1、第3節(jié)功能陶瓷一、功能陶瓷概要1、與傳統(tǒng)陶瓷的區(qū)別(1)原料多經(jīng)人工合成或精制，不受天然條件的限制(2)突破傳統(tǒng)陶瓷的化學(xué)成分限制，使用多種金屬氧化物、氮化物、碳化物、磷化物等與傳統(tǒng)陶瓷相比，功能陶瓷具有一些特殊性能(熱、機(jī)械、化學(xué)、電磁、光)。 電子陶瓷、生物陶瓷、傳感陶瓷、磁性陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、光學(xué)陶瓷，其功能的實(shí)現(xiàn)主要來(lái)源于其所具有的特定的電絕緣性、半導(dǎo)體性、導(dǎo)電性、壓電性、鐵電性、磁性、生物適應(yīng)性等。 2 .功能陶瓷的分類電性質(zhì)：絕緣體陶瓷、電介質(zhì)陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、導(dǎo)電性陶瓷熱學(xué)性質(zhì)：耐高溫陶瓷、電熱陶瓷。 二、材料的電性能首先，對(duì)材料的電性能略知一二。 1導(dǎo)電性材料的導(dǎo)電性通過(guò)其導(dǎo)電率

2、進(jìn)行測(cè)量，顯示了材料在電場(chǎng)中傳輸電荷的能力。 載流子數(shù)量n、每個(gè)載流子的電荷q和載流子的遷移率決定材料的電導(dǎo)率或電阻率。 材料中，產(chǎn)生電流的載氣有電子、空穴、正離子、負(fù)離子4種。 如果載氣是電子或空穴，則材料的電導(dǎo)是電子電導(dǎo)，如果載氣是離子或空格子點(diǎn)，則稱為離子電導(dǎo)。 材料根據(jù)其導(dǎo)電能力，包括(1)超導(dǎo)體、(0)導(dǎo)體、(2)金屬及部分陶瓷和高分子材料(3)的半導(dǎo)體； (4)絕緣體、普通陶瓷和大部分高分子材料、金屬的電導(dǎo)率隨溫度的上升而降低，半導(dǎo)體、絕緣體和離子材料的電導(dǎo)率隨溫度的上升而增大。 雜質(zhì)原子使純金屬的電導(dǎo)率降低，是因?yàn)槿苜|(zhì)原子在固溶體內(nèi)發(fā)生不規(guī)則的電勢(shì)場(chǎng)變化，影響自由電子的運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)

3、雜質(zhì)原子溶入陶瓷材料時(shí)，其導(dǎo)電性能往往得到提高。 適當(dāng)形式的晶體缺陷對(duì)改善陶瓷材料的導(dǎo)電性有重要意義。 2介電性絕緣體不傳導(dǎo)電荷，但并非在電場(chǎng)e下不反應(yīng)。 如果在相隔距離d的2塊電極板之間施加電壓u，則電場(chǎng)為螺栓梯度，如果2塊板之間沒(méi)有任何物體，則各板上的電荷密度D0與電場(chǎng)e成比例。 當(dāng)在兩個(gè)電極之間存在材料m (所謂的介電材料)時(shí)，其電荷密度可能從D0增加到Dm，并且比率Dm/D0是材料的相對(duì)介電常數(shù)，即，相對(duì)介電常數(shù)總是大于1.0。 因?yàn)椴牧蟽?nèi)部的電子和正負(fù)離子在電場(chǎng)中發(fā)生了位移。 介電常數(shù)因材料和溫度而大不相同。 Al2O3、AIN陶瓷的室溫介電常數(shù)小于10，BaTiO3、Pb(Mg1/

4、3Nb2/3)O3等強(qiáng)電介質(zhì)陶瓷的室溫介電常數(shù)為幾百至幾千，通過(guò)調(diào)整材料組成，可達(dá)到1000020000。 利用各種材料的不同介電常數(shù)及其溫度特性，可以制作不同性能規(guī)格的電容器和其他元件。 3壓電性是指一部分結(jié)晶材料與施加機(jī)械應(yīng)力成比例地產(chǎn)生電荷的能力。 材料的壓電效應(yīng)取決于晶體結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，晶體必須具有極軸才能得到壓電效應(yīng)。 鈦酸鋇、Pb(Ti，Zr)O3(PZT )、壓電效應(yīng)的本質(zhì)機(jī)械作用(應(yīng)力和應(yīng)變)引起結(jié)晶的極化，在電介質(zhì)兩端面出現(xiàn)相反的束縛電荷。 例如BaTiO3陶瓷的壓電機(jī)理，在BaTiO3結(jié)晶中，氧形成八面體，Ti位于氧八面體的中心，Ba位于八面體的間隙。 陶瓷由無(wú)序排列的多個(gè)

5、小晶粒構(gòu)成，具有各向同性，不具有壓電性。 電場(chǎng)處理后，陶瓷中存在殘留極化強(qiáng)度，以束縛電荷的形式出現(xiàn)，從各向同性變化為各向異性，具有壓電性。 由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的兩極板上吸附表面電荷，這些吸附電荷與片內(nèi)束縛電荷的數(shù)量相等，符號(hào)相反，片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界起到遮蔽和抵消的作用。對(duì)于Ti、電場(chǎng)處理后的陶瓷片，如果對(duì)陶瓷片施加與極化方向平行的外力，則由于應(yīng)力，陶瓷片變形，即極化方向c軸被壓縮，Ti4位移變小，片內(nèi)極化強(qiáng)度變小，因此原本吸附的表面電荷的一部分被釋放對(duì)于Ti、電場(chǎng)處理后的陶瓷片，如果對(duì)陶瓷片施加與極化方向相同的電場(chǎng)，則極化強(qiáng)度增大，Ti4位移增大，單元c軸變長(zhǎng)，陶瓷片伸長(zhǎng)變形，此時(shí)，

6、電能變?yōu)闄C(jī)械能(逆壓電)。 Ti、電場(chǎng)處理后的陶瓷片、電場(chǎng)的作用、正壓電效應(yīng)壓電材料因應(yīng)力而變形，極化狀態(tài)發(fā)生變化，引起電介質(zhì)表面的帶電，表面電荷密度與應(yīng)力成正比。 p介質(zhì)矢量； d是壓電常數(shù)即應(yīng)力。 相反，如果施加激勵(lì)電場(chǎng)，材料(電介質(zhì))會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，變形與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。 s彈性強(qiáng)度； e電場(chǎng)強(qiáng)度壓電常數(shù)。 具有壓電效應(yīng)的材料可以分為(1)水晶、NiNbO3、Bi2GeO3、Li2GeO3、Li3BO4等壓電單晶材料。 (BaTiO3、PbTiO3、Pb(Ti，Zr)O3(PZT )、改性PZT、其他三元系陶瓷材料等壓電陶瓷材料。 (3)zno、CdS、AIN等壓電薄膜； (4)聚偏二氟

7、乙烯等高分子壓電材料。 本節(jié)對(duì)壓電陶瓷材料進(jìn)行探討。 4、壓電效應(yīng)材料的電極化派生出的性質(zhì)：壓電性、熱電、電致伸縮等。 什么是壓電效應(yīng)？ 我們之前討論過(guò)，熱電是什么？ 溫度變化時(shí)，會(huì)引起電介質(zhì)的自發(fā)極化，產(chǎn)生表面的束縛電荷，不能被外部的自由電荷補(bǔ)償。 電致伸縮是什么？ 如果壓力大、應(yīng)力大或電場(chǎng)強(qiáng)，就會(huì)發(fā)生電致伸縮。 也就是說(shuō)，外部電場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，材料會(huì)產(chǎn)生與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比的應(yīng)變。 電致伸縮-壓電特性，一、介質(zhì)陶瓷物質(zhì)在電場(chǎng)中：導(dǎo)體導(dǎo)電絕緣體極化，正負(fù)電荷局部移動(dòng)，顯示出電性質(zhì)。 什么是電介質(zhì)？ 電介質(zhì)是電阻率高于108m的材料，不會(huì)被破壞，可以承受高電壓。 電介質(zhì)是以極化方式傳電的物質(zhì)，主要是

8、絕緣體，半導(dǎo)體純硅、純鍺也是電介質(zhì)。 電介質(zhì)有電絕緣陶瓷和電容器陶瓷兩種。 1、電絕緣陶瓷主要安裝在電子設(shè)備上，用于固定、支撐、保護(hù)、絕緣、隔離以及連接各種無(wú)線電部件和部件。 (高頻絕緣子、插座、絕緣管基板、瓷環(huán)等)。 絕緣陶瓷中應(yīng)用最廣泛的氧化物是Al2O3，達(dá)到90%以上，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性好，熱傳導(dǎo)率小，耐腐蝕，常用作電子電路板。 對(duì)半導(dǎo)體元件和電路材料的要求：高性能，小體積熱傳導(dǎo)率大，密度高，容易小型化。 BeO陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是熱傳導(dǎo)率高，高溫下的絕緣性適合作為散熱片。 SiC、BN及AlN (碳化硅、立方晶氮化硼及氮化鋁)也是熱傳導(dǎo)率高、散熱快的材料。 SiC的晶體結(jié)構(gòu)與金剛石類似，其中

9、部分硅取代了碳的部分位置。 該結(jié)構(gòu)牢固致密，機(jī)械強(qiáng)度高，適用于電路板。SiC、BN、AlN結(jié)構(gòu)“等電子系統(tǒng)”:為了b、Al 3價(jià)、N-3價(jià)，在b、Al外層有3個(gè)電子，在n外層有5個(gè)電子，構(gòu)成“等電子系統(tǒng)”。 2、電容陶瓷電容器的性能要求：耐高電壓，不易損壞，介電常數(shù)高，高頻可靠工作。 電容器陶瓷的特點(diǎn)：介電常數(shù)高，所以可以減小體積。 電容器的介電材料：金紅石(TiO2)、鈦酸鈣(CaTiO3，加入少量的ZrO2)、鈦酸鎂(MgTiO3)可以高頻使用。 2MgOSiO2、Al2O3、BaTi4O9、(Zr、Sn、Ti)O2可以用于集成電路基板、元件的介電常數(shù)達(dá)到105的電容器陶瓷，可以使電容器微

10、細(xì)化。 3 .壓電陶瓷通過(guò)施加力場(chǎng)，出現(xiàn)宏觀的壓電效應(yīng)，被稱為壓電陶瓷。 壓電陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)隨溫度而變化。鈦酸鋇和鈦酸鉛在溫度高于居里溫度Tc時(shí)為立方晶，具有對(duì)稱性，沒(méi)有壓電效應(yīng)。 低于Tc時(shí)，為四方晶體，具有非對(duì)稱性，具有壓電效應(yīng)。 壓電陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是能廉價(jià)批量生產(chǎn)，能控制極化方向，能添加不同的成分，能改變壓電特性。 壓電陶瓷的應(yīng)用，壓電陶瓷也可以作為超聲波發(fā)生源的振子或水下測(cè)量器上的振子使用的聲音變換器。 當(dāng)壓電陶瓷受到機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，由壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電能可用于煤氣爐的點(diǎn)火器和打火機(jī)等。 壓電陶瓷有軟硬的成分：介電常數(shù)大的材料容易隨外場(chǎng)而變化，屬于軟性。 例1 :在基體陶瓷材料中配合廉價(jià)的

11、正離子，介電常數(shù)降低。 例2 :由于用Na、k置換部分Pb2，用Fe3、Al3置換部分Zr4、Ti4，保持電中性，所以在陶瓷中出現(xiàn)鉛空穴，介電常數(shù)上升。 壓電陶瓷適用于壓電換能器、壓電馬達(dá)、壓電變壓器、電聲轉(zhuǎn)換器件等。 利用壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的元件稱為換能器(硬性材料)。 壓電陶瓷Pachinkom游戲機(jī)由多層鋯鈦酸鉛(PZT )壓電陶瓷塊構(gòu)成，壓電塊作為傳感器和驅(qū)動(dòng)器兩者發(fā)揮作用。 金屬球落到陶瓷壓電塊上時(shí)，球的沖擊力產(chǎn)生壓電電壓的壓電陶瓷Pachinkom游戲機(jī)電壓脈沖通過(guò)反饋系統(tǒng)進(jìn)行放大調(diào)整，復(fù)蓋施加在壓電塊的致動(dòng)器部上的陶瓷壓電體塊急劇膨脹變形將金屬球拋出到

12、壓電體塊的某個(gè)孔中，使球沿螺旋軌道爬升，掉到另一個(gè)孔中，進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)使其上升，反復(fù)這樣的循環(huán)。 4 .光電陶瓷，當(dāng)對(duì)陶瓷照射光時(shí)，會(huì)由于電子的能帶之間的移動(dòng)和能級(jí)之間的移動(dòng)而引起光的吸收現(xiàn)象，在能帶內(nèi)產(chǎn)生自由載流子，導(dǎo)電率增加的現(xiàn)象被稱為光導(dǎo)電現(xiàn)象。 利用光導(dǎo)效應(yīng)檢測(cè)光強(qiáng)度的元件稱為受光元件。 檢測(cè)從波長(zhǎng)短的x射線到波上長(zhǎng)的紫外線的光接收元件，如果主要在燒結(jié)GdS多晶的GdS中添加Cu雜質(zhì)，可以作為檢測(cè)可見(jiàn)光的光接收元件利用。 信息領(lǐng)域：作為高速轉(zhuǎn)換元件、通信元件、連接電路使用。 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：用于核磁共振斷層攝像裝置、量子干涉裝置、粒子射線治療裝置等。 電子能源領(lǐng)域：用于超導(dǎo)磁鐵發(fā)電、超導(dǎo)輸電

13、、超導(dǎo)儲(chǔ)藏等。 通信元件，超導(dǎo)量子干涉校正，交通運(yùn)輸領(lǐng)域：完全抗磁鐵制磁懸浮列車，電磁推進(jìn)器，飛機(jī)航天飛機(jī)發(fā)射臺(tái)等。 宇宙開(kāi)發(fā)、軍事領(lǐng)域：潛艇無(wú)螺旋無(wú)噪聲電磁推進(jìn)器、超導(dǎo)磁炮等。 磁懸浮列車，航天飛機(jī)發(fā)射臺(tái)，5 .鐵電陶瓷什么是鐵電性？鐵電性是指在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化性能，通過(guò)外部電場(chǎng)自發(fā)極化能再取向，而且電位移矢量和電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系呈現(xiàn)電滯后線現(xiàn)象的特性什么是電滯后線？ 這樣的材料在電性能上與鐵氧體的磁特性類似，因此被稱為鐵電陶瓷。 什么是鐵氧體？ (我們將在磁性材料一章中詳細(xì)研究)一些陶瓷的晶粒排列不規(guī)則，但由于外部電場(chǎng)的不同，不同取向的電荷開(kāi)始向電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向，材料自發(fā)極化，在電場(chǎng)方向

14、上呈現(xiàn)一定的電場(chǎng)強(qiáng)度，這些陶瓷被稱為強(qiáng)電介質(zhì)陶瓷， 廣泛應(yīng)用的鐵電材料是鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鉛，鐵電陶瓷應(yīng)用最多的是鐵電陶瓷電容器，也可用于壓電元件、熱電元件、電光元件、電熱元件等的制造。 6 .敏感陶瓷是指性能隨外部條件(溫度、濕度、環(huán)境)的變化而變化的陶瓷材料。 原理：溫度變化電阻率變化，測(cè)量電阻率可以測(cè)量溫度。 溫度和電阻率的關(guān)系有正溫度系數(shù)(PTC )感熱材料的溫度電阻率和正溫度系數(shù)(PTC )感熱材料的溫度電阻率這2種負(fù)溫度系數(shù)(NTC )感熱材料的溫度電阻率。(1)熱敏電阻陶瓷利用其熱學(xué)性質(zhì)的陶瓷、負(fù)溫度系數(shù)陶瓷(NCT )、例如MnO-CuO2-O2； Mn-Co-Ni

15、(尖晶石型多)等。 正溫度系數(shù)陶瓷(PCT )、鈦酸鋇陶瓷或以鈦酸鋇為主結(jié)晶相的陶瓷。 熱敏電阻應(yīng)用、電機(jī)過(guò)熱保護(hù)、液面深度測(cè)量、溫度控制和警報(bào)、無(wú)損保險(xiǎn)絲、晶體管過(guò)熱保護(hù)、溫度電流控制器等。 彩電自動(dòng)消磁、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、自動(dòng)開(kāi)關(guān)等。 等溫發(fā)熱材料、空氣加熱器等。 2、可變電阻陶瓷，電阻值對(duì)外加電壓敏感的陶瓷材料。 原理：電阻率壓敏陶瓷有SiC、Si、Ge、ZnO等。 ZnO的性能最好，具有大電流和高能量耐受性。微型電機(jī)電噪聲、彩色顯像管放電吸收、繼電器節(jié)點(diǎn)保護(hù)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)異常輸出吸收、電火花、穩(wěn)定元件等。 壓敏陶瓷應(yīng)用，3，濕敏電阻陶瓷，濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的陶瓷材料。 ZnOCr2O3陶瓷Z

16、nCr2O3Fe2O3陶瓷MgCr2O4TiO2陶瓷應(yīng)用：用于濕度指示、記錄、預(yù)報(bào)、控制和自動(dòng)化等。 4 .磁敏電阻陶瓷、將磁性物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的陶瓷材料。 應(yīng)用：可用于檢測(cè)磁場(chǎng)、電流、角度、轉(zhuǎn)速、相位等。 汽車工業(yè)中的無(wú)觸點(diǎn)汽車的點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、計(jì)算機(jī)工業(yè)中的空穴鍵盤(pán)、家電設(shè)備及工業(yè)性的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)及無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。 熱電效應(yīng)是指，某結(jié)晶受到溫度變化時(shí)，根據(jù)與此相應(yīng)的自發(fā)極化的變化，在結(jié)晶的一定方向上產(chǎn)生表面電荷的現(xiàn)象。 5、熱電陶瓷、熱電材料可以是單晶也可以是陶瓷。 這樣的熱電晶體具有自發(fā)極化，但是自發(fā)極化可以分為在外電場(chǎng)不能轉(zhuǎn)向的晶體，例如電氣石、CaS、CaSe、ZnO等和自發(fā)極化能夠在外電場(chǎng)

17、轉(zhuǎn)向的晶體，例如LiTaO3、PbTiO3等。 熱電材料可以作為熱電傳感器使用。 其中鋯鈦酸鉛(Pb(Zr，Ti)O3)鐵電正相變陶瓷材料通過(guò)改性減少了熱滯，顯示出良好的熱釋電性能，與單個(gè)探測(cè)器組成了基體，應(yīng)用于紅外探測(cè)和熱成像系統(tǒng)。 熱電材料的應(yīng)用，熱電紅外線檢測(cè)元件，7，光學(xué)陶瓷可以透光的陶瓷材料。 要求：具有優(yōu)良的耐熱性、耐風(fēng)化性、耐膨脹性，可以透過(guò)可見(jiàn)光，波長(zhǎng)更長(zhǎng)或波長(zhǎng)更短的光，光損失低，由于可以遠(yuǎn)距離光傳播的光的照射，其性質(zhì)發(fā)生可逆或不可逆的變化。 制造透明陶瓷的關(guān)鍵：消除氣孔和抑制晶粒的異常生長(zhǎng)1 .添加微量或少量的添加劑2 .改變燒結(jié)氣氛3 .改變?cè)? .采用先進(jìn)的燒結(jié)技術(shù)，光

18、學(xué)透明陶瓷，1，透明陶瓷，氧化物透明陶瓷Al2O3，Gd2O3，caas HfO、bo氧化釔是高溫的紅外線材料，主要用于紅外線導(dǎo)彈的窗和整體罩、天線罩、微波基板、絕緣支架、紅外線發(fā)生器封裝、紅外線鏡頭和其他高溫窗。 Y2O3、Y2O3摻雜劑、3、激光陶瓷、激光陶瓷的實(shí)質(zhì)具有適當(dāng)?shù)哪芗?jí)結(jié)構(gòu)，通過(guò)激發(fā)使粒子從低能級(jí)向高能級(jí)轉(zhuǎn)變。 激光晶體通常被稱為構(gòu)成晶格的矩陣晶體，為激活離子提供適當(dāng)?shù)木Ц駡?chǎng)的另一個(gè)是發(fā)光中心，即少量的摻雜離子。 一些典型的激光陶瓷材料：紅寶石激光晶體：以-Al2O3單晶為基質(zhì)，在Cr3中摻雜釹的釔鋁石榴石晶體。 激光晶體材料的發(fā)展逐漸成熟，應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，激光晶體材料正朝著大尺寸、