尖端材料與膜模擬化學(xué)：第七章 高級(jí)陶瓷

第七章高級(jí)陶瓷

陶瓷是在高溫下燒制非金屬無機(jī)固體而制得的?！癈eramic”陶瓷一詞來源于希臘文”kermikos”，意思是陶土。事實(shí)上，瓷器的出現(xiàn)預(yù)示著人類文明的誕生。從廣泛意義上來說，傳統(tǒng)的陶瓷除了包括粘土燒制產(chǎn)品諸如瓷器、陶器、瓷磚外，還包括有混凝土、水泥等多種材料。在高溫輕質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)和高溫原子核反應(yīng)器中已利用了高級(jí)陶瓷材料。另外還可作衛(wèi)星隔熱板、絕緣體、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、光學(xué)和光電元件和超細(xì)纖維、人造骨及膜等。它們之所以被挑選來作這些應(yīng)用是由于其特性所決定的，諸如：硬度、輕質(zhì)及抗磨損、抗侵蝕、耐化學(xué)劑腐蝕(甚至在高溫下1500℃或更高溫度下)，

但是它們也有缺點(diǎn)，諸如：脆性和低抗拉強(qiáng)度。通過把陶瓷顆粒加人到輔助基質(zhì)中，從而產(chǎn)生例如陶瓷-金屬(合金陶瓷)和陶瓷-聚合物(聚合物陶瓷)復(fù)合材料，已能克服這些問題。傳統(tǒng)的陶瓷來源于天然的粘土礦物、硅酸鹽和氧化物。相反，高級(jí)陶瓷則由化學(xué)合成或從天然材料高度精制而得。生產(chǎn)陶瓷的傳統(tǒng)路線為：從溶液中沉淀、于燥、研磨以減小尺寸以及熔合。提供所需尺寸的單分散顆粒是形成高級(jí)陶瓷的必要條件。陶瓷材料密度與其組織顆粒大小和堆積之間的關(guān)系巳從理論上進(jìn)行過考察以及在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了模型的研究。膠體與表面化學(xué)方法己被發(fā)展來用于可重復(fù)地制備出陶瓷顆粒。這些方法包括：(i)均相溶液的控制沉淀；(ii)相轉(zhuǎn)變；(iii)蒸發(fā)沉積和分解；(iv)等離子體和激光誘導(dǎo)反應(yīng)。

膠體化學(xué)家大大地完善了控制沉淀的技術(shù)以形成均勻的顆粒。特別在所謂的“強(qiáng)制水解”中，人們應(yīng)用了提高溫度、控制溶液pH值和選擇最合適的對離子等方法。在最佳條件下，其水解速率和隨后的成核速率可控制到能獲得均勻生長和較窄顆粒分布的粒子。人們利用這一方法己制備出單分散微米級(jí)鋁、鉻、鈦、鐵和鐵氧化物或氫氧化物顆粒。在金屬鹽溶液存在時(shí)，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)條件控制陰離子從有機(jī)分子中釋放的速率(例如：從硫代乙酰胺釋放硫離子或從硒脲釋放硒離子)也可制備微米級(jí)窄分布的顆粒。同樣，在OH-存在時(shí)，控制陽離子從有機(jī)金屬復(fù)合物中緩慢釋放，也可以產(chǎn)生單分散微米級(jí)金屬氧化物。用這一方法己制備出膠體氧化銅、氧化鐵、氧化鈷和氧化鎳。在高度控制條件下兩種或更多物質(zhì)同時(shí)或共沉淀也可得到單分散復(fù)合膠體顆粒。

控制已制備好的顆粒的相轉(zhuǎn)變同樣可以增強(qiáng)尺寸控制和提高單分散度。溶膠-凝膠的相轉(zhuǎn)變，即所謂的溶膠-凝膠過程，是這一方法最好的例子。最簡單的溶膠-凝膠過程包括：(i)將金屬鹽轉(zhuǎn)變?yōu)榭煞稚⒌难趸镱w粒；(ii)在水中形成分散膠體(溶膠)；(iii)從溶膠除去水或除去陰離子以制備在所需形貌下的凝膠(即相轉(zhuǎn)變)；(iv)干燥和燒結(jié)(或鍛燒)凝膠以得到陶瓷材料。在最佳條件下的簡單溶解-沉淀或重結(jié)晶，同樣會(huì)改善膠體顆粒的單分散性。下圖給出了一些制備陶瓷材料的膠體化學(xué)方法。

人們發(fā)現(xiàn)溶液的蒸發(fā)分解和噴霧高溫?zé)峤鈱τ谥苽鋪單⒚籽趸锖头茄趸镱w粒很有用處，利用均勻氣溶膠液滴(例如，乙醇中的乙醇鈦)與蒸汽反應(yīng)(例如水)制備出可控制大小和粒徑分布的球形膠體顆粒是另一個(gè)汽相方法?；瘜W(xué)氣相沉積技術(shù)(CVD)同樣被推廣來制備陶瓷顆粒。膜模擬方法勢必能為陶瓷顆粒提供優(yōu)越的尺寸，形貌和單分散性。在這一領(lǐng)域中相對少量的文獻(xiàn)令人吃驚。由于受到生物礦化和把金屬的、催化的和半導(dǎo)體顆粒結(jié)合進(jìn)