纳米陶瓷粉体的制备及等离子喷涂技术现状及发展喻瑾(齐齐哈尔大学材料科学与工程学院，无机091班，学号2009015051)摘要：从等离子喷涂设备、等离子喷涂过程中的测量技术及等离子喷涂技术的应用等几个方面综合分析了近年来等离子喷涂技术的研究现状和发展概况，指出了等离子喷涂技术的发展方向。
关键词：等离子喷涂技术；纳米陶瓷粉体的制备；应用；发展等离子喷涂属于热喷涂技术，它是将粉末材料送入等离子体（射频放电）中或等离子射流（直流电弧）中，使颗粒在其粉末中加速、熔化或部分熔化后，在冲击力的作用下，在基底上铺展并凝固形成层片，进而通过层片叠层形成涂层的一类加工工艺。
它具有生产效率高，制备的涂层质量好，喷涂的材料范围广，成本低等优点。
因此，近几十年来，其技术进步和生产应用发展很快，己成为热喷涂技术的最重要组成部分。
1.等离子体和粉末之间的相互作用等离子喷涂涂层的特征直接取决于到达基底的粉末颗粒的参数。
因此，几年来，发展了许多不同的技术来测量颗粒尺寸、速度和温度分布。
一般，粉末颗粒温度的确定基于测量粉末颗粒发射的双波长或多波长或色带的热辐射而获得。
粉末颗粒速度用激光多谱勒测速仪（laser Doppler veloc imetry）或过境计时技术（transit timing technique）测得。
在后一技术中，速度根据颗粒穿过两个光栏或聚焦的激光斑点之间的时间推得。
粉末颗粒尺寸根据经绝对强度校核后的颗粒的热辐射强度推导得出，或根据穿过一聚焦激光束的一个颗粒散射并在与原始激光束不同的角度收集的两个或多个光信号之间的相位移推得。
这些方法大部分是单颗粒法（single particle method），颗粒参数的分布和标准偏差是通过对大量单个颗粒的观察得到的。
但是，有些方法可以认为是“颗粒群技术（ensemble techniques）”，因为这些技术同时测量大量颗粒的性能，并直接得到这些参数的平均值。
到目前为止，这些颗粒群技术还只能提供粉末颗粒温度的信息，但最近已开发了一种可以测粉末颗粒速度的颗粒群技术。
成像技术也可以用来探测粉末颗粒喷涂射流心迹线的形状和位置，以及炽热颗粒的密度，或者根据光信号的强度确定粉末颗粒温度和尺寸，使用双曝光技术确定速度。
该测量设备中激光的引入能够测定“冷”颗粒的数量以及尺寸和速度。
一些商业化的技术现在可以用于生产环境，进行喷涂工艺的在线控制。
这些技术通常以颗粒的热辐射测量为基础，并不使用其他附加光源，可以测量颗粒的速度、温度及尺寸分布。
2等离子喷涂技术的应用等离子喷涂技术在耐磨涂层、耐蚀涂层等传统领域的应用已经较为广泛，从上世纪50 年代至今，其应用领域由航空、航天扩展到了钢铁工业、汽车制造、石油化工、纺织机械、船舶等领域。
近年来等离子喷涂技术在高新技术领域如纳米涂层材料、梯度功能材料、超导涂层、生物功能涂层等方面的应用研究渐渐受到人们的重视。
纳米涂层材料：Zhu等采用真空等离子喷涂制备了纳米WC/Co 涂层。
发现涂层硬度、韧性和耐磨性较常规涂层都有较大的改善，在40～60 N 载荷下，纳米WC/ Co涂层磨损率仅为常规涂层的1/ 6。
Connecticut 大学等对等离子喷涂纳米结构Al2O3-TiO2系涂层进行了系统的研究，包括纳米粉末喷雾干燥团聚重构、等离子喷涂工艺参数优化、工艺诊断、模拟以及涂层结构与性能的分析，表明涂层具有双态显微结构，表现出独特的优异性能。
与对应的常规涂层相比，结合强度增强100 %，磨粒磨损抗力提高300 %，压痕开裂抗力、弯曲和杯突试验表现的剥落抗力要高得多。
中国上海硅酸盐研究所祝迎春等人研究了等离子喷涂过程中纳米TiO2的结构变化和粒子注入特性。
研究发现，TiO2纳米颗粒由无定型转化为锐钛矿结构和金红石结构。
涂层表现出良好的Li + 注入电流和电化学稳定性。
陈煌等利用大气等离子喷涂技术在不锈钢基体上制备了氧化锆纳米涂层。
获得的涂层结构致密，孔隙率约为7%，涂层和基体间的结合强度为45 MPa，明显优于传统氧化锆涂层与基体的结合强度。
3.纳米陶瓷粉体纳米陶瓷：指显微结构中的物相（包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔与尺寸缺陷等）都在纳米量级的水平上的陶瓷材料。
现有陶瓷材料的晶粒尺寸一般是在微米级的水平。
当其晶粒尺寸变小到纳米级的范围时，晶粒的表面积和晶界的体积会以相应的倍数增加，晶粒的表面能亦随之剧增。
由于颗粒的线度减少而引起表面效应和体积效应，使得材料的物理、化学性质发生一系列变化，而且甚至出现许多特殊的物理与化学性质。
纳米材料的制备：1.纳米粉体的合成；2.素坯的成型；3.产品的烧结粉体合成按合成条件分类：1、气相法：气相法是直接利用气体，或者通过各种手段将物质转变为气体，使之在气体状态下发生物理变化或者化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米粒子的方法。
优点：制得的纳米陶瓷粉体的纯度较高，团聚较少，烧结性能较好缺点：产量低，设备昂贵2、液相法：液相法则是选择一种或多种合适的可溶性金属盐类，按所制备的材料组成计量配制成溶液，使各元素呈郭或分子态，再选择一种合适的沉淀剂或用蒸发、升华、水解等操作，使金属离子均匀沉淀或者加热分解而得到纳米陶瓷粉体优点：设备较简单，粉体较纯，团聚少，易工业化生产3、固相法：指纳米粉体是由固相原料制得，按其加工的工艺特点可分为机械粉碎法和固相反应法两类。
优点：所用设备较简单，方便操作缺点：纯度较低，料度分布较广素坯成型：是将粉末转变成具有一定形状、体积和强度的坯体的过程，素坯的相对密度和显微结构的均匀性对陶瓷在烧结过程中的致密化有极大的影响。
素坯的成型方法：传统方法：干压成型、离心注浆法、挤压法、注射法新型方法：凝胶注膜法、直接凝固注模成型烧结：陶瓷材料致密化、晶体长大、晶界形成的过程纳米陶瓷烧结过程的关键：如何在控制晶粒长大很少的前提下实现致密化烧结方法：（传统）无压烧结、热压烧结仍广泛使用。
（新）微波烧结、等离子体烧结、高压烧结、爆炸烧结纳米陶瓷的性能：1、高强度：纳米陶瓷材料在压制、烧结后，其强度比普通陶瓷材料高出4-5倍，如在100度下，纳米二氧化钛陶瓷的显微硬度为13000KN/mm，而普通二氧化钛陶瓷的显微硬度低于2000KN/mm。
日本的新原皓一制备了纳米陶瓷复合材料，并测定了其相关的力学性能，研究表明纳米陶瓷复合材料在韧性和强度上都比原来基体单相材料均有较大程度的改善，对氧化铝/碳化硅系统来说，纳米复合材料的强陶度比单相氧化铝的强度提高了3-4倍。
2、韧性：传统的陶瓷由于其粒径较大，在外表现出很强的脆性，但是纳米陶瓷由于其晶粒尺寸小至纳米级，在受力时可产生变形而表现出很高的韧性，压缩至原长度的1/4仍不破碎。
1988年Lzaki等人首先用纳米碳化硅补强氮化硅陶瓷使氮化硅陶瓷力学性能显著改善。
3、超塑性：超塑性是指在拉伸试验中，在一定的应变速率下，材料产生较大的拉伸形变。
如Nieh等人在四氧化锆中加入Y2O3的陶瓷材料中观察到超塑性达800%。
上海硅酸盐研究所研究发现，纳米3Y-TZP陶瓷（100nm）在经室温循环拉伸试验后，其样品的端口区域发生了局部超塑性形变，形变量高达380%，并从端口侧面观察到了大量通常出现在金属端口的滑移线，这些都确认了纳米陶瓷材料存在着拉伸超塑性。
4、烧结特性：纳米陶瓷材料的烧结温度比传统陶瓷材料约低600摄氏度，烧结过程也大大缩短。
12nm的TiO2粉体，不加任何烧结助剂，可以在低于常规烧结温度400-600摄氏度下进行烧结，同时陶瓷的致密化速率也迅速提高。
通过对加3%T2O3的ZrO2纳米陶瓷粉体的致密化和晶粒生长这2个高温动力学过程研究表明，由于晶粒尺寸小，分布窄，晶界与气孔的分离区减小，烧结温度的降低使得烧结过程中不易出现晶粒的异常生长。
控制烧结的条件，可获得晶粒分布均匀的纳米陶瓷块体。
4.粉体制备的现状目前，高质量纳米粉体制备已取得了重大进展，有些方法已在工业中应用。
如在美国INCO公司采用机械研磨方法，使用直径为2m、长3m的球磨机，每次可处理1000kg的0D-nm 粉体，用此法已成功的加工了Ni、Inconel718、316不锈钢等纳米喷涂粉体。
也可将0D-nm 的纳米粒子加水溶性粘合剂，用液相分散喷雾干燥法直接重组纳米喷涂粉，在此过程中需加入抑制热喷涂过程中0D-nm长大、粗化的抑制剂、合金促进剂、涂层/基体润滑剂等。
5. 结束语热喷涂粉体是制约热喷涂技术应用和发展的关键。
从目前的研究结果来看，因为纳米材料与其相应的微米级材料材料相比具有许多优异的性能，并且用热喷涂技术制备的纳米结构涂层的性能非常优异。
因此，研制高质量、高性能的或具有特殊结构性能的纳米粉体或纳米复合粉体是纳米热喷涂研究的一个非常重要的方向，也是热喷涂技术发展的动力。
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通过加入合适的酸化剂、分散剂和粘结剂，得到了分散均匀、流动性良好的氢氧化锆胶体；考察了加入的各种试剂对氧化锆粉体比表面积的影响；然后将氢氧化锆胶体进行喷雾造粒，得到粒度和形貌符合要求的氢氧化锆粉体；在对粉体进行热处理时，考察了煅烧机制对煅烧后的氧化锆粉体比表面积和颗粒形貌的影响，并且研究了如何对氧化锆粉体的晶型进行控制。
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