摘要

　　纳米陶瓷是由晶粒尺寸介于 1-100 nm 的纳米晶粒构成的新型陶瓷材料，相较于传统陶瓷（晶粒尺寸通常大于 1 μm），其在力学强度、断裂韧性、耐磨性及热稳定性等方面展现出显著优势 —— 例如纳米氧化铝陶瓷的断裂韧性可达 4.5 MPa・m¹/²，较传统氧化铝陶瓷提升 30% 以上，纳米氧化锆陶瓷的硬度可达到 1500 HV，远超传统氧化锆陶瓷的 1200 HV。如何在陶瓷致密化过程中有效控制晶粒长大（目标晶粒尺寸维持在 50 nm 以内），从而制备相对密度高于 95% 的高致密度纳米陶瓷，一直是陶瓷材料制备领域的重点和难点。在纳米陶瓷的众多制备方法中，热压烧结、放电等离子烧结等压力辅助烧结技术，以及微波烧结等快速加热烧结技术因能有效抑制晶粒生长，应用较为普遍，但此类方法存在设备成本高、难以规模化生产等局限。无压烧结作为工艺简单、生产成本低且工业应用潜力的方法，近年来受到国内外研究者的广泛关注。本文综述了无压烧结致密纳米陶瓷的研究现状和进展，从纳米粉体的制备（如溶胶 - 凝胶法、水热合成法）、团聚消除（物理分散与化学分散技术）、素坯成型（干压成型、凝胶注模成型）、纳米陶瓷烧结（气氛烧结、添加剂辅助烧结）等四个关键环节进行系统讨论，结合具体研究案例（如氧化锆、氧化铝、氮化硅纳米陶瓷的无压烧结实践），评述了目前无压烧结技术面临的晶粒异常长大、致密度不足等核心问题，并对未来发展方向（如新型烧结助剂开发、多场耦合烧结技术）进行展望，以期为无压烧结技术在高致密度纳米陶瓷规模化制备中的应用提供有益参考。

　　1. 实验过程

　　无压烧结制备高致密度纳米陶瓷的实验过程主要包含四个核心环节，每个环节均需严格控制工艺参数以保障产品性能。在纳米粉体制备阶段，常用方法包括溶胶 - 凝胶法、水热合成法、化学共沉淀法等。例如采用溶胶 -凝胶法制备纳米氧化锆粉体时，以硝酸锆为前驱体，乙醇为溶剂，加入柠檬酸作为螯合剂，在 60℃下搅拌形成稳定溶胶，经陈化凝胶化后，在 800℃下煅烧 2 小时，可获得晶粒尺寸约 20 nm、纯度高于 99.5% 的氧化锆纳米粉体；而水热合成法制备氧化铝纳米粉体时，以硫酸铝为原料，氢氧化钠调节 pH 值至 12，在 200℃水热反应釜中反应 4 小时，产物经洗涤、干燥后，在 1000℃煅烧可得到粒径 30 nm 左右的 γ-Al₂O₃粉体。

　　团聚消除是关键预处理步骤，纳米粉体因比表面积大、表面能高，易形成硬团聚，严重影响素坯致密度和烧结性能。物理分散方法中，采用行星式球磨机（转速 300 r/min，球料比 10:1）球磨 4 小时，可有效打散部分软团聚；化学分散法则通过添加分散剂（如聚羧酸铵、六偏磷酸钠）调节悬浮液 Zeta 电位，当氧化锆粉体悬浮液 Zeta 电位绝对值大于 30 mV 时，分散稳定性好，团聚体含量可降低至5% 以下。某研究团队通过 “球磨 + 聚羧酸铵分散” 复合工艺，将氮化硅纳米粉体的团聚体粒径从初始的 5 μm 降至 200 nm 以下，显著改善了粉体流动性。

　　素坯成型环节需在保障成型密度的同时避免粉体二次团聚。干压成型是常用的方法，将分散处理后的纳米粉体装入模具，在 200 MPa 压力下单向压制，可获得相对密度约 60%的素坯；对于形状复杂的制品，凝胶注模成型更为适用，以丙烯酰胺为单体、N,N'- 亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，将纳米粉体均匀分散于预混液中，经原位聚合形成凝胶坯体，干燥后素坯相对密度可达 65%-70%。例如在氧化锆陶瓷轴承套圈的制备中，采用凝胶注模成型可实现复杂形状素坯的高精度制备，素坯尺寸误差小于 0.5%。

　　纳米陶瓷烧结阶段通常在箱式电阻炉或管式气氛炉中进行，无压条件下需控制升温速率、烧结温度和保温时间。以氧化锆纳米陶瓷为例，烧结工艺为：从室温以 5℃/min 升温至 1200℃，再以 2℃/min 升温至 1500℃，保温 3 小时，自然冷却至室温，获得相对密度 96%、晶粒尺寸 45 nm 的氧化锆陶瓷；对于氮化硅纳米陶瓷，需在氮气气氛下烧结，烧结温度 1700℃，保温 4 小时，同时添加 Y₂O₃-Al₂O₃作为烧结助剂，可促进烧结致密化，抑制晶粒长大，产品相对密度可达 95.2%，晶粒尺寸维持在 60 nm 以内。

　　2. 结构分析

　　通过 X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）及 Archimedes 排水法等表征手段，对无压烧结纳米陶瓷的结构与性能进行系统分析。XRD 分析显示，经无压烧结后的纳米氧化锆陶瓷主要以四方相为主，添加 3 mol% Y₂O₃作为稳定剂后，四方相含量可达 98%，衍射峰宽化明显，根据谢乐公式计算晶粒尺寸为 35-50 nm，与 TEM 观察结果一致。SEM 表征表明，优化工艺后的纳米陶瓷断面呈现均匀致密的微观结构，孔隙率低于 5%，无明显大尺寸缺陷，而未进行团聚消除处理的样品断面存在较多孔隙和团聚体残留，孔隙率高达 15% 以上。

　　力学性能测试结果显示，高致密度纳米氧化铝陶瓷的弯曲强度可达 650 MPa，较传统氧化铝陶瓷（弯曲强度 300-400 MPa）提升 60% 以上；纳米氧化锆陶瓷的断裂韧性达到 5.0 MPa・m¹/²，远高于传统氧化锆陶瓷的 3.0 MPa・m¹/²。对比不同烧结工艺可知，无压烧结样品的晶粒尺寸略大于热压烧结样品（热压烧结氧化锆晶粒尺寸约 30 nm），但在生产成本和制备效率上具有显著优势。此外，气氛烧结对陶瓷结构影响显著，在氢气气氛下无压烧结的碳化硅纳米陶瓷，因氧气杂质被有效去除，致密度从空气气氛下的 90% 提升至 94%，电学导率也相应提高。

　　3. 结论

　　无压烧结作为商业价值的纳米陶瓷制备方法，其核心技术难点在于如何在无外压条件下，实现纳米晶粒的致密化与晶粒长大的平衡控制。实验研究表明，通过优化纳米粉体制备工艺（如溶胶 - 凝胶法与水热合成法的复合应用）、采用 “物理分散 + 化学分散” 复合团聚消除技术、选择合适的素坯成型方式（凝胶注模成型适用于复杂制品，干压成型适用于简单件），并结合添加剂辅助烧结与气氛调控，可成功制备出相对密度高于 95%、晶粒尺寸小于 50 nm 的高致密度纳米陶瓷（如氧化锆、氧化铝、氮化硅系列产品）。然而，目前无压烧结技术仍面临诸多挑战：高温烧结过程中晶粒异常长大现象难以完全避免，部分陶瓷体系（如碳化硅、氮化硼）的致密度仍低于 90%，烧结助剂的残留可能影响陶瓷的高温性能。未来研究应聚焦于新型高效烧结助剂的开发（如稀土氧化物与过渡金属氧化物的复合体系）、多场耦合无压烧结技术（如超声辅助、电场辅助烧结）的探索，以及粉体表面改性技术的创新，进一步优化工艺参数，降低生产成本，推动无压烧结高致密度纳米陶瓷的工业化应用。（更多资讯请关注先进材料应用哦！）