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第五章第五章 功能陶瓷材料功能陶瓷材料材料学院 王琳1PPT课件5.1 陶瓷材料与功能陶瓷陶瓷材料与功能陶瓷5.1.1、陶瓷材料陶瓷材料的的发展概况展概况5.1.2、功能陶瓷功能陶瓷的定的定义、范、范围和分和分类5.1.3、功能陶瓷功能陶瓷的性能与工的性能与工艺特征特征5.1.4、功能陶瓷功能陶瓷的的应用和展望用和展望5.1.5、制、制备陶瓷材料的原料陶瓷材料的原料 2PPT课件5.1.1 陶瓷材料的陶瓷材料的发展概况展概况 陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷在人在人类生活和社会建生活和社会建设中是不可缺少的材料，中是不可缺少的材料，它和它和金属材料金属材料金属材料金属材料、高分子材料高分子材料高分子材料高分子材料并列并列为当代当代三大固体材料三大固体材料三大固体材料三大固体材料。我国的我国的陶瓷研究陶瓷研究陶瓷研究陶瓷研究历史悠久史悠久、成就、成就辉煌煌，它是中它是中华文明的文明的伟大象征之一，在我国的大象征之一，在我国的文化和文化和发展史上展史上占占有极其重要的地位。有极其重要的地位。3PPT课件陶瓷的研究陶瓷的研究进程分程分为三个三个阶段段新石器新石器时代代先先进陶瓷陶瓷阶段段纳米陶瓷米陶瓷阶段段4PPT课件新石器新石器时代代远在在几干年前几干年前的的新石器新石器新石器新石器时时代代代代，我，我们的祖先就的祖先就已已经用用天然黏土天然黏土天然黏土天然黏土作原料，塑造成各种器皿，再作原料，塑造成各种器皿，再在在火堆中火堆中烧成成坚硬的可重复使用的硬的可重复使用的陶器陶器陶器陶器，由于，由于烧成成温度温度较低低，陶器，陶器仅是一种含有是一种含有较较多气孔多气孔多气孔多气孔、质质地疏地疏地疏地疏松松松松的的未完全未完全烧成成制品。制品。5PPT课件以后大以后大约在在2000年前的年前的东汉东汉晚期晚期晚期晚期，人，人们利用利用含含含含铝铝较较高的天然瓷土高的天然瓷土高的天然瓷土高的天然瓷土为原料，加上原料，加上釉釉釉釉的的发明，以及明，以及高温合高温合高温合高温合成技成技成技成技术术的不断改的不断改进，使陶瓷步入，使陶瓷步入瓷器瓷器阶段段，这是是陶瓷陶瓷技技术发展史上展史上意意义重大的里程碑。重大的里程碑。釉：釉：以以石英、石英、长石、硼砂、黏土石、硼砂、黏土等等为原料制成的原料制成的东西，涂在瓷器、陶器外面，西，涂在瓷器、陶器外面，烧制后制后发发出玻璃光出玻璃光出玻璃光出玻璃光泽泽，可增加陶瓷的可增加陶瓷的机械机械强度度和和绝缘性能性能。6PPT课件陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷都是以都是以黏土黏土黏土黏土为主要原料与其他主要原料与其他天然天然矿物原料物原料经粉碎混粉碎混粉碎混粉碎混炼炼成形成形成形成形一一煅煅煅煅烧烧等等过程制成的。程制成的。如常如常见的的日用陶瓷日用陶瓷、建筑陶瓷建筑陶瓷、电瓷瓷等等传统陶瓷。陶瓷。由于由于陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷的主要原料取之于自然界的的主要原料取之于自然界的硅酸硅酸硅酸硅酸盐矿盐矿物物物物(如如黏土黏土、长石石、石英石英等等)，所以可，所以可归为硅酸硅酸盐类材料材料和制品和制品。从从原始瓷器原始瓷器原始瓷器原始瓷器的出的出现到到近代的近代的近代的近代的传统传统陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷，这一一阶段段持持续了四千余年。了四千余年。7PPT课件先先进陶瓷陶瓷阶段段20世世纪以来，随着人以来，随着人类对宇宙的探索宇宙的探索、原子原子能工能工业的的兴起起和和电子工子工业的迅速的迅速发展，从展，从性性性性质质、品种品种品种品种到到质质量量量量等方面，等方面，对陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料均提出均提出越来越高越来越高的要求的要求。从而，促使。从而，促使陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料发展成展成为一系列一系列具具有特殊功能的有特殊功能的无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料。8PPT课件如如氧化物陶瓷氧化物陶瓷、压电陶瓷陶瓷、金属陶金属陶瓷瓷等各种等各种高温和功能陶瓷高温和功能陶瓷。这时，陶瓷研究，陶瓷研究进入第二个入第二个阶段段先先进陶瓷陶瓷阶段段。9PPT课件先先先先进进陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷（Advanced ceramics）又称又称现现代陶瓷代陶瓷代陶瓷代陶瓷，是是为了有了有别于于传统传统陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷而言的。而言的。先先先先进进陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷有有时也称也称为精精精精细细陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷(Fine Ceramics)、新型陶瓷新型陶瓷新型陶瓷新型陶瓷(New Ceramics)、特种陶瓷特种陶瓷特种陶瓷特种陶瓷(Special Ceramics)和和高技高技高技高技术术陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷(High-Tech.Ceramics)等。等。10PPT课件在在先先先先进进陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷阶阶段段段段，陶瓷制陶瓷制备技技术飞速速发展。展。在在成形方面，成形方面，成形方面，成形方面，有有等静等静等静等静压压成形、成形、热压热压注注注注成形、成形、注注注注射射射射成形、成形、离心注离心注离心注离心注浆浆成形、成形、压压力注力注力注力注浆浆成形等成形方法；成形等成形方法；在在烧结烧结方面，方面，方面，方面，则有有热压热压烧结、热热等静等静等静等静压压烧结、反反反反应应烧结、快速快速快速快速烧结、微波微波微波微波烧结、自蔓延自蔓延自蔓延自蔓延烧结等。等。11PPT课件在在先先先先进进陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷阶阶段段段段，采用的采用的原料原料原料原料已不再使用或很已不再使用或很少使用少使用黏土黏土黏土黏土等等传统原料，而已原料，而已扩大到大到化工原料化工原料化工原料化工原料和和合合合合成成成成矿矿物物物物，甚至是，甚至是非硅酸非硅酸非硅酸非硅酸盐盐、非氧化物非氧化物非氧化物非氧化物原料，原料，组成范成范围也延伸到也延伸到无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料范范围。此此时可可认为，广广广广义义的陶瓷概念的陶瓷概念的陶瓷概念的陶瓷概念已是已是用陶瓷生用陶瓷生产方法方法制造的制造的无机非金属固体材料无机非金属固体材料无机非金属固体材料无机非金属固体材料和和制品制品制品制品的的统称。称。12PPT课件纳米陶瓷米陶瓷阶段段到到20世世纪90年代，陶瓷研究已年代，陶瓷研究已进入第三个入第三个阶段段-纳纳米陶瓷米陶瓷米陶瓷米陶瓷阶阶段段段段。所所谓纳纳米陶瓷米陶瓷米陶瓷米陶瓷，是指，是指显微微结构中的物相构中的物相就有就有纳米米级尺度尺度的陶瓷材料。它包括的陶瓷材料。它包括晶粒尺寸晶粒尺寸晶粒尺寸晶粒尺寸、晶界晶界晶界晶界宽宽度度度度、第二相分布第二相分布第二相分布第二相分布、气孔尺寸气孔尺寸气孔尺寸气孔尺寸、缺陷尺寸缺陷尺寸缺陷尺寸缺陷尺寸等均等均在在纳米量米量级的尺度上的尺度上。13PPT课件5.1.2 功能陶瓷的定功能陶瓷的定义、范、范围和分和分类从性能上从性能上可把可把先先进陶瓷陶瓷分分为结构陶瓷构陶瓷(Structral ceramics)和和功能陶瓷功能陶瓷(Functional Ceramics)两大两大类。14PPT课件 结结构陶瓷构陶瓷构陶瓷构陶瓷是指具有是指具有力学力学力学力学和和机械性能机械性能机械性能机械性能及部分及部分热热学学学学和和和和化学功能化学功能化学功能化学功能的先的先进陶瓷陶瓷(现代陶瓷代陶瓷)，特，特别适于高温适于高温下下应用的用的则称称为高温高温高温高温结结构陶瓷构陶瓷构陶瓷构陶瓷。功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷是指那些利用是指那些利用电电、磁磁磁磁、声声声声、光光光光、热热、力力力力等等直接效直接效应及其及其耦合效耦合效应所提供的所提供的一种或多种性一种或多种性质来来实现某种某种使用功能使用功能使用功能使用功能的先的先进陶瓷陶瓷(现代陶瓷代陶瓷)。功能陶瓷的特点功能陶瓷的特点功能陶瓷的特点功能陶瓷的特点品种多品种多、产量大量大、价格低价格低、应用广用广、功能全功能全、技技术高高、更新快更新快。15PPT课件通通过对复复复复杂杂多元氧化物系多元氧化物系多元氧化物系多元氧化物系统统的的化学、物理及化学、物理及组成、成、结构、性能和使用效能构、性能和使用效能间相互关系的研究，已相互关系的研究，已陆续发现了一大批具有了一大批具有优优异性能或特殊功能的功能陶瓷异性能或特殊功能的功能陶瓷异性能或特殊功能的功能陶瓷异性能或特殊功能的功能陶瓷，并，并可借助于可借助于离子置离子置换、掺杂等方法等方法调节、优化其性能化其性能，功能陶瓷材料研究已开始从功能陶瓷材料研究已开始从经验经验式的探索式的探索式的探索式的探索逐步走向逐步走向按按按按所需性能来所需性能来所需性能来所需性能来进进行材料行材料行材料行材料设计设计。16PPT课件5.1.3、功能陶瓷的性能与工、功能陶瓷的性能与工艺特征特征陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能的的实现，主要取决于它所具有的，主要取决于它所具有的各种各种各种各种性能性能性能性能，而在，而在某一某一某一某一类类性能性能性能性能范范围中，又必中，又必须针对具体具体具体具体应应用用用用，去，去改善、提高某种有效的性能改善、提高某种有效的性能，以，以获得有得有某种某种功能功能的陶瓷材料。的陶瓷材料。17PPT课件一般来一般来说，要，要从性能的改从性能的改从性能的改从性能的改进进来来改善陶瓷材料的功改善陶瓷材料的功改善陶瓷材料的功改善陶瓷材料的功能能能能，需从以下两个方面入手：，需从以下两个方面入手：通通过改改改改变变外界条件外界条件外界条件外界条件，即，即改改改改变变工工工工艺艺条件条件条件条件以改善和以改善和提高提高陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能，达到，达到获得得优质材料的目的。材料的目的。从材料的从材料的组成上成上直接直接调节调节、优优化化化化其内在的品其内在的品质，包括采用包括采用非化学式非化学式非化学式非化学式计计量量量量、离子置离子置离子置离子置换换、添加不同添加不同添加不同添加不同类类型型型型杂杂质质，使不同相在微，使不同相在微观级复合，复合，进而形成不同性而形成不同性质的晶的晶界界层等。等。18PPT课件一般工一般工艺条件条件是指是指原料的原料的物理化学性物理化学性质和和状状态、加工成型方法加工成型方法和和条件、条件、烧成制度成制度和和烧结状状态，以及，以及成品的加工方法成品的加工方法和和条件条件等。等。无无论是是改改变组成成还是是改改变工工艺，最，最终都都是通是通过材料材料微微观结构的构的变化化，才能体，才能体现出出宏宏观的功能的功能变化化。19PPT课件因此，要想达到因此，要想达到自控自控自控自控设计设计材料材料材料材料，或者，或者进行行局局局局部的性能改善部的性能改善部的性能改善部的性能改善，必，必须综合考合考虑组成成、工工艺、微微观结构构等等诸多因素，多因素，这是个系是个系统工程。工程。下下图表示了表示了陶瓷功能陶瓷功能与与组成、工成、工艺、性能和、性能和结构构的关系。的关系。20PPT课件陶瓷功能与陶瓷功能与组成、工成、工艺、性能、性能、结构的关系构的关系21PPT课件5.1.4、功能陶瓷的、功能陶瓷的应用和展望用和展望功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷的不断开的不断开发，对科学技科学技术的的发展展起了起了巨大促巨大促进作用，功能陶瓷的作用，功能陶瓷的应用用领域域也随之更也随之更为广广泛。泛。目前，目前，功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷主要用于主要用于电、磁、光、声、磁、光、声、热和化学和化学等等信息的信息的信息的信息的检测检测、转换转换、传输传输、处处理理理理和和存存存存储储等，等，并已在并已在电子信息、子信息、集成集成电路路、计算机算机、能源工程能源工程、超声超声换能、能、人工智能人工智能、生物工程生物工程等众多等众多近代科技近代科技领域域显示出广示出广阔的的应用前景。用前景。22PPT课件根据功能陶瓷根据功能陶瓷组成成结构的构的易易易易调调性性性性和和可控性可控性可控性可控性，可，可以制以制备超高超高绝缘性性、绝缘性性、半半导性性、导电性性和和超超导电性性陶瓷；陶瓷；根据功能陶瓷根据功能陶瓷能量能量能量能量转换转换和和耦合特性耦合特性耦合特性耦合特性，可以制，可以制备压电、光光电、热电、磁磁电和和铁电等陶瓷；等陶瓷；根据功能陶瓷根据功能陶瓷对外外外外场场条件的敏感效条件的敏感效条件的敏感效条件的敏感效应应，则可制可制备热敏敏、气敏气敏、湿敏湿敏、压敏敏、磁敏磁敏和和光敏光敏等敏感陶等敏感陶瓷。瓷。23PPT课件在在设备设备技技技技术术方面方面方面方面向着向着多多多多层层、多相、多相乃至乃至超微超微超微超微细结细结构的构的构的构的调调控控控控与与复合复合复合复合、低温活化低温活化低温活化低温活化烧结烧结、立体布立体布立体布立体布线线、超超超超细细超超超超纯纯、薄膜技、薄膜技术等方等方向向发展。展。在在材料及材料及材料及材料及应应用方面用方面用方面用方面的的主要研究方向主要研究方向应包括：包括：智能化敏感陶智能化敏感陶智能化敏感陶智能化敏感陶瓷瓷瓷瓷及其及其传传感器感器感器感器；高高高高转换转换率率率率、高可靠性高可靠性高可靠性高可靠性、低低低低损损耗耗耗耗、大功率大功率大功率大功率的的压电压电陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷及其及其换换能器能器能器能器；超高速大容量超高速大容量超超导计算机算机用用光光光光纤纤陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料；多多层封装封装立体布立体布线用的用的高高高高导热导热低介低介低介低介电电常数陶瓷基板材料常数陶瓷基板材料常数陶瓷基板材料常数陶瓷基板材料；量大面广量大面广、低低烧、高比容高比容、高高稳定性定性的的多多多多层层陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷电电容器材容器材容器材容器材料料料料等。等。24PPT课件5.1.5、制、制备陶瓷材料的原料陶瓷材料的原料陶瓷材料制品陶瓷材料制品陶瓷材料制品陶瓷材料制品由多相的由多相的无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料所构成，所用原料所构成，所用原料大部分是大部分是天然的天然的天然的天然的矿矿物原料物原料物原料物原料或或岩石原料岩石原料岩石原料岩石原料，其中多，其中多为硅酸硅酸硅酸硅酸盐矿盐矿物物物物。这些些天然的天然的天然的天然的矿矿物原料物原料物原料物原料或或岩石原料岩石原料岩石原料岩石原料种种类繁多繁多，资源源蕴藏丰藏丰富富，且，且分布极广分布极广。某些某些陶瓷材料制品陶瓷材料制品陶瓷材料制品陶瓷材料制品对原料的要求很高，需要采用原料的要求很高，需要采用均一均一均一均一且且高高高高纯纯度度度度的的人工合成原料人工合成原料。25PPT课件(一一)原料分原料分类根据根据原料工原料工原料工原料工艺艺特性特性特性特性分分为：可塑性原料可塑性原料(也称瘠性原料也称瘠性原料)、熔熔剂性原料性原料。根据根据原料的用途原料的用途原料的用途原料的用途分分为：瓷坯原料瓷坯原料、瓷釉原料瓷釉原料、色彩色彩及及彩料原料彩料原料。根据根据原料的原料的原料的原料的矿矿物物物物组组成成成成分分为：黏土黏土质原料原料、硅硅质原料原料、长石石质原料原料、钙质原料原料、镁质原料原料。根据根据原料原料原料原料获获得的方式得的方式得的方式得的方式分分为：矿物原料物原料、化工原料化工原料。26PPT课件综合合陶瓷制品陶瓷制品对于于原料原料的两方面要求，根的两方面要求，根据原料的据原料的工工艺特性特性可以把所需要的可以把所需要的陶瓷原料陶瓷原料主主要要归纳为三大三大类：具有可塑性的具有可塑性的黏土黏土类原料原料 具有非可塑性的具有非可塑性的石英石英类原料原料 熔熔剂原料原料27PPT课件除上述的除上述的陶瓷坯体陶瓷坯体中所需的三大原料外，中所需的三大原料外，陶瓷釉料陶瓷釉料还常常需用各种特殊的常常需用各种特殊的熔熔剂原料原料，包括采用各种化工原料。包括采用各种化工原料。陶瓷工陶瓷工业中需用的中需用的辅助材料助材料主要是主要是石膏石膏和和耐火材料耐火材料，以及，以及各种外加各种外加剂如如助磨助磨剂、助助滤剂、解凝解凝剂、增塑增塑剂和和增增强剂等。等。28PPT课件(二二)黏土黏土类原料原料黏土黏土黏土黏土类类原料原料原料原料是是日用陶瓷日用陶瓷和和工工业用陶瓷用陶瓷的主要原料之一。的主要原料之一。黏土是多种黏土是多种微微微微细细的的的的矿矿物物物物的混合体，其的混合体，其矿物的粒径多数小于物的粒径多数小于2um，主要是由主要是由黏土黏土黏土黏土矿矿物物物物和和其他其他其他其他矿矿物物物物组成的并成的并具有一定特性具有一定特性的的(其中主要是具有可塑性其中主要是具有可塑性)土状岩石土状岩石土状岩石土状岩石。我国我国黏土原料黏土原料黏土原料黏土原料资源丰富，源丰富，产地遍及全国。地遍及全国。黏土的主要黏土的主要黏土的主要黏土的主要矿矿物物物物：高岭石高岭石类、蒙脱石蒙脱石类、伊利石伊利石类和和水水铝英石英石。黏土的黏土的黏土的黏土的组组成成成成：黏土的：黏土的组成可从几个方面来分析，一般可从成可从几个方面来分析，一般可从矿物物组成成、化学化学组成成和和颗粒粒组成成三个方面来三个方面来进行分析。行分析。29PPT课件 黏土的性黏土的性黏土的性黏土的性质质黏土的性黏土的性质对陶瓷的生陶瓷的生产有很大的影响。它主要包括有很大的影响。它主要包括可塑可塑性性、结合性合性、离子交、离子交换性、性、触触变性性、干燥收干燥收缩和和烧成收成收缩、烧结温度温度与与烧结范范围和和耐火度耐火度等。等。黏土的工黏土的工黏土的工黏土的工艺艺性性性性质质 主要取决于黏土的主要取决于黏土的矿矿物物物物组组成成成成、化学化学化学化学组组成成成成与与颗颗粒粒粒粒组组成成成成。其中，。其中，矿物物组成成是基本因素。是基本因素。黏土黏土在加在加热过程中的程中的变化化包括两个包括两个阶段：段：脱水脱水脱水脱水阶阶段段段段与与脱水脱水脱水脱水后后后后产产物的物的物的物的继续转继续转化化化化阶阶段段段段。30PPT课件黏土作用黏土作用黏土作用黏土作用概括概括为五个方面：五个方面：1)黏土的可塑性黏土的可塑性黏土的可塑性黏土的可塑性是是陶瓷坯泥陶瓷坯泥赖以成形的基以成形的基础。2)黏土使黏土使注注浆泥料与釉料泥料与釉料具有具有悬浮性与浮性与稳定性。定性。3)黏土一般呈黏土一般呈细分散分散颗粒粒，同，同时具有具有结合性合性。4)黏土是黏土是陶瓷坯体陶瓷坯体烧结时的主体，黏土中的的主体，黏土中的AlAl2 2OO3 3含量含量含量含量和和杂质杂质含含含含 量量量量是决定是决定陶瓷坯体的陶瓷坯体的烧结程度程度、烧结温度温度和和软化温度的主要化温度的主要 因素；因素；5)黏土是形成黏土是形成陶器主体陶器主体结构构和和瓷器中莫来石晶体瓷器中莫来石晶体的主要来源。的主要来源。31PPT课件(三三)石英石英类原料原料石英的种石英的种类。自然界中的自然界中的二氧化硅二氧化硅二氧化硅二氧化硅结结晶晶晶晶矿矿物物物物可以可以统称称为石英。石英。其中其中最最纯的石英晶体的石英晶体统称称为水晶水晶水晶水晶。在陶瓷工在陶瓷工业中，中，常用的石英常用的石英类原料和材料原料和材料有下有下列几种：列几种：脉石英脉石英脉石英脉石英、砂岩砂岩砂岩砂岩、石英岩石英岩石英岩石英岩、石英砂、石英砂、隧石隧石隧石隧石和和硅藻土硅藻土硅藻土硅藻土。32PPT课件石英原料的性石英原料的性质石英的石英的主要化学成分主要化学成分主要化学成分主要化学成分为SiOSiO2 2，常含有少量常含有少量杂质成成分，如分，如Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2等。等。石英是具有石英是具有强强耐酸侵耐酸侵耐酸侵耐酸侵蚀蚀力力力力的酸性氧化物，除的酸性氧化物，除氢氟氟酸酸外，一般酸外，一般酸类对它都不它都不产生作用。生作用。当石英与当石英与碱性物碱性物碱性物碱性物质质接触接触时，则能起反能起反应而生成而生成可可溶性的硅酸溶性的硅酸盐。在高温中与在高温中与碱金属氧化物碱金属氧化物作用生成作用生成硅酸硅酸硅酸硅酸盐盐与与玻璃玻璃玻璃玻璃态态物物物物质质。33PPT课件石英石英在陶瓷生在陶瓷生产中的中的作用作用1)在在烧成前成前是是瘠性原料瘠性原料瘠性原料瘠性原料，可，可对泥料的可塑性泥料的可塑性起起调节调节作用作用作用作用，能，能降低坯体的干燥降低坯体的干燥收收缩，缩短干燥短干燥时间并防止坯体并防止坯体变形。形。2)在在烧成成时，石英的加，石英的加热膨膨胀可可部分地抵消坯体收部分地抵消坯体收缩的影响，的影响，当玻璃当玻璃质大量大量出出现时，在高温下，在高温下石英能部分熔解于液相中石英能部分熔解于液相中，增加熔体的增加熔体的强度度，而未熔解的，而未熔解的石英石英颗粒，粒，则构成坯体的骨架，可防止坯体构成坯体的骨架，可防止坯体发生生软化化变形等缺陷形等缺陷。3)在瓷器中，石英在瓷器中，石英对坯体的力学坯体的力学坯体的力学坯体的力学强强度度度度有着很大的影响，有着很大的影响，合理的石英合理的石英颗粒粒能大能大大大提高瓷器坯体的提高瓷器坯体的提高瓷器坯体的提高瓷器坯体的强强度度度度，否，否则效果相反。同效果相反。同时，石英也能使，石英也能使瓷坯的透光度和瓷坯的透光度和白度白度得到改善。得到改善。4)在釉料中，二氧化硅是生成玻璃在釉料中，二氧化硅是生成玻璃质的主要的主要组分，增加釉料中分，增加釉料中石英含量石英含量石英含量石英含量能提能提高高釉的熔融温度与黏度釉的熔融温度与黏度，并减少，并减少釉的釉的线胀系数系数。同。同时它是它是赋予釉以予釉以高的力学高的力学强度度、硬度、耐磨性和耐化学侵硬度、耐磨性和耐化学侵蚀性性的主要因素。的主要因素。34PPT课件(四四)长石石类原料原料长长石石石石是陶瓷原料中最常用的是陶瓷原料中最常用的熔熔熔熔剂剂性原料性原料性原料性原料，在陶瓷，在陶瓷生生产中用作中用作坯料坯料、釉料釉料、色料色料、熔熔剂等的基本等的基本组分，分，其用量其用量较大，是大，是陶瓷三大原料陶瓷三大原料之一。之一。长石的石的种种种种类类和和一般性一般性一般性一般性质质：长石是地壳上分布广泛石是地壳上分布广泛的的造岩造岩矿物物。根据根据架状硅酸架状硅酸架状硅酸架状硅酸盐盐的的结构特点，构特点，长长石石石石可分可分为四种基四种基四种基四种基本本本本类类型型型型：钠长石、石、钾长石、石、钙长石和石和钡长石。石。35PPT课件长石石在陶瓷生在陶瓷生产中的作用中的作用如下：如下：长长石石石石在高温下在高温下熔融，形成熔融，形成黏稠的玻璃熔体黏稠的玻璃熔体，是坯料中碱金属氧，是坯料中碱金属氧 化物化物(K2O、Na2O)的主要来源，能的主要来源，能降低陶瓷坯体降低陶瓷坯体降低陶瓷坯体降低陶瓷坯体组组分的熔化温分的熔化温分的熔化温分的熔化温 度度度度，有利于成瓷和降低有利于成瓷和降低有利于成瓷和降低有利于成瓷和降低烧烧成温度成温度成温度成温度。熔融后的熔融后的长长石熔体能石熔体能石熔体能石熔体能熔解部分熔解部分高岭土分解高岭土分解产物物和和石英石英颗粒粒。液。液 相中相中Al2O3和和SiO2互相作用，促互相作用，促进莫来石晶体莫来石晶体莫来石晶体莫来石晶体的形成和的形成和长大，大，赋 予了坯体的予了坯体的力学性能力学性能和和化学化学稳定性定性。长长石熔体石熔体石熔体石熔体能填充于能填充于各各结晶晶颗粒之粒之间，有助于，有助于坯体致密坯体致密坯体致密坯体致密和和减少空减少空减少空减少空 隙隙隙隙。在釉料中在釉料中长石是主要石是主要熔熔熔熔剂剂。长石作石作为瘠性原料瘠性原料，在生坯中，在生坯中还可以可以缩缩短坯体干燥短坯体干燥短坯体干燥短坯体干燥时间时间，减少减少减少减少 坯体的干燥收坯体的干燥收坯体的干燥收坯体的干燥收缩缩和和和和变变形形形形等。等。36PPT课件(五五)其他其他矿物原料物原料 含碱硅酸含碱硅酸含碱硅酸含碱硅酸铝铝类 碱土硅酸碱土硅酸碱土硅酸碱土硅酸盐类盐类 碳酸碳酸碳酸碳酸盐类盐类 钙钙的磷酸的磷酸的磷酸的磷酸盐类盐类 高高高高铝质矿铝质矿物物物物类类 工工工工业废业废渣渣渣渣类类 锆锆英石英石英石英石 37PPT课件5.2、绝缘陶瓷陶瓷5.2.1 精密精密绝缘陶瓷陶瓷在近代在近代电子技子技术中的作用中的作用 5.2.2 绝缘陶瓷的陶瓷的性能与特征性能与特征 5.2.3 常用常用绝缘陶瓷材料及其性能陶瓷材料及其性能 5.2.4 绝缘陶瓷的陶瓷的应用用38PPT课件5.2.1 精密精密绝缘陶瓷在近代陶瓷在近代电子技子技术中的作用中的作用绝缘材料材料在在电气气电路路或或电子子电路路中所起的中所起的作用主要是作用主要是根据根据电路路设计要求要求将将导体物理隔离，体物理隔离，以防以防电流在它流在它们之之间流流动而破坏而破坏电路的正常运路的正常运行。行。39PPT课件即，即，电子技子技术中中首先要求首先要求绝缘材料不材料不导电，即要求即要求电电阻率阻率阻率阻率尽量高，尽量高，绝缘强绝缘强度度度度也尽量高。也尽量高。此外，此外，绝缘绝缘材料材料材料材料还起着起着导体的体的机械支持机械支持机械支持机械支持、散散散散热热及及电电路路路路环环境保境保境保境保护护等作用。等作用。一般将一般将能起上述作用的陶瓷能起上述作用的陶瓷称称为绝缘绝缘陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷。40PPT课件绝缘绝缘陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷可分可分为氧化物氧化物氧化物氧化物绝缘绝缘陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷和和非氧化物非氧化物非氧化物非氧化物绝缘绝缘陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷两大系列；无两大系列；无论是哪种系列的是哪种系列的绝缘陶瓷，要成陶瓷，要成为一种一种优异的异的绝缘陶瓷陶瓷，它必，它必须具具备如下性能：如下性能：体体体体积电积电阻率阻率阻率阻率()=1012 cm相相相相对对介介介介电电常数常数常数常数(r)=30损损耗因子耗因子耗因子耗因子(tg)=5.0kV/mm41PPT课件高压陶瓷绝缘子高压陶瓷绝缘子高压陶瓷绝缘子高压陶瓷绝缘子作为一种作为一种传统的绝缘陶瓷传统的绝缘陶瓷已有已有100100多年的多年的历史。历史。而而精密绝缘陶瓷精密绝缘陶瓷精密绝缘陶瓷精密绝缘陶瓷与与高压陶瓷绝缘子高压陶瓷绝缘子高压陶瓷绝缘子高压陶瓷绝缘子相比，则是后起之秀，相比，则是后起之秀，它在它在近代电子技术中近代电子技术中所起的作用是前者无法比拟的。所起的作用是前者无法比拟的。比如比如，在众多的，在众多的家用家用家用家用电电器器器器，如收，如收录机、彩色机、彩色电视机和机和录像像机中，在机中，在一般的集成一般的集成一般的集成一般的集成电电路路路路(IC)，大大大大规规模集成模集成模集成模集成电电路路路路(LSI)和和超大超大超大超大规规模集成模集成模集成模集成电电路路路路(VLSI)中，在中，在大型大型大型大型电电子子子子计计算机算机算机算机等高技等高技术产品中，甚品中，甚至在航空、航天等至在航空、航天等尖端科技尖端科技尖端科技尖端科技领领域域域域中，中，精密精密精密精密绝缘绝缘陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷已已较大量使大量使用。用。42PPT课件5.2.2 绝缘陶瓷的性能与特征陶瓷的性能与特征一、一、离子离子导电和和绝缘性性二、二、陶瓷的陶瓷的微微观结构构和和绝缘性性43PPT课件一、一、离子离子导电和和绝缘性性应用用固体能固体能带理理论，可以成功地解，可以成功地解释固体固体的的绝缘绝缘性性性性、半半半半导导性性性性和和导电导电性性性性。固体能固体能带中那些中那些被被电子完全占子完全占满的叫的叫满带满带，未被未被电子占据子占据的叫的叫导带导带，满带和和导带之之间的距的距离离称之称之为禁禁禁禁带宽带宽度度度度。44PPT课件如果如果禁禁带宽度足度足够大大(在几个在几个电子伏特以上子伏特以上)，满带的的电子子就就难以被激以被激发而而超越禁超越禁带进入入导带，也即，也即认为电子几乎无法迁移，那么固体便子几乎无法迁移，那么固体便成成为典型的典型的绝缘体体。实际上，上，这种种理想的理想的绝缘体体只有只有在在绝对零零度度时才能才能获得。得。45PPT课件很多很多绝缘陶瓷陶瓷是典型的是典型的离子晶体离子晶体或或共价共价晶体晶体。在在这种情况下，种情况下，对具有具有足足够宽度禁度禁带区区的的绝缘陶瓷陶瓷而言，固体中的另一种而言，固体中的另一种导电机理机理-离子离子导电就就变得十分重要了。它主要是得十分重要了。它主要是通通过离子离子扩散散而而发生的生的电导行行为。46PPT课件一般情况下，一般情况下，离子离子电导率率 i表示如下表示如下:i=n.q.i式中式中，n-单位体位体积中中可迁移的离子数可迁移的离子数；q-离子的离子的电荷；荷；i-离子的迁移率。离子的迁移率。47PPT课件下式下式给出了出了 i的具体表达式：的具体表达式：i=q Di/kT式中，式中，Di离子的离子的扩散系数散系数 k玻耳玻耳兹曼常数，曼常数，T绝对温度温度(K)。而而Di可由下式可由下式给出：出：Di=A exp(-E/kT)式中，式中，E-激活能激活能 A-频率系数。率系数。48PPT课件 i=n q i i=q Di/kT Di=A exp(-E/kT)ln i 常数常数E/kT i i=n q=n q q A exp(-E/kT)/kTq A exp(-E/kT)/kT =(=(AnqAnq2 2/kT)exp(-E/kT)/kT)exp(-E/kT)49PPT课件可知，可知，离子离子电导率率随随温度温度的的升高呈指数增加。升高呈指数增加。ln i 常数常数E/kT由下式由下式50PPT课件离子离子离子离子电电荷荷荷荷和和扩扩散系数散系数散系数散系数影响影响离子离子导电，扩散散系数系数又与又与晶格缺陷晶格缺陷晶格缺陷晶格缺陷及及穿越缺陷的穿越缺陷的离子的离子的离子的离子的电电荷及荷及荷及荷及其大小其大小其大小其大小有关。有关。通常情况下，通常情况下，电电荷及体荷及体荷及体荷及体积积越小的离子越小的离子越小的离子越小的离子越易越易扩散散，其，其激活能的数激活能的数值也越小。也越小。i=n q q A exp(-E/kT)/kT51PPT课件因此，因此，在在绝缘陶瓷中陶瓷中应尽可能尽可能避免避免碱金属离子碱金属离子的存在的存在(尤其是尤其是钠离子离子)，因，因为这些离子可形成相当些离子可形成相当强烈的烈的电导，使，使材料的材料的绝缘性能劣化性能劣化。52PPT课件 二、二、陶瓷的微陶瓷的微观结构与构与绝缘性性一般而言，一般而言，绝缘绝缘陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷是是粉体原料粉体原料经过成型和成型和成型和成型和烧烧结结而得到的多相多晶材料。而得到的多相多晶材料。陶瓷的微陶瓷的微观结构构主要可分主要可分为基基基基质质、晶粒晶粒晶粒晶粒和和气孔气孔气孔气孔三部分。三部分。通常通常气孔气孔气孔气孔和和晶粒晶粒晶粒晶粒的的绝缘性能性能好，而好，而基基基基质质往往往往在高在高温下温下显示示较较大的大的大的大的导电导电性性性性。由于由于基基质部分部分杂质浓度度较高高，在，在组织上又是上又是连续相相，所以，所以陶瓷的陶瓷的绝缘性性容易受容易受基基质相的影响相的影响。53PPT课件固体内部存在的固体内部存在的气孔气孔对绝缘性能的破坏性能的破坏不不大，但当大，但当表面存在气孔表面存在气孔时，因，因易吸水易吸水和和被被污染染将将使表面使表面绝缘性性显著劣化著劣化。因此，原因此，原则上上绝缘陶瓷陶瓷应选择气孔少气孔少、没没有吸水性有吸水性的致密材料，并根据的致密材料，并根据使用情况的不同使用情况的不同在其表面在其表面上釉上釉以以防止防止污染和吸潮染和吸潮。54PPT课件通常情况下，通常情况下，材料的材料的材料的材料的绝缘绝缘性性性性与材料的与材料的纯纯度度度度、材料中材料中杂质杂质含量含量含量含量的多少有关。的多少有关。材料材料纯纯度越高度越高度越高度越高，杂质含量越少，含量越少，则它它们的的绝绝缘缘性能就越好性能就越好性能就越好性能就越好。这是因是因为绝缘陶瓷中若有陶瓷中若有杂质引入引入，则会像会像掺杂半半导体体那那样，在禁，在禁带中中产生生杂质杂质能能能能级级，从而，从而使使电电荷荷荷荷载载流子增加流子增加流子增加流子增加，电阻率下降，阻率下降，结果使果使绝缘强度下降度下降。55PPT课件5.2.3 常用常用绝缘陶瓷材料及其性能陶瓷材料及其性能绝缘绝缘陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料按按化学化学化学化学组组成成成成可分可分为氧化物系氧化物系氧化物系氧化物系和和非非非非氧化物系氧化物系氧化物系氧化物系两大两大类。氧化物系氧化物系氧化物系氧化物系绝缘陶瓷陶瓷已得到广泛已得到广泛应用，而用，而非氧化非氧化非氧化非氧化物系物系物系物系绝缘陶瓷是陶瓷是70年代才年代才发展起来的，展起来的，56PPT课件目前目前应用的主要有用的主要有氮化物陶瓷氮化物陶瓷氮化物陶瓷氮化物陶瓷，如，如Si3N4、BN、AlN等。等。除除多晶陶瓷多晶陶瓷多晶陶瓷多晶陶瓷外，近年来又外，近年来又发展了展了单单晶晶晶晶绝缘绝缘陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷，如人工合成，如人工合成云母云母、人造、人造蓝宝石宝石、尖晶石尖晶石、氧化氧化铍及及石英石英等。等。57PPT课件5.2.4 绝缘陶瓷的陶瓷的应用用绝缘陶瓷的工陶瓷的工业应用用历史史较早，在早，在1850年左右，年左右，陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷绝缘绝缘子子子子作作为电绝缘器材器材，使用于，使用于铁路通信路通信线路。路。1880年美国年美国在在电力力输电线路中路中开始使用开始使用陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷绝绝缘缘子子子子，目前，已能制造出耐，目前，已能制造出耐压500kV以上的以上的超高超高压输电用用高性能陶瓷高性能陶瓷高性能陶瓷高性能陶瓷绝缘绝缘子子子子。随之，汽随之，汽车陶瓷火花塞陶瓷火花塞陶瓷火花塞陶瓷火花塞付付诸应用，用，这是一种需是一种需求量极大的求量极大的绝缘陶瓷陶瓷。58PPT课件随着随着电电子工子工子工子工业业的的发展，集成展，集成电路、大路、大规模集成模集成电路以及超大路以及超大规模集成模集成电路相路相继问世，世，这类电路需路需要要绝缘绝缘性能性能性能性能、导热导热性能性能性能性能、热热膨膨膨膨胀胀匹配性能匹配性能匹配性能匹配性能、高高高高频频性性性性能能能能及及快速响快速响快速响快速响应应性能性能性能性能等一系列等一系列性能性能优良的良的绝缘陶瓷陶瓷作作为电路的路的基片与封装材料基片与封装材料基片与封装材料基片与封装材料。于是，高性能的于是，高性能的A12O3瓷和瓷和BeO瓷作瓷作为精密精密精密精密绝绝缘缘陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷而被大量使用在而被大量使用在这类电路中，且路中，且性能与生性能与生产工工艺不断得以改不断得以改进。59PPT课件由于由于电路路设计者一直致力于者一直致力于高集成度高集成度高集成度高集成度、高信高信高信高信号速度号速度号速度号速度的的电路路设计与制造与制造，例如在一，例如在一块小小的硅小小的硅片上安放片上安放37,000,000个晶体管。个晶体管。对于如此于如此高密度高密度高密度高密度的集成的集成的集成的集成电电路路路路，其，其散散散散热热及及热热控制控制控制控制势必成必成为确保此确保此类电路可靠性的重要因素。路可靠性的重要因素。于是，近于是，近10年来，年来，高高高高绝缘绝缘、高、高、高、高热导热导的的SiC瓷瓷与与AlN瓷被研究与开瓷被研究与开发。60PPT课件集成集成集成集成电电路路路路是一种把是一种把大量微型晶体管大量微型晶体管电路元件路元件组装装在一在一块基片上所构成的基片上所构成的超小型超小型超小型超小型、高密度高密度高密度高密度的的电路，路，这类电路通常要路通常要封装在集成封装在集成电路的管壳路的管壳之内。之内。这种高种高质量的量的基片和管壳基片和管壳基片和管壳基片和管壳一般是由一般是由精密精密精密精密绝缘绝缘陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷制成的。制成的。目前，目前，应用用较成熟的成熟的基片材料基片材料基片材料基片材料和和管壳材料管壳材料管壳材料管壳材料是氧化是氧化铝陶瓷。陶瓷。61PPT课件由于由于氧化氧化氧化氧化铝铝陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷具有良好的具有良好的电绝缘电绝缘性性性性、化学化学化学化学耐久性耐久性耐久性耐久性及及较高的高的机械机械机械机械强强度度度度与与较好的好的导热导热性性性性，而且，而且价格价格价格价格较较低低低低，易于制造易于制造易于制造易于制造，表面均匀平整，因此，氧，表面均匀平整，因此，氧化化铝陶瓷陶瓷还是目前主要的是目前主要的电电路基片材料路基片材料路基片材料路基片材料。62PPT课件5.3 多孔陶瓷多孔陶瓷 5.3.1、概、概 述述5.3.2、表征多孔陶瓷材料、表征多孔陶瓷材料特性参数特性参数5.3.3、多孔陶瓷的、多孔陶瓷的制制备5.3.4、多孔陶瓷的、多孔陶瓷的应用用63PPT课