氧化铝纳米粉对耐火材料力学性能和烧结性能的影响

纳米氧化铝是一种尺寸为1～100nm的超细微粒。纳米氧化铝因其表面原子与体相总原子数之比随粒径尺寸的减小而急剧增大，所以显示出强烈的体积效应(小尺寸效应)、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，进而在光、电、热力学和化学反应等许多方面表现出一系列的优异性能。基于以上特点，纳米氧化铝粉体有望在诸如低温塑性氧化铝陶瓷、纳米复合陶瓷、微电子工业、纳米陶瓷涂料、弥散强化材料、化工催化领域及耐火材料等领域得到广泛的应用。当纳米氧化铝粉体应用于耐火材料领域时，可能会产生下列影响。

1、对力学性能的影响

纳米粉体材料具有以下优良的性能：极小的粒径、大的比表面积和高的化学活性，可以显著提高材料的烧结致密化程度、节省能源。在耐火材料中加入一定量的纳米粉末，材料的强度和韧性会显著提高，耐火材料的其它性能也得到极大改善。一般认为纳米粉体对耐火材料力学性能的影响因素有以下几点：

(1)晶粒细化因素。在耐火材料中加入纳米粉体可抑制基体晶粒的长大，使组织结构均匀化，从而改善材料的力学性能。

(2)微结构因素。在微米体系中，微米尺度的第二相颗粒分布在基体晶界处。在微米一纳米复合材料中，除一定量纳米颗粒仍处于基体晶界上外，大部分纳米颗粒在基体中形成内晶型结构。内晶型结构的形成对材料力学性能有以下影响：①残余应力引起裂纹偏转或裂纹被钉扎来提高材料的断裂功从而提高材料韧性;②微米晶粒的潜在纳米化。“内晶型”结构的形成使基体内产生大量的亚晶界和潜在微裂纹，亚晶界的产生使基体更加细化是材料强度进一步提高的主要原因之一;③纳米化效应有利于穿晶断裂的诱发。穿晶断裂的诱发一方面是由于晶体内纳米颗粒的钉扎作用，使基体主晶界强化;另一方面是晶内纳米颗粒引起的基体晶粒纳米效应。由于以上效应使主晶界强化，主裂纹不沿微米基体晶界扩展而沿基体晶粒内扩展，而在晶内纳米颗粒附近存在的残存应力场，会使裂纹发生偏转、钉扎，从而使裂纹扩展路径十分曲折、复杂且多处受阻。因此，认为诱发穿晶断裂是使材料增强增韧的重要因素。

纳米粉在耐火材料领域的应用，虽是超微粉在耐火材料领域应用的推广和延伸，但这方面的工作报道较少，有待进一步的研究工作。对不定形耐火材料应着重研究纳米粉的团聚性、尺寸形状和流变特性。对定型耐火材料应侧重研究纳米粉表面活性和尺寸效应对制品烧结性和力学性能的影响。

纳米粉体的巨大比表面，意味着作为粉体烧结的驱动力的表面能剧增，引起扩散速率增加，更兼扩散路径变小。在有化学反应参与的烧结过程中，颗粒接触表面增加，增加反应的机率，加快了反应速率。这些均引起烧结活化能变小，使整个烧结的速率加快，烧结温度变低，烧结时间缩短。但是整个烧结过程中的晶粒长大亦即重结晶过程亦会加速，而烧结温度的降低和时间的缩短，会使重结晶过程减缓。这些相互促进和制约因素的作用，有必要加以重新认识和研究，以确立适合纳米颗粒烧结的动力学。

纳米微粒的熔点、开始烧结温度、晶化温度比一般粉体低得多。纳米微粒颗粒小，表面自由能高，比表面原子数多。这些表面原子近邻配位不全，活性大，体积远小于大块材料，从而使纳米微粒熔化时所需的新增内能小，熔点急骤下降。在烧结过程中，高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面中孔洞的收缩，空位团的淹没。因此在低温下烧结就能使其致密，也就是烧结温度低。

从动力学角度看，纳米颗粒的加入对耐火材料的烧结影响主要在于纳米颗粒本身存在许多缺陷且具有极大的表面能，因此，本身具有很大的活性。根据开尔文公式

由于纳米级颗粒的粒径r极小(在1～100nm之间)，与基质中的同材质微米级细粉比较，在同一温度下其蒸气压要大于微米级颗粒至少2到3个数量级。对于高纯系统的耐火材料，在其烧结过程中很少以液相形成来促进烧结，而主要在泰曼温度附近进行固相烧结。因此，在耐火材料生产中加入一定量的纳米颗粒，可以在小于泰曼温度下进行以蒸发——凝聚和扩散传质为主的固相烧结。

在普通的刚玉质耐火材料中分别加入少量纳米Al2O3 CY-L15T/16T和SiO2 CY-SP15粉体，研究了这两种纳来粉体对经不同温度烧成后刚玉质耐火材料烧结与力学性能的影响。研究结果发现：这两种纳米粉体均能使刚玉制品的烧成温度降低100～200℃，并在相同烧成条件下能使试样的常温抗折强度和耐压强度提高1～2倍。研究发现，在烧结温度为1400℃时，随着纳米α-Al2O3 CY-L15T/16T添加量的增加，烧结体致密度有下降的趋势。他们认为在此温度下，玻璃相虽然已经形成，但由于粘度较高，原子通过玻璃相扩散的速率不大，液相烧结的作用不是很明显。当烧结温度上升至1420℃、1430℃时，随纳米α-Al2O3 CY-L15T/16T 含量的增加，烧结体的致密度增加，曲线出现极值点。烧结温度上升到1450℃时，团聚体之间仍不能发生明显的烧结(致密化)作用，随着纳米α-Al2O3 CY-L15T/16T含量的增加，烧结体的致密度略有增加。当烧结温度上升到1500～1550℃时，团聚体之间发生烧结，但仍然有少量气孔难以排出。烧结体的致密度随着纳米α-Al2O3 CY-L15T/16T含量的增加先略有增加，然后基本保持不变。