1、.,第十三章 精細(xì)功能陶瓷材料,.,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(lèi) 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,.,1、陶瓷材料的發(fā)展概況 陶瓷在人類(lèi)生活和社會(huì)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(guó)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(guó)的文化和發(fā)展史上占有極其重要的地位。,.,陶瓷的研究進(jìn)程分為三個(gè)階段 新石器時(shí)代 先進(jìn)陶瓷階段 納米陶瓷階段,.,新石器時(shí)代 遠(yuǎn)在幾千年前的新石器時(shí)代，我們的祖先就已經(jīng)用天然黏土作原料，塑造成各種器皿，再在火堆中燒

2、成堅(jiān)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。,.,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。,.,釉 以石英、長(zhǎng)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(zhǎng)石:一類(lèi)含鈣、鈉和鉀的鋁硅酸鹽類(lèi)礦物。,.,瓷器燒成溫度高，質(zhì)地致密堅(jiān)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(lèi)的陶瓷。,.,陶瓷都是以黏土為主要原料與其他天然礦物原料經(jīng)粉碎混

3、煉成形一煅燒等過(guò)程制成的。 如常見(jiàn)的日用陶瓷、建筑陶瓷、電瓷等傳統(tǒng)陶瓷。,.,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(zhǎng)石、石英等)，所以可歸為硅酸鹽類(lèi)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。,.,先進(jìn)陶瓷階段 20世紀(jì)以來(lái)，隨著人類(lèi)對(duì)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(duì)陶瓷材料均提出越來(lái)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(wú)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(shí)，陶瓷研究進(jìn)入第二個(gè)階段先進(jìn)陶瓷階段。,.,先進(jìn)陶瓷（Advanced ceramics

4、）又稱(chēng)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(shí)也稱(chēng)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。,.,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

5、無(wú)機(jī)非金屬材料范圍。,.,此時(shí)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(wú)機(jī)非金屬固體材料和制品的統(tǒng)稱(chēng)。,但是，這一階段的先進(jìn)陶瓷，無(wú)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(jí)的水平，故又可稱(chēng)之為微米級(jí)先進(jìn)陶瓷。,.,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(gè)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(jí)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(jí)的尺度上。,.,納米陶瓷是當(dāng)今陶瓷材料研究中一個(gè)十分重要的發(fā)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(gè)嶄新的階段

6、。,.,2、功能陶瓷的定義、范圍和分類(lèi),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(lèi)。,.,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(chēng)為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。,.,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(lái)實(shí)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(jià)格低、應(yīng)用廣、功能全、技術(shù)高、更新快。,.,通過(guò)對(duì)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

7、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(kāi)始從經(jīng)驗(yàn)式的探索逐步走向按所需性能來(lái)進(jìn)行材料設(shè)計(jì)。,.,3、功能陶瓷的應(yīng)用和展望 功能陶瓷的不斷開(kāi)發(fā)，對(duì)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。,.,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(cè)、轉(zhuǎn)換、傳輸、處理和存儲(chǔ)等，并已在電子信息、集成電路、計(jì)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。,.,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

8、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,.,根據(jù)功能陶瓷對(duì)外場(chǎng)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。,.,二十世紀(jì)90年代，開(kāi)始的納米功能陶瓷的研究，表明人們已開(kāi)始深入到介于宏觀與原子尺度的納米層次來(lái)研究功能陶瓷的性能與結(jié)構(gòu)，以期進(jìn)一步開(kāi)拓功能陶瓷新的應(yīng)用領(lǐng)域。,.,無(wú)論從應(yīng)用的廣度，還是市場(chǎng)占有率來(lái)看，在當(dāng)前及以后相當(dāng)一段時(shí)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，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)

9、控與復(fù)合、低溫活化燒結(jié)、立體布線(xiàn)、超細(xì)超純、薄膜技術(shù)等方向發(fā)展。,.,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(jì)算機(jī)用光纖陶瓷材料； 多層封裝立體布線(xiàn)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。,.,4、制備陶瓷材料的原料 陶瓷材料制品由多相的無(wú)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，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(lèi)繁多，資源蘊(yùn)藏豐富，且分布極廣。 某些陶瓷材料制品對(duì)原料的要求很高，需要采用均一且高純度的人工

10、合成原料。,.,(1)原料分類(lèi) 通常，陶瓷原料的分類(lèi)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(lái)，可分為以下四類(lèi)：,.,根據(jù)原料工藝特性分為：可塑性原料(也稱(chēng)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(zhǎng)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。,.,陶瓷制品的結(jié)構(gòu)是決定其性能和品質(zhì)的內(nèi)因，而制品的結(jié)構(gòu)是由原料的種類(lèi)和工藝過(guò)程來(lái)保證的。 陶瓷制品所選用的原料，首先是保證供給其經(jīng)過(guò)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(guò)程中制品的各種

11、工藝性能。,.,綜合陶瓷制品對(duì)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(lèi)： 具有可塑性的黏土類(lèi)原料、具有非可塑性的石英類(lèi)原料和熔劑原料。,.,一般來(lái)說(shuō)，黏土類(lèi)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(lèi)原料既是非可塑性原料，同時(shí)也是能生成晶相的原料； 熔劑原料也具有非可塑性質(zhì)。,.,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。,.,(2)黏土類(lèi)原料 黏土類(lèi)原料是日用陶瓷和工業(yè)用

12、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。,.,我國(guó)黏土原料資源豐富，產(chǎn)地遍及全國(guó)。 黏土的主要礦物：高嶺石類(lèi)、蒙脫石類(lèi)、伊利石類(lèi)和水鋁英石。 黏土的性質(zhì) 黏土的性質(zhì)對(duì)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)范圍和耐火度等。,.,黏土的加熱變化：黏土是陶瓷的主要原料，陶瓷在燒成過(guò)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(guò)程中的變

13、化包括兩個(gè)階段：脫水階段與脫水后產(chǎn)物的繼續(xù)轉(zhuǎn)化階段。,.,.,黏土作用概括為五個(gè)方面： 1)黏土的可塑性是陶瓷坯泥賴(lài)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(shí)具有結(jié)合性。,.,4)黏土是陶瓷坯體燒結(jié)時(shí)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)和瓷器中莫來(lái)石晶體的主要來(lái)源。,.,(3)石英類(lèi)原料 石英的種類(lèi)。 自然界中的二氧化硅結(jié)晶礦物可以統(tǒng)稱(chēng)為石英。其中最純的石英晶體統(tǒng)稱(chēng)為水晶。 在陶瓷工業(yè)中，常用的石英類(lèi)原料和材料有下列幾種：脈石英、砂巖、石英巖、石英砂、隧石和

14、硅藻土。,.,石英原料的性質(zhì) 石英的外觀視其種類(lèi)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(duì)密度因晶型而異，波動(dòng)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。,.,石英是具有強(qiáng)耐酸侵蝕力的酸性氧化物，除氫氟酸外，一般酸類(lèi)對(duì)它都不產(chǎn)生作用。 當(dāng)石英與堿性物質(zhì)接觸時(shí)，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)。,.,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)

15、中的作用不僅在坯體成形時(shí)，而且在燒成時(shí)都有重要的影響。其作用概括如下：,.,在燒成前是瘠性原料，可對(duì)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(shí)間并防止坯體變形。 在燒成時(shí)，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(shí)，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)生軟化變形等缺陷。,.,在瓷器中，石英對(duì)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(shí)，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

16、，并減少釉的線(xiàn)脹系數(shù)。同時(shí)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。,.,(4) 長(zhǎng)石類(lèi)原料 長(zhǎng)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(zhǎng)石的種類(lèi)和一般性質(zhì)：長(zhǎng)石是地殼上分布廣泛的造巖礦物。,.,長(zhǎng)石呈架狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)，化學(xué)成分為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(shí)含有微量的銫、鍶等金屬離子。,.,根據(jù)架狀硅酸鹽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，長(zhǎng)石可分為四種基本類(lèi)型： 鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石和鋇長(zhǎng)石。,.,生產(chǎn)中的鉀長(zhǎng)石，實(shí)際上是含鉀為主的鉀鈉長(zhǎng)石； 而所謂的鈉長(zhǎng)石，實(shí)際上是含

17、鈉為主的鉀鈉長(zhǎng)石。 鈉長(zhǎng)石與鈣長(zhǎng)石一般呈白色或灰白色，相對(duì)密度為2.62 gcm3，其他一般物理性質(zhì)與鉀鈉長(zhǎng)石近似。,.,長(zhǎng)石在陶瓷原料中是作為熔劑使用的，因而長(zhǎng)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(zhǎng)石在陶瓷生產(chǎn)中的作用如下：,., 長(zhǎng)石在高溫下熔融，形成黏稠的玻璃熔體，是坯料中堿金屬氧化物(K2O、Na2O)的主要來(lái)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。,.,熔融后的長(zhǎng)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(lái)石晶體的形成和長(zhǎng)大，賦予了坯體的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。,.,長(zhǎng)石熔體能填充于各結(jié)晶顆粒之間，有

18、助于坯體致密和減少空隙。 冷卻后的長(zhǎng)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。,.,在釉料中長(zhǎng)石是主要熔劑。 長(zhǎng)石作為瘠性原料，在生坯中還可以縮短坯體干燥時(shí)間，減少坯體的干燥收縮和變形等。,.,(5)其他礦物原料 含堿硅酸鋁類(lèi)；包括偉晶花崗巖、霞石正長(zhǎng)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(jiàn)的有鋰輝石和鋰云母兩種)。,.,堿土硅酸鹽類(lèi)：包括滑石與蛇紋石、硅灰石、透輝石和透閃石。 碳酸鹽類(lèi)：包括方解石與石灰石、白云石和菱鎂礦。 鈣的磷酸鹽類(lèi)：包括骨灰和磷灰石。 高鋁質(zhì)礦物類(lèi)：包括高鋁礬土、硅線(xiàn)石。 工業(yè)廢渣類(lèi)：包括磷礦渣、高爐礦渣

19、、螢石礦渣、輝綠巖、粉煤灰、煤殲石和高嶺土和瓷石尾砂。,.,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(huì)，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(gè)錯(cuò)覺(jué):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，也有電子導(dǎo)電體、離子導(dǎo)電體、半導(dǎo)體及其他導(dǎo)電材料。,.,1、電子導(dǎo)電陶瓷,在氧化物陶瓷中，離子的外層價(jià)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(gè)不高的外電場(chǎng)，這些價(jià)電子也不能自由運(yùn)動(dòng)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

20、量，足以克服原子核對(duì)它的吸引力，擺脫原子核對(duì)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。,.,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，最大的優(yōu)點(diǎn)： 更耐高溫和有良好的抗氧化能力。,.,金屬電熱材料： 最常見(jiàn)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(huì)很快氧化而失去使用價(jià)值。,.

21、,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。,.,氧化鋯陶瓷 優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定氧化鋯陶瓷的最高使用溫度為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(shí)，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(shí)電阻大大降低，使得通過(guò)的電流大大增加，給操作控制帶來(lái)不少困難。,.,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(shí)的導(dǎo)電

22、性能還有待改進(jìn)。,.,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(shí)以上。用于1500-1800的高溫電爐，可稱(chēng)得上是最好的電熱材料。 同時(shí)，鉻酸鑭陶瓷不僅可作通常情況下的電熱材料，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。,.,2、離子導(dǎo)電陶瓷,在電解質(zhì)溶液中，電導(dǎo)主要來(lái)自帶電離子的運(yùn)動(dòng);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(guò)取代晶格空位的方式進(jìn)行的。一般情況下，這類(lèi)運(yùn)動(dòng)取向混亂，宏觀上不產(chǎn)生電流。然而，在電場(chǎng)作用下，離子沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的幾率

23、增大，從而產(chǎn)生離子電流。,.,陰離子導(dǎo)電陶瓷 穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷在高溫時(shí)不僅產(chǎn)生電子導(dǎo)電，也會(huì)因氧離子的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生離子導(dǎo)電。因此，凡是在高溫情況下需要測(cè)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，這種元件在節(jié)能和防止大氣污染方面都發(fā)揮作用。,.,陽(yáng)離子導(dǎo)電陶瓷 -氧化鋁陶瓷就是一種有代表性的陽(yáng)離子導(dǎo)電體，是一種只允許鈉離子通過(guò)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(yáng)離子通過(guò)的特性，可準(zhǔn)確而又迅速地測(cè)定被測(cè)離子的濃度，可用于金屬提純等方面。,.,二、介電鐵電陶瓷,陶瓷材料在電場(chǎng)作月下，帶電粒

24、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(chǎng)下作微小位移的性質(zhì)稱(chēng)為介電性。 介電材料主要是通過(guò)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)慕殡姵?shù)溫度系數(shù)等性能，以適應(yīng)各種用途的要求。,.,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(chǎng)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。,.,電子極化： 是在電場(chǎng)作用下，使原來(lái)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?chē)碾娮釉瓢l(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(chǎng)中多晶陶瓷體內(nèi)的正、負(fù)離子分別沿電場(chǎng)方向位移，

25、形成電極化。,.,偶極子趨向極化： 是非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的偶極子在電場(chǎng)作用下，沿電場(chǎng)方向趨向與外電場(chǎng)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(chǎng)中，空間電荷在晶粒內(nèi)和電疇中移動(dòng)，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。,.,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(duì)稱(chēng)點(diǎn)群中，有11種具有對(duì)稱(chēng)中心。晶格上為非極性原子或分子，在電性上完全中性的，稱(chēng)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(wú)對(duì)稱(chēng)中心的，稱(chēng)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(chēng)為熱釋電晶體。 其中在外電場(chǎng)作用下能夠隨電場(chǎng)改變電偶極子

26、方向的晶體稱(chēng)為鐵電晶體。,幾個(gè)概念,.,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(chǎng)時(shí)，自發(fā)極化方向沿電場(chǎng)方向趨于一致；當(dāng)外電場(chǎng)反向，而且超過(guò)材料矯頑電場(chǎng)Ec值時(shí)，自發(fā)極化隨電場(chǎng)而反向;當(dāng)電場(chǎng)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(chǎng)之間存在著一定的滯后關(guān)系，這種滯后特性類(lèi)似于鐵磁材料B-H曲線(xiàn)的滯后特性，它是表征鐵電材料的必要條件。,.,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(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)、攝影技術(shù)、汽車(chē)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(duì)

27、微波介質(zhì)陶瓷元件的擴(kuò)大應(yīng)用起了推動(dòng)作用。,.,(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)和低介電損耗。 通過(guò)對(duì)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。,.,(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,

28、.,(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, 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。,.,(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(lèi)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。,.,三、氣敏陶瓷和濕

29、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(lèi)型的氣敏陶瓷，將對(duì)某一種或某幾種氣體特別敏感，其阻值將隨該種氣體的濃度(分壓力)作有規(guī)則的變化，其檢測(cè)靈敏度通常為百萬(wàn)分之一的量級(jí)，個(gè)別可達(dá)十億分之一的量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)動(dòng)物的嗅覺(jué)感知度，故有“電子鼻”之稱(chēng)。,.,氣敏陶瓷一般都是某種類(lèi)型的金屬氧化物，通過(guò)摻雜或非化學(xué)計(jì)量比的改變而使其半導(dǎo)化。 其氣敏特性，大多通過(guò)待測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種氣敏現(xiàn)象稱(chēng)為表面過(guò)程。,原 理,.,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

30、被測(cè)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(jiàn)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較大，但從顯微結(jié)構(gòu)上看，它們都屬多晶、多相體系。,.,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(duì)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。,.,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(duì)丁烷和丙烷等氣體的靈敏度高; ZnO摻Pd后對(duì)氫和CO的靈敏度高。,.,-Fe2O3氣敏陶瓷主要用于檢測(cè)異丁烷氣體和石油液化氣。

31、它是利用-Fe2O3和Fe3O4之間的氧化還原過(guò)程中，F(xiàn)e3+和Fe2+轉(zhuǎn)變時(shí)的電子變換檢測(cè)還原性氣體。,.,ZrO2氣敏陶瓷主要用于氧氣的檢測(cè)。 它是靠被測(cè)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(shì)的差異，使高濃度一側(cè)的氧通過(guò)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(shì)。,.,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(duì)于生物、生活、生產(chǎn)都非常重要，因此濕度的測(cè)量、控制與調(diào)節(jié)，對(duì)于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象

32、環(huán)衛(wèi)、醫(yī)療健康、生物食品、貨物儲(chǔ)運(yùn)、科技國(guó)防等領(lǐng)域均具有十分重要的意義。,.,17世紀(jì)，人們發(fā)現(xiàn)隨著大氣濕度的變化，人的頭發(fā)會(huì)出現(xiàn)伸長(zhǎng)或縮短的現(xiàn)象，由此制成毛發(fā)濕度計(jì)。 18世紀(jì)時(shí)，人們利用水分向大氣蒸發(fā)時(shí)必須吸收潛熱的效應(yīng)，研制成干濕球濕度計(jì)。 上述濕度計(jì)都屬于濕度的非電測(cè)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(cè)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(kāi)發(fā)的濕敏材料。,.,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(cè)濕范圍有 高濕型(適

33、用于相對(duì)濕度大于70%RH）、 中濕型(30%-80%RH)、 低濕型(小于30%RH)、 全濕型(0%-100%RH)。,.,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(chēng)為生物材料或生物醫(yī)學(xué)材料。從醫(yī)用的角度來(lái)看，生物材料屬功能材料范疇。對(duì)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。,.,1、生物材料的必要條件,生物學(xué)條件: (1)生物相容性好，對(duì)機(jī)體無(wú)免疫排異反應(yīng)，種植體不致引起周?chē)M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(duì)人體無(wú)毒、無(wú)刺激、無(wú)致畸、致敏、致突變和致癌作用; （3）無(wú)溶血、凝血反應(yīng)。,.,化學(xué)條件: （1）在體內(nèi)長(zhǎng)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(rùn)、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(rùn)滑性能。,.,其它: (1)具有良好的孔隙度、體液及軟硬組織易于長(zhǎng)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(duì)的優(yōu)勢(shì)。,.,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(wú)機(jī)非金屬材料，