[发明专利]一种高弹性纳米氧化锆基陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高弹性纳米陶瓷的制备方法。

背景技术

纳米陶瓷是八十年代中期发展起来的一种先进材料，它是由纳米级水平显微结构组成的新型陶瓷材料，其中包括晶粒尺寸、晶界宽度等都只限于100 nm量级的水平。由于纳米陶瓷中晶粒界面的体积百分比与晶粒本身的体积百分比相当，且纳米陶瓷中晶粒有小尺寸效应和晶粒界面无序性等特点，这使得纳米陶瓷拥有不同于传统陶瓷的独特性能，它一直是材料科学、凝聚态物理研究的热点领域，同时纳米陶瓷的制备也是纳米科学技术的重要组成部分 (郭景坤等. 纳米陶瓷及其进展 [J], 《硅酸盐学报》, 1992, 20(30):286-291)。

陶瓷是一种多晶体材料，它是由晶粒和晶界所组成的块体材料。决定陶瓷材料性能的主要因素是成分和显微结构，显微结构包括晶粒、晶界、气孔或裂纹的组合形貌，其中晶粒尺寸是影响陶瓷性能最主要的因素之一，晶粒尺寸的减少将对材料的力学性能产生较大的影响。晶粒的细化使材料不易产生穿晶断裂，有利于提高材料的断裂韧性；其次，晶粒的细化将有助于陶瓷中晶粒间的滑移，使材料具有高弹性行为，高弹性是指当材料在某一方向上发生弹性变形的量超过该方向材料尺寸的7%，此时就认为该材料具有高弹性行为(K.T. Faber, Small volumes create super-elastic effects [J],《Science》, 2013, 341:1464-1465)。如果陶瓷中的晶粒都处于纳米级(<100 nm)水平，则陶瓷的弹性和塑性将大大提高。此外，晶粒的细化将对晶体结构中的其它行为产生重要的影响，如陶瓷中电热导系数随晶粒尺寸的减少

而下降。此外，纳米陶瓷也同时拥有高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及特别的光吸收效应，以上这些纳米陶瓷特性将为材料的应用开拓一个崭新的领域。

陶瓷，一向被认为是典型的脆性材料，当受到外力作用时，在几乎无较大弹性变形的情况下呈脆性断裂。近年来，随着陶瓷制备技术的发展，发现了纳米陶瓷材料在高温下具有高弹性，高弹性材料的制备存在三个难点需要解决：一是纳米陶瓷制备方法成本高，大规模应用还需把制备成本降低；二是纳米陶瓷难制备，由于纳米晶粒表面能较高，在制备纳米陶瓷过程中晶粒容易长大，因此真正意义上的纳米陶瓷制备一直是科学界的难点；三是纳米陶瓷一般只在高温下才具有高弹性，怎么做到在室温下也具有高弹性同时也是科学界的难点。纳米陶瓷材料的弹性是指材料在一定的应力加载下产生较大的弹性变形而无裂纹出现，当应力释放时，材料能恢复原来的形状而无塑性变形。关于陶瓷产生弹性的原因，一般认为是处在晶格结点的原子在力的作用下在其平衡位置附近产生的微小位移。而纳米陶瓷产生的高弹性原因，一般认为是材料在力的作用由扩散蠕变引起晶界滑移所导致的。扩散蠕变速率与扩散系数成正比，与晶粒尺寸的三次方成反比，当粒子尺寸处于纳米级别时，扩散系数非常高，从而造成扩散蠕变异常。当材料中的晶粒尺寸处于纳米尺寸级别时，材料具有很高的扩散蠕变速率，当受到外力后能迅速做出反应，造成晶界方向的平移，从而表现出高弹性，弹性的提高也使其韧性大为提高。纳米陶瓷材料的研究是无机材料研究中的重要分支，其中有一重要目的是增加陶瓷材料的可加工性，而高弹性无疑会增加陶瓷材料的可加工性。

为了制备纳米陶瓷，众多学者做了大量的尝试。肖长江等人 (纳米BaTiO₃陶瓷的超高压烧结 [J], 《高压物理学报》，2011, 25 (1):55-60) 采用超高压烧结的方法制备了纳米BaTiO₃陶瓷，该方法晶粒尺寸控制较难、室温下无高弹性且生产成本高，无法用于大规模生产。C. Persson等人(Nano grain sized zirconia-silica glass ceramics for dental applications,《Journal of European Ceramic Society》, 2012, 32:4105-4110) 采用溶胶-凝胶法制备了ZrO₂-SiO₂纳米陶瓷，该方法虽然制备成本低，但制备效率较低且陶瓷在室温下也无高弹性。

发明内容

针对现有的制备纳米陶瓷技术的不足，本发明提供一种纳米氧化锆基陶瓷的制备方法，该纳米陶瓷在室温下有高弹性，步骤如下：

1）将不锈钢基体依次用汽油和酒精进行超声波除污清洗，抛光，粗粗度在0～2μm，表面喷洒3.5%NaCl的盐水，干燥后待用；