關鍵詞：納米陶瓷結合劑；cBN砂輪；研究進展；綜述

　　１　引言
　　由于立方氮化硼（cBN）具有硬度高、耐磨性好、熱穩定性好、在高溫下與鐵族材料不發生化學反應等優點，已在各類磨削工具中得到了廣泛應用。在各類cBN砂輪結合劑中，金屬結合劑自銳性差、在加工金屬材料時易發生黏著，樹脂結合劑熱穩定性較差，而陶瓷結合劑介于金屬結合劑和樹脂結合劑之間，其耐熱溫度較高、自銳性較好、強度高、耐磨性好。陶瓷結合劑cBN砂輪不僅具有切削鋒利、磨削力小、生產效率高、使用壽命長、易于整形與修銳、磨削精度高等優點，而且還具有磨削時工件溫度低，能消除殘余拉應力而產生殘余壓應力，使工件耐用度提高30％～50％的特點。因此，陶瓷結合劑cBN砂輪作為一類高速、高效、高精、低成本、低污染的高性能磨具產品，成為近年來世界磨具研究開發的重點。
　　陶瓷結合劑的開發研究是陶瓷結合劑cBN砂輪制造的基本前提，高性能陶瓷結合劑是制備高性能陶瓷結合劑cBN砂輪的關鍵。隨著近年來超高速cBN砂輪的的發展，對陶瓷結合劑的性能提出了更高的要求，即要求結合劑具有高強度、低耐火度、良好的氣孔性、浸潤性、工藝性、化學穩定性的特點且與cBN磨料熱膨脹系數匹配，然而傳統的陶瓷結合劑普遍存在燒結溫度高、強度低等缺陷。納米陶瓷結合劑由于其粒度小、比表面積大、燒結溫度低、強度高、韌性好等優點，有望解決目前傳統陶瓷結合劑低燒結溫度和高強度之間的矛盾問題，提高陶瓷結合劑cBN砂輪的性能，進一步拓寬cBN砂輪的應用范圍。

　　２　納米陶瓷結合劑的特點
　　除具有常規傳統陶瓷結合劑的優點之外，納米陶瓷結合劑還具有如下獨特的特點：
　　（１）納米陶瓷結合劑不僅可以用于超細cBN微粉砂輪的制造，解決常規陶瓷結合劑分布不均勻、對cBN磨料把持力小的問題，而且可以解決粗顆粒的cBN砂輪容易產生工具強度低和磨粒把持力不足問題。
　　（２）納米陶瓷結合劑引入納米級的顆粒、片晶、晶須和纖維等第二相，不僅降低了cBN磨具的燒結溫度，而且結合劑的韌性大大提高，有效解決了cBN磨料-傳統陶瓷結合劑界面應力問題，使得粗顆粒工具的強度大幅度提高。
　　（３）納米陶瓷結合劑比普通結合劑具有更低的軟化溫度和更好的韌性。低的軟化溫度使得納米陶瓷結合劑的燒結比普通結合劑的燒結更加致密化，而好的韌性提高了納米結合劑的拉應力承受極限。

　　３　納米陶瓷結合劑的增強增韌機理
　　自1987年德國Karch等首次報道了納米陶瓷的高韌性、低溫超塑性能后，世界各國對利用納米顆粒以解決陶瓷材料脆性和難加工性寄予厚望。當把直徑為納米級的顆粒加入陶瓷中時，其強度和韌性大大提高。納米陶瓷由于晶粒的細化，晶界數量會極大增加，同時納米陶瓷的氣孔和缺陷尺寸減小到一定尺寸就不會影響材料的宏觀強度，結果可使材料的強度、韌性顯著增加。有關納米陶瓷復合材料的增韌強化機理目前不很清楚，說法不一，歸納起來大致有以下幾種：
　　第一種是細化理論，該理論認為納米相的引入能抑制基體晶粒的異常長大，使基體結構均勻細化，是納米陶瓷復合材料強度韌性提高的一個原因。
　　第二種是穿晶理論，該理論認為基體顆粒以納米顆粒為核發生致密化而將納米顆粒包裹在基體晶粒內部，因此在納米復合材料中存在晶內型結構，而納米復合材料性能的提高與晶內型結構的形成及由此產生的次界面效應有關。晶內型結構能減弱主晶界的作用，誘發穿晶斷裂，使材料斷裂時產生穿晶斷裂而不是沿晶斷裂。
　　第三種是釘扎理論，該理論認為存在于基體晶界的納米顆粒產生釘扎效應，從而限制晶界滑移和孔穴、蠕變的發生。氧化物陶瓷高溫強度衰減主要是由于晶界的滑移、孔穴的形成和擴散蠕變造成的，因此釘扎效應是納米顆粒改善氧化物高溫強度的主要原因。

　　４　納米陶瓷結合劑ｃＢＮ砂輪的研究進展
　　納米陶瓷結合劑是一種新型的超硬磨具結合劑，它顯著降低了磨具燒結溫度，大幅度提高了制品強度、韌性和耐磨性，且氣孔可控，為陶瓷結合劑的應用開拓了一個嶄新的領域。近年來國內對納米陶瓷結合劑進行了探索研究。燕山大學王艷輝課題組系統地研究了納米陶瓷結合劑制備過程中的一系列關鍵問題，開發出了一系列新型的納米陶瓷結合劑。研究發現，在納米陶瓷結合劑中加入20％～30％的水和適量的表面活性劑，可以提高成型密度、毛坯強度和制品的抗折強度，同時，其通過改變造孔劑的粒度和摻入量，可以獲得近于無氣孔的致密型和具有均勻分布的圓形理想氣孔的結合劑，氣孔孔徑和數量可控，并且氣孔率可以在大范圍內調整，這種理想型均勻分布的圓型氣孔不僅對結合劑的強度影響較小，而且可以最大效率地發揮容屑、斷屑、貯存冷卻液、潤滑劑的作用。
　　為了解決納米陶瓷結合劑粉體易于團聚、分散性差的問題，燕山大學趙玉成課題組采用高分子網絡凝膠法（P-G法）制備了用于超精磨削用超硬砂輪陶瓷結合劑組分。研究表明，采用P-G法制備單組分氧化物粉體（如Al2O3、MgO、SiO2、ZnO等），由于凝膠過程中所形成的高分子網絡的阻礙作用，使粒子在溶液中的移動受到限制，在干燥和燒結過程中，粒子接觸和聚集的機會減少，可以減小團聚的產生，有希望獲得顆粒尺寸小、分散均勻的超細粉體材料，制備得到的氧化物粉末易于確定煅燒溫度，可以制備出物相單一、顆粒形態近球形、粒度分布窄的納米粉體，但對于化學性質活潑的Na2O、K2O等氧化物的粉體則難以制備。
　　鑒于溶膠凝膠法在材料制備方面所展示的特點，湖南大學胡偉達探討了溶膠凝膠法制備Na2O-B2O3-Al2O3-SiO2系陶瓷結合劑原料及工藝因素的影響，優化出的最佳工藝參數為：加水量r（nH2O/nTEOS）為60，ｐＨ 調節為4，凝膠化溫度為70℃，后續凝膠熱處理溫度為500℃，最后經球磨處理并過200目篩網，制得陶瓷結合劑粉末［９］。
　　除此之外，東北大學張景強等人以超高速陶瓷cBN砂輪的結合劑低溫高強性能要求為目標，在以化學純原料為主的R2O-RO-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃體系基礎上，引入納米改性劑來對陶瓷結合劑基體進行了改良強化。結果表明，納米陶瓷結合劑的抗折強度、耐火度、浸潤性以及線膨脹系數與普通陶瓷結合劑相比有著顯著優勢。

　　５　納米陶瓷結合劑cBN砂輪存在的問題及對策
　　與傳統的陶瓷結合劑相比，盡管納米陶瓷結合劑具有強度高、韌性好、燒結溫度低等優點，但由于其粒度較小、比表面積大，在cBN砂輪的制備過程中還存在一些問題，具體表現在以下幾個方面：
　　（１）由于納米陶瓷結合劑的細粒度及極大表面積，外觀膨松，密度較低，這可能對磨具的成型帶來一定的困難。因此必須采用適當的壓制工藝，獲得較高的毛坯密度，從而提高燒結強度，減少燒成收縮。
　　（２）納米陶瓷結合劑單組份粉體制備比較容易，但問題是在后續球磨混合的過程中如何保證其分散性良好且均勻分布。為了解決這一問題，可以采用溶膠－凝膠法制備多組元的混合氧化物陶瓷粉體，實現其分子級別的均勻混合，除此之外，還可以結合凝膠注模成型工藝的原理，通過球磨后高分子網絡固化而得到均勻分散的納米陶瓷結合劑。
　　（３）由于納米顆粒的活性較高，燒結過程中易出現晶粒的異常長大且難以致密等缺點。因此，要獲得真正意義上的納米陶瓷結構材料并不容易。為了解決這一問題，可以采用新型的低溫快速燒結工藝，如SPS等，同時探尋加入抑制納米顆粒異常長大的微量添加劑等。
　　（４）與傳統陶瓷結合劑相比，對納米陶瓷結合劑中氣孔的結構（如形狀、含量和大小）和其性能之間的關系缺乏系統深入的研究。因此，應加強納米陶瓷結合劑中氣孔的尺寸和含量對其性能的影響規律的研究。

　　６　結束語
　　納米陶瓷結合劑cBN砂輪是cBN磨具發展的必然趨勢，其優異的性能不僅可以解決目前傳統陶瓷結合劑cBN砂輪存在的問題，而且可以大大拓寬其加工范圍和應用領域，展現出巨大的應用前景。為適應超高速磨削技術對cBN砂輪提出的更高的要求，應系統地研究納米陶瓷結合劑制備的基礎科學問題，同時繼續加強高性能納米陶瓷結合劑的研究和開發工作，加強納米陶瓷結合劑cBN砂輪在超高速磨削、航空航天等難加工材料磨削方面的應用研究。