牧风人分享 http://blog.sciencenet.cn/u/siccashq 一个湘里人的梦,便是风的自由舞步. 言所盼,非盼急出。

博文

加州笔记之三 三聊陶瓷 精选

已有 6688 次阅读 2008-8-8 15:27 |个人分类:加州笔记

一而再,再而三,本来写陶瓷是给小众看的,能有几位朋友聊聊就很不错,结果感兴趣的人还不少。这是我很开心的事情,因为陶瓷这样传统的学科比不上纳米那么唬人,所以别人不屑谈,当事人也不好意思谈,说句不好听的话做陶瓷就是大厨,一堆配料搅拨搅拨就可以了。

但是我不这么认为,这样想的人只不过是偷懒的想法而已。对于精细陶瓷的工艺和性能研究永远是需要物理化学功底很深的人来努力,因为陶瓷科学才是真正的自下而上的科学:从纳米或微米尺度的粉体固化为致密多功能的块体材料。

而我现在最关心的是如果控制多晶陶瓷中的晶粒生长,如果能控制陶瓷晶粒在亚微米或者100纳米以下,陶瓷的硬度将非常大,强度也会增加,而材料的塑性性能将得到极大的提高。但有一个问题就是常常材料的韧性降低,所以需要在陶瓷体中引入新的能量吸收机制。

晶粒生长从能量角度来看是降低总体的晶界能(减少晶界),但是动力学上却是由三叉晶界(三个或多个晶粒的交汇处)所控制。因为三叉晶界的移动使得附近位错等缺陷密度和形式发生很大的变化,这种能量上的变化刚好与晶界能的减小竞争,也可以说三叉晶界处形成了新的能量势垒,必须越过这个势垒晶界才可能进一步扩展。

材料学家也尝试着简化这种晶体生长模型,单纯从二维平面晶粒的拓扑图像来研究。金属抛光表面图像可以视为多边形的聚集体,我们开始简化了,这些多边形的边(也就是晶界)具有相同的单位表面能(也就是具有相同的表面张力),那么任何一个点(规定只有三条边)达到稳定状态时任意夹角只能是120度。01952年,von Neumann 最早在金属中提出这个理论,金属比陶瓷更适合这个理论,因为高温态下更容易接受这个表面张力的物理概念。但是陶瓷不一样,即便是在烧结温度下,陶瓷颗粒表面也不能说是流动性的,用固-气表面来理解更为实际。这种理论可能用来解释啤酒杯上面的泡沫演变更好,如果你身边的女伴感兴趣的话。

所以我很怀疑陶瓷教科书里面引用金属学里面的模型来解释陶瓷晶粒的生长,如表面凸面的晶粒逐渐被凹面晶粒所吞噬之类,问题是我从没有看见凹面的晶粒存在。我更相信气相传质这样的过程:晶粒表面的原子脱离,或者融入晶界相然后析出或者直接扩散到其他晶粒表面上,当然也会有相反过程,最终原子位置取决于在不同取向晶面上的稳定程度(晶面能)。这当中也有很多的竞争过程,包括一些晶格位错和肖特基缺陷之类的,如果初始陶瓷粉体在100纳米以下,这些缺陷的存在和演变对于烧结会有很大的影响,当然最后影响到材料的宏观性能。比如说合作者Ovid'ko教授研究发现纳米晶陶瓷更容易以晶界滑移和旋转的方式消解位错,而常规陶瓷晶界上的位错常常会集聚增加并最终发散到晶粒内部,这也就是为什么粗晶陶瓷材料硬度为什么低的原因。

如何阻碍界面原子的迁移是一个大工程,我们可以加一堵墙,也就是引入第二相,常常复相陶瓷更容易获得纳米晶结构。从直观来看似乎是第二相晶粒阻碍了气相传质,但是我觉得理由不够充分。有时候这个第二相的体积含量并不需要很高,甚至只要百分之十以下就可以达到效果,这就奇怪了。

举个小例子来说明一下,这是我以前介绍过的一个工作:在陶瓷中引入BN 纳米管可以获得超塑性。图a和c就可以看出少量的BN就可以使陶瓷晶粒尺寸显著减小!这个例子说明还有另外的因素需要考察,其中最有可能的是界面的应力分布。这个热应力来源于两相材料热膨胀系数的不匹配,在高温下粉体都会热膨胀,但是对于BN管状材料来说热膨胀几乎为零(这个和C管很相似),不匹配的直接结果就是基体材料晶界受到张应力作用,张应力在晶粒中的传递增加了其他‘纯’晶界的压应力。难道就是因为这个压应力的存在改变了陶瓷晶粒的生长吗?最近新的实验结果,如从X射线衍射中可以清楚地看到氧化铝的衍射峰发生了位移,这直接给出了应力存在的证据。

而且以前我做过另一个最有意思的结果是在钛酸钡陶瓷中加入少量碳纳米管后,可以用拉曼谱手段清楚地观察到钛酸钡的相变过程,甚至在极高温度下才能存在的六方相钛酸钡材料居然在室温下就能稳定下来,这充分说明应变能的强大力量。

也有可能我们可以利用这个残余应力做一些比金刚石还要硬的材料出来。

不聊了,还是看奥运会吧!



http://blog.sciencenet.cn/blog-2317-34588.html

上一篇:加州笔记之二 再聊聊陶瓷
下一篇:加州笔记之四 碳管-文献-灵感-聊天

2 郭向云 马昌凤

发表评论 评论 (18 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2019-8-23 19:27

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部