陶瓷材料表面改性技术

进入21世纪以来，材料学被誉为人类科学的三大支柱之一，随着空间技术、光电技术、红外技术、传感技术、能源技术等新技术的出现、发展，要求材料必须有耐高温、抗腐蚀、耐磨等优越的性能，才能在比较苛刻的环境中使用。材料表面处理是材料表面改性和新材料制备的重要手段，材料表面改性是目前材料科学最活跃的领域之一。通过表面改性可以改善材料表面及近表面区的形态、化学组成、组织结构并赋予材料表面新的复合性能，实现新的工程应用。陶瓷材料由于其自身优异的性能，成为新材料的发展中心而受到广泛关注：表面改性技术在陶瓷材料改性方面的应用克服了陶瓷的弱点，使陶瓷材料能够以其优良的物理、化学性能，在航天、航空、电力、电子、冶金、机械等工业，甚至现代生物医学中得到广泛应用。

关于表面改性技术方面的科技书籍已有不少，但是目前还没有一本专门介绍关于陶瓷材料表面改性技术的专著。本书编者利用在教学科研实践工作中积累的资料，编写此书。本书从材料表面改性技术入手，详细介绍了传统的表面改性技术，如表面涂层法、渗氮、阳极氧化、化学气相沉积、物理气相沉积、离子束溅射沉积等；以及近几十年来发展的新型表面改性技术，如金属蒸气真空弧离子源离子注入（MEVVA）、离子束增强/辅助沉积（IBED/IBAD）、等离子源离子注入（PSⅡ/PⅢ）、激光表面合金化（laseralloying）、激光化学气相沉积（laserCVD）、等离子体辅助化学气相沉积（PCVD）、双层辉光等离子体表面合金化（Xu"_blank" href="/item/结构陶瓷/1962665" data-lemmaid="1962665">结构陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷等方面详细介绍了表面改性技术在陶瓷材料中的应用，最后介绍了陶瓷材料表面改性测试与表征方法。全书给出了大量实验数据、实验分析、图表，使读者能更加形象地理解表面改性在陶瓷材料改性方面的作用。

本书总体章节题目由曾令可提出思路与设想。第1、6、7章由王慧撰写；第2章由侯来广、王慧撰写；第3章由李萍、王慧撰写；第4章由曾令可、任雪谭撰写；第5章由盛文彦、曾令可撰写；第8章由曾令可、邓伟强撰写；第9章由刘平安撰写。曾令可、王慧负责全书统稿、定稿、绘图等工作。书中引用了一些国内外学者的著作、论文的观点、论述及成果，在此谨对他们的工作致以深深的谢意。

虽然我们力求把最新的应用知识和信息奉献给读者，但本书所介绍的内容仍难以涵盖表面改性在陶瓷材料改性中的所有应用领域，且由于编者的学识有限，阐述的内容难免有疏漏和不当之处，敬请读者批评指正。

编者

2005年12月

本书还论述了各种表面改性技术特点，以及在陶瓷材料表面改性技术中的应用，特别是在传统陶瓷表面改性方面，包括陶瓷纤维、陶瓷粉体、先进陶瓷（包括结构陶瓷和功能陶瓷）、生物陶瓷等方面的应用。最后本书还较为系统地介绍了陶瓷材料表面改性的测试与表征方法。

本书可供从事材料表面改性研究，特别是陶瓷材料表面改性研究与开拓应用的科研人员及技术工作者参考，也可作为高等院校相关专业材料学的教学参考书。

绪论

绪论

传统表面改性技术

2.1 表面涂层法

2.1.1 热喷涂法

2.1.2 冷喷涂法

2.1.3 溶胶凝胶涂层

2.1.4 多弧离子镀技术

2.2 离子渗氮技术

2.2.1 离子渗氮的理论

2.2.2 离子渗氮技术的主要特点

2.2.3 离子渗氮的设备和工艺

2.2.4 技术应用

2.3 阳极氧化

2.3.1 铝和铝合金的阳极氧化

2.3.2 铝和铝合金的特种阳极氧化

2.3.3 铝和铝合金阳极氧化后的封闭处理

2.3.4 阳极氧化的应用

2.4 气相沉积法

2.4.1 化学气相沉积

2.4.2 物理气相沉积法

2.5 离子束溅射沉积技术

2.5.1 离子源

2.5.2 技术方法

2.5.3 应用

参考文献

新型表面改性技术

3.1 离子注入技术

3.1.1 离子注入技术原理

3.1.2 金属蒸气真空离子源(MEVVA)技术

3.1.3 离子注入对陶瓷材料表面力学性能的影响

3.2 等离子体技术

3.2.1 脉冲等离子体技术

3.2.2 等离子体辅助化学气相沉积

3.2.3 双层辉光等离子体表面合金化

3.3 激光技术

3.3.1 激光表面处理技术的原理及特点

3.3.2 激光表面合金化

3.3.3 激光化学气相沉积

3.3.4 准分子激光照射技术

3.4 离子束辅助沉积

3.4.1 基本原理

3.4.2 IBAD设备简介

3.4.3 IBAD工艺类型与特点

3.4.4 IBAD过程的影响因素

3.4.5 IBAD技术的应用

参考文献

传统陶瓷的表面装饰及改性

4.1 陶瓷表面的抗菌自洁性能

4.1.1 抗菌剂种类及其抗菌机理

4.1.2 抗菌釉的制备方法

4.1.3 影响表面抗菌性能的因素

4.2 陶瓷墙地砖的表面玻化

4.2.1 低温快烧玻化砖

4.2.2 陶瓷砖复合微晶化表面改性

4.2.3 陶瓷砖的表面渗花

4.2.4 抛光砖的表面防污性能

4.3 陶瓷砖的表面微晶化

4.3.1 微晶玻璃的概念

4.3.2 微晶玻璃的特性

4.3.3 微晶玻璃的应用

4.3.4 微晶玻璃的制备与玻璃析晶

4.3.5 主要的微晶玻璃系统

4.3.6 基础玻璃热处理过程

4.3.7 晶核剂的作用机理

4.3.8 微晶玻璃与陶瓷基板的结合性

4.4 陶瓷表面的金属化

4.4.1 沉积法

4.4.2 烧结法

4.4.3 喷涂金属化法

4.4.4 被银法（Pd法）

4.4.5 化学镀实现陶瓷微粒表面金属化

4.4.6 双层辉光离子渗金属技术

4.4.7 陶瓷墙地砖表面的镭射玻化改性

4.5 陶瓷表面的蓄光发光性能

4.5.1 硫化物系列蓄光型发光材料

4.5.2 铝酸盐体系蓄光型发光材料及发光机理

4.5.3 硅酸盐体系蓄光型发光材料及发光机理

4.5.4 发光陶瓷釉的制备

4.6 陶瓷表面的抗静电性能

4.6.1 抗静电原理

4.6.2 抗静电陶瓷

4.6.3 研究现状及展望

4.7 麦饭石在健康陶瓷表面改性中的功用

4.7.1 麦饭石的基本性质

4.7.2 麦饭石的机理分析

4.7.3 麦饭石健康陶瓷的制备

4.7.4 麦饭石在高温保健陶瓷中的应用

4.8 陶瓷的吸波性能

4.8.1 吸波材料的基本性质

4.8.2 纳米吸波材料的吸波机理

4.8.3 纳米吸波材料的研究进展

参考文献

陶瓷纤维表面改性技术

5.1 概述

5.2 碳纤维表面改性

5.2.1 氧化处理

5.2.2 表面涂覆处理

5.2.3 等离子体处理

5.2.4 碳纤维的其他表面改性技术

5.3 碳化硅纤维表面改性

5.3.1 电化学表面处理

5.3.2 表面涂覆法

5.3.3 电子束辐射技术

5.4 氮化硅纤维表面改性

5.5 玻璃纤维表面改性

5.5.1 玻璃纤维的表面处理方法

5.5.2 光催化型玻璃纤维

5.5.3 抗静电玻璃纤维

5.6 硅酸铝陶瓷纤维的改性

5.6.1 最初的用于硅酸铝陶瓷纤维的涂层

5.6.2 红外辐射涂层

5.6.3 环保型的涂层材料

参考文献

陶瓷粉体表面改性

6.1 概述

6.1.1 根据粉体表面改性方法的分类

6.1.2 根据粉体表面改性的工艺分类

6.1.3 根据粉体表面改性剂的分类

6.2 Si3N4陶瓷粉体表面改性

6.2.1 聚电解质作为表面分散剂

6.2.2 偶联剂对Si3N4粒子的表面改性

6.2.3 Si3N4颗粒表面烷基化

6.2.4 Si3N4表面涂覆Al(OH)3

6.3 Al2O3陶瓷粉体表面改性

6.3.1 有机羧酸改性Al2O3粉体

6.3.2 偶联剂涂覆Al2O3粉体

6.3.3 纳米氮化硼包覆Al2O3粉体

6.3.4 Y2O3包覆Al2O3粉体

6.4 TiO2粉体表面改性

6.4.1 TiO2无机包覆处理改性

6.4.2 TiO2有机包覆处理改性

6.4.3 机械力化学改性TiO2粉体

6.5 碳酸钙粉体表面改性

6.5.1 无机改性剂

6.5.2 有机改性剂

6.5.3 超细粉碎与表面改性剂复合改性

6.5.4 低温等离子表面改性碳酸钙

6.6 碳化硅陶瓷粉体表面改性

6.6.1 Al(OH)3涂覆SiC粉体

6.6.2 聚合物表面接枝

6.7 陶瓷微球表面的改性

6.7.1 陶瓷微球改性工艺

6.7.2 改性后陶瓷微球的性能

6.8 陶粒、膨胀珍珠岩的防水机理

6.8.1 陶粒膨胀珍珠岩的亲水机理和憎水机理

6.8.2 陶粒与膨胀珍珠岩的憎水处理工艺

参考文献

先进陶瓷的表面改性技术

7.1 氮化铝陶瓷的表面改性

7.1.1 氮化铝表面化学法镀Ni"para" label-module="para">

7.1.2 融盐热歧化反应可以成功进行氮化铝陶瓷表面钛金属化

7.1.3 界面反应原理

7.1.4 动力学分析

7.1.5 相应的分析手段

7.2 碳化硅陶瓷表面改性

7.2.1 涂层技术

7.2.2 碳化硅表面涂层的制备方法

7.2.3 等静压后处理技术

7.2.4 碳化硅陶瓷基复合材料的表面改性

7.3 冷喷涂法制备PZT陶瓷

7.3.1 冷喷涂技术的产生和发展现状

7.3.2 冷喷涂的技术要求

7.3.3 冷喷涂工艺的重要特征

7.3.4 冷喷涂技术的实现

7.3.5 冷喷涂技术制备PZT陶瓷

7.3.6 冷喷涂的工业化进程

7.4 氧化铝陶瓷表面改性

7.4.1 涂层技术

7.4.2 离子注入技术

7.5 氮化硅陶瓷表面改性

7.5.1 涂层技术

7.5.2 离子注入技术

7.5.3 阳离子萃取技术

7.5.4 氮化硅表面的改性对本身的力学性能的影响

7.6 氧化锆陶瓷表面改性

7.6.1 离子注入ZrO2陶瓷

7.6.2 ZrO2陶瓷表面化学镀

参考文献

8生物陶瓷的表面改性

8.1 生物陶瓷的基本性质

8.1.1 生物陶瓷基本要求

8.1.2 生物陶瓷体内的反应过程与反应机理

8.2 生物陶瓷的分类

8.2.1 惰性生物陶瓷

8.2.2 生物活性陶瓷

8.3 生物陶瓷改性的方法

8.3.1 生物陶瓷骨修复材料的缺陷

8.3.2 提高生物陶瓷材料的表面与整体活性，增强局部骨的生长与结合性能

8.3.3 材料的力学性能的提高

8.4 展望

参考文献

陶瓷表面改性的测试与表征

9.1 概述

9.2 红外光谱

9.2.1 红外光谱仪

9.2.2 样品制备

9.2.3 应用

9.3 扫描电子显微镜

9.3.1 二次电子像

9.3.2 背反射电子像

9.3.3 样品制备

9.3.4 应用

9.4 原子力显微镜

9.4.1 原子力显微镜的工作原理

9.4.2 样品制备

9.4.3 应用

9.5 X射线衍射

9.5.1 X射线衍射方程

9.5.2 X衍射仪的构造组成及工作原理

9.5.3 样品制备

9.5.4 应用

9.6 X射线光电子能谱(XPS)

9.6.1 X射线光电子能谱(XPS)仪

9.6.2 光电子能谱法的基本原理

9.6.3 样品制备

9.6.4 应用

9.7 拉曼散射

9.7.1 拉曼光谱的特点

9.7.2 拉曼光谱原理

9.7.3 拉曼光谱分析

9.7.4 样品制备

参考文献2100433B

表面改性设备可分为干法和湿法两类。非金属矿粉常用的干法表面改性设备是SLG型连续粉体表面改性机，高速加热混合机，涡流磨及PSC型粉体表面改性机等。常见的湿法表面改性设备为可控温反应罐和反应釜。

表面改性方法很多。能够改变粉体表面或界面物理化学性质的方法，如表面有机包覆、液相化学沉淀包覆、气相物理沉积，机械力化学、层状结构粉体插层等都可称为表面改性方法。二十一世纪初工业上无机粉体表面改性常用的方法主要有表面有机包覆、沉淀反应包覆、机械力化学及复合法等。

表面有机包覆改性是最常用的无机粉体表面改性方法。这是一种利用有机表面改性剂分子中的官能团在颗粒表面吸附或化学反应对颗粒表面进行改性的方法。所用表面改性剂主要有偶联剂(硅烷、钛酸酯、铝酸酯、锆铝酸酯、有机络合物、磷酸酯等)、高级脂肪酸及其盐、高级胺盐、硅油或硅树脂、有机低聚物及不饱和有机酸、水溶性高分子等。

沉淀反应包覆是利用化学沉淀反应将表面改性物沉淀包覆在被改性颗粒表面，是一种“无机/无机包覆”或“无机纳米/微米粉体包覆”的粉体表面改性方法或粒子表面修饰方法。粉体表面包覆纳米TiO₂、ZnO、CaCO₃等无机物的改性，就是通过沉淀反应实现的，如云母粉表面包覆TiO₂制备珠光云母；钛白粉表面包覆SiO₂和Al₂O₃以及硅藻土和煅烧高岭土表面包覆纳米TiO₂和ZnO；硅灰石粉体表面包覆纳米碳酸钙和纳米硅酸铝。

机械力化学改性是利用粉体超细粉碎及其它强烈机械力作用有目的地激活颗粒表面，使其结构复杂或表面无定形化，增强它与有机物或其他无机物的反应活性。机械化学作用可以提高颗粒表面的吸附和反应活性，增强其与有机基质或有机表面改性剂的使用。以机械力化学原理为基础发展起来的机械融合技术，是一种对无机颗粒进行复合处理或表面改性，如表面复合、包覆、分散的方法。

插层改性是指利用层状结构的粉体颗粒晶体层之间结合力较弱(如分子键或范德华键)或存在可交换阳离子等特性,通过离子交换反应或特性吸附改变粉体性质的方法。因此，用于插层改性的粉体一般来说具有层状晶体结构，如石墨、蒙脱土、蛭石、高岭土等。

复合改性是指综合采用多种方法（物理、化学和机械等）改变颗粒的表面性质以满足应用的需要的改性方法。应用的复合改性方法主要有有机物理/化学包覆、机械力化学/有机包覆、无机沉淀反应/有机包覆等。