1、.,1,第十三章 精細(xì)功能陶瓷材料,.,2,一、陶瓷材料與功能陶瓷 1、陶瓷材料的發(fā)展概況 2、功能陶瓷的定義、范圍和分類 3、功能陶瓷的性能與工藝特征 4、功能陶瓷的應(yīng)用和展望 5、制備陶瓷材料的原料,.,3,1、陶瓷材料的發(fā)展概況 陶瓷在人類生活和社會建設(shè)中是不可缺少的材料，它和金屬材料、高分子材料并列為當(dāng)代三大固體材料。 我國的陶瓷研究歷史悠久、成就輝煌，它是中華文明的偉大象征之一，在我國的文化和發(fā)展史上占有極其重要的地位。,.,4,陶瓷的研究進(jìn)程分為三個階段 新石器時代 先進(jìn)陶瓷階段 納米陶瓷階段,.,5,新石器時代 遠(yuǎn)在幾千年前的新石器時代，我們的祖先就已經(jīng)用天然黏土作原料，塑造成各

2、種器皿，再在火堆中燒成堅硬的可重復(fù)使用的陶器，由于燒成溫度較低，陶瓷僅是一種含有較多氣孔、質(zhì)地疏松的未完全燒成制品。,.,6,以后大約在2000年前的東漢晚期，人們利用含鋁較高的天然瓷土為原料，加上釉的發(fā)明，以及高溫合成技術(shù)的不斷改進(jìn)，使陶瓷步入瓷器階段，這是陶瓷技術(shù)發(fā)展史上意義重大的里程碑。,.,7,釉 以石英、長石、硼砂、黏土等為原料制成的東西，涂在瓷器、陶器外面，燒制后發(fā)出玻璃光澤，可增加陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣性能。 長石:一類含鈣、鈉和鉀的鋁硅酸鹽類礦物。,.,8,瓷器燒成溫度高，質(zhì)地致密堅硬，表面有光亮的釉彩。 隨著科學(xué)進(jìn)步與發(fā)展，由瓷器又衍生出許多種類的陶瓷。,.,9,陶瓷都是以黏土

3、為主要原料與其他天然礦物原料經(jīng)粉碎混煉成形一煅燒等過程制成的。 如常見的日用陶瓷、建筑陶瓷、電瓷等傳統(tǒng)陶瓷。,.,10,由于陶瓷的主要原料取之于自然界的硅酸鹽礦物(如黏土、長石、石英等)，所以可歸為硅酸鹽類材料和制品。 從原始瓷器的出現(xiàn)到近代的傳統(tǒng)陶瓷，這一階段持續(xù)了四千余年。,.,11,先進(jìn)陶瓷階段 20世紀(jì)以來，隨著人類對宇宙的探索、原子能工業(yè)的興起和電子工業(yè)的迅速發(fā)展，從性質(zhì)、品種到質(zhì)量等方面，對陶瓷材料均提出越來越高的要求。從而，促使陶瓷材料發(fā)展成為一系列具有特殊功能的無機(jī)非金屬材料。 如氧化物陶瓷、壓電陶瓷、金屬陶瓷等各種高溫和功能陶瓷。 這時，陶瓷研究進(jìn)入第二個階段先進(jìn)陶瓷階段。,

4、.,12,先進(jìn)陶瓷（Advanced ceramics）又稱現(xiàn)代陶瓷，是為了有別于傳統(tǒng)陶瓷而言的。 先進(jìn)陶瓷有時也稱為精細(xì)陶瓷(Fine Ceramics)、新型陶瓷(New Ceramics)、特種陶瓷(Special Ceramics)和高技術(shù)陶瓷(High-Tech. Ceramics)等。,.,13,在先進(jìn)陶瓷階段，陶瓷制備技術(shù)飛速發(fā)展。 在成形方面，有等靜壓成形、熱壓注成形、注射成形、離心注漿成形、壓力注漿成形等成形方法；在燒結(jié)方面，則有熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)、快速燒結(jié)、微波燒結(jié)、自蔓延燒結(jié)等。 在先進(jìn)陶瓷階段，采用的原料已不再使用或很少使用黏土等傳統(tǒng)原料，而已擴(kuò)大到化工原

5、料和合成礦物，甚至是非硅酸鹽、非氧化物原料，組成范圍也延伸到無機(jī)非金屬材料范圍。,.,14,此時可認(rèn)為，廣義的陶瓷概念已是用陶瓷生產(chǎn)方法制造的無機(jī)非金屬固體材料和制品的統(tǒng)稱。,但是，這一階段的先進(jìn)陶瓷，無論從原料、顯微結(jié)構(gòu)中所體現(xiàn)的晶粒、晶界、氣孔、缺陷等在尺度上還只是處在微米級的水平，故又可稱之為微米級先進(jìn)陶瓷。,.,15,納米陶瓷階段 到20世紀(jì)90年代，陶瓷研究已進(jìn)入第三個階段-納米陶瓷階段。 所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相就有納米級尺度的陶瓷材料。它包括晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸等均在納米量級的尺度上。,.,16,納米陶瓷是當(dāng)今陶瓷材料研究中一個十分重要的發(fā)

6、展趨向，它將促使陶瓷材料的研究從工藝到理論、從性能到應(yīng)用都提高到一個嶄新的階段。,.,17,2、功能陶瓷的定義、范圍和分類,從性能上可把先進(jìn)陶瓷分為結(jié)構(gòu)陶瓷(Structral ceramics)和功能陶瓷(Functional Ceramics)兩大類。,.,18,結(jié)構(gòu)陶瓷是指具有力學(xué)和機(jī)械性能及部分熱學(xué)和化學(xué)功能的先進(jìn)陶瓷(現(xiàn)代陶瓷)，特別適于高溫下應(yīng)用的則稱為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。,.,19,功能陶瓷是指那些利用電、磁、聲、光、熱、力等直接效應(yīng)及其耦合效應(yīng)所提供的一種或多種性質(zhì)來實現(xiàn)某種使用功能的先進(jìn)陶瓷(現(xiàn)代陶瓷)。,功能陶瓷的特點(diǎn) 品種多、產(chǎn)量大、價格低、應(yīng)用廣、功能全、技術(shù)高、更新快。,.

7、,20,通過對復(fù)雜多元氧化物系統(tǒng)的化學(xué)、物理及組成、結(jié)構(gòu)、性能和使用效能間相互關(guān)系的研究，已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一大批具有優(yōu)異性能或特殊功能的功能陶瓷，并可借助于離子置換、摻雜等方法調(diào)節(jié)、優(yōu)化其性能，功能陶瓷材料研究已開始從經(jīng)驗式的探索逐步走向按所需性能來進(jìn)行材料設(shè)計。,.,21,3、功能陶瓷的應(yīng)用和展望 功能陶瓷的不斷開發(fā)，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起了巨大促進(jìn)作用，功能陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域也隨之更為廣泛。,.,22,目前，功能陶瓷主要用于電、磁、光、聲、熱和化學(xué)等信息的檢測、轉(zhuǎn)換、傳輸、處理和存儲等，并已在電子信息、集成電路、計算機(jī)、能源工程、超聲換能、人工智能、生物工程等眾多近代科技領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。,.

8、,23,根據(jù)功能陶瓷組成結(jié)構(gòu)的易調(diào)性和可控性，可以制備超高絕緣性、絕緣性、半導(dǎo)性、導(dǎo)電性和超導(dǎo)電性陶瓷；,根據(jù)功能陶瓷能量轉(zhuǎn)換和耦合特性，可以制備壓電、光電、熱電、磁電和鐵電等陶瓷。,舉例：幾種主要的功能陶瓷,.,24,根據(jù)功能陶瓷對外場條件的敏感效應(yīng)，則可制備熱敏、氣敏、濕敏、壓敏、磁敏和光敏等敏感陶瓷。,.,25,二十世紀(jì)90年代，開始的納米功能陶瓷的研究，表明人們已開始深入到介于宏觀與原子尺度的納米層次來研究功能陶瓷的性能與結(jié)構(gòu)，以期進(jìn)一步開拓功能陶瓷新的應(yīng)用領(lǐng)域。,.,26,無論從應(yīng)用的廣度，還是市場占有率來看，在當(dāng)前及以后相當(dāng)一段時間內(nèi)，功能陶瓷在現(xiàn)代陶瓷中仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。 因此，

9、功能陶瓷今后在性能方面應(yīng)向著高效能、高可靠性、低損耗、多功能、超高功能以及智能化方向發(fā)展。 在設(shè)備技術(shù)方面向著多層、多相乃至超微細(xì)結(jié)構(gòu)的調(diào)控與復(fù)合、低溫活化燒結(jié)、立體布線、超細(xì)超純、薄膜技術(shù)等方向發(fā)展。,.,27,在材料及應(yīng)用方面的主要研究熱點(diǎn)： 智能化敏感陶瓷及其傳感器； 高轉(zhuǎn)換率、高可靠性、低損耗、大功率的壓電陶瓷及其換能器； 超高速大容量超導(dǎo)計算機(jī)用光纖陶瓷材料； 多層封裝立體布線用的高導(dǎo)熱低介電常數(shù)陶瓷基板材料； 量大面廣、低燒、高比容、高穩(wěn)定性的多層陶瓷電容器材料等。,.,28,4、制備陶瓷材料的原料 陶瓷材料制品由多相的無機(jī)非金屬材料所構(gòu)成，所用原料大部分是天然的礦物原料或巖石原料

10、，其中多為硅酸鹽礦物。 這些天然的礦物原料或巖石原料種類繁多，資源蘊(yùn)藏豐富，且分布極廣。 某些陶瓷材料制品對原料的要求很高，需要采用均一且高純度的人工合成原料。,.,29,(1)原料分類 通常，陶瓷原料的分類是根據(jù)不同的工藝特性、傳統(tǒng)習(xí)慣及原料性質(zhì)等不同角度進(jìn)行的。綜合起來，可分為以下四類：,.,30,根據(jù)原料工藝特性分為：可塑性原料(也稱瘠性原料)、熔劑性原料。 根據(jù)原料的用途分為：瓷坯原料、瓷釉原料、色彩及彩料原料。 根據(jù)原料的礦物組成分為：黏土質(zhì)原料、硅質(zhì)原料、長石質(zhì)原料、鈣質(zhì)原料、鎂質(zhì)原料。 根據(jù)原料獲得的方式分為：礦物原料、化工原料。,.,31,陶瓷制品的結(jié)構(gòu)是決定其性能和品質(zhì)的內(nèi)因

11、，而制品的結(jié)構(gòu)是由原料的種類和工藝過程來保證的。 陶瓷制品所選用的原料，首先是保證供給其經(jīng)過加工后能生成所需要的晶相和玻璃相，其次是保證能適應(yīng)在加工處理過程中制品的各種工藝性能。,.,32,綜合陶瓷制品對于原料的兩方面要求，根據(jù)原料的工藝特性可以把所需要的陶瓷原料主要?dú)w納為三大類： 具有可塑性的黏土類原料、具有非可塑性的石英類原料和熔劑原料。,.,33,一般來說，黏土類原料往往是既有加工所需的可塑性，也能在燒成后形成結(jié)構(gòu)晶相的原料； 石英類原料既是非可塑性原料，同時也是能生成晶相的原料； 熔劑原料也具有非可塑性質(zhì)。,.,34,除上述的陶瓷坯體中所需的三大原料外，陶瓷釉料還常常需用各種特殊的熔劑

12、原料，包括采用各種化工原料。 陶瓷工業(yè)中需用的輔助材料主要是石膏和耐火材料，以及各種外加劑如助磨劑、助濾劑、解凝劑、增塑劑和增強(qiáng)劑等。,.,35,(2)黏土類原料 黏土類原料是日用陶瓷和工業(yè)用陶瓷的主要原料之一。 黏土是多種微細(xì)的礦物的混合體，其礦物的粒徑多數(shù)小于2um，主要是由黏土礦物和其他礦物組成的并具有一定特性的(其中主要是具有可塑性)土狀巖石。,.,36,我國黏土原料資源豐富，產(chǎn)地遍及全國。 黏土的主要礦物：高嶺石類、蒙脫石類、伊利石類和水鋁英石。 黏土的性質(zhì) 黏土的性質(zhì)對陶瓷的生產(chǎn)有很大的影響。它主要包括可塑性、結(jié)合性、離子交換性、觸變性、干燥收縮和燒成收縮、燒結(jié)溫度與燒結(jié)范圍和耐火

13、度等。,.,37,黏土的加熱變化：黏土是陶瓷的主要原料，陶瓷在燒成過程中所發(fā)生的一系列物理和化學(xué)變化，是在黏土加熱變化的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此黏土的加熱變化是陶瓷制品燒成的基本理論基礎(chǔ)。 黏土在加熱過程中的變化包括兩個階段：脫水階段與脫水后產(chǎn)物的繼續(xù)轉(zhuǎn)化階段。,.,38,.,39,黏土作用概括為五個方面： 1)黏土的可塑性是陶瓷坯泥賴以成形的基礎(chǔ)。 2)黏土使注漿泥料與釉料具有懸浮性與穩(wěn)定性。 3)黏土一般呈細(xì)分散顆粒，同時具有結(jié)合性。,.,40,4)黏土是陶瓷坯體燒結(jié)時的主體，黏土中的Al2O3含量和雜質(zhì)含量是決定陶瓷坯體的燒結(jié)程度、燒結(jié)溫度和軟化溫度的主要因素； 5)黏土是形成陶器主體結(jié)構(gòu)和瓷

14、器中莫來石晶體的主要來源。,.,41,(3)石英類原料 石英的種類。 自然界中的二氧化硅結(jié)晶礦物可以統(tǒng)稱為石英。其中最純的石英晶體統(tǒng)稱為水晶。 在陶瓷工業(yè)中，常用的石英類原料和材料有下列幾種：脈石英、砂巖、石英巖、石英砂、隧石和硅藻土。,.,42,石英原料的性質(zhì) 石英的外觀視其種類不同而異，有的呈乳白色，有的呈灰白半透明狀態(tài)，表面具有玻璃光澤或脂肪光澤，莫氏硬度值為7，相對密度因晶型而異，波動于2.222.65g/cm3之間。 石英的主要化學(xué)成分為SiO2，常含有少量雜質(zhì)成分，如Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2等。,.,43,石英是具有強(qiáng)耐酸侵蝕力的酸性氧化物，除氫氟酸外，一般

15、酸類對它都不產(chǎn)生作用。 當(dāng)石英與堿性物質(zhì)接觸時，則能起反應(yīng)而生成可溶性的硅酸鹽。 在高溫中與堿金屬氧化物作用生成硅酸鹽與玻璃態(tài)物質(zhì)。,.,44,石英在陶瓷生產(chǎn)中的作用 石英是作為瘠性原料加入到陶瓷坯料中的，它是陶瓷坯體中主要組分之一，它在陶瓷生產(chǎn)中的作用不僅在坯體成形時，而且在燒成時都有重要的影響。其作用概括如下：,.,45,在燒成前是瘠性原料，可對泥料的可塑性起調(diào)節(jié)作用，能降低坯體的干燥收縮，縮短干燥時間并防止坯體變形。 在燒成時，石英的加熱膨脹可部分地抵消坯體收縮的影響，當(dāng)玻璃質(zhì)大量出現(xiàn)時，在高溫下石英能部分熔解于液相中，增加熔體的強(qiáng)度，而未熔解的石英顆粒，則構(gòu)成坯體的骨架，可防止坯體發(fā)生

16、軟化變形等缺陷。,.,46,在瓷器中，石英對坯體的力學(xué)強(qiáng)度有著很大的影響，合理的石英顆粒能大大提高瓷器坯體的強(qiáng)度，否則效果相反。同時，石英也能使瓷坯的透光度和白度得到改善。 在釉料中，二氧化硅是生成玻璃質(zhì)的主要組分，增加釉料中石英含量能提高釉的熔融溫度與黏度，并減少釉的線脹系數(shù)。同時它是賦予釉以高的力學(xué)強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐化學(xué)侵蝕性的主要因素。,.,47,(4) 長石類原料 長石是陶瓷原料中最常用的熔劑性原料，在陶瓷生產(chǎn)中用作坯料、釉料、色料、熔劑等的基本組分，其用量較大，是陶瓷三大原料之一。 長石的種類和一般性質(zhì)：長石是地殼上分布廣泛的造巖礦物。,.,48,長石呈架狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)，化學(xué)成分為

17、不含水的堿金屬與堿土金屬鋁硅酸鹽，主要是鉀、鈉、鈣和少量鋇的鋁硅酸鹽，有時含有微量的銫、鍶等金屬離子。,.,49,根據(jù)架狀硅酸鹽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，長石可分為四種基本類型： 鈉長石、鉀長石、鈣長石和鋇長石。,.,50,生產(chǎn)中的鉀長石，實際上是含鉀為主的鉀鈉長石； 而所謂的鈉長石，實際上是含鈉為主的鉀鈉長石。 鈉長石與鈣長石一般呈白色或灰白色，相對密度為2.62 gcm3，其他一般物理性質(zhì)與鉀鈉長石近似。,.,51,長石在陶瓷原料中是作為熔劑使用的，因而長石在陶資生產(chǎn)中的作用主要表現(xiàn)為它的熔融和熔化其他物質(zhì)的性質(zhì)。長石在陶瓷生產(chǎn)中的作用如下：,.,52, 長石在高溫下熔融，形成黏稠的玻璃熔體，是坯料中堿

18、金屬氧化物(K2O、Na2O)的主要來源，能降低陶瓷坯體組分的熔化溫度，有利于成瓷和降低燒成溫度。,.,53,熔融后的長石熔體能熔解部分高嶺土分解產(chǎn)物和石英顆粒。液相中Al2O3和SiO2互相作用，促進(jìn)莫來石晶體的形成和長大，賦予了坯體的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。,.,54,長石熔體能填充于各結(jié)晶顆粒之間，有助于坯體致密和減少空隙。 冷卻后的長石熔體，構(gòu)成了瓷的玻璃基質(zhì)，增加了透明度，并有助于瓷坯的力學(xué)性能和電氣性能的提高。,.,55,在釉料中長石是主要熔劑。 長石作為瘠性原料，在生坯中還可以縮短坯體干燥時間，減少坯體的干燥收縮和變形等。,.,56,(5)其他礦物原料 含堿硅酸鋁類；包括偉晶花崗巖

19、、霞石正長巖、酸性玻璃熔巖（包括珍珠巖、松脂巖、浮巖等)和鋰質(zhì)礦物原料(常見的有鋰輝石和鋰云母兩種)。,.,57,堿土硅酸鹽類：包括滑石與蛇紋石、硅灰石、透輝石和透閃石。 碳酸鹽類：包括方解石與石灰石、白云石和菱鎂礦。 鈣的磷酸鹽類：包括骨灰和磷灰石。 高鋁質(zhì)礦物類：包括高鋁礬土、硅線石。 工業(yè)廢渣類：包括磷礦渣、高爐礦渣、螢石礦渣、輝綠巖、粉煤灰、煤殲石和高嶺土和瓷石尾砂。,.,58,二、導(dǎo)電陶瓷 傳統(tǒng)陶瓷是良好的絕緣體，這是人所共知的。在現(xiàn)今社會，凡是有電的地方，都可以看到各種用傳統(tǒng)陶瓷制成的絕緣器件。由此給人們留下了一個錯覺:陶瓷材料都是絕緣體。 在精細(xì)陶瓷中，不僅有良好的絕緣體，也有電

20、子導(dǎo)電體、離子導(dǎo)電體、半導(dǎo)體及其他導(dǎo)電材料。,.,59,1、電子導(dǎo)電陶瓷,在氧化物陶瓷中，離子的外層價電子通常受到原子核的較大吸引力，束縛在各自的離子上，即使施加一個不高的外電場，這些價電子也不能自由運(yùn)動而成為所謂的自由電子。所以氧化物陶瓷通常是不導(dǎo)電的絕緣體。 但是，如果把某些氧化物加熱，或者用其它的方法激發(fā)，使外層電子獲得足夠的能量，足以克服原子核對它的吸引力，擺脫原子核對它的控制，而成為自由電子。 于是，這種氧化物陶瓷就成了電子導(dǎo)體或半導(dǎo)體。,.,60,新型的高溫電子導(dǎo)電陶瓷： 氧化鋯陶瓷； 氧化釷陶瓷； 由復(fù)合氧化物組成的鉻酸鑭陶瓷。 用途：可作為高溫設(shè)備的電熱材料。 與金屬電熱體相比

21、，最大的優(yōu)點(diǎn)： 更耐高溫和有良好的抗氧化能力。,.,61,金屬電熱材料： 最常見的鎳鉻絲：在空氣中的最高使用溫度只有1100; 昂貴的抗氧化性能好的鉑絲、銠絲:在空氣中的最高使用溫度也只有1600。 采用難熔金屬鉭、鉬、鎢作電熱體，使用溫度可以提高到2000，但必須以氫、氮、氬等氣體保護(hù)或者在真空下工作，否則，它們就會很快氧化而失去使用價值。,.,62,常用的兩種陶瓷導(dǎo)電材料: 碳化硅及二硅化鉬，它們的使用溫度也比不上氧化鋯、氧化釷及鉻酸鑭陶瓷。 碳化硅的最高使用溫度為1450; 二硅化鉬的最高使用溫度為1650，但它的機(jī)械強(qiáng)度不高，質(zhì)地很脆。,.,63,氧化鋯陶瓷 優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定氧化鋯陶瓷的最高

22、使用溫度為2000，它在高溫下的導(dǎo)電性能很好，基本上為電子導(dǎo)電。 缺點(diǎn)：在低溫特別是在室溫情況下的導(dǎo)電性能還不理想，作為電熱材料時，必須在高溫設(shè)備中用熱源進(jìn)行預(yù)熱;另外，氧化鋯的負(fù)電阻溫度系數(shù)較大，即溫度升高時電阻大大降低，使得通過的電流大大增加，給操作控制帶來不少困難。,.,64,氧化釷陶瓷 最高使用溫度可達(dá)到2500，它與穩(wěn)定氧化鋯陶瓷電熱體一樣，低溫時的導(dǎo)電性能還有待改進(jìn)。,.,65,以復(fù)合氧化物制成的鉻酸鑭導(dǎo)電陶瓷 新型電熱材料，它的使用溫度可達(dá)1800，在空氣中的使用壽命在1700小時以上。用于1500-1800的高溫電爐，可稱得上是最好的電熱材料。 同時，鉻酸鑭陶瓷不僅可作通常情況

23、下的電熱材料，而且與氧化鋯陶瓷組成的復(fù)合材料，是磁流體發(fā)電機(jī)優(yōu)先考慮的電極材料。,.,66,2、離子導(dǎo)電陶瓷,在電解質(zhì)溶液中，電導(dǎo)主要來自帶電離子的運(yùn)動;而在固態(tài)離子型晶體中，帶電離子倍受限制，但仍能以擴(kuò)散的形式發(fā)生，從而產(chǎn)生離子導(dǎo)電。 離子在晶體中擴(kuò)散是通過取代晶格空位的方式進(jìn)行的。一般情況下，這類運(yùn)動取向混亂，宏觀上不產(chǎn)生電流。然而，在電場作用下，離子沿電場方向運(yùn)動的幾率增大，從而產(chǎn)生離子電流。,.,67,陰離子導(dǎo)電陶瓷 穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷在高溫時不僅產(chǎn)生電子導(dǎo)電，也會因氧離子的運(yùn)動而產(chǎn)生離子導(dǎo)電。因此，凡是在高溫情況下需要測量或控制氧氣含量的地方，都可以采用氧化鋯陶瓷氧氣敏感元件，這種元件

24、在節(jié)能和防止大氣污染方面都發(fā)揮作用。,.,68,陽離子導(dǎo)電陶瓷 -氧化鋁陶瓷就是一種有代表性的陽離子導(dǎo)電體，是一種只允許鈉離子通過的導(dǎo)電陶瓷。 -氧化鋁是用氧化鈉和氧化鋁在高溫下合成的鋁酸鹽。 可以作為離子選擇電極的選擇膜，即離子濃度傳感器。 利用它只允許某一種陽離子通過的特性，可準(zhǔn)確而又迅速地測定被測離子的濃度，可用于金屬提純等方面。,.,69,二、介電鐵電陶瓷,陶瓷材料在電場作月下，帶電粒子被束縛在固定位置上，僅發(fā)生微小位移，即形成電極化而不產(chǎn)生電流者為絕緣體。 帶電粒子在電場下作微小位移的性質(zhì)稱為介電性。 介電材料主要是通過控制其介電性質(zhì)，使之呈現(xiàn)不同的比介電系數(shù)、低介質(zhì)損耗和適當(dāng)?shù)慕殡?/p>

25、常數(shù)溫度系數(shù)等性能，以適應(yīng)各種用途的要求。,.,70,1、陶瓷的介電和鐵電特性及極化,一般介電陶瓷材料在電場下產(chǎn)生的極化可分為四種： 電子極化； 離子極化； 偶極子趨向極化； 空間電荷極化。,.,71,電子極化： 是在電場作用下，使原來處于平衡狀態(tài)的原子正、負(fù)電荷重心改變位置，即原子核周圍的電子云發(fā)生變形而引起電荷重心偏離，形成電極化。 離子極化： 是處在電場中多晶陶瓷體內(nèi)的正、負(fù)離子分別沿電場方向位移，形成電極化。,.,72,偶極子趨向極化： 是非對稱結(jié)構(gòu)的偶極子在電場作用下，沿電場方向趨向與外電場一致的方向而產(chǎn)生電極化。,空間電荷極化： 是陶瓷多晶體在電場中，空間電荷在晶粒內(nèi)和電疇中移動，

26、聚集于邊界和表面而產(chǎn)生的極化。,通常極化是由以上四種極化疊加引起的。,.,73,介電陶瓷的性質(zhì)與陶瓷多晶體的晶體結(jié)構(gòu)是密切相關(guān)的。 在晶體的32種對稱點(diǎn)群中，有11種具有對稱中心。晶格上為非極性原子或分子，在電性上完全中性的，稱為各向同性介電體。 有20種點(diǎn)群結(jié)構(gòu)晶體，其結(jié)構(gòu)上無對稱中心的，稱為壓電晶體。 壓電晶體中有10種點(diǎn)群的晶體是極性晶體，具有熱釋電性，稱為熱釋電晶體。 其中在外電場作用下能夠隨電場改變電偶極子方向的晶體稱為鐵電晶體。,幾個概念,.,74,介電陶瓷的鐵電特性表現(xiàn)為本身具有自發(fā)極化。 當(dāng)施加外界電場時，自發(fā)極化方向沿電場方向趨于一致；當(dāng)外電場反向，而且超過材料矯頑電場Ec值

27、時，自發(fā)極化隨電場而反向;當(dāng)電場移去后，陶瓷中保留部分極化量，即剩余極化。 自發(fā)極化與電場之間存在著一定的滯后關(guān)系，這種滯后特性類似于鐵磁材料B-H曲線的滯后特性，它是表征鐵電材料的必要條件。,.,75,2、介電陶瓷材料,應(yīng)用:陶瓷電容器和微波介質(zhì)元件方面。 二次世界大戰(zhàn)后，由于收錄機(jī)、電視機(jī)、錄相機(jī)以及通訊技術(shù)的飛速發(fā)展和近年來計算機(jī)技術(shù)、攝影技術(shù)、汽車及鐘表技術(shù)的進(jìn)步，促使陶瓷電容器的制作技術(shù)有了巨大的發(fā)展，微波技術(shù)的發(fā)展對微波介質(zhì)陶瓷元件的擴(kuò)大應(yīng)用起了推動作用。,.,76,(1)溫度補(bǔ)償電容器用介電陶瓷 主要用途：高頻振蕩電路中作為補(bǔ)償電容介質(zhì) 性能要求：具有穩(wěn)定的電容溫度系數(shù)和低介電損

28、耗。 通過對系統(tǒng)中的陶瓷燒結(jié)和介電性能的詳細(xì)研究，得到溫度補(bǔ)償電容介質(zhì)陶瓷材料與復(fù)合，可擴(kuò)大溫度補(bǔ)償電容器陶瓷的應(yīng)用范圍。,.,77,(2)、微波介質(zhì)陶瓷 用途：制作微波電路元件。 要求：材料在微波頻率下具有高介電常數(shù)、低介質(zhì)損耗、低膨脹系數(shù)和低介電常數(shù)溫度系數(shù)。 通常使用的陶瓷材料有： MgO-SiO2系陶瓷； MgO-CaO-TiO2系陶瓷 MgO-La2O3-TiO2系陶瓷 BaO-TiO2系陶瓷 ZrO2-SnO2-TiO2系陶瓷,.,78,(3).高介電容器陶瓷 高介電常數(shù)的陶瓷主要是鐵電陶瓷材料，其中以鈦酸鋇為基，添加各種添加物，可以制得介電常數(shù)很高的電容器用陶瓷材料。 若以Sr,

29、 Sn, Zr等離子置換鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的多元復(fù)合化合物，使居里點(diǎn)移至常溫，則介電常數(shù)可增大到近2000，介電常數(shù)的溫度系數(shù)也隨之增加。,.,79,(4)高壓電容器陶瓷 鈦酸鋇陶瓷材料雖具有高介電常數(shù)，但在高壓下使用，其介電常數(shù)隨電壓的變化較大，這主要是由于的鐵電特性影響。 鈦酸鍶陶瓷的介電常數(shù)雖比陶瓷低，但其絕緣性能卻好得多，而且其介電常數(shù)隨電壓的變化小，介電損耗亦小，這類電容器廣泛應(yīng)用于電視機(jī)、雷達(dá)高壓電路及避雷器、斷路器等方面。,.,80,三、氣敏陶瓷和濕敏陶瓷,1、氣敏陶瓷 氣敏陶瓷的電阻值將隨其所處環(huán)境的氣氛而變，不同類型的氣敏陶瓷，將對某一種或某幾種氣體特別敏感，其阻值將隨該種氣體的濃

30、度(分壓力)作有規(guī)則的變化，其檢測靈敏度通常為百萬分之一的量級，個別可達(dá)十億分之一的量級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過動物的嗅覺感知度，故有“電子鼻”之稱。,.,81,氣敏陶瓷一般都是某種類型的金屬氧化物，通過摻雜或非化學(xué)計量比的改變而使其半導(dǎo)化。 其氣敏特性，大多通過待測氣體在陶瓷表面附著，產(chǎn)生某種化學(xué)反應(yīng)(如氧化、還原反應(yīng))、與表面產(chǎn)生電子的交換(俘獲或釋放電子)等作用來實現(xiàn)的，這種氣敏現(xiàn)象稱為表面過程。,原 理,.,82,氣體與敏感陶瓷的作用部位通常只限于表面，故其敏感特性如電阻值與被測氣體濃度的關(guān)系，就和敏感體的燒結(jié)形式(幾何形狀)關(guān)系甚大，常見的有薄膜型、厚膜型和多孔燒結(jié)體型。 盡管三種敏感體的工藝差別

31、較大，但從顯微結(jié)構(gòu)上看，它們都屬多晶、多相體系。,.,83,SnO2氣敏陶瓷是目前應(yīng)用最廣泛的材料，可摻雜Pd、In、Ga、CeO2等活性物質(zhì)提高其靈敏度。 SnO2氣敏陶瓷對可燃性氣體，如氫、甲烷、丙烷、乙醇、丙酮、一氧化碳、城市煤氣、天然氣都有較高的靈敏度。,.,84,ZnO也是很重要的氣敏材料，摻以Pt和Pd以后，可提高其靈敏度。 ZnO摻Pt后對丁烷和丙烷等氣體的靈敏度高; ZnO摻Pd后對氫和CO的靈敏度高。,.,85,-Fe2O3氣敏陶瓷主要用于檢測異丁烷氣體和石油液化氣。 它是利用-Fe2O3和Fe3O4之間的氧化還原過程中，F(xiàn)e3+和Fe2+轉(zhuǎn)變時的電子變換檢測還原性氣體。,.

32、,86,ZrO2氣敏陶瓷主要用于氧氣的檢測。 它是靠被測氣體和參比氣體(空氣)處于氣敏陶瓷兩側(cè)，按照濃差電池的原理，由于兩側(cè)氧的活性濃度或分壓的不同，因而形成化學(xué)勢的差異，使高濃度一側(cè)的氧通過氣敏陶瓷中的氧空位以離子的狀態(tài)向低濃度一側(cè)遷移，形成離子電導(dǎo)，在陶瓷兩側(cè)產(chǎn)生氧濃差電勢。,.,87,2、濕敏陶瓷 水分在一般物質(zhì)表面的附著量，以及潮氣在木材、布匹、煙草等多孔性或微粒狀物質(zhì)中吸收情況，與大氣的濕度密切相關(guān)。合適的濕度對于生物、生活、生產(chǎn)都非常重要，因此濕度的測量、控制與調(diào)節(jié)，對于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象環(huán)衛(wèi)、醫(yī)療健康、生物食品、貨物儲運(yùn)、科技國防等領(lǐng)域均具有十分重要的意義。,.,88,17世紀(jì)，人

33、們發(fā)現(xiàn)隨著大氣濕度的變化，人的頭發(fā)會出現(xiàn)伸長或縮短的現(xiàn)象，由此制成毛發(fā)濕度計。 18世紀(jì)時，人們利用水分向大氣蒸發(fā)時必須吸收潛熱的效應(yīng)，研制成干濕球濕度計。 上述濕度計都屬于濕度的非電測量方法，其主要缺點(diǎn)是靈敏度、準(zhǔn)確性和分辨率等特性都不夠高，且難于和現(xiàn)代的指示、記錄與控制設(shè)備直接相連。 陶瓷濕度傳感器測試范圍寬、響應(yīng)速度快、工作溫度高、耐污染能力強(qiáng)。因此濕敏陶瓷成為人們主要研制、開發(fā)的濕敏材料。,.,89,目前，濕敏陶瓷主要有： 氧化物涂覆膜型、 多孔燒結(jié)體型、 厚膜型、 薄膜型等。 按測濕范圍有 高濕型(適用于相對濕度大于70%RH）、 中濕型(30%-80%RH)、 低濕型(小于30%R

34、H)、 全濕型(0%-100%RH)。,.,90,五、生物陶瓷,用于人體組織和器官的修復(fù)并代行其功能的人造材料稱為生物材料或生物醫(yī)學(xué)材料。從醫(yī)用的角度來看，生物材料屬功能材料范疇。對生物材料的要求既不同于醫(yī)藥，更不同于普通工業(yè)材料，具有其特殊性。,.,91,1、生物材料的必要條件,生物學(xué)條件: (1)生物相容性好，對機(jī)體無免疫排異反應(yīng)，種植體不致引起周圍組織產(chǎn)生局部或全身性反應(yīng)，最好能與骨形成化學(xué)結(jié)合，具有生物活性; （2）對人體無毒、無刺激、無致畸、致敏、致突變和致癌作用; （3）無溶血、凝血反應(yīng)。,.,92,化學(xué)條件: （1）在體內(nèi)長期穩(wěn)定，不分解、不變質(zhì); （2）耐侵蝕，不產(chǎn)生有害降解產(chǎn)物; （3）不產(chǎn)生吸水膨潤、軟化變質(zhì)等變化。 力學(xué)條件: （1）具有足夠的靜態(tài)強(qiáng)度，如抗彎、抗壓、拉伸、剪切等; （2）具有適當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ亢陀捕? 耐疲勞、摩擦、磨損、 有潤滑性能。,.,93,其它: (1)具有良好的孔隙度、體液及軟硬組織易于長入: (2)易加工成型，使用操作方便; (3)熱穩(wěn)定好，高溫消毒不變質(zhì)。 生物陶瓷占據(jù)了相對的優(yōu)勢。,.,94,2、生物陶瓷的特點(diǎn),陶瓷是經(jīng)高溫處理工藝所合成的無機(jī)非金屬材料，因