無機(jī)非金屬材料工學(xué)特種陶瓷

1、無機(jī)非金屬材料工學(xué)無機(jī)非金屬材料工學(xué)特種陶瓷特種陶瓷特種陶瓷特種陶瓷v特種陶瓷是指采用高度精選的材料。具特種陶瓷是指采用高度精選的材料。具有能精準(zhǔn)控制的化學(xué)組成，按照便于控制有能精準(zhǔn)控制的化學(xué)組成，按照便于控制的制造加工技術(shù)，便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并的制造加工技術(shù)，便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并具有優(yōu)異特性的陶瓷具有優(yōu)異特性的陶瓷v 原料以氧化物，氮化物，硅化物，硼化物，碳化物為主要原料v 成分由人工配比，純化物較多，性質(zhì)優(yōu)劣與原料產(chǎn)地?zé)o關(guān)v 以黏土為主要原料v 相同類型的普通陶瓷由于黏土的產(chǎn)地不同在結(jié)構(gòu)和質(zhì)有較大差異特種陶瓷與普通陶瓷的區(qū)別特種陶瓷與普通陶瓷的區(qū)別特種陶瓷特種陶瓷普通陶瓷普通陶瓷v 制備工

2、藝上廣泛采用超微細(xì)粉制備，等靜壓成型，熱壓燒結(jié)等現(xiàn)代化工藝v 在高溫，機(jī)械，電子，航天，醫(yī)學(xué)工程等方面有綜合應(yīng)用v 以傳統(tǒng)陶瓷工藝為主：胚料制備，制模成型，干燥施釉，裝燒裝飾，包裝v 傳統(tǒng)陶瓷質(zhì)地脆，易碎，一般作為裝飾品和器物特種陶瓷與普通陶瓷的區(qū)別特種陶瓷與普通陶瓷的區(qū)別特種陶瓷特種陶瓷普通陶瓷普通陶瓷特種陶瓷的其他稱呼v 特種陶瓷有一系列的稱呼，如先進(jìn)陶瓷（Advanced Ceramics）、精細(xì)陶瓷（Engineering Ceramics)、新型陶瓷（New Ceramics ）、近代陶瓷（Modern Ceramics ）、高技術(shù)陶瓷（High Technology Ceramic

3、s ）、高性能陶瓷（High Performance Ceramics）等特種陶瓷的分類特種陶瓷的分類v結(jié)構(gòu)陶瓷v功能陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷又稱工程陶瓷。具有耐高溫、高硬度,耐磨損，耐腐蝕，低膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱性和質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于能源、空間技術(shù)石油化工等領(lǐng)域。主要包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷和硅化物陶瓷。高溫結(jié)構(gòu)陶瓷v 高溫結(jié)構(gòu)陶瓷：高溫結(jié)構(gòu)陶瓷：1.高熔點(diǎn)氧化物陶瓷：高熔點(diǎn)氧化物陶瓷：Al2O3、ZrO2、MgO、VO2等，熔點(diǎn)一般在等，熔點(diǎn)一般在2000以以上上2.碳化物陶瓷：碳化物陶瓷：SiC、WC、TiC、NbC等等3.硼化物陶瓷：硼化物陶瓷：HfB2、ZrB2

4、等等4.氮化物陶瓷氮化物陶瓷:SiN4、BN、以及由、以及由Si3N4和和Al2O3復(fù)合而成的賽隆陶瓷。氮化復(fù)合而成的賽隆陶瓷。氮化物常具有很高的硬度物常具有很高的硬度5.硅化物陶瓷：硅化物陶瓷：MoSi2、ZrSi等，他們在使用中表面會(huì)生成等，他們在使用中表面會(huì)生成SiO2或硅酸鹽?；蚬杷猁}保護(hù)層，抗氧化能力強(qiáng)護(hù)層，抗氧化能力強(qiáng)氧化物陶瓷之一v 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷通常是指-Al2O3含量為70%以上的氧化鋁陶瓷。氧化鋁陶瓷的主晶相是剛玉（-Al2O3）晶相。氧化鋁含量高，陶瓷的燒成溫度也高。隨著氧化鋁的含量增加，陶瓷具有的機(jī)械強(qiáng)度也提高；介電常數(shù)和比電阻提高，介電損耗降低，而且介電常數(shù)和介

5、電損耗隨頻率的增加而減少。導(dǎo)熱系數(shù)隨著氧化鋁含量的增加而提高。氧化物陶瓷之二v 氧化鋯陶瓷氧化鋯有三種晶型，低溫時(shí)為單斜晶系，高溫時(shí)為四方晶系，更高溫度時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄?。由于晶型轉(zhuǎn)變會(huì)引起體積效應(yīng)，因此純氧化鋯很難制出產(chǎn)品，必須加入穩(wěn)定劑進(jìn)行晶型穩(wěn)定化處理，主要有CaO、MgO和其他稀土氧化物等。氧化鋯陶瓷密度大，硬度高，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性較高（是所有陶瓷中做高的），具有半導(dǎo)性、抗腐蝕性及敏感性等氧化物陶瓷之三v 氧化鈹陶瓷氧化鈹屬于纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定且無晶型轉(zhuǎn)變。添加1%以下的MgO、TiO2或Fe2O3可促進(jìn)BeO燒結(jié)，加入MgO形成固溶體，加入TiO2或Fe2O3出現(xiàn)第二相。氧化鈹

6、陶瓷具有和金屬相近的導(dǎo)熱系數(shù)，約為209.34W/(mK)。膨脹系數(shù)不大，高溫絕緣性能良好，還能抵抗堿性物質(zhì)侵蝕（除苛型堿外），除此之外還具有良好的核性能，可用作中子減速劑核抗輻射材料。氧化物陶瓷之四v復(fù)合氧化物陶瓷之一v 莫來石陶瓷莫來石陶瓷是一種傳統(tǒng)且典型的陶瓷材料。在1847年，Oschatz發(fā)現(xiàn)這是一種富鋁的硅酸鹽相并將其稱為硅線石。直到1956年，英國地理學(xué)家在蘇格蘭西海岸的“Mull”島，并發(fā)現(xiàn)該島具有非常豐富的富鋁的硅酸鹽，因此，此類物質(zhì)被定義為莫來石。莫來石（3Al2O32SiO2）是Al2O3-SiO2系中唯一穩(wěn)定的二元化合物。莫來石陶瓷具有高熔點(diǎn)、抗蠕變性、抗熱震性、及抗腐

7、蝕性等優(yōu)良性能，可用于耐火材料 復(fù)合氧化物陶瓷之二v 鎂鋁尖晶石陶瓷鎂鋁尖晶石屬等軸晶系，呈八面體型。是MgO-Al2O3二元系統(tǒng)中唯一的化合物。正尖晶石型的鎂鋁尖晶石的晶格常數(shù)為0.8060.808nm，折射率為1.7181.719，莫氏硬度為89，密度為3.58g/cm3，熔點(diǎn)為2135，耐火度為1900，熱膨脹系數(shù)為58106/，熱導(dǎo)率（800）為23.865kJ/(hm)復(fù)合氧化物陶瓷之二v 鎂鋁尖晶石陶瓷鎂鋁尖晶石陶瓷材料的性質(zhì)可以和氧化物陶瓷相媲美，它除了有熔點(diǎn)高、熱膨脹系數(shù)、絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)外，還有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，不與濃酸反應(yīng)，抵抗堿作用能力比剛玉還高，大多數(shù)鹽和熔渣都不與尖晶石

8、反應(yīng)，對碳、金屬、金屬熔體也很穩(wěn)定，因而廣泛應(yīng)用于金屬熔煉，爐（窯）襯、電絕緣材料等 氮化物陶瓷之一v 氮化硅陶瓷氮化硅結(jié)構(gòu)中氮與硅的原子之間的鍵力很強(qiáng)，因此氮化硅具有高溫下穩(wěn)定，分解前仍能保持較高的強(qiáng)度，以及高硬度，良好的耐磨性和耐化學(xué)腐蝕性等特性。在空氣中開始氧化的溫度是13001400，熱膨脹系數(shù)很小。 氮化物陶瓷之二v 塞隆陶瓷1970年代，日本和英國的學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在Si3N4-Al2O3系統(tǒng)中，加入多量的Al2O3時(shí)，變構(gòu)成Si-Al-O-N系統(tǒng)，Al,O部分的置換了Si,N原子，從而促進(jìn)了Si3N4的燒結(jié)，也就形成了塞隆陶瓷。塞隆陶瓷在常溫和高溫下強(qiáng)度很大，化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異，耐磨性很高

9、，熱膨脹系數(shù)低，抗熱沖擊性好，抗氧化性強(qiáng)，密度不大等碳化物陶瓷之一v 碳化硼陶瓷碳化硼（B4C）的晶體結(jié)構(gòu)除了立方結(jié)構(gòu)外，通常以斜方六面結(jié)構(gòu)為主。碳化硼陶瓷的顯著特點(diǎn)是硬度高，僅次于金剛石和立方晶體BN。導(dǎo)熱性好膨脹系數(shù)低，能吸收熱中子，耐酸堿性好。碳化物陶瓷之二v 碳化硅陶瓷碳化硅(SiC)為共價(jià)鍵化合物。晶體結(jié)構(gòu)中的單位晶胞是由相同的四面體構(gòu)成的，硅原子處于中心。周圍為碳原子。碳化硅熔點(diǎn)高且具有良好的抗氧化性，純SiC是電絕緣體，但含有雜志時(shí)，電阻率大幅下降，再加上它有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，因此可作為發(fā)熱元件和非線性壓敏電阻材料。SiC耐高溫?？梢宰瞿突鸩牧?，硬度高，可作磨料。 碳化物陶瓷之三

10、v 碳化鈦陶瓷碳化鈦陶瓷(TiC)屬于面心立方晶系，熔點(diǎn)高，強(qiáng)度較高，導(dǎo)熱性較好，硬度大，化學(xué)穩(wěn)定性好。不水解，高溫抗氧化性好（僅次于碳化硅）。在常溫下不與酸起反應(yīng)，但在硝酸和氫氟酸的混合酸中能溶解，于1000在氮?dú)夥罩心苄谐傻铩?其他結(jié)構(gòu)陶瓷之一v二硼化鋯陶瓷(ZrB2)具有很高的硬度，良好的 導(dǎo)電性導(dǎo)熱性和化學(xué)穩(wěn)定性，是優(yōu)良的耐火材料，可做熱電偶保護(hù)套，熔煉金屬用的坩堝、鑄模。其他結(jié)構(gòu)陶瓷之二v 二硅化鉬陶瓷MoSi2可以通過Mo和Si粉直接反應(yīng)獲得，或者利用Mo的氧化還原反應(yīng)合成。MoSi2晶體為四方結(jié)構(gòu)，灰色，有金屬光澤，熔點(diǎn)為2030。MoSi2能抵抗熔融金屬和爐渣的侵蝕，于氫氟

11、酸、王水及其他無機(jī)酸不起作用，但容易溶于硝酸和氫氟酸的混合液中，也溶于熔融的堿中。MoSi2的抗氧化性好，這是由于在其表面形成了一薄層SiO2或者一層耐氧化和難融的硅酸鹽組成的保護(hù)膜。 二硅化鉬陶瓷發(fā)熱體功能陶瓷功能陶瓷v 功能陶瓷（FunctionalCeramaics）是指在應(yīng)用中側(cè)重其非力學(xué)性能（如電磁、光、熱、化學(xué)、和生物等方面的性能以及核性能，對氣體的敏感性等）的陶瓷材料 磁性陶瓷磁性陶瓷 v 磁性陶瓷（Magnetic Ceramics）是鐵和其它一種或多種金屬元素的復(fù)合氧化物，通常稱為鐵氧體，其導(dǎo)電性與半導(dǎo)體材料類似，因制備工藝和外觀類似陶瓷而得名，但嚴(yán)格來講，磁性陶瓷還包括不含

12、鐵的磁性瓷。磁性陶瓷之一v 軟磁鐵氧體軟磁鐵氧體是目前各種鐵氧體中品種最多、應(yīng)用最廣泛的一種磁性陶瓷材料，軟磁鐵氧體的種類有尖晶石型的Mn-Zn,Ni-Zn,Mg-Zn,Li-Zn鐵氧體及磁石型的甚高頻鐵氧體，如Ba3Co2Fe24O41等 磁性陶瓷之二v 硬磁鐵氧體v 硬磁鐵氧體是指矯頑力Hc大，磁化后不易退磁而能長期保留磁性的鐵氧體，又稱為永磁材料。硬磁鐵氧體化學(xué)式為Mo6Fe2O3（M=Ba2+,Sr2+）磁性陶瓷之三v 旋磁鐵氧體旋磁鐵氧體是指在高頻磁場作用下，平面偏振的電磁波在磁介質(zhì)中按一定方向傳播的過程中，偏振面不斷繞傳播方向旋轉(zhuǎn)的一種鐵氧體。旋磁鐵氧體主要用作微波器件，故又稱為微

13、波鐵氧體。磁性陶瓷之四v 矩磁鐵氧體矩磁鐵氧體是指磁滯回線呈矩形的，剩余磁感強(qiáng)度Br和工作時(shí)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm的比值。且此比值都盡可能接近1，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況調(diào)整具有適當(dāng)大小的矯頑力的鐵氧體。矩磁鐵氧體材料大都具有尖晶石結(jié)構(gòu)，少數(shù)幾種是石榴石型。磁性陶瓷之四v 壓磁鐵氧體處于退磁狀態(tài)下的鐵氧體材料，當(dāng)外界磁場磁化時(shí)，其長度或體積均會(huì)發(fā)生極小的變形，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮，具有這種性能的鐵氧體稱為壓磁鐵氧體。目前應(yīng)用的壓磁鐵氧體材料都是含Ni的鐵氧體系統(tǒng)，最主要的是Ni-Zn鐵氧體磁性陶瓷之五v 新興鐵氧體材料主要有超高密度記錄垂直磁化薄膜材料，可擦除磁光信息儲存薄膜材料，磁泡材料，吸波和防電磁

14、信息泄露材料，非晶態(tài)磁性材料等等導(dǎo)電陶瓷和超導(dǎo)陶瓷 v 導(dǎo)電陶瓷絕大部分陶瓷屬于絕緣體，但具有間隙結(jié)構(gòu)的碳化物等硬質(zhì)化合物具有良好的導(dǎo)電性，這類間隙相屬于電子電導(dǎo)。除間隙相以外，還有為數(shù)不多的幾種陶瓷，它們在適當(dāng)?shù)臈l件下具有與液體強(qiáng)電解質(zhì)相似的離子電導(dǎo)，如Na-Al2O3、PSZ等 導(dǎo)電陶瓷和超導(dǎo)陶瓷 v 超導(dǎo)陶瓷超導(dǎo)陶瓷超導(dǎo)陶瓷目前仍在發(fā)現(xiàn)之中，由于它具有完全的導(dǎo)電性和完全的抗磁性，超導(dǎo)陶瓷目前仍在發(fā)現(xiàn)之中，由于它具有完全的導(dǎo)電性和完全的抗磁性，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。因此獲得了廣泛的應(yīng)用。1.在電力系統(tǒng)方面，可以用于輸送配電，由于電阻為零，因此完全沒有能在電力系統(tǒng)方面，可以用于輸送配電，由于

15、電阻為零，因此完全沒有能量損耗。量損耗。2.在交通方面，可以制造磁懸浮列車在交通方面，可以制造磁懸浮列車3.利用超導(dǎo)陶瓷的約瑟夫遜效應(yīng)可望制成超小型、高性能的第五代計(jì)算機(jī)利用超導(dǎo)陶瓷的約瑟夫遜效應(yīng)可望制成超小型、高性能的第五代計(jì)算機(jī)4.利用其抗磁性，在環(huán)保方面可以進(jìn)行廢水凈化和去除毒物，在醫(yī)藥方面利用其抗磁性，在環(huán)保方面可以進(jìn)行廢水凈化和去除毒物，在醫(yī)藥方面可以從血漿中分離紅細(xì)胞并正在研究利用其抑制和殺死癌細(xì)胞。可以從血漿中分離紅細(xì)胞并正在研究利用其抑制和殺死癌細(xì)胞。 熱釋電陶瓷 v 熱釋電現(xiàn)象是一種自然現(xiàn)象，也是晶體的一種物理效應(yīng)。晶體受熱溫度升高，由于溫度的變化，導(dǎo)致自發(fā)極化的變化，在晶體

16、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)。v 晶體中存在熱釋電效應(yīng)的前提是：首先具有自發(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）。二是有溫度的變化，即熱釋電效應(yīng)是反映材料在溫度變化的狀態(tài)下的性能。經(jīng)過改性的PZT陶瓷，有良好的熱釋電性能，目前已制成單個(gè)探測矩陣，在紅外探測和熱成像系統(tǒng)中得到應(yīng)用。壓電陶瓷 v 在給無對稱中心的晶體施加一應(yīng)力時(shí)，晶體發(fā)生與應(yīng)力成比例的極化，導(dǎo)致晶體表面兩端出現(xiàn)符號相反的電荷；反之，當(dāng)對這類晶體施加一電場時(shí)，晶體將產(chǎn)生與電場強(qiáng)度成比例的應(yīng)變。這兩種效應(yīng)都稱為壓電效應(yīng)，前者稱為正壓電效應(yīng)。后者稱為逆壓電效應(yīng)。v 從晶體結(jié)構(gòu)來看，壓電陶瓷

17、屬于鈣鈦礦型，鎢青銅型，焦綠石型，含鉍層結(jié)構(gòu)的陶瓷都具有壓電性。但目前廣泛應(yīng)用的壓電陶瓷都屬于鈣鈦礦型晶體。敏感陶瓷v材料的電學(xué)性能隨熱，濕，氣，光，力等外界條件的變化而產(chǎn)生敏感效應(yīng)的陶瓷，統(tǒng)稱為敏感陶瓷（Sensitive Ceramics）敏感陶瓷之一v 熱敏陶瓷利用半導(dǎo)體陶瓷的電阻值對溫度的敏感特性制成的一種對溫度敏感的器件，區(qū)熱敏電阻器或熱敏元件，它是溫度傳感器的一種。根據(jù)熱敏電阻器的電阻溫度特性，熱敏半導(dǎo)體陶瓷可分為負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏陶瓷、正溫度系數(shù)（PTC）熱敏陶瓷和臨界溫度熱敏陶瓷（CTR）。 敏感陶瓷之二v 壓敏陶瓷壓敏陶瓷是指具有非線性伏安特性，對電壓變化敏感的半導(dǎo)體陶

18、瓷，它在某一臨界電壓下電阻值非常高，幾乎沒有電流，但當(dāng)超過這一臨界電壓時(shí)，電阻將急劇變化，并且有電流通過，隨著電壓的少許增加，電流會(huì)很快增大。用這種材料制成的電阻稱為壓敏電阻器。也稱為非線性電阻。壓敏陶瓷主要可以用在兩個(gè)方面：過壓保護(hù)和穩(wěn)定電壓。 敏感陶瓷之三v 光敏陶瓷光敏陶瓷也稱為光敏電阻陶瓷，屬于半導(dǎo)體陶瓷，它在光的照射下，吸收光能，產(chǎn)生光電導(dǎo)或產(chǎn)生光伏特效應(yīng)。利用光電阻效應(yīng)來制造光敏電阻，可用于各種自動(dòng)控制系統(tǒng)，利用其光伏特效應(yīng)也可以制造光電池（也稱太陽能電池） 敏感陶瓷之四v 氣敏陶瓷氣敏陶瓷主要分為以下三種：1.半導(dǎo)體式氣敏陶瓷2.半觸燃燒式氣敏陶瓷3.固體電解質(zhì)型氣敏陶瓷 敏感陶瓷之五v 濕敏陶瓷濕敏陶瓷的主要成分一般以氧化物半導(dǎo)體構(gòu)成。導(dǎo)電形式一般認(rèn)為是電子導(dǎo)電和質(zhì)子導(dǎo)電，或兩者共存。濕敏陶瓷根據(jù)濕敏特性可分為當(dāng)濕度增加時(shí)，電阻率減小的負(fù)特性濕敏陶瓷和電阻率增加的正特性濕敏陶瓷。 透明陶瓷和光學(xué)陶瓷v 透明陶瓷種類比較多。一般有氧化鋁系陶瓷、氧化鎂系陶瓷、氧化釔系陶瓷、非氧