無機(jī)功能材料復(fù)習(xí)資料

1、.無機(jī)功能材料復(fù)習(xí)資料LYC(10級)無機(jī)功能材料緒論1、 通常材料分為：結(jié)構(gòu)材料和功能材料2、 結(jié)構(gòu)材料（structural materials)：以使用材料的力學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，能在常溫下承受外加載荷而保持其形狀和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，它在物件中起著“結(jié)構(gòu)力學(xué)性能”的作用。3、功能材料(function materials) 以特殊的電、磁、聲、光、熱、力、化學(xué)及生物功能等作為主要性能指標(biāo)的新型材料。它是信息技術(shù)、生物技術(shù)、能源技術(shù)、等高技術(shù)領(lǐng)域和國防建設(shè)的重要基礎(chǔ)材料。4、1965年由美國貝爾實驗室的J.A. Morton博士首先提出功能材料概念。5、功能材料種類：金屬功能材料、無機(jī)非金屬功能材料、有

2、機(jī)功能材料 、復(fù)合功能材料6、無容機(jī)功能材料的主要內(nèi) 陶瓷（高性能結(jié)構(gòu)陶瓷、電功能陶瓷、敏感陶瓷）; 玻璃(功能玻璃、微晶玻璃、纖維玻璃); 晶體（光學(xué)晶體、激光晶體、電、磁、力、溫度功能晶體）陶瓷高性能結(jié)構(gòu)陶瓷1、提高陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性的主要方法 （1. 在陶瓷材料的制備過程中通過工藝控制消除或減少材料中的原始裂紋缺陷；2. 通過添加第二相來增韌補(bǔ)強(qiáng)，是陶瓷增韌的關(guān)鍵方向。）2、陶瓷材料的增韌主要通過三個途徑：（1）復(fù)合法（2）預(yù)應(yīng)力法（3）相轉(zhuǎn)變法）3、高性能結(jié)構(gòu)陶瓷（高性能結(jié)構(gòu)陶瓷是主要發(fā)揮陶瓷材料的機(jī)械、熱、化學(xué)等效能，具耐高溫、耐磨、耐腐蝕、耐沖刷、耐燒蝕、高溫蠕變小等優(yōu)異性能，廣

3、泛用于能源、航天、機(jī)械、汽車、冶金、化工、電子等領(lǐng)域。）4、研制與推廣陶瓷刀具的主要原因在于：(一)陶瓷刀具材料具有很高的硬度、耐磨性能和良好的高溫性能，與金屬的親和力小，不易與金屬產(chǎn)生黏結(jié)，并且化學(xué)穩(wěn)定好。5、陶瓷刀具材料可分為四大類CA氧化鋁基氧化物陶瓷(白陶瓷)；CM氧化鋁基金屬碳化物復(fù)合陶瓷(黑陶瓷)；CN氮化硅基氮化物陶瓷(非氧化物陶瓷)；CC陶瓷涂層刀具。 （目前氧化鋁基和氮化硅基陶瓷刀具材料的應(yīng)用最為廣泛）電功能陶瓷1、陶瓷材料多由離子鍵和共價鍵組成，鍵結(jié)合牢固，大部分陶瓷的禁帶寬度寬，為絕緣材料（例如氧化鋁、氧化硅、氮化硅等）。如果對絕緣陶瓷進(jìn)行摻雜，或者制備非化學(xué)計量比化合物

4、，可以得到半導(dǎo)體陶瓷，如NiO(Li)、SnO2-x等。2、要成為一種優(yōu)異的絕緣陶瓷，它必須具備如下性能；（1、體積電阻率() 1012·cm􀀩2、相對介電常數(shù)(r) 30􀀩3、損耗因子(tg) 0.001􀀩4、介電強(qiáng)度(DS) 5.0kV/mm5、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。）3、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叫滿帶，末被電子占據(jù)的叫導(dǎo)帶，滿帶和導(dǎo)帶之間稱之為禁帶。如果禁帶寬度足夠大(在幾e

5、V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。實際上，這種理想的絕緣體只有在絕對零度時才能獲得，如果外界條件有所變化，例如溫度升高或者受到光照時，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。4、介電陶瓷和絕緣陶瓷在本質(zhì)上屬同一類陶瓷。特別著眼于介電性能及其應(yīng)用的陶瓷，稱為介電陶瓷。或者說，介電陶瓷是通過控制介電性質(zhì)，使之具有較高的介電常數(shù)、較低的介質(zhì)損耗和適當(dāng)?shù)慕殡姵?shù)溫度系數(shù)的一類陶瓷。5、電介質(zhì)（dielectrics）最主要的特征是電的相互作用不是通過傳導(dǎo)方式，而是通過感應(yīng)的方式。廣泛地說，可以把介

6、電常數(shù)不等于1的材料統(tǒng)稱為電介質(zhì)材料6、設(shè)想在平行板電容器的兩板上，充以一定的電荷，當(dāng)兩板間存在電介質(zhì)時，兩板的電位差總是比沒有電介質(zhì)存在(真空)時低，在介質(zhì)表面上會出現(xiàn)感應(yīng)電荷。這些感應(yīng)電荷部分地屏蔽T板上自由電荷所產(chǎn)生的靜電場。這種感應(yīng)電荷不能自由遷移，稱為束縛電荷。電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象，稱為電極化電介質(zhì)極化示意圖7、根據(jù)電容器陶瓷的特點，可以分為以下四類：（1）溫度補(bǔ)償型電容器陶瓷（2）鐵電電容器陶瓷（3）反鐵電電容器陶瓷（4）半導(dǎo)體電容器陶瓷）8、微波介質(zhì)陶瓷主要用于制作微波電路元件。微波電路元件要求介電陶瓷在微波頻率下具有如下性能：（1、具有適當(dāng)大小的介電常數(shù)，而且其

7、值穩(wěn)定；􀀻2、介質(zhì)損耗?。?#1048635;3、有適當(dāng)?shù)慕殡姵?shù)溫度系數(shù)，且元件互差?。?、熱膨脹系數(shù)小。）9、微波介質(zhì)陶瓷主要用于諧振器、耦合器、濾波器等微波器件以及微波介質(zhì)基片。對微波集成電路使用的介質(zhì)基片的性能要求是：（1、對應(yīng)于一定的用途有適當(dāng)?shù)慕殡姵?shù)，且介電常數(shù)值穩(wěn)定，對于頻率和溫度的依存性小；􀀻2、介質(zhì)損耗小；􀀻3、表面平滑，與金屬薄膜的結(jié)合強(qiáng)度高；􀀻4、機(jī)械強(qiáng)度高；􀀻5、熱導(dǎo)率高；􀀻6、化學(xué)穩(wěn)定性好。）10、壓電陶瓷，一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，屬于無

8、機(jī)非金屬材料。這是一種具有壓電效應(yīng)的材料。11、所謂壓電效應(yīng)是指某些介質(zhì)在力的作用下，產(chǎn)生形變，引起介質(zhì)表面帶電，這是正壓電效應(yīng)。反之，施加激勵電場，介質(zhì)將產(chǎn)生機(jī)械變形，稱逆壓電效應(yīng)。這種奇妙的效應(yīng)已經(jīng)被科學(xué)家應(yīng)用在與人們生活密切相關(guān)的許多領(lǐng)域，以實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、傳感、驅(qū)動、頻率控制等功能。 12、主要原理 壓電陶瓷就是矢量轉(zhuǎn)換材料 力電電力1次力電轉(zhuǎn)化典型應(yīng)用：壓電點火，稱量傳感1次電力轉(zhuǎn)換：制動器，執(zhí)行器壓電變壓器等等13、壓電陶瓷一般工藝 （工藝流程圖如下：配料混合磨細(xì)預(yù)燒二次磨細(xì)造粒成型排塑燒結(jié)成瓷外形加工被電極高壓極化老化測試）14、熱釋電效應(yīng)是一種自然現(xiàn)象，也是晶體的一種效應(yīng)。晶體受

9、熱溫度升高，由于溫度的變化而導(dǎo)致自發(fā)極化的變化，在晶體的一定方向上產(chǎn)生表面電荷，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。15、熱釋電效應(yīng)反映了晶體的電量與溫度之間的關(guān)系，可用下式表示：Ps=PT Ps-自發(fā)極化的變化量 P -熱釋電系數(shù) T-溫度的變化量16、晶體中存在熱釋電效應(yīng)的前提是：（1、具有自發(fā)極化，即晶體結(jié)構(gòu)的某些方向的正負(fù)電荷重心不重合（存在固有電矩）；2、有溫度變化，即熱釋電效應(yīng)是反映材料在溫度變化狀態(tài)下的性能。）17、熱釋電材料包括單晶和陶瓷兩大類。18、熱釋電探測器的工作過程如下：（ 接收紅外輻射產(chǎn)生溫升； 由于溫升引起熱釋電晶片表面電荷的變化（極化變化）； 由于晶片表面電荷變化晶片上、下表

10、面電勢差的變化，通過放大器使其轉(zhuǎn)換成電壓或電流進(jìn)行測量。 ）19、熱釋電探測器的特點：（ 比光探測器適用于更寬的頻帶范圍，從X光射線到微波范圍均可適用； 熱釋電探測器工作時，不必達(dá)到熱平衡，這就使它既可在室溫下工作，又具有響應(yīng)快的特點； 響應(yīng)速度非常快，能探測一些相當(dāng)快的信號，如測出脈沖激光器的脈沖等，其時間常數(shù)已達(dá)到納秒，甚至有的可達(dá)皮秒級。）導(dǎo)電陶瓷1、在一定條件（溫度、壓力等）下具有電子（或空穴）電導(dǎo)或離子電導(dǎo)的陶瓷叫做導(dǎo)電陶瓷。2、電子電導(dǎo)（包括空穴電導(dǎo)）有氧化物或碳化物半導(dǎo)體等。離子電導(dǎo)有固體電介質(zhì)陶瓷，如ZrO2、-Al2O3等。這些都是離子晶體的氧化物或復(fù)合物。3、NaSiCON

11、(納超離子導(dǎo)體,Na superionic conductor)，對熔融鈉化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定。4、ZrO2陶瓷的導(dǎo)電機(jī)理（穩(wěn)定 ZrO2，由于穩(wěn)定劑的金屬離子會與 Zr4+進(jìn)行不等價置換，產(chǎn)生氧離子缺位。以Ca2+為例，當(dāng)Ca2+取代了Zr4+之后，使正電荷減少了+2價，于是在Ca2+周圍必須失掉一個在正常位置上的 O2- 離子，才能保持晶格中的電中性，于是便產(chǎn)生一個氧空位。同樣，用 Y3+ 取代 Zr4+ 使正電荷少了+1價，在兩個釔離子周圍存在一個氧空位，保持了穩(wěn)定ZrO2晶格的電中性。因此在穩(wěn)定的ZrO2晶格內(nèi)存在大量的氧空位，使ZrO2陶瓷成為導(dǎo)電陶瓷。5、ZrO2導(dǎo)電陶瓷的制造工藝流程

12、大致如下:敏感陶瓷1、敏感陶瓷用于制造敏感元件，是根據(jù)某些陶瓷的電阻率、電動勢等物理量對熱、濕、光、電壓及某種氣體、某種離子的變化特別敏感的特性而制得的。2、按其相應(yīng)的特性，可把這些材料分別稱作熱敏、濕敏、光敏、壓敏、氣敏及離子敏感陶瓷。3、此外，還有具有壓電效應(yīng)的壓力、位置、速度、聲波等敏感陶瓷，具有鐵氧體性質(zhì)的磁敏陶瓷及具有多種敏感特性的多功能敏感陶瓷等。4、這些敏感陶瓷已廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測、控制儀器、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、汽車、機(jī)器人、防止公害、防災(zāi)、公安及家用電器等領(lǐng)域。 5、敏感陶瓷分類【（物理敏感陶瓷：光敏陶瓷、熱敏陶瓷、磁敏陶瓷、聲敏陶瓷、壓敏陶瓷、力敏陶瓷）；（化學(xué)敏感陶瓷：氧敏陶瓷、

13、濕敏陶瓷、生物敏感陶瓷6、熱敏陶瓷：熱敏陶瓷是一類電阻率、磁性、介電性等性質(zhì)隨溫度發(fā)生明顯變化的材料，主要用于制造溫度傳感器、線路溫度補(bǔ)償及穩(wěn)頻的元件-熱敏電阻(thermistor)。熱敏陶瓷具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、制造工藝簡單及價格便宜等特點。7、PTC( positive temperature coefficient )；正溫度系數(shù)熱敏電阻（電阻隨溫度升高而增大的熱敏電阻） NTC( negative temperature coefficient )；負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（電阻隨溫度的升高而減小的熱敏電阻）CTR( critical temperature resistor )；臨界溫

14、度熱敏電阻（電阻在某特定溫度范圍內(nèi)急劇變化的熱敏電阻）8、采用摻雜使BaTiO3半導(dǎo)化的方法之一是施主摻雜法，該法也稱原子價控制法。如果用離子半徑與Ba2+相近的三價離子(如La3+、Ce 3+ 、Nd 3+ 、Ga 3+ 、Sm 3+ 、Dy 3+ 、Y 3+ 、Bi 3+ 、Sb 3+ 等)置換Ba2+，或者用離子半徑與Ti4+相近的五價離子(如Ta5+、Nb 5+、 Sb 5+等)置換Ti4+，采用普通陶瓷工藝，即能獲得電阻率為103-105×Wcm的n型BaTiO3半導(dǎo)體。氣敏陶瓷1、氣敏陶瓷大致可分為半導(dǎo)體式、固體電解質(zhì)式及接觸燃燒式三種2、濕度傳感器：以濕敏材料制造的濕敏

15、元件配以適當(dāng)?shù)碾娐?、壓敏陶瓷：指電阻值隨著外加電壓變化有一顯著的非線性變化的半導(dǎo)體陶瓷，用這種材料制成的電阻稱為壓敏電阻器4、光敏半導(dǎo)體陶瓷：（1、光敏陶瓷也稱光敏電阻瓷，屬半導(dǎo)體陶瓷2、由于材料的電特性不同以及光子能量的差異，它在光的照射下吸收光能，產(chǎn)生不同的光電效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。）5、光電導(dǎo)效應(yīng)：當(dāng)光線照射到半導(dǎo)體時，在光子作用下產(chǎn)生的光生載流子使電導(dǎo)增加的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。6、光生伏特效應(yīng)：（1、當(dāng)光線照射到半導(dǎo)體的p-n結(jié)上時，如果光子能量足夠大(hnEg)，就在p-n結(jié)附近激發(fā)出電子-空穴對。2、在自建電場的作用下，n區(qū)的光生空穴被拉向p區(qū)，p區(qū)的光生電子被拉向n

16、區(qū)，結(jié)果n區(qū)積累了負(fù)電荷，p區(qū)積累了正電荷，產(chǎn)生光生電動勢。3、若將外電路接通，就有電流由p區(qū)流經(jīng)外電路至n區(qū)，這種效應(yīng)稱為光生伏特效應(yīng)。）7、雖然能量hnEg的光子均可產(chǎn)生激發(fā)，但只有能量相當(dāng)于Eg的部分才能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋９庾游詹牧系慕麕г贓g0.9eV附近時，光子激發(fā)利用率最高。玻璃光導(dǎo)纖維玻璃1、 光導(dǎo)纖維的傳光原理：（1、入射到兩種折射率不同介質(zhì)界面上的光，一部分反射，另一部分經(jīng)折射透射過去。2、當(dāng)光的入射角度變大到使折射角成90度時，就造成入射光在界面上的全反射）2、光纖通信就是利用這種內(nèi)全反射的原理。即，入射到光纖內(nèi)的光，如果能滿足芯和包層界面上內(nèi)全反射的條件，光就可在纖維內(nèi)不斷向

17、前反射，沿著纖維軸向前傳輸。3、包皮型光導(dǎo)纖維用數(shù)值孔徑(NA)來表征它的集光能力，它是光纖的基本參數(shù)，入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個角度范圍內(nèi)的入射光才可以。這個角度a的正弦值就稱為光纖的數(shù)值孔徑 （no-介質(zhì)的折射率（空氣）；n1-芯玻璃折射率 ；n2-皮玻璃折射率）上述公式由幾何光學(xué)定律推出，僅適用于子午光線(即入射于纖維子午面上的光線)，所以由此公式所得的又稱“名義數(shù)值孔徑”。 數(shù)值孔徑(numerical aperture;NA )激光玻璃1、激光是由激光器發(fā)出的具有高亮度、單色性和相干性很好的光束2、激光是通過光、電或化學(xué)激發(fā)，使工作物質(zhì)中的激活中心處于高能態(tài)

18、，達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，出現(xiàn)受激發(fā)射形成特定波長光的放大而產(chǎn)生的3、激光玻璃必須滿足下面五個要求：(1)激活離子的發(fā)光機(jī)構(gòu)必須有亞穩(wěn)態(tài)，能形成三能級或四能級機(jī)構(gòu)；并要求亞穩(wěn)狀態(tài)有較長壽命，使粒子數(shù)易于積累達(dá)到反轉(zhuǎn)。(2)激光玻璃必須有合適的光譜性質(zhì)。吸收光譜要與光泵的輻射光譜盡量重疊，吸收系數(shù)越高，激活能量越高。 (3)基質(zhì)玻璃要有良好的透明度，對激光波長的吸收盡可能小，從而能使光激發(fā)的能量充分被激活離子吸收轉(zhuǎn)化為激光。(4)必須有良好的光均勻性，以免光線通過玻璃后波面變形并產(chǎn)生誤差，使閥值升高，效率降低。也應(yīng)有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和一定的機(jī)械強(qiáng)度，失透性小。(5)必須有良好的熱光穩(wěn)定性。若光激發(fā)的一部

19、分光能轉(zhuǎn)化為熱能，就有可能損壞玻璃。4、激光玻璃的應(yīng)用（1、利用激光玻璃優(yōu)良的單色性，可作為分光光度計的光源；2、利用激光玻璃高度的定向性和相干性，能將它發(fā)射到非常遙遠(yuǎn)的空間，廣泛用于激光定向和激光測距由于激光束可以聚焦成極小的“一點”，能量密度極高，可用來進(jìn)行激光核聚變反應(yīng)和激光打孔、激光點焊等精密加工以及外科手術(shù)。3、另外，配合光導(dǎo)纖維傳輸?shù)募す馔ㄓ嵳找媸艿绞澜绺鲊闹匾暋?、激光玻璃由于容易獲得均質(zhì)大塊材料，而且便于成型加工，大有發(fā)展前途）晶體人工晶體1、人工晶體的分類 ：人工晶體按照功能不同，可粗略分為:半導(dǎo)體晶體，激光晶體，非線性光學(xué)晶體，光折變晶體，閃爍晶體，電光、磁光、聲光調(diào)制晶體，