功能材料概論（哈大版）教案：第四章 陶瓷材料

1、第四章 陶瓷材料第四章 陶瓷材料1,Journal of the American ceramic society2,Journal of the European ceramic society3,Journal of Alloys and Compouds2一、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31、陶瓷材料的發(fā)展概況陶瓷 在人類 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 。4我國的 陶瓷研究 歷史悠久,成就輝煌,它是中華

2、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。5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6新石器時(shí)代遠(yuǎn)在 幾干年前 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。7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。8釉以 石英, 長石, 硼砂, 黏土 等為原料制成的東西

3、，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 。9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 又衍生出許多種類的 陶瓷 。10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。11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。12先進(jìn)陶瓷階段20世紀(jì)以來，隨著人類對(duì) 宇宙的探索, 原子

4、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 。13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 。14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(shí)也稱為 精細(xì)陶瓷 (Fine Ceramics)、新型陶瓷 (New Ceramics),特種陶瓷 (SpecialCeramics)和 高技術(shù)陶瓷 (High-Tech,Cera

5、mics)等。15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。16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 無機(jī)非金屬材料 范圍。17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 無機(jī)非金屬固體材料 和 制品 的統(tǒng)稱。18但是,這一階段的先進(jìn)陶瓷,無論從原料, 顯微

6、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，故又可稱之為 微米級(jí)先進(jìn)陶瓷 。19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 。20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。212,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(Structra

7、l ceramics)和 功能陶瓷 (FunctionalCeramics)兩大類。22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 。23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(shí)現(xiàn)某種 使用功能的先進(jìn)陶瓷 (現(xiàn)代陶瓷 )。24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 。25通過對(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)了一大批具有

8、優(yōu)異性能或特殊功能的功能陶瓷,并可借助于 離子臵換, 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(yàn)式的探索 逐步走向 按所需性能來進(jìn)行材料設(shè)計(jì) 。263、功能陶瓷的性能與工藝特征陶瓷功能 的實(shí)現(xiàn)，主要取決于它所具有的各種性能,而在 某一類性能 范圍中，又必須針對(duì) 具體應(yīng)用,去 改善、提高某種有效的性能,以獲得有 某種功能 的陶瓷材料。27例如，就陶瓷的 電學(xué)功能 而言，要改善 壓電陶瓷 在大功率使用下 的功能，就必須首先 改進(jìn)陶瓷材料的 機(jī)電損耗特性 ；為改善 濾波器陶瓷性能,則要從 提高材料的 頻率變化時(shí)間 和 溫度的穩(wěn)定性 入手；28對(duì)于 集成電路基片陶瓷,需改善其 絕緣

9、電阻 和 導(dǎo)熱性能 ；為改善作避雷器使用的 壓敏陶瓷 的功能，則需提高其 通流容量 和 非線性系數(shù) 。29一般來說，要 從性能的改進(jìn) 來 改善陶瓷材料的功能,需從以下兩個(gè)方面入手：通過 改變外界條件,即 改變工藝條件 以改善和提高 陶瓷材料的性能,達(dá)到獲得優(yōu)質(zhì)材料的目的。30 從材料的組成上 直接 調(diào)節(jié), 優(yōu)化 其內(nèi)在的品質(zhì),包括采用 非化學(xué)式計(jì)量, 離子臵換, 添加不同類型雜質(zhì),使不同相在微觀級(jí)復(fù)合，進(jìn)而形成不同性質(zhì)的晶界層等。31一般工藝條件 是指 原料的 物理化學(xué)性質(zhì)和 狀態(tài), 加工成型方法 和 條件, 燒成制度 和燒結(jié)狀態(tài),以及 成品的加工方法 和 條件 等。無論是 改變組成 還是 改

10、變工藝,最終都是通過 材料 微觀結(jié)構(gòu)的變化,才能體現(xiàn)出 宏觀的功能變化 。32因此，要想達(dá)到 自控設(shè)計(jì)材料,或者進(jìn)行 局部的性能改善,必須綜合考慮 組成, 工藝, 微觀結(jié)構(gòu) 等諸多因素，這是個(gè)系統(tǒng)工程。下圖表示了 陶瓷功能 與 組成、工藝、性能和結(jié)構(gòu) 的關(guān)系。33陶瓷功能與組成、工藝、性能、結(jié)構(gòu)的關(guān)系344、功能陶瓷的應(yīng)用和展望功能陶瓷 的不斷開發(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。35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

11、,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。36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；37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；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。38二十世紀(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。39無論從 應(yīng)用的廣度,還是 市場(chǎng)占有率 來

12、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。40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。41在 材料及應(yīng)用方面 的 主要研究方向 應(yīng)包括：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 ；42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 用的 高導(dǎo)熱低介電常數(shù)陶瓷基板材料 ；量大面廣,

13、低燒, 高比容, 高穩(wěn)定性 的 多層陶瓷電容器材料 等。435、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,其中多為 硅酸鹽礦物 。44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(duì)原料的要求很高，需要采用 均一 且 高純度 的 人工合成原料 。45(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：46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

14、,瓷坯原料,瓷釉原料, 色彩 及 彩料原料 。47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 。48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 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 。49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：具有可塑性的 黏土類原料,具有非可塑性的 石

15、英類原料 和 熔劑原料 。50一般來說,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(shí)也是 能生成晶相的原料 ；熔劑原料 也具有 非可塑性質(zhì) 。51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。52(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

16、 黏土礦物 和 其他礦物 組成的并 具有一定持性 的 (其中主要是具有可塑性 )土狀巖石 。53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 。黏土的組成,黏土的組成可從幾個(gè)方面來分析，一般可從 礦物組成, 化學(xué)組成 和 顆粒組成 三個(gè)方面來進(jìn)行分析。54黏土的性質(zhì)黏土著人的性質(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。55黏土的工藝性質(zhì)主要取決于黏土的 礦物組成, 化學(xué)組成 與 顆粒組成 。其中,礦物組成 是基本因素。56黏土的加

17、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(gè)階段,脫水階段 與 脫水后產(chǎn)物的繼續(xù)轉(zhuǎn)化階段 。57黏土在陶瓷生產(chǎn)中的作用,黏土之所以作為陶瓷制品的主要原料，是由于 其賦予泥料 具有 可塑性和 燒結(jié)性,這也是在 發(fā)現(xiàn)和發(fā)明陶瓷制品的過程中,充分利用了黏土的這一特性，才創(chuàng)造出多姿多彩的各類陶瓷制品。58因此,有了黏土 才有了 與人類文明發(fā)展有重大關(guān)系的 陶瓷制品 。黏土 作為主要原料 對(duì) 陶瓷生產(chǎn)的影響 是巨大的，黏土不僅能保證 陶瓷制品的成

18、形,而且能決定 燒后制品的性質(zhì) 。59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 。604)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 瓷器中莫來石晶體 的主要來源。61(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

19、巖, 石英砂, 隧石 和硅藻土 。62 2.65g/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。63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) 。64 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(shí),而且 在燒成時(shí) 都有重要的影響。其作用概括如下：65 在燒成前 是 瘠性

20、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 。66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。 2.59 g/ cm3,莫氏硬度 值為 6-6.5,斷口 呈玻璃光澤，解理清楚。72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

21、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：73 長石 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 。74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 。75 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

22、氣性能 的提高 。76 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(shí)間, 減少坯體的干燥收縮和變形 等。77(5)其他礦物原料含堿硅酸鋁 類；包括 偉晶花崗巖, 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 )。78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,

23、粉煤灰, 煤殲石 和 高嶺土 和 瓷石尾砂 。79鋯英石,鋯英石的化學(xué)通式為 ZrSiO4,理論上含 ZrO2 67.2,SiO2 32.8。 由于含有微量 U,Th等放射性元素，因而帶有微量放射性。鋯英石 屬 正方晶系, 相對(duì)密度 為 3.9-4.9 g /cm3。 莫氏硬度 值為 7-8。由于 含有雜質(zhì) 而呈現(xiàn)不同顏色，有 無色 的，亦有 淡黃, 淺灰, 淡黃綠, 棕黃 和 淡紅褐色 。80二、絕緣陶瓷2.1 精密絕緣陶瓷 在近代電子技術(shù) 中的作用2.2 絕緣陶瓷的 性能與特征2.3 常用絕緣陶瓷材料及其性能2.4 絕緣陶瓷的應(yīng)用812.1 精密絕緣陶瓷在近代電子技術(shù)中的作用絕緣材料 在

24、電氣電路 或 電子電路 中所起的作用主要是 根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求 將導(dǎo)體物理隔離，以防 電流在它們之間流動(dòng) 而破壞電路的正常運(yùn)行。82即,電子技術(shù)中 首先要求 絕緣材料不導(dǎo)電,即要求 電阻率 盡量高,絕緣強(qiáng)度 也盡量高。此外,絕緣材料 還起著導(dǎo)體的 機(jī)械支持, 散熱 及 電路環(huán)境保護(hù) 等作用。一般將 能起上述作用的陶瓷 稱為 絕緣陶瓷 。83絕緣陶瓷 可分為 氧化物絕緣陶瓷 和 非氧化物絕緣陶瓷 兩大系列；無論是哪種系列的絕緣陶瓷，要成為一種 優(yōu)異的絕緣陶瓷,它必須具備如下性能：體積電阻率 (?) >= 1012?·cm相對(duì)介電常數(shù) (?r)<=30損耗因子 (tg?)<

25、;=0.001介電強(qiáng)度 (DS)>=5.0kV/mm84除上述性能外,絕緣陶瓷 還應(yīng)具有 良好的導(dǎo)熱性,與 導(dǎo)體材料 盡可能一致的 熱膨脹 性,耐熱性, 高強(qiáng)性 及 化學(xué)穩(wěn)定性 等。85高壓陶瓷絕緣子 作為一種 傳統(tǒng)的絕緣陶瓷 已有 100多年的歷史。而 精密絕緣陶瓷 與 高壓陶瓷絕緣子 相比，則是后起之秀，它在 近代電子技術(shù)中所起的作用是前者無法比擬的。86比如，在眾多的 家用電器,如收錄機(jī)、彩色電視機(jī)和錄像機(jī)中，在 一般的集成電路 (IC),大規(guī)模集成電路 (LSI)和 超大規(guī)模集成電路 (VLSI)中，在 大型電子計(jì)算機(jī) 等高技術(shù)產(chǎn)品中，甚至在航空、航天等 尖端科技領(lǐng)域 中,精密絕

26、緣陶瓷 已較大量使用。87在當(dāng)今世界上，每年要制造數(shù)百億件 質(zhì)量相當(dāng)高的集成電路,其中約 20要采用 精密絕緣陶瓷基片 。在 計(jì)算機(jī)集成電路 中采用 多層絕緣陶瓷基片 與封裝材料 可以使高速計(jì)算機(jī)的工作效率翻番，其價(jià)值超過了陶瓷自身所具價(jià)值的成千上萬倍。正因?yàn)?精密絕緣陶瓷 對(duì)各種 電子裝臵運(yùn)行性能的改善 有如此巨大的功效，所以對(duì)它們的研究開發(fā)尤為必要。882.2 絕緣陶瓷的性能與特征2.2.1 離子導(dǎo)電 和 絕緣性2.2.2 陶瓷的 微觀結(jié)構(gòu) 與 絕緣性892.2.1 離子導(dǎo)電和絕緣性應(yīng)用 固體能帶理論,可以成功地解釋固體的 絕緣性, 半導(dǎo)性 和 導(dǎo)電性 。固體能帶中那些 被電子完全占滿 的

27、叫 滿帶,未被電子占據(jù) 的叫 導(dǎo)帶, 滿帶和導(dǎo)帶之間的距離 稱之為 禁帶寬度 。90如果 禁帶寬度足夠大 (在幾個(gè)電子伏特以上 ),滿帶的電子 就難以被激發(fā)而 超越禁帶 進(jìn)入導(dǎo)帶，也即認(rèn)為電子幾乎無法遷移，那么固體便成為 典型的絕緣體 。實(shí)際上，這種 理想的絕緣體 只有 在絕對(duì)零度 時(shí)才能獲得。91如果外界條件有所變化，例如 溫度升高或者受到 光照 時(shí)，由于 熱激發(fā),滿帶中的部分電子就可能被激發(fā)而躍遷到導(dǎo)帶，從而使導(dǎo)電成為可能。因此，在高溫時(shí), 絕緣體的相對(duì)導(dǎo)電性相似于 半導(dǎo)體,只不過 絕緣體的禁帶寬度 比半導(dǎo)體 大 (絕緣體的禁帶寬度約 4-5ev,而半導(dǎo)體約為 1ev左右 )。92由于 絕

28、緣體 有 很大的禁帶寬度,而激發(fā)電子需 很大的能量 ；因此,在室溫附近,實(shí)際上可認(rèn)為電子幾乎不遷移。93很多 絕緣陶瓷 是典型的 離子晶體 或 共價(jià)晶體 。在這種情況下，對(duì)具有 足夠?qū)挾冉麕^(qū)的 絕緣陶瓷 而言，固體中的另一種導(dǎo)電機(jī)理 -離子導(dǎo)電 就變得十分重要了。它主要是 通過離子擴(kuò)散 而發(fā)生的電導(dǎo)行為。94一般情況下,離子電導(dǎo)率 ?i表示如下,?i = n, q, ?i式中, n-單位體積中 可遷移的離子數(shù) ；q-離子的電荷；?i-離子的遷移率。95下式給出了 ?i的具體表達(dá)式：?i = q Di / kT式中,Di 離子的擴(kuò)散系數(shù)k 玻耳茲曼常數(shù)，T 絕對(duì)溫度 (K)。96而 Di可由下

29、式給出：Di = A exp (- E / kT )式中,E-激活能A-頻率系數(shù)。97?i = n q ?i?i = q Di / kTDi =A exp (- E / kT )ln ?i ?常數(shù) E/kT?i = n q q A exp (- E / kT ) / kT= (Anq2/kT) exp (- E / kT )98可知,離子電導(dǎo)率 隨 溫度 的升高呈指數(shù)增加。ln ?i ?常數(shù) E/kT由下式99離子電荷 和 擴(kuò)散系數(shù) 影響 離子導(dǎo)電, 擴(kuò)散系數(shù) 又與 晶格缺陷 及 穿越缺陷的 離子的電荷及其大小 有關(guān)。通常情況下,電荷及體積越小的離子 越易擴(kuò)散,其 激活能的數(shù)值 也越小。?i

30、= n q q A exp (- E / kT ) / kT100因此,在絕緣陶瓷中 應(yīng)盡可能 避免堿金屬離子 的存在 (尤其是鈉離子 )，因?yàn)檫@些離子可形成相當(dāng)強(qiáng)烈的電導(dǎo)，使材料的 絕緣性能劣化 。1012.2.2 陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)與絕緣性一般而言,絕緣陶瓷 是 粉體原料 經(jīng)過 成型和燒結(jié) 而得到的多相多晶材料。陶瓷的微觀結(jié)構(gòu) 主要可分為 基質(zhì), 晶粒 和 氣孔 三部分。102通常 氣孔 和 晶粒 的 絕緣性能 好，而 基質(zhì) 往往 在高溫下 顯示 較大的導(dǎo)電性 。由于 基質(zhì)部分 雜質(zhì) 濃度較高,在組織上又是 連續(xù)相,所以 陶瓷的絕緣性 容易受基質(zhì)相的影響 。103設(shè) 基質(zhì) 部分的電導(dǎo)率為 ?m

31、,晶粒 的電導(dǎo)率為 ?c, 則 總的電導(dǎo)率 (?)可用下式表示：)()(mcmccmccmccm kkk?式中,?-晶粒的 體積分?jǐn)?shù) ；kc-晶粒的 形狀系數(shù) 。104若在考慮 基質(zhì)和晶粒的電導(dǎo)率 的兩種 極端情況 下，則如下式所示：當(dāng) ?c<<?m時(shí)，則?ccm kk )1(?11 cmk當(dāng) ?c>>?m時(shí)，則105?11 cmk由上面兩式可知,基質(zhì)的電導(dǎo)率 支配著整個(gè)體系的電導(dǎo)率。?ccm kk )1(106固體內(nèi)部存在的 氣孔 對(duì) 絕緣性能的破壞不大，但當(dāng) 表面存在氣孔時(shí),因 易吸水 和 被污染 將 使表面絕緣性顯著劣化 。因此，原則上絕緣陶瓷應(yīng)選擇 氣孔少,沒有

32、吸水性 的致密材料，并根據(jù) 使用情況的不同 在其表面 上釉 以 防止污染和吸潮 。107通常情況下,材料的絕緣性 與材料的 純度,材料中 雜質(zhì)含量 的多少有關(guān)。材料 純度越高,雜質(zhì)含量越少，則它們的 絕緣性能就越好 。這是因?yàn)?絕緣陶瓷中若有雜質(zhì)引入,則會(huì)像摻雜半導(dǎo)體 那樣，在禁帶中產(chǎn)生 雜質(zhì)能級(jí),從而使 電荷載流子增加,電阻率下降，結(jié)果使 絕緣強(qiáng)度下降 。1082,3 常用絕緣陶瓷材料及其性能絕緣陶瓷材料 按 化學(xué)組成 可分為 氧化物系 和 非氧化物系 兩大類。氧化物系 絕緣陶瓷 已得到廣泛應(yīng)用，而非氧化物系 絕緣陶瓷是 70年代才發(fā)展起來的，109目前應(yīng)用的主要有 氮化物陶瓷,如 Si3N

33、4、BN,AlN等。除 多晶陶瓷 外，近年來又發(fā)展了 單晶絕緣陶瓷,如人工合成 云母,人造 藍(lán)寶石, 尖晶石, 氧化鈹 及 石英 等。絕緣陶瓷 若按 介電性能 要求，則某些重要的 物理性能 應(yīng)滿足下列關(guān)系式：110? tg'1 0 ?式中,?-總電導(dǎo)率 (1 ? ·cm)；?-體積電阻率 (?·× 10-12 F/m）?-相對(duì)介電常數(shù)；tg ?-損耗因子。111某些重要的絕緣陶瓷材料的 介電性能 列于下表絕緣陶瓷的介電性能1122.4 絕緣陶瓷的應(yīng)用絕緣陶瓷,不論是具有幾干年歷史的 以粘土為代表的 古老陶瓷材料,還是最近幾年才達(dá)到實(shí)用化的各種 精細(xì)陶瓷材料

34、,均共存于當(dāng)今的人類生活中。絕緣陶瓷的工業(yè)應(yīng)用 歷史較早，在 1850年左右，陶瓷絕緣子 作為 電絕緣器材,使用于鐵路通信線路。1131880年美國 在電力輸電線路中 開始使用 陶瓷絕緣子,目前，已能制造出耐壓 500kV以上的 超高壓輸電用 高性能陶瓷絕緣子 。隨之，汽車 陶瓷火花塞 付諸應(yīng)用，這是一種需求量極大的 絕緣陶瓷 。114隨著 電子工業(yè) 的發(fā)展，集成電路、大規(guī)模集成電路以及超大規(guī)模集成電路相繼問世，這類電路需要 絕緣性能, 導(dǎo)熱性能, 熱膨脹匹配性能, 高頻性能 及 快速響應(yīng)性能 等一系列 性能優(yōu)良的絕緣陶瓷 作為電路的 基片與封裝材料 。于是，高性能的 A12O3瓷和 BeO瓷

35、作為 精密絕緣陶瓷 而被大量使用在這類電路中，且 性能與生產(chǎn)工藝 不斷得以改進(jìn)。115由于電路設(shè)計(jì)者一直致力于 高集成度, 高信號(hào)速度 的 電路設(shè)計(jì)與制造,例如在一塊小小的硅片上安放 37,000,000個(gè)晶體管。對(duì)于如此 高密度的集成電路,其 散熱 及 熱控制 勢(shì)必成為確保此類電路可靠性的重要因素。于是，近 10年來,高絕緣、高熱導(dǎo) 的 SiC瓷與 AlN瓷被研究與開發(fā)。116集成電路 是一種把 大量微型晶體管電路元件 組裝在一塊基片上所構(gòu)成的 超小型, 高密度 的電路，這類電路通常要 封裝在集成電路的管殼 之內(nèi)。這種高質(zhì)量的 基片和管殼 一般是由 精密絕緣陶瓷 制成的。目前，應(yīng)用較成熟的

36、基片材料 和 管殼材料 是氧化鋁陶瓷。117在 氧化鋁陶瓷基片 上，用 絲網(wǎng)印刷方法 形成 150um的厚膜，或用 真空蒸鍍方法 形成 0.0050.5um的薄膜。利用這些膜作 微細(xì)布線 而制成 高密度電路,適于 高頻大功率電路 和 高集成度的電路 使用。將 多層基片 利用 金屬化覆層 制成 復(fù)雜布線,封裝在 氧化鋁陶瓷管殼 中，可制成 超小型, 高密度化和 高可靠性 的集成電路。118無論 厚膜基片 還是 薄膜基片,均應(yīng)具有優(yōu)異的 絕緣性, 導(dǎo)熱性, 熱匹配性 ；同時(shí),基片與膜的結(jié)合性能 應(yīng)該良好，基片應(yīng) 能承受膜的燒結(jié)溫度 及 電路制造過程中的熱沖擊。119此外,基片的表面 應(yīng)具備足夠的

37、粗糙度,以確保 膜在基片上 的 形成及其結(jié)合強(qiáng)度 。由于基片中所含的 雜質(zhì) 對(duì)其 絕緣性與膜的結(jié)合 均有不利影響，因此應(yīng)嚴(yán)格控制 陶瓷基片原料中的 雜質(zhì)含量,并防止 在制造過程中 引入雜質(zhì)。120由于 氧化鋁陶瓷 具有良好的 電絕緣性, 化學(xué)耐久性 及較高的 機(jī)械強(qiáng)度 與較好的 導(dǎo)熱性,而且價(jià)格較低, 易于制造,表面均勻平整，因此，氧化鋁陶瓷還是目前主要的 電路基片材料 。121但是，由于 氧化鋁陶瓷 的 介電常數(shù) 和 熱膨脹系數(shù) 均 大于單晶硅,燒結(jié)溫度一般在 1500 以上，制造過程中耗能較大；又由于 氧化鋁基片的熱導(dǎo)率 尚不夠高，對(duì) 散熱不利,這樣不得不把 Si器件安臵在 Cu的散熱板兼

38、支持板上。122但是 Cu與 Si的 熱膨脹系數(shù)差別太大,當(dāng)它們共同受熱對(duì),Si器件會(huì)因 熱應(yīng)力 而破裂，于是在Cu散熱板與 Si器件之間加上 熱膨脹系數(shù)與 Si器件相近 的 Mo板 或 W板,使之與 Cu板釬焊在一起，無疑，這就增加了 結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,也增大了 工藝難度, 工時(shí) 和 生產(chǎn)成本 均相應(yīng)增大了。123因此，要適應(yīng)集成電路發(fā)展的需求，就必須提高基片的導(dǎo)熱性能 和 致密光滑程度,最近幾年發(fā)展的 BeO瓷,SiC瓷和 AlN瓷等 新型絕緣陶瓷材料,是適應(yīng)集成電路向 高密度化發(fā)展 的性能優(yōu)良的基片材料。下表列出了各種陶瓷基片的綜合性能。124各種陶瓷基片的性能125三 多孔陶瓷1、慨 述2

39、、表征多孔陶瓷材料 特性參數(shù)3、多孔陶瓷的 制備4、多孔陶瓷的 形成機(jī)理5、多孔陶瓷的 應(yīng)用1261、慨 述多孔陶瓷 是一種經(jīng) 高溫?zé)?體內(nèi)具有大量 彼此相通 并與材料表面也相貫通的 孔道結(jié)構(gòu)的 陶瓷材料。多孔陶瓷的種類很多，幾乎目前研制及生產(chǎn)的 所有陶瓷 均可以 通過適當(dāng)?shù)墓に囍瞥啥嗫左w。127根據(jù) 成孔方法 和 孔隙結(jié)構(gòu),多孔陶瓷可分為三類： 粒狀陶瓷； 泡沫陶瓷； 蜂窩陶瓷。陶瓷的 氣孔率 列于下表 。多孔陶瓷 泡沫陶瓷 蜂窩陶瓷 粒狀陶瓷結(jié)體氣孔率 /% 8090 70 3050128根據(jù) 孔徑大小,陶瓷可分為 1000 um到幾十微米的 粗孔制品, 0.2 20 um的 微孔制品

40、和 0.2 um到幾納米的 超微孔制品 。129多孔陶瓷材料的特性 化學(xué)穩(wěn)定性好 ；通過 材質(zhì)的選擇 和 工藝控制,可制成適用于 各種腐蝕環(huán)境 的多孔陶瓷； 具有 良好的機(jī)械強(qiáng)度和剛度 ；在氣壓、液壓或其他應(yīng)力負(fù)載下，多孔陶瓷的 孔道形狀和尺寸 不會(huì)發(fā)生變化；130 耐熱性好,用 耐高溫陶瓷 制成的多孔陶瓷可 過濾熔融鋼水 或 高溫燃?xì)?；具有高度開口、內(nèi)連的 氣孔 ；131 幾何 表面積與體積比 高； 孔道分布較均勻, 氣孔尺寸可控,在孔徑為 0.05 600 um范圍內(nèi)，可以制出所選定孔道尺寸的 多孔陶瓷制品。1322,表征多孔陶瓷材料特性參數(shù)一般可用下述 三個(gè)參數(shù) 來表征多孔陶瓷材料特性

41、： 氣孔率 ；平均 孔徑,最大孔徑和 孔道長度 ； 滲透能力 。133 氣孔率把 開口孔道體積 占 材料總體積 的百分率定義為氣孔率。最常用的 多孔陶瓷的制備方法 是依靠骨料粒子堆積 而形成孔道。134以均一的 球狀粒子堆積 為例，存在著 8種堆積可能性,配位數(shù)分別為 6,8、10及兩種 12(角錐形 配位和 四面體 配位 )。135理論計(jì)算的 氣孔率 分別為 47.6、39.6,30.2和 25.95 (兩種情況 )。材料成型時(shí)的 振動(dòng), 加壓, 添加劑的用量 等對(duì)最終 氣孔率影響 很大。136多孔陶瓷的 平均孔徑 可以用 水銀壓入法, 氣泡法 等方法來進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的基本原理 是假設(shè) 材料

42、孔道 均為理想毛細(xì)管,流體在外力作用下，通過毛細(xì)管時(shí)，將遵循下式：平均孔徑、最大孔徑和孔道長度137式中,D-毛細(xì)管直徑； ?-流體的表面張力；P-使流體通過毛細(xì)管所需之壓力 ;?-流體的材料的浸潤角。PD? c o s4 ?138一般認(rèn)為，多孔材料用于 液體過濾時(shí)，被濾阻的粒子尺寸為 最大孔徑 的 1/10；多孔材料用于 氣體過濾 時(shí)，被濾阻的粒子尺寸為 最大孔徑 的 1 20。139多孔陶瓷的 孔道形狀 復(fù)雜而無規(guī)則,因此 毛細(xì)管的實(shí)際長度 大于 材料的厚度,兩者之比稱為 扭曲度,用符號(hào) ?表示。140以 球體的堆積 為例，兩維的扭曲度：2)2(? ?實(shí)際上,?多為 l 3，它可以 通過測(cè)

43、量電阻 而推算出來。141滲透能力在多孔陶瓷材料兩側(cè) 存在一定壓力差的條件下, 材料的滲透能力 指材料透過流體的能力，一般用 透氣度 或 滲透率 來表征。142多孔陶瓷材料 是 毛細(xì)管的集合體, 流體流經(jīng)毛細(xì)管的規(guī)律 可用 Poisewille法則來描述：LPd?1284143Poisewille法則中：?-流經(jīng)毛細(xì)管的 流體流量 ； d-毛細(xì)管直徑；? P-材料兩側(cè)的壓力差； L -材料厚度；? -流體粘度； ? -孔道扭曲度。LPd?1284144由上式可見,毛細(xì)管直徑 d對(duì)流體流量影響最大。綜合考慮 多孔陶瓷使用時(shí)的具體要求 以確定上述幾項(xiàng)指標(biāo)，是研制多孔材料的關(guān)鍵。LPd?128414

44、53、多孔陶瓷的制備3.1 粒狀 陶瓷的制備3.2 蜂窩 陶瓷的制備3.3 泡沫 陶瓷的制備1463.1 粒狀陶瓷一般是將粒狀 陶瓷骨料 和 玻璃質(zhì), 粘土質(zhì)粘結(jié)劑 與 成孔劑 混合、成型、干燥、燒成。其中,骨料 包括 Al2O3,SiC和玻璃等。147成孔劑 分為 可燃性物質(zhì) (如碳粒 )和 高溫時(shí)分解產(chǎn)生氣體的物質(zhì) (如碳酸鈣 )。在燒結(jié)時(shí) 成孔劑分解,逸出氣體起 發(fā)泡作用,形成連通開孔。148粘結(jié)劑 在燒結(jié)時(shí) 熔融,形成液相燒結(jié)，將骨料顆粒結(jié)合起來；同時(shí)，在骨料之間形成孔隙。粒狀多孔陶瓷 除 氣孔率較大 外，同一般陶瓷燒結(jié)體無大差別。1493.2 蜂窩陶瓷蜂窩陶瓷 是采用 機(jī)械加工方法

45、制成許多 平行直線開孔,孔徑 110mm的薄壁多孔結(jié)構(gòu)。1503.3 泡沫陶瓷泡沫陶瓷的結(jié)構(gòu)是 在三維空間 重復(fù)的十二面體 復(fù)雜圖形。泡沫陶瓷 氣孔尺寸范圍 可從 1.2孔 /cm的最大孔到 39.37孔 /cm的極細(xì)孔。151泡沫陶瓷的 制造方法 略有別于 一般陶瓷工藝,它采用特別嚴(yán)密的 軟質(zhì)泡沫塑料 (如聚氨酯 )為載體，進(jìn)而加工成所需形狀、尺寸等 。152有機(jī)材料 在陶瓷料漿注入后 能恢復(fù)原狀 并足以彈回 而沒有過量的變形，留下 涂覆在泡沫纖維上的 陶瓷，然后，經(jīng)干燥、高溫?zé)Y(jié)，進(jìn)而完全燒盡聚合物，最后余下一個(gè) 內(nèi)連開口氣孔 三維網(wǎng)狀骨架 和 孔隙結(jié)構(gòu) (即泡沫結(jié)構(gòu) )的 純粹陶瓷復(fù)制品

46、 。153泡沫陶瓷 必須具有 適于作為栽體所具有的 高空隙體積結(jié)構(gòu),如 sotfoam公司提供的一種 聚氨酯泡沫,具有獨(dú)特的十二邊 內(nèi)連氣孔 晶胞結(jié)構(gòu)，能提供 97的 空隙體積 。154陶瓷粉末 必須混合成 觸變形料漿,即流動(dòng)時(shí)比靜態(tài)時(shí)粘度較低 。這種 觸變形 有利于 泡沫纖維的適宜涂覆,而且沒有 過量的排液 。155陶瓷料漿組成,通常為 固體粉末 (重量 ) 10 40 水 。為了獲得更好的性能，可分別添加 15的 莫來石, 二氧化鋯, 氧化鎂 。一種陶瓷料漿的組成，見下表所示：156陶瓷料漿的組成原料一般含量 / %較好含量 / %Al2O3 Cr2O3 AlPO4膨潤土 高嶺土4095

47、125 0.112 0.112 2.1254555 1017 0.52 25 1217157組成原料的作用Al2O3-基體材料,它與銅、鋁熔體不起化學(xué)反應(yīng)；Cr2O3-與 Al2O3配合，有很好的 耐高溫 性能和 抗金屬熔體腐蝕 性能；158膨潤土 -泡沫結(jié)構(gòu)材料的 粘結(jié)劑,燒結(jié)時(shí) 產(chǎn)生玻璃相, 增加流動(dòng)性 ；高嶺土 -與膨潤土有相似作用；159AlPO4-是一種 空氣固化劑 或 粘結(jié)劑,無需加熱 即可使陶瓷漿硬化 (但最好還是經(jīng)烘干 )，它與 金屬熔體 不起化學(xué)反應(yīng)。AlPO4最好配成 50水溶液 使用。1604、多孔陶瓷的形成機(jī)理(1) 利用 骨料顆粒的堆積,粘接形成多孔陶瓷。多孔陶瓷形成

48、過程中，傳質(zhì)過程是不連續(xù)的。 骨料顆粒間的連接 主要有以下兩種方式：161 依靠 添加 與其組分相同的 微細(xì)顆粒,利用其 易于燒結(jié) 的特點(diǎn),在一定的溫度下,將大顆粒連接起來。162 使用一些 添加劑,它們?cè)诟邷叵禄?能生成 膨脹系數(shù)和化學(xué)組分 與骨料 相匹配 又能與骨料 相浸潤 的液相,或是 能與骨料間發(fā)生 固相反應(yīng) 將骨料顆粒連接。163骨料顆粒堆積、粘接而形成的多孔陶瓷每一粒 骨料 僅在 幾個(gè)點(diǎn)上 與其他顆粒 發(fā)生連接(見下圖 )，形成大量的 三維貫通孔道 。164一般來說，利用 骨料顆粒的堆積, 粘接所形成的 多孔陶瓷材料 中，有下面的規(guī)律：骨料顆粒尺寸越大,形成的 平均孔徑 越大；骨料

49、顆粒 尺寸分布范圍越窄,所得到的 多孔陶瓷微孔的分布 就越均勻。165由于 添加劑與骨料 間可能發(fā)生 固相反應(yīng), 擴(kuò)散, 液相浸潤, 液相反應(yīng) 等相互作用，使多孔材料 在燒成時(shí) 產(chǎn)生一定的 收縮 。因此，添加劑的 種類、數(shù)量、燒成溫度、時(shí)間、氣氛 等因素均對(duì) 材料的孔結(jié)構(gòu) 產(chǎn)生影響。166添加劑量 增多時(shí),氣孔率 及 平均孔徑都會(huì)減少；燒結(jié)溫度 過高或 燒結(jié)時(shí)間 過長，形成的液相會(huì) 填充孔隙,也會(huì) 降低氣孔率 或 形成閉氣孔 。167(2) 利用 可燃盡的多孔載體 吸附陶瓷料漿,而后 在高溫下 燃盡載體材料 而形成孔隙結(jié)構(gòu) 。如采用 聚氨酯泡沫塑料 作為多孔載體，可以制成 孔結(jié)構(gòu) 與 原泡沫塑

50、料相同的 泡沫陶瓷。168根據(jù)需要，可選用不同 孔結(jié)構(gòu)的 載體。選用載體時(shí)，應(yīng)遵循的原則是，載體有足夠的 彈性和強(qiáng)度,可以支撐 所吸附的濕物料 而不致于 使孔閉合 。料漿干燥后，生坯 在較低溫度下 進(jìn)行排塑，這時(shí) 升溫速度 應(yīng)緩慢，以防泡沫塑料 過快燃盡 而使孔坍塌。169待 泡沫塑料 燃燒揮發(fā)后，再以 較快速度 升溫，高溫下 陶瓷物料燒結(jié),但仍保持了 原有骨架 而生成所需的泡沫陶瓷。這樣制備的多孔陶瓷，氣孔率可達(dá) 80 90。170(3)利用某些 外加劑 在高溫下燃盡或揮發(fā) 而 在陶瓷體中留下孔隙 。通常由 顆粒堆積而形成 的多孔陶瓷的氣孔率的實(shí)際范圍為 25 35，因此 在需要高氣孔率的情

51、況下,往往 在配料中 加入碳粉、碳黑 等。這些物質(zhì) 在高溫下 燃燒揮發(fā)而留下孔隙。171利用該法可制各出 氣孔率高于 60 的多孔陶瓷。另外，添加可燃盡物質(zhì)的 數(shù)量和尺寸,將對(duì)材料的 氣孔率, 最大孔徑 會(huì)產(chǎn)生影響，并 降低材料的強(qiáng)度 。172( ) 利用 材料的熱分解, 相變,離析 而形成小孔隙。1735 多孔陶瓷的應(yīng)用5.1 在金屬熔體過濾凈化技術(shù)中的應(yīng)用5.2 精過濾技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用5.3 作催化劑載體5.4 作敏感元件5.5 作為隔膜材料5.6 降低噪聲5.7 用于布?xì)?74因?yàn)?泡沫陶瓷 和 蜂窩陶瓷 等多孔陶瓷材料具有 過濾面積大, 過濾效率高 的特點(diǎn)，因此，在金屬熔體 過濾凈化技術(shù) 中，泡沫陶瓷作為一種新型 高效過濾器,得到人們的重視。5.1 在金屬熔體 過濾凈化技術(shù) 中的應(yīng)用175近年來，國內(nèi)外對(duì)于利用 泡沫陶瓷過濾器 對(duì) 合金鑄件 或 鑄錠 的 過濾凈化技術(shù) 進(jìn)行了大量研究，取得明顯的效果。176一些 金屬熔體 在澆注過程中,會(huì)產(chǎn)生大量的 夾雜物,而且 部分微小夾雜物 呈 懸浮狀 分布于 液態(tài)合金 中；另外，原料本身也存在部分雜質(zhì)。177利用傳統(tǒng) 精煉技術(shù) 難以去除上面的這些夾雜物 和 雜質(zhì),直接影響合金質(zhì)量。因?yàn)檫@些微小 夾雜物或雜質(zhì) 給合金的 力學(xué)性能,耐腐蝕性,鑄