材料學(xué)導(dǎo)論2 陶瓷 譚勁

化學(xué)成分分析10/3/20231物相成分分析10/3/2023210/3/20233第二章無機(jī)非金屬材料10/3/20234無機(jī)非金屬材料概論陶瓷材料〔普通陶瓷、特種陶瓷〕玻璃材料膠凝材料本章主要內(nèi)容10/3/202351、什么是無機(jī)非金屬材料？無機(jī)非金屬材料：主要是指由一種或多種金屬元素同一種非金屬元素(如O,S,C,N等,通常為O)所形成的化合物，多為金屬氧化物和金屬非氧化物。也可以認(rèn)為

金屬材料和有機(jī)高分子材料以外的固體材料通稱無機(jī)非金屬材料。10/3/20236無機(jī)非金屬材料(又一種表述〕指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物〔包括硫化物、硒化物及碲化物〕和硅酸鹽、鈦酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽等含氧酸鹽為主要組成的無機(jī)材料。無機(jī)非金屬材料包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料以及新型無機(jī)材料等。其中陶瓷一詞，隨著與陶瓷工藝相近的無機(jī)材料的不斷出現(xiàn)，其概念的外延也不斷擴(kuò)大。廣義的陶瓷概念幾乎與無機(jī)非金屬材料的含意相同。10/3/20237無機(jī)非金屬材料的名目繁多，用途各異，目前尚沒有統(tǒng)一而完善的分類方法。通常把它們分為傳統(tǒng)〔普通〕無機(jī)非金屬材料和新型〔特種〕無機(jī)非金屬材料兩大類。如何分類？難！普通陶瓷－－特種陶瓷普通玻璃－－特種玻璃普通水泥－－特種水泥……10/3/20238主要特性熔點(diǎn)高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐氧化、彈性模量大、強(qiáng)度高。一般為脆性材料10/3/202392、陶瓷材料2.1陶瓷的概念陶瓷(ceramics)是以非金屬礦物或化工產(chǎn)品為原料，經(jīng)原料處理、成型、燒成等工序制成的產(chǎn)品。2.2陶瓷的分類早期，陶瓷是陶器與瓷器的總稱。瓷器的坯體致密，根本上不吸水，有一定的半透明性，通常施釉，敲之聲音清脆。陶器通常有一定吸水率，斷面粗糙無光，不透明，敲之聲音粗啞，有的無釉，有的施釉。10/3/202310古代各種陶制品10/3/202311各種瓷器10/3/202312傳統(tǒng)的陶瓷如日用陶瓷、建筑陶瓷等是用粘土類及其它天然礦物原料經(jīng)粉碎加工、成型、燒成等過程而得的器皿。這類陶瓷可稱為傳統(tǒng)〔普通〕陶瓷。隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的開展，對(duì)陶瓷制品的性能與應(yīng)用提出了新的要求，因而制成了許多新品種，它們的生產(chǎn)過程雖然還是原料處理、成型、燒成等這種傳統(tǒng)的方式，但采用的原料已擴(kuò)大到高度精選的天然原料或人工合成原料，使用高度可控的生產(chǎn)工藝，因而往往具有一些特殊的性能，相對(duì)于傳統(tǒng)陶瓷，這類陶瓷制品稱為新型〔特種〕陶瓷。10/3/20231310/3/20231410/3/2023152.3

陶瓷材料的化學(xué)鍵及顯微結(jié)構(gòu)

陶瓷材料的化學(xué)鍵陶瓷材料是以離子鍵〔如MgO、Al2O3〕、共價(jià)鍵〔如Si3N4、BN〕以及離子共價(jià)混合鍵〔SiO2〕結(jié)合在一起。金屬氧化物主要是離子鍵結(jié)合。由于離子鍵沒有方向性，只要求正負(fù)離子相間排列并盡量緊密堆積，因而離子晶體的密度較高，鍵強(qiáng)度也較高。這類材料強(qiáng)度高、硬度高，但脆性大。離子晶體固態(tài)絕緣，熔融后可導(dǎo)電。10/3/202316共價(jià)鍵具有方向性與飽和性，這就決定了共價(jià)晶體中原子的堆積密度較小。共價(jià)晶體鍵強(qiáng)度較高，且具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，故這類材料熔點(diǎn)高、硬度高、脆性大，熱膨脹系數(shù)小。雖然陶瓷材料的鍵性主要為離子鍵和共價(jià)鍵，但實(shí)際上許多陶瓷的結(jié)合鍵是混合鍵結(jié)合，既有離子性，又有共價(jià)性。10/3/202317陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)通常由三種不同的相組成，晶相、玻璃相和氣相。晶相：陶瓷材料中最主要的組成相，晶相一般由原料帶入或玻璃相析晶而成。晶相分為主晶相和次晶相。主晶相是構(gòu)成材料的主體，其性質(zhì)、數(shù)量及結(jié)合狀態(tài)，直接決定材料的根本性質(zhì)。10/3/202318玻璃相：是一種低熔點(diǎn)的非晶態(tài)固體，是材料在高溫?zé)蛇^程中，由于化學(xué)反響或熔融冷卻形成的。通常，其機(jī)械強(qiáng)度要比晶相低一些，抗沖擊強(qiáng)度要高一些，在較低溫度下開始軟化。玻璃相的作用，①充填晶粒間隙，粘結(jié)晶粒，提高陶瓷材料的致密程度；②降低燒成溫度，改善工藝；③抑制晶粒長(zhǎng)大。10/3/202319氣相〔氣孔〕：大局部氣孔是在工藝過程中形成并保存下來的，有的氣孔那么通過特殊的工藝方法獲得。氣孔含量在0～90％之間變化，陶瓷的許多電性能和熱性能都隨氣孔率、氣孔尺寸及分布的不同在很大范圍內(nèi)變化。10/3/20232010/3/20232110/3/2023222.4陶瓷材料的性能2.4.1機(jī)械性能〔1〕彈性模量陶瓷材料具有牢固的離子鍵和共價(jià)鍵，其彈性模量比金屬材料的彈性模量大得多，大約在103～104MPa之間甚至更高。陶瓷材料的彈性模量除了與結(jié)合鍵有關(guān)外，還與組成相的種類、分布、比例及氣孔率的大小有關(guān)。10/3/202323〔2〕強(qiáng)度①陶瓷材料在理論上具有很高的斷裂強(qiáng)度，但實(shí)際斷裂強(qiáng)度往往比金屬材料低得多。②抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大得多，其差異程度大大超過金屬。③氣孔和材料密度對(duì)陶瓷斷裂強(qiáng)度有很大影響。④陶瓷材料耐熱沖擊性較差，嚴(yán)重限制了陶瓷材料在急冷急熱條件下的使用。⑤晶粒愈小，強(qiáng)度愈高。10/3/202324〔3〕塑性與韌性陶瓷材料最突出的弱點(diǎn)是很低的塑性與韌性。只有極少數(shù)具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)的陶瓷材料在室溫下具有塑性。如MgO、KCl、KBr等。一般的陶瓷材料在室溫下塑性為零。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)陶瓷材料晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滑移系統(tǒng)少，位錯(cuò)生成能高，而且位錯(cuò)的可動(dòng)性差，通常呈現(xiàn)典型的脆性斷裂?！?〕硬度陶瓷、礦物材料常用莫氏硬度和維氏硬度來衡量材料抵抗破壞的能力。莫氏硬度是以陶瓷、礦物之間相互刻劃能否產(chǎn)生劃痕來確定，只能表示材料硬度的相對(duì)大小。一般陶瓷的硬度較大。10/3/2023252.4.2熱性能〔1〕熱容陶瓷材料的摩爾熱容對(duì)結(jié)構(gòu)變化不敏感，但單位體積的熱容卻與氣孔率有關(guān)，由于多孔材料質(zhì)量輕，所以單位體積熱容小。因此，多孔輕質(zhì)耐火磚的溫度上升所需的熱量遠(yuǎn)低于致密的耐火磚。〔2〕熱膨脹陶瓷材料的線膨脹系數(shù)約為〔10-5~10-7〕/℃。陶瓷的線膨脹系數(shù)一般低于高聚物和金屬。10/3/202326〔3〕導(dǎo)熱性陶瓷的熱傳導(dǎo)主要依靠于原子的熱振動(dòng)。由于沒有自由電子的傳熱作用，陶瓷的導(dǎo)熱性比金屬小。陶瓷多為較好的絕熱材料?！?〕熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性就是抗熱震性，是指材料承受溫度的急劇變化或在一定溫度范圍內(nèi)冷熱交替而不致破壞的能力。陶瓷的熱穩(wěn)定性很低，比金屬低得多。這是陶瓷的一個(gè)主要缺點(diǎn)。10/3/2023272.4.3電性能〔1〕電導(dǎo)率陶瓷材料在一般情況下沒有自由活動(dòng)的電子，電阻率比較低，絕大局部陶瓷都是良好的絕緣體。隨著科學(xué)技術(shù)的開展，某些陶瓷材料的半導(dǎo)性和導(dǎo)電性已被人們發(fā)現(xiàn)，隨之制成各種半導(dǎo)體陶瓷及導(dǎo)電陶瓷。10/3/202328〔2〕介電常數(shù)大局部離子晶體的介電常數(shù)為ε=5~12，但有少數(shù)晶體的介電常數(shù)很高。如金紅石〔TiO2〕晶體的ε=110~114，鈣鈦礦〔CaTiO3〕晶體的ε=150。這類晶體的晶體結(jié)構(gòu)比較獨(dú)特，在外電場(chǎng)作用下，由于離子之間的相互作用，引起了極其強(qiáng)大的內(nèi)電場(chǎng)。在此內(nèi)電場(chǎng)作用下，離子的電子殼層發(fā)生強(qiáng)烈變形，離子本身也發(fā)生強(qiáng)烈的位移，使材料具有很高的介電常數(shù)。10/3/202329〔3〕介電損耗當(dāng)電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量稱為電介質(zhì)的損耗功率或簡(jiǎn)稱為介質(zhì)損耗，用損耗角正切tan表示。介質(zhì)損耗是所有應(yīng)用于交流電場(chǎng)中電介質(zhì)的重要指標(biāo)之一。介質(zhì)損耗不但消耗了電能，而且由于溫度上升可能影響元器件的正常工作；介質(zhì)損耗嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)鸾橘|(zhì)的過熱而破壞絕緣性質(zhì)。10/3/202330漏導(dǎo)損耗：因電導(dǎo)而引起的介質(zhì)損耗為漏導(dǎo)損耗。極化損耗：一切介質(zhì)在電場(chǎng)中均會(huì)呈現(xiàn)出極化現(xiàn)象。除電子、離子彈性位移極化根本上不消耗能量外，其它緩慢極化〔如松馳極化〕在極化的緩慢建立過程中都會(huì)因克服阻力而引起能量損耗，這種損耗一般稱為極化損耗。陶瓷材料是由晶相、玻璃相、氣相組成，其能量損耗主要來源于漏導(dǎo)損耗、松馳質(zhì)點(diǎn)的極化損耗及結(jié)構(gòu)損耗。在結(jié)構(gòu)緊密的離子晶體中，極化損耗很小，一般是由漏導(dǎo)引起。以這類晶體為主晶相的陶瓷往往用在高頻的場(chǎng)合，如剛玉瓷、滑石瓷等。10/3/202331〔4〕絕緣強(qiáng)度電介質(zhì)能絕緣和儲(chǔ)存電荷，是指在一定的電壓范圍內(nèi)，即在相對(duì)弱電場(chǎng)范圍內(nèi)，介質(zhì)保持介電狀態(tài)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，介質(zhì)由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱介質(zhì)的擊穿。陶瓷材料的擊穿強(qiáng)度一般為4～60kV/mm。10/3/2023322.4.4光學(xué)性能隨著遙感、計(jì)算機(jī)、激光、光纖通訊、自動(dòng)化等技術(shù)的開展和“透明陶瓷〞的出現(xiàn)，陶瓷材料在光學(xué)領(lǐng)域有了較重要的應(yīng)用。光學(xué)材料的性質(zhì)一般指材料對(duì)各種光和射線的反射、透射、折射和吸收等性質(zhì)。對(duì)陶瓷材料，主要是指其透光性。為了提高陶瓷的透光性，一般使用高純?cè)希瑓⒓右种凭ЯｉL(zhǎng)大的摻雜劑，采用適當(dāng)?shù)墓に嚺艢饪字苽浼?xì)晶的透明陶瓷材料。10/3/2023332.4.5化學(xué)穩(wěn)定性陶瓷的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。在以離子晶體為主的陶瓷中，金屬原子為氧原子所包圍，被屏蔽在其緊排列的間隙之中，很難再同介質(zhì)中的氧發(fā)生作用，甚至在千度以上的高溫下也是如此，所以具有很高的耐火性能或不可燃性，是很好的耐火材料。另外，陶瓷對(duì)酸、堿、鹽等腐蝕性很強(qiáng)的介質(zhì)均有較強(qiáng)的抗蝕能力，與許多金屬的熔體也不發(fā)生作用，所以也是很好的坩堝材料。10/3/2023343、普通陶瓷3.1普通陶瓷的生產(chǎn)過程普通陶瓷又稱傳統(tǒng)陶瓷，是以天然存在的礦物為主要原料的陶瓷制品。其生產(chǎn)工藝流程如下：原料精選坯料制備成型干燥燒成制品10/3/202335①石英石英具有耐熱、抗蝕、高硬度等性質(zhì)，在普通陶瓷中，石英構(gòu)成了陶瓷制品的骨架，賦予制品耐熱、耐蝕等特性。石英的粘性很低，屬非可塑性原料，無法做成制品的形狀，為了使其具有成型性，需摻入粘土?？伤苄裕涸谔沾晒I(yè)中，可塑性是指泥料在外力作用下能被塑造成各種形狀，在外力除去后，仍能保持這種形狀的性能。〔1〕原料精選普通陶瓷中必不可少的三組分是石英、粘土和長(zhǎng)石。10/3/202336②粘土粘土是一種含水鋁硅酸鹽礦物,層狀結(jié)構(gòu)，主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、H2O、Fe2O3、TiO2等。粘土具有獨(dú)特的可塑性與結(jié)合性，調(diào)水后成為軟泥，能塑造成型，燒后變得致密堅(jiān)硬。③長(zhǎng)石長(zhǎng)石是一族礦物的總稱，為架狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)石在高溫下為有粘性的熔融液體，并潤(rùn)濕粉體，作為助熔劑能溶解一局部粘土及局部石英，促進(jìn)成瓷反響的進(jìn)行，并降低燒成溫度。上述三組份，石英骨架成分、粘土提供可塑性、長(zhǎng)石為助熔劑10/3/202337〔2〕坯料制備陶瓷原料經(jīng)過配料和加工后成為坯料，根據(jù)陶瓷制品的性質(zhì)以及制品所用的成型方法，制成可塑料、注漿料和壓制粉料。10/3/202338〔3〕成型①半干法成型〔8％～15％的水〕：利用外部機(jī)械壓力，使具有一定可塑性的泥料壓縮并形成具有一定尺寸、形狀和強(qiáng)度的坯體的成型方法。②注漿成型〔40％左右的水〕：將制備好的泥漿注入多孔性模型內(nèi)，泥漿在貼近模壁處的一層被模子吸去水分，形成一均勻的泥層，并隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸加厚，到達(dá)一定厚度后，倒出多余泥漿，泥層繼續(xù)脫水并與模型脫離，最后按模型形狀形成坯體。10/3/202339③可塑成型法(20%左右的水)：將預(yù)制好的坯料投入擠泥機(jī)中，擠成泥條，然后切割，按所需制成荒坯，再用手工或壓機(jī)壓制，使坯體具有規(guī)定的形狀和尺寸。10/3/202340〔4〕生坯的枯燥使含水物料〔如濕坯、原料、泥漿等〕中的液體水汽化而排除水分的過程，稱為枯燥。成型后的各種坯體還呈可塑狀態(tài)，在運(yùn)輸和再加工過程中很容易變形或破損。為提高成型后坯體的強(qiáng)度，還要進(jìn)行枯燥，以除去一局部水分，使坯體失去可塑性。經(jīng)過枯燥的坯體，也可以在燒成初期經(jīng)受快速升溫，從而縮短燒成周期，提高窯爐的周轉(zhuǎn)率，節(jié)約能耗。10/3/202341〔5〕燒成經(jīng)過成型及枯燥過程后，生坯中顆粒之間只有很小的附著力，因而強(qiáng)度相當(dāng)?shù)?。要使顆粒相互結(jié)合使坯體形成較高的強(qiáng)度，只有在無液相或有液相的燒結(jié)溫度下才能實(shí)現(xiàn)。目的:是去除坯體內(nèi)所含溶劑、粘結(jié)劑、增塑劑等，并減少坯體中的氣孔，增強(qiáng)顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度，并產(chǎn)生玻璃和莫來石等新的物相。10/3/20234210/3/20234310/3/2023444、特種陶瓷特種陶瓷是指相對(duì)于普通陶瓷而言，新開展起來的陶瓷，主要包括以耐高溫、高耐磨、耐腐蝕為特征的結(jié)構(gòu)陶瓷，如軸承陶瓷；以及進(jìn)行能量和信號(hào)轉(zhuǎn)換的功能陶瓷，如壓電陶瓷。特種陶瓷與普通陶瓷的區(qū)別:(1)在原材料方面普通陶瓷以天然礦物如粘土、石英和長(zhǎng)石等為主要原料;而特種陶瓷那么使用經(jīng)人工合成的高質(zhì)量的粉體作為主要材料。10/3/202345(2)在結(jié)構(gòu)方面普通陶瓷材料由于化學(xué)和相組成的復(fù)雜多樣，雜質(zhì)成份和雜質(zhì)相眾多而不易控制，顯微結(jié)構(gòu)粗劣而不夠均勻，多氣孔；特種陶瓷那么一般化學(xué)和相組成較簡(jiǎn)單明晰,純度高，即使是復(fù)相材料，也是人為調(diào)控設(shè)計(jì)添加的，所以特種陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)一般均勻而細(xì)密。(3)制備工藝方面普通陶瓷用的礦物經(jīng)混合可直接用于濕法成型，材料的燒結(jié)溫度較低，燒成后一般不需加工；而特種陶瓷用高純度粉體一般添加有機(jī)的添加劑才能適合于干法或濕法成型，材料的燒結(jié)溫度較高，燒成后一般尚需加工。10/3/202346〔4〕在性能和用途方面特種陶瓷不僅后者在性能上遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)陶瓷，而且特種陶瓷材料還開掘出普通陶瓷材料所沒有的性能和用途。普通陶瓷材料一般限于日用和建筑使用；特種陶瓷具有不同的特殊性質(zhì)和功能，從而使其在高溫、機(jī)械、電子、宇航、醫(yī)學(xué)工程等方面得到廣泛的應(yīng)用。10/3/20234710/3/202348特種陶瓷的主要制備工藝是粉末制備，成型和燒結(jié)。其工藝流程圖如下：4.1特種陶瓷的制備工藝粉體制備原料處理成型燒結(jié)加工成品熱成型10/3/2023494.1.1粉體制備方法特種陶瓷的原料具有下述特點(diǎn)：純度高；顆粒細(xì)?。恢粎⒓雍苌偕踔镣耆粎⒓又蹌┡c提高可塑性的添加劑；采用原料是人工合成的粉末原料。目前制取特種陶瓷用粉體原料的方法有粉碎法和合成法兩類。合成法包括固相法、液相法和氣相法?！?〕粉碎法機(jī)械磨細(xì)是制取粉末原料最傳統(tǒng)的方法。10/3/202350〔2〕固相法制備陶瓷粉體①化學(xué)反響法BaCO3+TiO2→BaTiO3+CO2↑②熱分解反響法CaCO3→CaO+CO2↑③氧化物復(fù)原法SiO2+2C→SiC+CO2↑④直接固態(tài)反響法Si+C=SiC 10/3/202351〔3〕液相法制備陶瓷粉體①沉淀法沉淀法是在可溶性前驅(qū)物溶液中添加適當(dāng)?shù)某恋韯沟萌芤褐械年栯x子生成不溶性沉淀，然后再經(jīng)過濾、洗滌、枯燥、加熱分解等工藝來合成粉體，該法具有反響過程簡(jiǎn)單、本錢低等優(yōu)點(diǎn)。②溶膠-凝膠法〔Sol-Gel法〕將金屬氧化物或氫氧化物的溶膠變?yōu)槟z，經(jīng)枯燥、煅燒，制得高純度超細(xì)氧化物粉末。③水熱法是指在密封壓力容器中，以水或其他溶劑作為溶媒〔也可以是固相成分之一〕，在高溫〔＞100℃〕、高壓條件下制備、研究材料的一種方法。10/3/202352〔4〕氣相法制取陶瓷粉體①蒸發(fā)-凝聚法〔PVD〕將原料用電弧或等離子體高溫加熱至氣化，然后在加熱源與環(huán)境之間很大的溫度梯度條件下急冷，凝聚成粉狀顆粒。②化學(xué)氣相反響法〔CVD〕化學(xué)氣相反響法是采用揮發(fā)性金屬化合物蒸氣通過化學(xué)反響合成所需物質(zhì)的方法。10/3/2023534.1.2成型技術(shù)模壓成型、注漿成型等技術(shù)可用于特種陶瓷的成型。此外，為了保證特種陶瓷制品的優(yōu)異性質(zhì)，可采用以下方法成型，以提高坯體的致密度、均勻性或尺寸精度等。〔1〕冷等靜壓法〔2〕注射成型法〔3〕軋模成型10/3/2023544.1.3燒結(jié)技術(shù)〔1〕普通燒結(jié)普通陶瓷多半在隧道窯中進(jìn)行。但特種陶瓷主要在電爐中進(jìn)行。采用的燒結(jié)氣氛由產(chǎn)品性能需要和經(jīng)濟(jì)因素決定，可以用保護(hù)氣氛〔如氬、氮?dú)獾取?，也可在真空或空氣中進(jìn)行?！?〕熱壓燒結(jié)將干粉末填入模具內(nèi)，再從單軸方向施加壓力，并同時(shí)進(jìn)行燒結(jié)。這個(gè)一種成型與燒結(jié)同時(shí)進(jìn)行的工藝方法。采用熱壓燒結(jié)，使燒結(jié)機(jī)理由以擴(kuò)散為主變?yōu)樗苄粤鲃?dòng)為主，從而可在較低溫度下進(jìn)行燒結(jié)，而且得到的燒結(jié)體氣孔率低，組織致密。10/3/202355〔3〕熱等靜壓燒結(jié)熱等靜壓燒結(jié)是使材料在加熱過程中經(jīng)受各向均衡的氣體壓力，在高溫高壓同時(shí)作用下使材料致密化的燒結(jié)工藝。此外還有反響燒結(jié)、液相燒結(jié)、自蔓延高溫合成燒結(jié)等。10/3/202356特種陶瓷從性能上可分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷是指具有力學(xué)和機(jī)械性能及局部熱學(xué)和化學(xué)功能的先進(jìn)陶瓷，特別適于高溫下應(yīng)用的那么稱為高溫結(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)及耦合效應(yīng)的先進(jìn)陶瓷。隨著科學(xué)技術(shù)的開展，新材料不斷出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)陶瓷與功能陶瓷的界限也逐漸淡化，有些材料同時(shí)具備優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能與優(yōu)良的功能。10/3/202357功能陶瓷：電、光、磁、彈性及局部化學(xué)功能特種陶瓷

結(jié)構(gòu)陶瓷：機(jī)械、耐熱性及局部化學(xué)功能10/3/202358結(jié)構(gòu)陶瓷應(yīng)用耐熱方面：發(fā)動(dòng)機(jī)及高溫耐熱部件機(jī)械方面：耐磨部件、軸承、切削工具、內(nèi)燃機(jī)部件等?；瘜W(xué)生物方面：耐腐蝕部件、催化劑載體以及人造骨頭等。4.2結(jié)構(gòu)陶瓷10/3/20235910/3/202360〔1〕氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷又稱剛玉瓷，氧化鋁陶瓷一般是指以α-Al2O3為主晶相的陶瓷材料，其Al2O3含量在75％～99.9％之間。是用途最廣泛，原料最豐富，價(jià)格最低廉的一種高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。根據(jù)Al2O3含量和添加劑的不同，有不同系列的氧化鋁陶瓷，例如Al2O3含量在75%，85％，95％和99%的分別稱為75瓷，85瓷，95瓷和99瓷；根據(jù)其主晶相的不同又可分為莫來石瓷、剛玉-莫來石瓷和剛玉瓷；根據(jù)添加劑的不同又分鉻剛玉、鈦剛玉等。10/3/202361Al2O3陶瓷制品具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度等性能，所以可以作為冶煉高純金屬和生長(zhǎng)單晶用的坩堝以及各種高溫爐的結(jié)構(gòu)件，發(fā)動(dòng)機(jī)用的火花塞、耐熱涂層等。在化工領(lǐng)域可用作各種反響器皿、反響管道、化工泵等。氧化鋁含量高于95%以上的Al2O3陶瓷具有優(yōu)異的電絕緣性能和較低的介質(zhì)損耗特點(diǎn)，在電子、電器方面十分應(yīng)該廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。利用Al2O3高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，可制作機(jī)械部件、拉絲模、固體物料噴嘴、刀具、磨料、磨具、裝甲防護(hù)材料、人造骨等。10/3/202362〔2〕

氧化鋯陶瓷二氧化鋯〔ZrO2〕有三種晶型。當(dāng)由四方ZrO2冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變到單斜ZrO2時(shí)，體積膨脹，且轉(zhuǎn)變溫度為1000℃左右。由于二氧化鋯單斜型與四方型之間的可逆轉(zhuǎn)變有體積效應(yīng)，使陶瓷燒成時(shí)容易開裂。參加適量的CaO，MgO，Y2O3等氧化物，使得二氧化鋯冷卻時(shí)沒有體積效應(yīng)，經(jīng)過處理的二氧化鋯稱為穩(wěn)定二氧化鋯。ZrO2陶瓷有很好的力學(xué)性能，同時(shí)熱傳導(dǎo)系數(shù)小，隔熱效果好，而熱膨脹系數(shù)又比較大，比較容易與金屬部件匹配，在目前所研制的陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)中用于汽缸內(nèi)壁、活塞、缸蓋板、氣門座和氣門導(dǎo)桿，其中某些部件是與金屬復(fù)合而成的。10/3/2023634.3功能陶瓷功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷的產(chǎn)值比約為3∶1，世界功能陶瓷的產(chǎn)值約70—80億美元，按品種及產(chǎn)值百分率分以下幾種：電容器21%磁性瓷18%壓電瓷11.4%熱敏電阻5.6%傳感元件5.1%基片2.4%變阻器1.9%陶瓷封裝15—16%主要用于以下行業(yè)：計(jì)算機(jī)、通信、電視、播送、家用電器、空間技術(shù)、自動(dòng)化、汽車及醫(yī)療等。10/3/202364

10/3/202365近幾年功能陶瓷有以下幾方面開展趨向：①微電子技術(shù)推動(dòng)下的微型化(薄片化)和高速度化；②在平安和環(huán)保的促進(jìn)下，開展傳感器和多孔瓷；③重視各種功能材料的復(fù)合技術(shù)；④開始進(jìn)入智能化階段10/3/2023664.3.1電介質(zhì)陶瓷材料可按其對(duì)外電場(chǎng)的響應(yīng)方式分為兩類:一類以電荷長(zhǎng)程遷移級(jí)即以傳導(dǎo)的方式對(duì)外電場(chǎng)作出響應(yīng)，這類材料稱為導(dǎo)電材料。另一類以感應(yīng)的方式對(duì)外電場(chǎng)作出響應(yīng)，即沿電場(chǎng)方向產(chǎn)生電偶極矩或偶極矩的改變，這類材料稱為電介質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。通常，絕緣體都是典型的電介質(zhì)。10/3/202367電介質(zhì)陶瓷是指電阻率大于108Ω·m的陶瓷材料，能承受較強(qiáng)的電場(chǎng)而不被擊穿。電介質(zhì)壓電體熱釋電體鐵電體圖2－1各種電介質(zhì)陶瓷間的相互關(guān)系

10/3/202368〔1〕電絕緣陶瓷絕緣材料在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。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。體積電阻率〔ρ〕≥1012Ω·cm介電強(qiáng)度〔DS〕≥104kV·mm-1介電常數(shù)〔ε〕=2×10-4_9×10-3損耗因子〔tanδ〕≤0.00110/3/202369隨著電子工業(yè)的開展，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.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陶瓷制成的。目前應(yīng)用較成熟的基片材料和管殼材料是氧化鋁陶瓷。10/3/202370目前國(guó)內(nèi)外主要采用Al2O3陶瓷作為集成電路基板材料。近年來，隨著半導(dǎo)體元件向高性能、高密度、小型化、低本錢方向開展，迫切希望導(dǎo)熱系數(shù)大的陶瓷基板。通過研究，金剛石和立方氮化硼〔BN〕作為高導(dǎo)熱材料用于半導(dǎo)體基片和封裝等優(yōu)于其他材料，但價(jià)格高，大量生產(chǎn)還有假設(shè)干技術(shù)問題有待解決。此外SiC和BeO也是較理想的材料，SiC燒結(jié)困難，BeO在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生毒害限制了它的開展。采用少量BeO作為助燒結(jié)劑，用熱壓燒結(jié)法可制成高導(dǎo)熱系數(shù)SiC基板，其導(dǎo)熱系數(shù)為金屬鋁的1.2倍。10/3/202371氮化鋁〔AlN〕作為高導(dǎo)熱材料具有巨大的潛力，可以取代BeO、SiC，甚至局部取代Al2O3.AlN陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)雖比SiC和BeO陶瓷略低，但比Al2O3陶瓷約高8-10倍，且體積電阻率，擊穿強(qiáng)度、介電損耗等電氣性能可與Al2O3陶瓷媲美，且介電常數(shù)較低，機(jī)械強(qiáng)度較高，熱膨脹系數(shù)為4.410-6/℃，接近于Si，可進(jìn)行多層布線，是很有開展前途的基板材料。10/3/202372(2)電容器陶瓷陶瓷電容器是現(xiàn)代電子線路中必不可少的元件，每個(gè)電視機(jī)或錄像機(jī)中都含有100~200個(gè)陶瓷電容器。由于陶瓷的介電特性好，可以制成體積小、容量大的電容器。目前，電子技術(shù)向著高頻方向開展。電視機(jī)超高頻〔UHF〕的頻率為300MHz，通訊衛(wèi)星的頻率在10000MHz以上，只有陶瓷電容器才能在10000MHz以上的頻率有效地工作。

10/3/202373電容器陶瓷材料在性能方面有以下要求：①陶瓷的介電常數(shù)應(yīng)盡可能的高②穩(wěn)定性好③介質(zhì)損耗角正切要小④比體積電阻要求高于1010Ω·m⑤高的介電強(qiáng)度陶瓷電容器以其體積小、容量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高頻特性優(yōu)良、品種繁多、價(jià)格低廉、便于大批量生產(chǎn)而廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電器、通信設(shè)備、工業(yè)儀器儀表等領(lǐng)域。10/3/202374〔3〕微波介質(zhì)陶瓷微波介質(zhì)陶瓷是指應(yīng)用于微波頻段〔主要是300MHz~30GHz頻段〕電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶瓷，是現(xiàn)代通訊中廣泛使用的諧振器、濾波器、介質(zhì)基片、介質(zhì)導(dǎo)波回路等微波元器件的關(guān)鍵材料。物相以鈦酸鹽為多，組成比較復(fù)雜，例如：mBaO.n[(1-y-z)La2O3.ySm2O3.zBi2O3].pTiO2介質(zhì)濾波器在通信中也是必不可少的電子器件。微波介質(zhì)陶瓷制成的諧振器與金屬空腔諧振器相比，具有體積小、質(zhì)量輕、溫度穩(wěn)定性好、價(jià)格廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。已在便攜式移動(dòng)、汽車、無繩、電視衛(wèi)星接受器、軍事雷達(dá)及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等方面有著十分重要的應(yīng)用。10/3/20237510/3/202376〔4〕壓電陶瓷電介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下，可以使它的帶電粒子相對(duì)位移而發(fā)生極化。某些電介質(zhì)晶體也可以通過機(jī)械力作用而發(fā)生極化，并引起外表電荷的現(xiàn)象稱為(正)壓電效應(yīng)。對(duì)晶體施加電壓時(shí)，晶體發(fā)生變形的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。陶瓷是大量晶粒的聚集體，盡管單個(gè)晶粒表現(xiàn)出壓電性，但由于各個(gè)晶粒的效應(yīng)相互抵消，總體上表現(xiàn)不出壓電性。如果在鐵電陶瓷片兩側(cè)放上電極，進(jìn)行極化，使內(nèi)部晶粒定向排列，陶瓷便具有壓電性，成為壓電陶瓷。10/3/202377壓電陶瓷種類壓電陶瓷材料主要有鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛〔PZT〕、改性PZT和其它三元體系。目前應(yīng)用最多的是PZT和改性PZT。壓電材料的晶體結(jié)構(gòu)隨溫度而變化。如BaTiO3和PbTiO3，當(dāng)溫度高于Tc時(shí)，晶格為立方晶系，低于Tc那么轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄?，Tc稱為相變溫度，立方晶格為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，無壓電效應(yīng)；轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄Ц駮r(shí)，存在壓電效應(yīng)，所以Tc又稱為居里溫度。10/3/202378PbTiO3立方晶相〔a〕和四方晶相〔b〕結(jié)構(gòu)示意圖10/3/202379壓電陶瓷中,電疇在極化前后變化的示意圖10/3/202380壓電陶瓷的應(yīng)用成熟的壓電產(chǎn)品有濾波器、蜂鳴器、點(diǎn)火器、壓電陀螺、換能器等，主要用于電視、通信(包括無繩和移動(dòng))、水聲、雷達(dá)、導(dǎo)航、醫(yī)療、自動(dòng)化等領(lǐng)域10/3/20238110/3/202382〔5〕熱釋電陶瓷熱釋電效應(yīng)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ΔT而導(dǎo)致自發(fā)極化的變化，在晶體的一定方向上產(chǎn)生外表電荷，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。 ΔPs＝PΔT ΔPs——自發(fā)極化的變化量；P——熱釋電系數(shù)；ΔT——溫度的變化量。10/3/202383由上述可知，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；二是有溫度變化，即熱釋電效應(yīng)是反映材料在溫度變化狀態(tài)下的性能。10/3/202384熱釋電探測(cè)器的工作過程為：①接收輻射〔紅外輻射〕產(chǎn)生溫升；②由于溫升而引起熱釋電晶片外表電荷的變化〔極化變化〕；③由于晶體片外表電荷變化引起晶片上、下外表電勢(shì)差的變化，通過放大器使其轉(zhuǎn)換成電壓或電流進(jìn)行測(cè)量。10/3/202385①自動(dòng)開關(guān)和報(bào)警人體熱輻射傳感器。由于熱釋電探測(cè)器在室溫下工作，有很寬的響應(yīng)光譜及很快的響應(yīng)速度，這種探測(cè)器的理想應(yīng)用場(chǎng)合。如：門自動(dòng)開關(guān)、入侵者報(bào)警器、來客報(bào)信機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)。②火焰探測(cè)火焰探測(cè)器常用可能出現(xiàn)明火的場(chǎng)合，如石油平臺(tái)、儲(chǔ)油罐等，并已開始用于自動(dòng)滅火系統(tǒng)。③紅外測(cè)厚計(jì)假設(shè)塑料對(duì)紅外某一波長(zhǎng)有吸收峰，從紅外線吸收量可以監(jiān)控塑料板或薄膜的厚度，測(cè)量準(zhǔn)確