功能陶瓷材料课件.ppt

1、1第五章 功能陶瓷材料材料学院 王琳25.1.1、陶瓷材料的发展概况5.1.2、功能陶瓷的定义、范围和分类5.1.3、功能陶瓷的性能与工艺特征5.1.4、功能陶瓷的应用和展望5.1.5、制备陶瓷材料的原料 3在人类生活和社会建设中是不可缺少的材料，它和、并列为当代。 我国的历史悠久、成就辉煌，它是中华文明的伟大象征之一，在我国的文化和发展史上占有极其重要的地位。4新石器时代先进陶瓷阶段纳米陶瓷阶段5远在几干年前的，我们的祖先就已经用作原料，塑造成各种器皿，再在火堆中烧成坚硬的可重复使用的，由于烧成温度较低，陶器仅是一种含有、的未完全烧成制品。6以后大约在2000年前的，人们利用为原料，加上的发

2、明，以及的不断改进，使陶瓷步入瓷器阶段，这是陶瓷技术发展史上意义重大的里程碑。以石英、长石、硼砂、黏土等为原料制成的东西，涂在瓷器、陶器外面，烧制后，可增加陶瓷的机械强度和绝缘性能。7都是以为主要原料与其他天然矿物原料经一等过程制成的。如常见的日用陶瓷、建筑陶瓷、电瓷等传统陶瓷。由于的主要原料取之于自然界的(如黏土、长石、石英等)，所以可归为硅酸盐类材料和制品。从的出现到，这一阶段持续了四千余年。820世纪以来，随着人类对宇宙的探索、原子能工业的兴起和电子工业的迅速发展，从、到等方面，对均提出越来越高的要求。从而，促使发展成为一系列具有特殊功能的。9如、等各种高温和功能陶瓷。这时，陶瓷研究进入

3、第二个阶段。10（Advanced ceramics）又称，是为了有别于而言的。有时也称为(Fine Ceramics)、(New Ceramics)、(Special Ceramics)和(High-Tech. Ceramics)等。11在陶瓷制备技术飞速发展。在有成形、成形、成形、成形、成形等成形方法；在则有烧结、烧结、烧结、烧结、烧结、烧结等。12在采用的已不再使用或很少使用等传统原料，而已扩大到和，甚至是、原料，组成范围也延伸到范围。此时可认为，已是用陶瓷生产方法制造的和的统称。13到20世纪90年代，陶瓷研究已进入第三个阶段-。所谓，是指显微结构中的物相就有纳米级尺度的陶瓷材料。它包

4、括、等均在纳米量级的尺度上。14从性能上可把分为(Structral ceramics)和(Functional Ceramics)两大类。15 是指具有和及部分的先进陶瓷(现代陶瓷)，特别适于高温下应用的则称为。是指那些利用、等直接效应及其耦合效应所提供的一种或多种性质来实现某种的先进陶瓷(现代陶瓷)。品种多、产量大、价格低、应用广、功能全、技术高、更新快。16通过对的化学、物理及组成、结构、性能和使用效能间相互关系的研究，已陆续发现了一大批具有，并可借助于离子置换、掺杂等方法调节、优化其性能，功能陶瓷材料研究已开始从逐步走向。17的实现，主要取决于它所具有的，而在范围中，又必须针对，去改善

5、、提高某种有效的性能，以获得有某种功能的陶瓷材料。18一般来说，要来，需从以下两个方面入手：通过，即以改善和提高，达到获得优质材料的目的。 从材料的组成上直接、其内在的品质，包括采用、，使不同相在微观级复合，进而形成不同性质的晶界层等。19是指原料的和、和条件、和烧结状态，以及和等。无论是还是，最终都是通过材料，才能体现出。20因此，要想达到，或者进行，必须综合考虑组成、工艺、微观结构等诸多因素，这是个系统工程。下图表示了陶瓷功能与组成、工艺、性能和结构的关系。21陶瓷功能与组成、工艺、性能、结构的关系22的不断开发，对科学技术的发展起了巨大促进作用，功能陶瓷的应用领域也随之更为广泛。 目前，

6、主要用于电、磁、光、声、热和化学等、和等，并已在电子信息、集成电路、计算机、能源工程、超声换能、人工智能、生物工程等众多近代科技领域显示出广阔的应用前景。23根据功能陶瓷组成结构的和，可以制备超高绝缘性、绝缘性、半导性、导电性和超导电性陶瓷； 根据功能陶瓷和，可以制备压电、光电、热电、磁电和铁电等陶瓷；根据功能陶瓷对，则可制备热敏、气敏、湿敏、压敏、磁敏和光敏等敏感陶瓷。24在向着、多相乃至与、薄膜技术等方向发展。 在的主要研究方向应包括：及其；、的及其； 超高速大容量超导计算机用；多层封装立体布线用的；量大面广、低烧、高比容、高稳定性的等。 25由多相的所构成，所用原料大部分是或，其中多为。

7、这些或种类繁多，资源蕴藏丰富，且分布极广。某些对原料的要求很高，需要采用且的人工合成原料。26根据分为：可塑性原料(也称瘠性原料)、熔剂性原料。根据分为：瓷坯原料、瓷釉原料、色彩及彩料原料。 根据分为：黏土质原料、硅质原料、长石质原料、钙质原料、镁质原料。根据分为：矿物原料、化工原料。27综合对于的两方面要求，根据原料的可以把所需要的主要归纳为三大类： 具有可塑性的 具有非可塑性的 28除上述的中所需的三大原料外，陶瓷釉料还常常需用各种特殊的熔剂原料，包括采用各种化工原料。陶瓷工业中需用的主要是和，以及各种外加剂如、和等。29是日用陶瓷和工业用陶瓷的主要原料之一。黏土是多种的混合体，其矿物的粒

8、径多数小于2um，主要是由和组成的并具有一定特性的(其中主要是具有可塑性)。我国资源丰富，产地遍及全国。：高岭石类、蒙脱石类、伊利石类和水铝英石。：黏土的组成可从几个方面来分析，一般可从矿物组成、化学组成和颗粒组成三个方面来进行分析。30黏土的性质对陶瓷的生产有很大的影响。它主要包括可塑性、结合性、离子交换性、触变性、干燥收缩和烧成收缩、烧结温度与烧结范围和耐火度等。 主要取决于黏土的、与。其中，矿物组成是基本因素。 黏土在加热过程中的变化包括两个阶段：与。31概括为五个方面：1)是陶瓷坯泥赖以成形的基础。2)黏土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。3)黏土一般呈细分散颗粒，同时具有结合性。4

9、)黏土是陶瓷坯体烧结时的主体，黏土中的和是决定陶瓷坯体的烧结程度、烧结温度和软化温度的主要 因素；5)黏土是形成陶器主体结构和瓷器中莫来石晶体的主要来源。32石英的种类。自然界中的可以统称为石英。其中最纯的石英晶体统称为。在陶瓷工业中，常用的石英类原料和材料有下列几种：、石英砂、和。 33石英原料的性质石英的为，常含有少量杂质成分，如Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2等。 石英是具有的酸性氧化物，除氢氟酸外，一般酸类对它都不产生作用。当石英与接触时，则能起反应而生成可溶性的硅酸盐。在高温中与碱金属氧化物作用生成与。34石英在陶瓷生产中的作用1)在烧成前是，可对泥料的可塑性起，能降

10、低坯体的干燥收缩，缩短干燥时间并防止坯体变形。2)在烧成时，石英的加热膨胀可部分地抵消坯体收缩的影响，当玻璃质大量出现时，在高温下石英能部分熔解于液相中，增加熔体的强度，而未熔解的石英颗粒，则构成坯体的骨架，可防止坯体发生软化变形等缺陷。3)在瓷器中，石英对有着很大的影响，合理的石英颗粒能大大，否则效果相反。同时，石英也能使瓷坯的透光度和白度得到改善。4)在釉料中，二氧化硅是生成玻璃质的主要组分，增加釉料中能提高釉的熔融温度与黏度，并减少釉的线胀系数。同时它是赋予釉以高的力学强度、硬度、耐磨性和耐化学侵蚀性的主要因素。 35是陶瓷原料中最常用的，在陶瓷生产中用作坯料、釉料、色料、熔剂等的基本组

11、分，其用量较大，是陶瓷三大原料之一。长石的和：长石是地壳上分布广泛的造岩矿物。 根据的结构特点，可分为：钠长石、钾长石、钙长石和钡长石。36长石在陶瓷生产中的作用如下： 在高温下熔融，形成黏稠的玻璃熔体，是坯料中碱金属氧 化物(K2O、Na2O)的主要来源，能，。 熔融后的熔解部分高岭土分解产物和石英颗粒。液 相中Al2O3和SiO2互相作用，促进的形成和长大，赋 予了坯体的力学性能和化学稳定性。能填充于各结晶颗粒之间，有助于和。在釉料中长石是主要。长石作为瘠性原料，在生坯中还可以，等。37类 385.39在电气电路或电子电路中所起的作用主要是根据电路设计要求将导体物理隔离，以防电流在它们之间

12、流动而破坏电路的正常运行。40即，电子技术中首先要求绝缘材料不导电，即要求尽量高，也尽量高。此外，还起着导体的、及等作用。一般将能起上述作用的陶瓷称为。41可分为和两大系列；无论是哪种系列的绝缘陶瓷，要成为一种优异的绝缘陶瓷，它必须具备如下性能：( ) = 1012 cm( r)=30(tg )=5.0kV/mm42作为一种传统的绝缘陶瓷已有100多年的历史。而与相比，则是后起之秀，它在近代电子技术中所起的作用是前者无法比拟的。 比如，在众多的，如收录机、彩色电视机和录像机中，在(IC)，(LSI)和(VLSI)中，在等高技术产品中，甚至在航空、航天等中，已较大量使用。43一、44应用固体能带

13、理论，可以成功地解释固体的、和。固体能带中那些被电子完全占满的叫，未被电子占据的叫，满带和导带之间的距离称之为。45如果(在几个电子伏特以上)，满带的电子就难以被激发而超越禁带进入导带，也即认为电子几乎无法迁移，那么固体便成为。实际上，这种只有时才能获得。46很多是典型的或。在这种情况下，对具有足够宽度禁带区的而言，固体中的另一种导电机理-就变得十分重要了。它主要是而发生的电导行为。47一般情况下， i表示如下: i = n . q . i式中 ， n-单位体积中可迁移的离子数； q-离子的电荷； i-离子的迁移率。48下式给出了 的具体表达式： i = q Di / kT式中， Di离子的扩

14、散系数 k玻耳兹曼常数， T绝对温度(K)。 而可由下式给出：Di = A exp (- E / kT ) 式中， E-激活能 A-频率系数。49 50可知，随的升高呈指数增加。由下式51和影响离子导电，扩散系数又与及穿越缺陷的有关。通常情况下，越易扩散，其激活能的数值也越小。52因此，在绝缘陶瓷中应尽可能的存在(尤其是钠离子)，因为这些离子可形成相当强烈的电导，使材料的。53一般而言，是粉体原料经过而得到的多相多晶材料。陶瓷的微观结构主要可分为、和三部分。通常和的绝缘性能好，而往往在高温下显示。由于基质部分杂质浓度较高，在组织上又是连续相，所以陶瓷的绝缘性容易受基质相的影响。54固体内部存在

15、的对绝缘性能的破坏不大，但当表面存在气孔时，因和将使表面绝缘性显著劣化。因此，原则上绝缘陶瓷应选择、的致密材料，并根据使用情况的不同在其表面以防止污染和吸潮。 55通常情况下，与材料的、材料中的多少有关。材料，杂质含量越少，则它们的。这是因为绝缘陶瓷中若有杂质引入，则会像掺杂半导体那样，在禁带中产生，从而使，电阻率下降，结果使绝缘强度下降。56按可分为和两大类。绝缘陶瓷已得到广泛应用，而绝缘陶瓷是70年代才发展起来的，57目前应用的主要有，如Si3N4、BN、AlN等。除外，近年来又发展了，如人工合成云母、人造蓝宝石、尖晶石、氧化铍及石英等。58绝缘陶瓷的工业应用历史较早，在1850年左右，作

16、为电绝缘器材，使用于铁路通信线路。1880年美国在电力输电线路中开始使用，目前，已能制造出耐压500kV以上的超高压输电用。随之，汽车付诸应用，这是一种需求量极大的绝缘陶瓷。59随着的发展，集成电路、大规模集成电路以及超大规模集成电路相继问世，这类电路需要、及等一系列性能优良的绝缘陶瓷作为电路的。于是，高性能的A12O3瓷和BeO瓷作为而被大量使用在这类电路中，且性能与生产工艺不断得以改进。60由于电路设计者一直致力于、的电路设计与制造，例如在一块小小的硅片上安放37,000,000个晶体管。对于如此，其及势必成为确保此类电路可靠性的重要因素。于是，近10年来，的SiC瓷与AlN瓷被研究与开发

17、。61是一种把大量微型晶体管电路元件组装在一块基片上所构成的、的电路，这类电路通常要封装在集成电路的管壳之内。这种高质量的一般是由制成的。目前，应用较成熟的和是氧化铝陶瓷。62由于具有良好的、及较高的与较好的，而且，表面均匀平整，因此，氧化铝陶瓷还是目前主要的。63 5.3.1、概 述5.3.2、表征多孔陶瓷材料5.3.3、多孔陶瓷的5.3.4、多孔陶瓷的64是一种经高温烧成、体内具有大量彼此相通并与材料表面也相贯通的陶瓷材料。多孔陶瓷的种类很多，几乎目前研制及生产的所有陶瓷均可以制成多孔体。65根据和，多孔陶瓷可分为三类：粒状陶瓷； 泡沫陶瓷；蜂窝陶瓷。陶瓷的列于下表。多孔陶瓷多孔陶瓷泡沫陶

18、瓷泡沫陶瓷蜂窝陶瓷蜂窝陶瓷粒状陶瓷结体粒状陶瓷结体气孔率气孔率/%809070305066根据，陶瓷可分为1000 um到几十微米的0.2 20 um的0.2 um到几纳米的67 ；具有； ；具有高度开口、内连的气孔； 几何高； ，。68一般可用下述三个参数来表征多孔陶瓷材料特性：气孔率；平均孔径、最大孔径和孔道长度；渗透能力。69把占的百分率定义为气孔率。最常用的多孔陶瓷的制备方法是依靠而形成孔道。70多孔陶瓷的可以用、等方法来进行测试。是假设材料孔道均为，流体在外力作用下，通过毛细管时，将遵循下式：71式中，D-毛细管直径； -流体的表面张力； P-使流体通过毛细管所需之压力; -流体的材

19、料的浸润角。PDcos472一般认为，多孔材料用于时，被滤阻的粒子尺寸为最大孔径的1/10多孔材料用于时，被滤阻的粒子尺寸为最大孔径的120。73在多孔陶瓷材料两侧存在一定压力差的条件下，指材料透过流体的能力，一般用或来表征。7475一般是将粒状和、与混合、成型、干燥、烧成。其中，包括Al2O3、SiC和玻璃等。76分为(如碳粒)和(如碳酸钙)。在烧结时，逸出气体起，形成连通开孔。77在烧结时，形成液相烧结，将骨料颗粒结合起来；同时，在骨料之间形成孔隙。除气孔率较大外，同一般陶瓷烧结体无大差别。78是采用机械加工方法制成许多，孔径110mm的薄壁多孔结构。79泡沫陶瓷的结构是重复的十二面体复杂

20、图形。泡沫陶瓷可从1.2孔/cm的最大孔到39.37孔/cm的极细孔。80泡沫陶瓷的略有别于，它采用特别严密的(如聚氨酯)为载体，进而加工成所需形状、尺寸等。81必须混合成，即。这种有利于泡沫纤维的适宜涂覆，而且没有过量的排液。 陶瓷料浆组成，通常为(重量)1040。为了获得更好的性能，可分别添加15的、。一种陶瓷料浆的组成，见下表所示：82陶瓷料浆的组成83 Al2O3-，它与铜、铝熔体不起化学反应； Cr2O3-与Al2O3配合，有很好的性能和性能； 膨润土-泡沫结构材料的，烧结时产生玻璃相，增加流动性； 高岭土-与膨润土有相似作用； AlPO4-是一种或，无需加热即可使陶瓷浆硬化(但最好

21、还是经烘干)，它与金属熔体不起化学反应。 AlPO4最好配成使用。8485因为和等多孔陶瓷材料具有、的特点，因此，在金属熔体中，泡沫陶瓷作为一种新型高效过滤器，得到人们的重视。近年来，国内外对于利用对或的过滤净化技术进行了大量研究，取得明显的效果。86一些在浇注过程中，会产生大量的，而且部分微小夹杂物呈分布于液态合金中；另外，原料本身也存在部分杂质。 利用传统难以去除上面的这些和，直接影响合金质量。87 因为这些微小给合金的力学性能、耐腐蚀性、铸造性能以及加工性能带来极为不良的影响。 采用进行，不仅能有效去除，消除，而且可大幅度。88用或有效地捕获柴油机尾气中小于lum的； 精密气动装置或液压

22、装置中利用孔径约为20um的陶瓷过滤器，可；89用作尘埃阻滤元件,可测定1000高温烟气中0.5um以上的； 利用碳化硅制成的孔径约40um的多孔陶瓷可用于；以最大孔径为0.9um的多孔陶瓷过滤管可。90由于具有良好的，被覆催化剂后，反应流体通过多孔陶瓷孔道后，将大大提高和。91利用制成的，可快速测出土壤中的水分变化，其取决于材料的气孔率及孔径。多孔陶瓷片两侧后，插入土壤中，将由陶瓷片的电阻值变化而反映出来。92在电解法生产双氧水工艺中，用多孔陶瓷作为，控制其孔径小于0.5um及渗透性指标，可大大，和，效率可提高50以上。93利用多孔陶瓷的可使高速排气管的排气速度降低。如排气速度降低1/2，则噪声衰减24dB。中国在实际应用中取得了降低噪声2535dB的效果。94 孔径为10 600um的多孔陶瓷用于化工、冶炼等过程，可而加速反应。 目前城市废水处理的中，已使用了大量或进行布气。/10/2995.