瓷材料是继金属材料,非金属高分子材料之后人们所关注的无机非金属材料中最重要的一种,因为它同时兼有金属和高分子材料两者的共同优点,此外在不断的改性过程中,已使它的易碎裂的性能有了很大的改善。因此,它的应用领域和各类产品都有一个十分明显的提高。 1.传统陶瓷材料到新型陶瓷材料的演变 陶瓷一词(Ceramics) 来源于古希腊Keramos 一词,意为地球之神。传统的陶瓷材料含意很广泛,它主要指铝、硅的氮化物,碳化物,玻璃及硅酸盐类。虽然传统陶瓷具有一定的耐化学腐蚀特性和较高的电阻率、熔点高,可耐高温,硬度高,耐磨损,化学稳定性高,不腐蚀等优点。但它也存在着塑料变形能力差,易发生脆性破坏和不易加工成型等缺点,这些原因大大地限制了在工业的应用范围,特别是在机械工业上的应用。而在电器上的应用也主要局限在高压电瓷瓶及其绝缘体部件等少数几个方面。 为此人们开展对传统的陶瓷材料进行改性研究和有关材料的人工合成开发,现代合成技术已经能够通过物理蒸发溅射(Vapor processing) 溶液法(Aqueous precipitation) 溶胶—凝胶技术(Solgel-technology) 及其它先进技术改造传统陶瓷或人工合成极少缺陷的陶瓷材料,其中较为重要的有Si3N4 ,A12O3 等。合成的陶瓷材料与传统陶瓷材料相比,它的性能大大提高,与其它材料相比,在同样强度下这些材料具有良好的化学、热、机械及摩擦学(tribology)特性。它质轻,可以耐高温,硬度高,抗压强度有时超过金属及合金,具有较强的抗磨性和化学隋性、电及热的绝缘性都相当好,特别是由于采用纯净材料,消除了缺陷( eliminate-defects) , 它的易脆性( brittleness) 得到了极大的改善,因此其应用,特在现代机械业的应用日益广泛。目前巳有大量的新型陶瓷材料被用于工业高温抗磨器件、机械基础元器件,除此之外,电子及电信行业,生物医疗器件乃至于陶瓷记忆材料,超导陶瓷等应用都与新型陶瓷材料的研制与开发有关。 2.新型陶瓷材料特性与分类 新型陶瓷材料按照人们目前的习惯可分为两大类,即结构陶瓷(Structural ceramics)(或工程陶 瓷)和功能陶瓷( Functional ceramics),将具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷列为结构陶瓷, 而将具有电、光、磁、化学和生物体特性,且具有相互转换功能的陶瓷列为功能陶瓷。随着科学技术的发展, 各种超为基数和符合技术的运用,材料性能和功能相互交叉渗透,确切分类已经逐渐模糊和淡化。根据现代科 学技术发展的需要,通过对材料结构性能的设计,新型陶瓷材料的各种特性得到了充分的体现。 3.新型陶瓷的应用与发展 新型陶瓷是新型无机非金属材料, 也称先进陶瓷、高性能陶瓷、高技术陶瓷、精细陶瓷, 为什么能得到高 速发展, 归纳起来有四方面原因:①具有优良的物理力学性能、高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗热震 而且在热、光、声、电、磁、化学、生物等方面具有卓越的功能, 某些性能远远超过现代优质合金和高分子材料, 因而登上新材料革命的主角地位, 满足现代科学技术和经济建设的需要。②其原料取于矿土或经合成而得, 蕴藏量十分丰富。③产品附加值相当高, 而且未来市场仍将持续扩展。④应用十分广泛, 几乎可以渗透到各 行各业。 应用领域 功能陶瓷主要在绝缘、电磁、介电以经济光学等方面得到广泛应用;结构陶瓷除了耐低膨胀、耐磨、耐腐 蚀外,还有重量轻、高弹性、低膨胀、电绝缘性等特性。因而在很多领域得到应用应该是以陶瓷燃气轮机为代 表的耐高温陶瓷部件陶瓷广泛用于道具及模具等耐磨零件,这方面的应用主要是利用陶瓷的高硬度、低磨耗 性、低摩擦系数等特性。另一方面,陶瓷材料具有其他材料所没有的高刚性、重量轻、耐蚀性等特性,从而被 有效地应用在精密测量仪器和精密机床等上面。另外,因为陶瓷材料具有很好的化学稳定性和耐腐蚀性,在生 物工程以及医疗等方面也得到广泛的应用。下面将分几方面来介绍新型陶瓷材料的应用领域。 1)航空航天材料:陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites) 当前耐高温材料已经成为航天先进材料中的由此岸优先发展方向,材料在高温下的应用对航天技术特别 是固体火箭等领域具有极其重要的推动作用。随着航空技术的发展气体涡轮机燃烧室中燃气的温度要求越来越高,并更紧密地依赖于高温材料的研究开发,而先进陶瓷及其陶瓷基复合材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀质 量轻等优异性能,是最具有希望代替金属材料用于热端部件的候选材料[4]。为此世界各国开展对陶瓷发动机的 研究工作。美、欧、日等越来越多的人体涡轮机设计者们开始用陶瓷基复合材料来制作旋转件和固定件。当前 对高温结构陶瓷的研究主要集中于Sic、Si3N4、Al2O3和ZrO2等,尤其以Si3N4高温结构陶瓷最引人注目。这类 陶瓷的综合性能较突出,它们有良好的高温强度,已经在航空涡轮发动机等方面得到了应用,非常适用于制作

激光束表面改性技术

激光束表面改性技术 摘要:激光束表面改性技术在改善材料表面性能,提高材料使用寿命方面具有突出的优越性。它作用于材料表面使得材料的表面性能得到了明显的提高,随着研究的深入和技术的逐渐成熟,表面改性技术在工业领域中的应用越来广泛,目前进行材料表面改性的工艺有激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化、激光冲击硬化,本文就其工艺方法进行了综述。 一、引言 激光表面处理技术的研究始于20世纪60年代,但是直到20世纪70年代初研制出大功率激光器之后,激光表面处理技术才获得实际的应用。它是将现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多方面的成果和知识结合起来的高新技术,用激光的高辐射亮度,高方向性,高单色性特点,以非接触性的方式加热材料表面,借助于材料表面本身传导冷却, 使金属材料表面在瞬间被加热或熔化后高速冷却,来实现其表面改性的工艺方法。 二、激光相变硬化 激光表面相变硬化又称激光淬火,它是以104~105W/cm2高能功率密度的激光束作用在工件表面,以105~106℃/s的加热速度,使受激光束作用的工件表面部位温度迅速上升到相变点以上,形成奥氏体,并通过仍处于冷却态的基体与加热区之间形成的极高的温度梯度的热传导,一旦激光停止照射,则以105℃/s的速度冷却,实现自冷淬火,形成表面相变硬化层。 三、激光熔覆 激光熔覆是采用激光束加热熔覆材料和基材表面,使所需的特殊材料熔焊于工件表面的一种新型表面改性技术。这项技术始于1974年, Gnanamuthu申请了激光熔覆一层金属于金属基体的熔覆方法专利[3]。经过二十几年的发展, 激光熔覆已成为材料表面工程领域的前沿和热门课题。影响激光熔覆的因素主要有熔覆材料的原始成分、基体材料成分、熔覆的工艺参数。激光熔覆技术示意图见图1 1.短型光束或高斯型光束 2.气动送粉 3.测量孔 4.振动器 5.粉末漏斗箱 6.二氧化碳气体激光束高频振动7样品运动 8.样品9.熔覆厚度10.熔覆层 图1激光熔覆技术示意图

陶瓷表面改性技术

11.4 陶瓷表面改性技术 11.4.1 传统陶瓷表面改性技术 11.4.2 特种陶瓷表面改性技术 习题与思考题 参考文献 2.1 表面涂层法 2.1.1 热喷涂法 2.1.2 冷喷涂法 2.1.3 溶胶凝胶涂层 2.1.4 多弧离子镀技术 2.2 离子渗氮技术 2.2.1 离子渗氮的理论 2.2.2 离子渗氮技术的主要特点 2.2.3 离子渗氮的设备和工艺 2.2.4 技术应用 2.3 阳极氧化 2.3.1 铝和铝合金的阳极氧化 2.3.2 铝和铝合金的特种阳极氧化 2.3.3 铝和铝合金阳极氧化后的封闭处理 2.3.4 阳极氧化的应用 2.4 气相沉积法 2.4.1 化学气相沉积 2.4.2 物理气相沉积法 2.5 离子束溅射沉积技术 2.5.1 离子源 2.5.2 技术方法 2.5.3 应用 11.4.2 特种陶瓷表面改性技术 3.1 离子注入技术 3.1.1 离子注入技术原理 3.1.2 金属蒸气真空离子源(MEVVA)技术 3.1.3 离子注入对陶瓷材料表面力学性能的影响 3.2 等离子体技术 3.2.1 脉冲等离子体技术 3.2.2 等离子体辅助化学气相沉积

3.2.3 双层辉光等离子体表面合金化3.3 激光技术 3.3.1 激光表面处理技术的原理及特点3.3.2 激光表面合金化 3.3.3 激光化学气相沉积 3.3.4 准分子激光照射技术 3.4 离子束辅助沉积 3.4.1 基本原理 3.4.2 IBAD设备简介 3.4.3 IBAD工艺类型与特点 3.4.4 IBAD过程的影响因素 3.4.5 IBAD技术的应用 参考文献 4 传统陶瓷的表面装饰及改性 4.1 陶瓷表面的抗菌自洁性能 4.1.1 抗菌剂种类及其抗菌机理 4.1.2 抗菌釉的制备方法 4.1.3 影响表面抗菌性能的因素 4.2 陶瓷墙地砖的表面玻化 4.2.1 低温快烧玻化砖 4.2.2 陶瓷砖复合微晶化表面改性 4.2.3 陶瓷砖的表面渗花 4.2.4 抛光砖的表面防污性能 4.3 陶瓷砖的表面微晶化 4.3.1 微晶玻璃的概念 4.3.2 微晶玻璃的特性 4.3.3 微晶玻璃的应用 4.3.4 微晶玻璃的制备与玻璃析晶 4.3.5 主要的微晶玻璃系统 4.3.6 基础玻璃热处理过程 4.3.7 晶核剂的作用机理 4.3.8 微晶玻璃与陶瓷基板的结合性4.4 陶瓷表面的金属化 4.4.1 沉积法 4.4.2 烧结法 4.4.3 喷涂金属化法 4.4.4 被银法(Pd法) 4.4.5 化学镀实现陶瓷微粒表面金属化

材料表面改性方法

材料表面改性方法 材料表面改性是指不改变材料整体(基体)特性,仅改变材料近表面层的物理、化学特性的表面处理手段,材料表面改性也可以称为材料表面强化处理。 现代材料表面改性目的:是把材料表面与基体看作为一个统一的系统进行设计与改性,以最经济、最有效的方法改变材料近表面层的形态、化学成份和组织结构,赋予新的复合性能,以新型的功能,实现新的工程应用。现代材料表面改性技术就是应用物理、化学、电子学、机械学、材料学的知识,对产品或材料进行处理,赋予材料表面减磨、耐磨、耐蚀、耐热、隔热、抗氧化、防辐射以及声光电磁热等特殊功能的技术。 分类: 1、传统的表面改性技术: 表面热处理:通过对钢件表面的加热、冷却而改变表层力学性能的金属热处理工艺。表面淬火是表面热处理的主要内容,其目的是获得高硬度的表面层和有利的内应力分布,以提高工件的耐磨性能和抗疲劳性能。 表面渗碳:面渗碳处理:将含碳(0.1~0.25)的钢放到碳势高的环境介质中,通过让活性高的碳原子扩散到钢的内部,形成一定厚度的碳含量较高的渗碳层,再经过淬火\回火,使工件的表面层得到碳含量高的M,而心部因碳含量保持原始浓度而得到碳含量低的M,M的硬度主要与其碳含量有关,故经渗碳处理和后续热处理可使工件获得外硬内韧的性能. 2、60年代以来:传统的淬火已由火焰加热发展为高频加热 高频加热设备是采用磁场感应涡流加热原理,利用电流通过线圈产生磁场,当磁场内磁力线通过金属材质时,使锅炉体本身自行高速发热,然后再加热物质,并且能在短时间内达到令人满意的温度。 3、70年代以来: 化学镀:是指在不用外加电流的情况下,在同一溶液中使用还原剂使金属离子在具有催化活性的表面上沉积出金属镀层的方法。 4、近30年来: 热喷涂:热喷涂是指一系列过程,在这些过程中,细微而分散的金属或非金属的涂层材料,以一种熔化或半熔化状态,沉积到一种经过制备

功能陶瓷材料总复习题

功能陶瓷材料总复习 绪论 什么是功能陶瓷?常见的功能陶瓷的分类、特性与用途。 1定义:指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性,且具有相互转化功能的一类陶瓷。 2、分类:电容器陶瓷、压电、铁电陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、导电、超导陶瓷、生物与抗菌陶瓷、发光与红外辐射陶瓷、多孔陶瓷。 3、特性:性能稳定性高、可靠性好、资源丰富、成本低、易于多功能转化和集成化等 4用途:在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作用。举例:电容器陶瓷、谐振器元器件基材料、压电式动态力传感器、压电式振动加速度传感器。 介电陶瓷 以感应的方式对外电场作出响应,即沿着电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变,这类材料称为电介质 各种极化机制以及频率围。 极化机制:电子极化、离子极化、偶极子极化、空间电荷极化 频率围: 铁电体, 晶体在某温度围具有自发极化Ps,且自发极化Ps的方向能随外电场而取向,称为铁电体。 材料的这种性质称为铁电性。 电畴:铁电体中自发极化方向一致的微小区域 铁电体的特性:铁电体特性包括电滞回线Hysteresis loop、电畴Domains、居里点Tc及居 里点附近的临界特性。 电滞回线:铁电体的P滞后于外电场E而变化的轨迹(如图

居里点Tc:顺电相T铁电相的转变温度 T>Tc 顺电相TTc存在Ps和电滞回线。 频率色散(Frequency Dispersion) 高介电常数,大的应变 复合钙钛矿:晶胞中某一个或几个晶格位置被2种以上离子所占据 /辭眩,才才(附必… 〃'一Mg2打Z0, M笔屁强… B”一Nb=TF 严… Pb(Mg l/3Nb2J3)O3尸风2也N% M 介电陶瓷的改性机理。 1、居里区与相变扩:热起伏相变扩、应力起伏相变扩、成分起伏相变扩散、结构起伏相

粉体表面改性复习要点(精简版)

第2章 纳米粉体的分散 1.粉体分散的三个阶段(名词解释) 润湿 是将粉体缓慢加入混合体系形成的漩涡,使吸附在粉体表面的空气或其它杂质被液体取代的过程。 ?解团聚 是指通过机械或超声等方法,使较大粒径的聚集体分散为较小颗粒。 ?稳定化 是指保证粉体颗粒在液体中保持长期的均匀分散 2.常用的分散剂种类 (1)表面活性剂 空间位阻效应 (2)小分子量无机电解质或无机聚合物 吸附--提高颗粒表面电势 (3)聚合物类(应用最多) 空间位阻效应、静电效应 (4)偶联剂类 3.聚电解质(名词解释) 是指在高分子链上带有羧基或磺酸基等可离解基团的水溶性高分子 4.对不同pH 值下PAA 在ZrO 2表面的吸附构型进行分析。 图.不同pH 值下PAA 在ZrO 2 表 面的吸附构型 a.当pH<4时,PAA 几乎不解离,以线团方式存在于固液界面上,吸附层很薄,几乎无位阻作用 δ δδ

b.随pH值增加,链节间静电斥力使其伸展开 c.ZrO2表面电荷减小直至由正变负,PAA的负电荷量增加,其间斥力增加, 使得PAA链更加伸展,可在较远范围提供静电位阻作用 5.用聚电解质分散剂分散纳米粉体时,影响浆料稳定性的各种因素有哪些? 1、聚电解质的分子量 当聚电解质分子量过小,在粉体表面的吸附较弱,吸附层也较薄,影响位阻作用的发挥。 分子量过大,易发生桥连或空位絮凝,使团聚加重,粘度增加。 2、分散剂用量 适宜的分散剂用量才可以使分散体系稳定。 用量过低,粉体表面产生不同带电区域,相邻颗粒因静电引力发生吸引,导致絮凝。 用量过高,离子强度过高,压缩双电层,减小静电斥力;同时,还易发生桥连或空缺絮凝,稳定性下降。 3、温度 研究表明,为了获得较好的分散效果(以最低粘度为衡量标准),随温度的升高,所需分散剂的用量随之增加 6.结合下图,分析煅烧为什么能够改善纳米Si3N4粉体的分散性? 煅烧改善纳米Si3N4粉体的可分散性 ?此前提到,球磨可有效降低粉体的粒度。但球磨过程可能造成分散介质与粉体发生化学反应。 ?以乙醇为介质球磨Si3N4粉体时,表面的Si-OH可能与乙醇反应生成酯。 ?酯基的生成对粉体的分散性影响很大: a、酯基是疏水基团 b、屏蔽负电荷,影响分散剂的吸附 ?采取煅烧去除酯基,可改善其分散性 第3章纳米粉体表面改性(功能化) 1.表面改性有哪些重要应用? 改善纳米粉体的润湿和附着特性。 改善纳米粉体在基体中的分散行为,提高其催化性能。 改善粉体与基体的界面结合能等。 2.纳米粉体的表面改性方法? 气相沉积法 机械球磨法 高能量法

纳米陶瓷材料

纳米陶瓷原理与应用 利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性,通过往陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等,使晶粒、晶界以及 他们之间的结合都达到纳米水平,使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。 纳米陶瓷是由纳米陶瓷粉体烧结而成。纳米陶瓷粉体是介于固体与分子 之间的具有纳米数量级( 1~ 100 nm) 尺寸的亚稳态中间物质。随着粉体的超细化, 其表面电子结构和晶体结构发生变化,产生了块状材料所不具有的特 殊效应。具体地说纳米粉体材料具有以下的优良性能。 1.极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能, 可以显著降低材料的烧结致密化程度、节约能源。 2.使陶瓷材料的组成结构致密化、均匀化, 改善陶瓷材料的性能, 提 高其使用可靠性。 3.可以从纳米材料的结构层次( 1~ 100 nm)上控制材料的成分和结构, 有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能。 另外, 陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能。如 果粉料的颗粒堆积均匀,烧结收缩一致且晶粒均匀长大, 那么颗粒越小产生的缺陷越小, 所制备材料的强度就相应越高, 这就可能出现一些大颗粒材料所不具 备的独特性能。 纳米陶瓷具有的独特性能, 如做外墙用的建筑陶瓷材料则具有自清洁和防雾功能。纳米陶瓷具有广谱吸波效果, 不仅能吸收和反射红外光, 还能吸 收高频雷达波和屏蔽通讯波段的电磁波。纳米陶瓷的红外反射率可 达0. 3~ 0. 95 范围, 根据需要广范围可调, 其对高频电磁波的吸收 波率和透波特性也广范围可调, 不仅可用于军工攻防武器装置和重要军事设施, 还可用于高层建筑及医院外墙涂料的大面积电磁波屏蔽材料。纳米陶瓷发光材料, 尤其是长余辉发光材料, 涂在室外墙体上, 可在天黑后持续发光十小时

表面改性技术综述

表面改性技术综述 表面改性是指采用某种工艺和手段使材料获得与其基体材料的组织结构性能不同的一种技术。材料经过改性处理之后,既能发挥材料基体的力学性能,又能使材料表面获得各种特殊性能,如耐磨,耐腐蚀,耐高温,合适的射线吸收等。 金属表面改性技术在冶金、机械、电子、建筑、轻工、仪表等各个工业部门乃至农业和人们日常生活中都有着广泛的用途, 其种类繁多。除常用的喷丸强化、表面热处理等传统技术外, 近些年还快速发展了激光、电子和离子等高能束表面处理技术。今后, 随着物理学、材料学等相关学科的迅速发展, 还将不断涌现出新的表面改性技术。尤其是复合表面技术的发展, 有可能获得意想不到的效果。金属表面改性技术的飞速发展和不断创新, 将进一步推动其在工农业生产中的应用, 带来显著的经济效益。 传统的表面改性技术有:表面形变强化、表面热处理、表面化学热处理、离子束表面扩渗处理、高能束表面处理、离子注入表面改性等。 1、喷丸强化 喷丸处理是在受喷材料再结晶温度以下进行的一种冷加工方法, 是将弹丸在很高速度下撞击受喷工件表面而完成的。喷丸可应用于表面清理、光整加工、喷丸成型、喷丸校正、喷丸强化等方面。喷丸强化又称受控喷丸, 不同于一般的喷丸工艺, 要求喷丸过程中严格控制工艺参数, 使工件在受喷后具有预期的表面形貌、表层组织结构和残余应力场, 从而大幅度提高疲劳强度和抗应力腐蚀能力。实施喷丸时, 弹丸由专用的喷丸机籍助压缩空气、高压水流或叶轮, 高速射向零件受喷部位。常用弹丸有球形铸铁丸、铸钢丸和其它非金属材料制成的弹丸。喷丸强化的效果用喷丸强度来表示, 与弹丸种类和形状、碰撞速度和密度、喷射方位和距离、喷丸时间等因素有关。表面喷丸提高金属材料疲劳强度的机理比较复杂, 涉及到塑性变形层(通常为011~018mm 厚) 的组织结构变化(如位错密度、亚晶粒尺寸) 和残余应力的变化。因此, 只有合理控制表面变形层内的变化, 才可能获得预期的喷丸强化效果。 早在20 世纪20 年代, 喷丸强化就应用于汽车工业。目前已成为机械制造等工业部门的一种重要的表面技术, 应用广泛。涉及的材料除普通钢外,还有高强度钢和各种有色金属; 涉及的零件类型有弹簧、轴、齿轮、连杆、叶片、涡轮盘和飞机起落架组成件等。 2、传统表面热处理改性 传统的表面热处理技术可分为表面淬火和化学热处理两大类。它主要用来提高钢件的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限。在机械设备中, 许多零件(如齿轮轴、活塞销、曲轴等) 是在冲击载荷及表面磨损条件下工作的。这类零件表面应具有高的硬度和耐磨性, 而心部应具有足够的塑性和韧性。因此, 为满足其使用性能要求, 应进行表面热处理。 ○1表面淬火 表面淬火是把零件的表层迅速加热到淬火温度后快冷, 使零件表面层获得淬火马氏体而心部仍保持未淬火状态的一种淬火方法。表面淬火的目的是使零件获得高硬度的表层, 以提高工件的耐磨性和疲劳性能, 而心部仍具有较好的韧性。其设备简单、方法简便, 广泛用于钢铁零件。根据加热方法的不同, 可分之为火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。火焰加热表面淬火的淬透层一般为2 -6mm。其特点是设备简单, 但加热温度高及淬硬层不易控制, 淬火质量不稳定, 使用上有局限性。感应加热表面淬火的特点是: 加热速度快, 零件变形小, 生产效率高, 淬火后表面能获得优良的机械性能; 淬透层易控制, 淬火操作易实现机械化。但设备较贵, 形状复杂零件的感应器不易制造, 不宜单件生产。 ○2化学热处理 化学热处理是将金属零件放在某种介质中加热、保温、冷却, 使介质中的某些元素渗入

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