功能陶瓷材料ppt课件.ppt

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1、1第五章 功能陶瓷材料25.1.1、陶瓷材料陶瓷材料的发展概况的发展概况5.1.2、功能陶瓷功能陶瓷的定义、范围和分类的定义、范围和分类5.1.3、功能陶瓷功能陶瓷的性能与工艺特征的性能与工艺特征5.1.4、功能陶瓷功能陶瓷的应用和展望的应用和展望5.1.5、制备、制备陶瓷材料的原料陶瓷材料的原料 3在人类在人类生活和社会建设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、并列为当代并列为当代。 我国的我国的历史悠久历史悠久、成就辉煌、成就辉煌，它是中华它是中华文明的伟大象征之一，在我国的文明的伟大象征之一，在我国的文化和发展史上文化和发展史上占有占有极其重要的地位。极其重要的

2、地位。4新石器时代新石器时代先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段纳米陶瓷阶段纳米陶瓷阶段5远在远在几干年前几干年前的的，我们的祖先就，我们的祖先就已经用已经用作原料，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坚硬的可重复使用的烧成坚硬的可重复使用的，由于，由于烧成烧成温度较低温度较低，陶器仅是一种含有，陶器仅是一种含有、的的未完全烧成未完全烧成制品。制品。6以后大约在以后大约在2000年前的年前的，人们利用，人们利用为原料，加上为原料，加上的发明，以及的发明，以及的不断改进，使陶瓷步入的不断改进，使陶瓷步入瓷器阶段瓷器阶段，这是，这是陶瓷陶瓷技术发展史上技术发展史上意义重大的里程碑。

3、意义重大的里程碑。以以石英、长石、硼砂、黏土石英、长石、硼砂、黏土等为原料制成的东等为原料制成的东西，涂在瓷器、陶器外面，烧制后西，涂在瓷器、陶器外面，烧制后，可增加陶瓷的可增加陶瓷的机械强度机械强度和和绝缘性能绝缘性能。7都是以都是以为主要原料与其他为主要原料与其他天然矿物原料天然矿物原料经经一一等过程制成的。等过程制成的。如常见的如常见的日用陶瓷日用陶瓷、建筑陶瓷建筑陶瓷、电瓷电瓷等传统陶瓷。等传统陶瓷。由于由于的主要原料取之于自然界的的主要原料取之于自然界的(如如黏土黏土、长石长石、石英石英等等)，所以可归为，所以可归为硅酸盐类材料硅酸盐类材料和制品和制品。从从的出现到的出现到，这一阶段

4、，这一阶段持续了四千余年。持续了四千余年。820世纪以来，随着人类对世纪以来，随着人类对宇宙的探索宇宙的探索、原子原子能工业的兴起能工业的兴起和和电子工业电子工业的迅速发展，从的迅速发展，从、到到等方面，对等方面，对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，促使发展成为一系列发展成为一系列具具有特殊功能的有特殊功能的。9如如、等各种等各种高温和功能陶瓷高温和功能陶瓷。这时，陶瓷研究进入第二个阶段这时，陶瓷研究进入第二个阶段。10（Advanced ceramics）又称又称，是为了有别于是为了有别于而言的。而言的。有时也称为有时也称为(Fine Ceramics)、(New

5、Ceramics)、(Special Ceramics)和和(High-Tech. Ceramics)等。等。11在在陶瓷制备技术陶瓷制备技术飞速发展。飞速发展。在在有有成形、成形、成形、成形、成形、成形、成形、成形、成形等成形方法；成形等成形方法；在在则有则有烧结、烧结、烧结、烧结、烧结、烧结、烧结、烧结、烧结、烧结、烧结等。烧结等。12在在采用的采用的已不再使用或很已不再使用或很少使用少使用等传统原料，而已扩大到等传统原料，而已扩大到和和，甚至是，甚至是、原料，原料，组成范组成范围围也延伸到也延伸到范围。范围。此时可认为，此时可认为，已是已是用陶瓷生产用陶瓷生产方法方法制造的制造的和和的统

6、称。的统称。13到到20世纪世纪90年代，陶瓷研究已进入第三个阶年代，陶瓷研究已进入第三个阶段段-。所谓所谓，是指，是指显微结构中的物相显微结构中的物相就有就有纳米级尺度纳米级尺度的陶瓷材料。它包括的陶瓷材料。它包括、等均等均在在纳米量级的尺度上纳米量级的尺度上。14从性能上从性能上可把可把分为分为(Structral ceramics)和和(Functional Ceramics)两大类。两大类。15 是指具有是指具有和和及部分及部分的先进陶瓷的先进陶瓷(现代陶瓷现代陶瓷)，特别，特别适于高温下适于高温下应用的应用的则称为则称为。是指那些利用是指那些利用、等等直接效应直接效应及其及其耦合效应

7、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质来实现某种来实现某种的先进陶瓷的先进陶瓷(现代陶瓷现代陶瓷)。品种多品种多、产量大产量大、价格低价格低、应用广应用广、功能全功能全、技术高技术高、更新快更新快。16通过对通过对的的化学、物理及组成、化学、物理及组成、结构、性能和使用效能结构、性能和使用效能间相互关系的研究，已陆续发间相互关系的研究，已陆续发现了一大批具有现了一大批具有，并，并可借助于可借助于离子置换离子置换、掺杂掺杂等方法等方法调节、优化其性能调节、优化其性能，功能陶瓷材料研究已开始从功能陶瓷材料研究已开始从逐步走向逐步走向。17的实现，主要取决于它所具有的的实现，主要取决于

8、它所具有的，而在，而在范围中，又必须针对范围中，又必须针对，去，去改善、提高某种有效的性能改善、提高某种有效的性能，以获得有，以获得有某种某种功能功能的陶瓷材料。的陶瓷材料。18一般来说，要一般来说，要来来，需从以下两个方面入手：，需从以下两个方面入手：通过通过，即，即以改善和以改善和提高提高，达到获得优质材料的目的。，达到获得优质材料的目的。 从材料的组成上从材料的组成上直接直接、其内在的品质其内在的品质，包括采用包括采用、，使不同相在微观级复合，进而形成不同性质的晶，使不同相在微观级复合，进而形成不同性质的晶界层等。界层等。19是指是指原料的原料的和和、和和条件、条件、和和烧结状态烧结状态

9、，以及，以及和和等。等。无论是无论是还是还是，最终都，最终都是通过是通过材料材料，才能体现出，才能体现出。20因此，要想达到因此，要想达到，或者进行，或者进行，必须综合考虑，必须综合考虑组成组成、工艺工艺、微观微观结构结构等诸多因素，这是个系统工程。等诸多因素，这是个系统工程。下图表示了下图表示了陶瓷功能陶瓷功能与与组成、工艺、性能和组成、工艺、性能和结构结构的关系。的关系。21陶瓷功能与组成、工艺、性能、结构的关系陶瓷功能与组成、工艺、性能、结构的关系22的不断开发，对的不断开发，对科学技术的发展科学技术的发展起了起了巨大促进作用，功能陶瓷的巨大促进作用，功能陶瓷的应用领域应用领域也随之更为

10、广也随之更为广泛。泛。 目前，目前，主要用于主要用于电、磁、光、声、热电、磁、光、声、热和化学和化学等等、和和等，等，并已在电子信息、并已在电子信息、集成电路集成电路、计算机计算机、能源工程能源工程、超声换能、超声换能、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领近代科技领域域显示出广阔的应用前景。显示出广阔的应用前景。23根据功能陶瓷根据功能陶瓷组成结构的组成结构的和和，可，可以制备以制备超高绝缘性超高绝缘性、绝缘性绝缘性、半导性半导性、导电性导电性和和超超导电性导电性陶瓷；陶瓷； 根据功能陶瓷根据功能陶瓷和和，可以制备，可以制备压电压电、光电光电、热电热电、磁电磁电和和铁电铁电

11、等陶瓷；等陶瓷；根据功能陶瓷对根据功能陶瓷对，则可制，则可制备备热敏热敏、气敏气敏、湿敏湿敏、压敏压敏、磁敏磁敏和和光敏光敏等敏感陶等敏感陶瓷。瓷。24在在向着向着、多相、多相乃至乃至与与、薄膜技术、薄膜技术等方向发展。等方向发展。 在在的的主要研究方向主要研究方向应包括：应包括：及其及其；、的的及其及其； 超高速大容量超高速大容量超导计算机超导计算机用用；多层封装多层封装立体布线立体布线用的用的；量大面广量大面广、低烧低烧、高比容高比容、高稳定性高稳定性的的等。等。 25由多相的由多相的所构成，所用原料大部分是所构成，所用原料大部分是或或，其中多为，其中多为。这些这些或或种类繁多种类繁多，资

12、源蕴藏丰富资源蕴藏丰富，且，且分布极广分布极广。某些某些对原料的要求很高，需要采用对原料的要求很高，需要采用且且的的人工合成人工合成原料原料。26根据根据分为：分为：可塑性原料可塑性原料(也称瘠性原也称瘠性原料料)、熔剂性原料熔剂性原料。根据根据分为：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。 根据根据分为：分为：黏土质原料黏土质原料、硅质原料硅质原料、长石质原料长石质原料、钙质原料钙质原料、镁质原料、镁质原料。根据根据分为：分为：矿物原料矿物原料、化工原料化工原料。27综合综合对于对于的两方面要求，根的两方面要求，根据原料的据原料的可以把所需要的可以把所需要的主

13、主要归纳为三大类：要归纳为三大类： 具有可塑性的具有可塑性的 具有非可塑性的具有非可塑性的 28除上述的除上述的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还常常需用各种特殊的熔剂原料熔剂原料，包括采用各种化工原料。包括采用各种化工原料。陶瓷工业中需用的陶瓷工业中需用的主要是主要是和和，以及，以及各种外加剂各种外加剂如如、和和等。等。29是是日用陶瓷日用陶瓷和和工业用陶瓷工业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的混合体，其矿物的粒径多数小于的混合体，其矿物的粒径多数小于2um，主要是由主要是由和和组成的并组成的并具有一定特性具有一定特性的的

14、(其中主要是具有可塑性其中主要是具有可塑性)。我国我国资源丰富，产地遍及全国。资源丰富，产地遍及全国。：高岭石高岭石类、类、蒙脱石蒙脱石类、类、伊利石伊利石类和类和水铝英石水铝英石。：黏土的组成可从几个方面来分析，一般可从：黏土的组成可从几个方面来分析，一般可从矿物组成矿物组成、化学组化学组成成和和颗粒组成颗粒组成三个方面来进行分析。三个方面来进行分析。30黏土的性质对黏土的性质对陶瓷的生产陶瓷的生产有很大的影响。它主要包括有很大的影响。它主要包括可塑性可塑性、结合性结合性、离子交、离子交换性、换性、触变性触变性、干燥收缩干燥收缩和和烧成收缩烧成收缩、烧结温度烧结温度与与烧结范围烧结范围和和耐

15、火度耐火度等。等。 主要取决于黏土的主要取决于黏土的、与与。其中，。其中，矿物组成矿物组成是基本因是基本因素。素。 黏土黏土在加热过程中的变化在加热过程中的变化包括两个阶段：包括两个阶段：与与。31概括为五个方面：概括为五个方面：1)是是陶瓷坯泥赖以成形的基础陶瓷坯泥赖以成形的基础。2)黏土使黏土使注浆泥料与釉料注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。具有悬浮性与稳定性。3)黏土一般呈黏土一般呈细分散颗粒细分散颗粒，同时具有，同时具有结合性结合性。4)黏土是黏土是陶瓷坯体烧结时陶瓷坯体烧结时的主体，黏土中的的主体，黏土中的和和是决定是决定陶瓷坯体的烧结程度陶瓷坯体的烧结程度、烧结温度烧结温度和软化温

16、度的主要和软化温度的主要 因素；因素；5)黏土是形成黏土是形成陶器主体结构陶器主体结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。32石英的种类石英的种类。自然界中的自然界中的可以统称为石英。可以统称为石英。其中其中最纯的石英晶体最纯的石英晶体统称为统称为。在陶瓷工业中，在陶瓷工业中，常用的石英类原料和材料常用的石英类原料和材料有下有下列几种：列几种：、石英砂、石英砂、和和。 33石英原料的性质石英原料的性质石英的石英的为为，常含有少量杂质成常含有少量杂质成分，如分，如Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2等。等。 石英是具有石英是具有的酸性氧化物，除的酸性氧化物，除

17、氢氟酸氢氟酸外，一般酸类对它都不产生作用。外，一般酸类对它都不产生作用。当石英与当石英与接触时，则能起反应而生成接触时，则能起反应而生成可可溶性的硅酸盐溶性的硅酸盐。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与与。34石英石英在陶瓷生产中的在陶瓷生产中的作用作用1)在烧成前在烧成前是是，可对，可对泥料的可塑性泥料的可塑性起起，能，能降低坯体的干燥降低坯体的干燥收缩收缩，缩短干燥时间缩短干燥时间并防止坯体变形。并防止坯体变形。2)在烧成时在烧成时，石英的加热膨胀可，石英的加热膨胀可部分地抵消坯体收缩部分地抵消坯体收缩的影响，的影响，当玻璃质大量当玻璃质大量出现时出现时，在高温下

18、，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，增加熔体的强度增加熔体的强度，而未熔解的，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，石英对在瓷器中，石英对有着很大的影响，有着很大的影响，合理的石英颗粒合理的石英颗粒能大能大大大，否则效果相反。同时，石英也能使，否则效果相反。同时，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质的主要组分，增加釉料中在釉料中，二氧化硅是生成玻璃质的主要组分，增加釉料中能提能提高高釉的熔融温度与黏度釉的熔融温度

19、与黏度，并减少，并减少釉的线胀系数釉的线胀系数。同时它是赋予釉以。同时它是赋予釉以高的力学高的力学强度强度、硬度、耐磨性和耐化学侵蚀性硬度、耐磨性和耐化学侵蚀性的主要因素。的主要因素。 35是陶瓷原料中最常用的是陶瓷原料中最常用的，在陶瓷，在陶瓷生产中用作生产中用作坯料坯料、釉料釉料、色料色料、熔剂熔剂等的基本组分，等的基本组分，其用量较大，是其用量较大，是陶瓷三大原料陶瓷三大原料之一。之一。长石的长石的和和：长石是地壳上分布广泛：长石是地壳上分布广泛的的造岩矿物造岩矿物。 根据根据的结构特点，的结构特点，可分为可分为：钠长石、钾长石、钙长石和钡长石。：钠长石、钾长石、钙长石和钡长石。36长石

20、长石在陶瓷生产中的作用在陶瓷生产中的作用如下：如下： 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，。 熔融后的熔融后的熔解部分熔解部分高岭土分解产物高岭土分解产物和和石英颗粒石英颗粒。液。液 相中相中Al2O3和和SiO2互相作用，促进互相作用，促进的形成和长大，赋的形成和长大，赋 予了坯体的予了坯体的力学性能力学性能和和化学稳定性化学稳定性。能填充于能填充于各结晶颗粒之间各结晶颗粒之间，有助于，有助于和和。在釉料中在釉料中长石是主要长石是主要。长石作为长石作为瘠性原料瘠性原料，

21、在生坯中还可以，在生坯中还可以，等。等。37类类 385.39在在电气电路电气电路或或电子电路电子电路中所起的中所起的作用主要是作用主要是根据电路设计要求根据电路设计要求将导体物理隔离，将导体物理隔离，以防以防电流在它们之间流动电流在它们之间流动而破坏电路的正常运而破坏电路的正常运行。行。40即，即，电子技术中电子技术中首先要求首先要求绝缘材料不导电绝缘材料不导电，即要求即要求尽量高，尽量高，也尽量高。也尽量高。此外，此外，还起着导体的还起着导体的、及及等作用。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为称为。41可分为可分为和和两大系列；无论是哪种系列的绝缘陶瓷，要成为两大系

22、列；无论是哪种系列的绝缘陶瓷，要成为一种一种优异的绝缘陶瓷优异的绝缘陶瓷，它必须具备如下性能：，它必须具备如下性能：( ) = 1012 cm( r)=30(tg )=5.0kV/mm42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多年的历史。多年的历史。而而与与相比，则是后起之秀，它在相比，则是后起之秀，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，如收录机、彩色电视机和录像机中，在，如收录机、彩色电视机和录像机中，在(IC)，(LSI)和和(VLSI)中，在中，在等高技术产品中，甚至在航空、航天等

23、等高技术产品中，甚至在航空、航天等中，中，已较大量使已较大量使用。用。43一、一、44应用应用固体能带理论固体能带理论，可以成功地解释固体，可以成功地解释固体的的、和和。固体能带中那些固体能带中那些被电子完全占满被电子完全占满的叫的叫，未被电子占据未被电子占据的叫的叫，满带和导带之间的距满带和导带之间的距离离称之为称之为。45如果如果(在几个电子伏特以在几个电子伏特以上上)，满带的电子满带的电子就难以被激发而就难以被激发而超越禁带超越禁带进入进入导带，也即认为电子几乎无法迁移，那么固体导带，也即认为电子几乎无法迁移，那么固体便成为便成为。实际上，这种实际上，这种只有只有时才能获得。时才能获得。

24、46很多很多是典型的是典型的或或。在这种情况下，对具有在这种情况下，对具有足够宽度禁带区足够宽度禁带区的的而言，固体中的另一种导电机理而言，固体中的另一种导电机理-就变得十分重要了。它主要是就变得十分重要了。它主要是而发生的电导行为。而发生的电导行为。47一般情况下，一般情况下， i表示如下表示如下: i = n . q . i式中式中 ， n-单位体积中单位体积中可迁移的离子数可迁移的离子数； q-离子的电荷；离子的电荷； i-离子的迁移率。离子的迁移率。48下式给出了下式给出了 的具体表达式：的具体表达式： i = q Di / kT式中，式中， Di离子的扩散系数离子的扩散系数 k玻耳兹

25、曼常数，玻耳兹曼常数， T绝对温度绝对温度(K)。 而而可由下式给出：可由下式给出：Di = A exp (- E / kT ) 式中，式中， E-激活能激活能 A-频率系数。频率系数。49 50可知，可知，随随的的升高呈指数增加。升高呈指数增加。由下式由下式51和和影响影响离子导电离子导电，扩散扩散系数系数又与又与及及穿越缺陷的穿越缺陷的有关。有关。通常情况下，通常情况下，越易越易扩散扩散，其，其激活能的数值激活能的数值也越小。也越小。52因此，因此，在绝缘陶瓷中在绝缘陶瓷中应尽可能应尽可能的存在的存在(尤其是钠离子尤其是钠离子)，因，因为这些离子可形成相当强烈的电导，使为这些离子可形成相当

26、强烈的电导，使材料的材料的。53一般而言，一般而言，是是粉体原料粉体原料经过经过而得到的多相多晶材料。而得到的多相多晶材料。陶瓷的微观结构陶瓷的微观结构主要可分为主要可分为、和和三部分。三部分。通常通常和和的的绝缘性能绝缘性能好，而好，而往往往往在高在高温下温下显示显示。由于由于基质部分基质部分杂质杂质浓度较高浓度较高，在组织上又是，在组织上又是连续连续相相，所以，所以陶瓷的绝缘性陶瓷的绝缘性容易受容易受基质相的影响基质相的影响。54固体内部存在的固体内部存在的对对绝缘性能的破坏绝缘性能的破坏不不大，但当大，但当表面存在气孔时表面存在气孔时，因，因和和将将使表面绝缘性显著劣化使表面绝缘性显著劣

27、化。因此，原则上绝缘陶瓷应选择因此，原则上绝缘陶瓷应选择、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以以防止污染和吸潮防止污染和吸潮。 55通常情况下，通常情况下，与材料的与材料的、材料中材料中的多少有关。的多少有关。材料材料，杂质含量越少，则它们的，杂质含量越少，则它们的。这是因为这是因为绝缘陶瓷中若有杂质引入绝缘陶瓷中若有杂质引入，则会像，则会像掺杂半导体掺杂半导体那样，在禁带中产生那样，在禁带中产生，从而，从而使使，电阻率下降，结果使，电阻率下降，结果使绝缘强绝缘强度下降度下降。56按按可分为可分为和和两大类。两大类。绝缘陶瓷绝缘陶瓷已得到广泛应用，

28、而已得到广泛应用，而绝缘陶瓷是绝缘陶瓷是70年代才发展起来的，年代才发展起来的，57目前应用的主要有目前应用的主要有，如，如Si3N4、BN、AlN等。等。除除外，近年来又发展了外，近年来又发展了，如人工合成，如人工合成云母云母、人造、人造蓝宝石蓝宝石、尖尖晶石晶石、氧化铍氧化铍及及石英石英等。等。58绝缘陶瓷的工业应用绝缘陶瓷的工业应用历史较早，在历史较早，在1850年左右，年左右，作为作为电绝缘器材电绝缘器材，使用于铁路通信线路。，使用于铁路通信线路。1880年美国年美国在电力输电线路中在电力输电线路中开始使用开始使用，目前，已能制造出耐压，目前，已能制造出耐压500kV以上的以上的超高压

29、超高压输电用输电用。随之，汽车随之，汽车付诸应用，这是一种需付诸应用，这是一种需求量极大的求量极大的绝缘陶瓷绝缘陶瓷。59随着随着的发展，集成电路、大规模集成的发展，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，这类电路需电路以及超大规模集成电路相继问世，这类电路需要要、及及等一系列等一系列性能优良的绝缘陶瓷性能优良的绝缘陶瓷作作为电路的为电路的。于是，高性能的于是，高性能的A12O3瓷和瓷和BeO瓷作为瓷作为而被大量使用在这类电路中，且而被大量使用在这类电路中，且性能与生产性能与生产工艺工艺不断得以改进。不断得以改进。60由于电路设计者一直致力于由于电路设计者一直致力于、的的电路设计

30、与制造电路设计与制造，例如在一块小小的硅，例如在一块小小的硅片上安放片上安放37,000,000个晶体管。对于如此个晶体管。对于如此，其，其及及势必成为确保此类势必成为确保此类电路可靠性的重要因素。电路可靠性的重要因素。于是，近于是，近10年来，年来，的的SiC瓷瓷与与AlN瓷被研究与开发。瓷被研究与开发。61是一种把是一种把大量微型晶体管电路元件大量微型晶体管电路元件组组装在一块基片上所构成的装在一块基片上所构成的、的电路，的电路，这类电路通常要这类电路通常要封装在集成电路的管壳封装在集成电路的管壳之内。之内。这种高质量的这种高质量的一般是由一般是由制成的。制成的。目前，应用较成熟的目前，应

31、用较成熟的和和是氧是氧化铝陶瓷。化铝陶瓷。62由于由于具有良好的具有良好的、及较高的及较高的与较好的与较好的，而且，而且，表面均匀平整，因此，氧，表面均匀平整，因此，氧化铝陶瓷还是目前主要的化铝陶瓷还是目前主要的。63 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5.3.3、多孔陶瓷的、多孔陶瓷的5.3.4、多孔陶瓷的、多孔陶瓷的64是一种经是一种经高温烧成高温烧成、体内具有、体内具有大量大量彼此相通彼此相通并与材料表面也相贯通的并与材料表面也相贯通的陶瓷材料。陶瓷材料。多孔陶瓷的种类很多，几乎目前研制及多孔陶瓷的种类很多，几乎目前研制及生产的生产的所有陶瓷所有陶瓷均

32、可以均可以制成制成多孔体。多孔体。65根据根据和和，多孔陶瓷可，多孔陶瓷可分为三类：分为三类：粒状陶瓷粒状陶瓷； 泡沫陶瓷泡沫陶瓷；蜂窝陶瓷蜂窝陶瓷。陶瓷的陶瓷的列于下表列于下表。多孔陶瓷多孔陶瓷泡沫陶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根据根据，陶瓷可分为，陶瓷可分为1000 um到几十微米的到几十微米的0.2 20 um的的0.2 um到几纳米的到几纳米的67 ；具有具有； ；具有高度开口、内连的具有高度开口、内连的气孔气孔； 几何几何高；高； ，。68一般可用下述一般可用下述三个参数三个参数来表征多孔陶来表征多孔陶瓷材料特性：瓷材料特

33、性：气孔率气孔率；平均平均孔径孔径、最大孔径和、最大孔径和孔道长度孔道长度；渗透能力渗透能力。69把把占占的百分的百分率定义为率定义为气孔率气孔率。最常用的最常用的多孔陶瓷的制备方法多孔陶瓷的制备方法是依靠是依靠而形成孔道。而形成孔道。70多孔陶瓷的多孔陶瓷的可以用可以用、等方法来进行测试。等方法来进行测试。是假设是假设材料孔道材料孔道均为均为，流体在外力作用下，通过毛细管，流体在外力作用下，通过毛细管时，将遵循下式：时，将遵循下式：71式中，式中，D-毛细管直径；毛细管直径； -流体的表面张力；流体的表面张力； P-使流体通过毛细管所需之压力使流体通过毛细管所需之压力; -流体的材料的浸润角

34、。流体的材料的浸润角。PDcos472一般认为，多孔材料用于一般认为，多孔材料用于时，时，被滤阻的粒子尺寸为被滤阻的粒子尺寸为最大孔径最大孔径的的1/10多孔材料用于多孔材料用于时，被滤阻的时，被滤阻的粒子尺寸为粒子尺寸为最大孔径最大孔径的的120。73在多孔陶瓷材料两侧在多孔陶瓷材料两侧存在一定压力差存在一定压力差的条件下的条件下，指材料透过指材料透过流体的能力，一般用流体的能力，一般用或或来来表征。表征。7475一般是将粒状一般是将粒状和和、与与混合、成型、干燥、混合、成型、干燥、烧成。烧成。其中，其中，包括包括Al2O3、SiC和玻璃等。和玻璃等。76分为分为(如碳粒如碳粒)和和(如碳酸

35、钙如碳酸钙)。在烧结时在烧结时，逸出气体起，逸出气体起，形成连通开孔。，形成连通开孔。77在烧结时在烧结时，形成液相烧结，形成液相烧结，将骨料颗粒结合起来；同时，在骨料之间形将骨料颗粒结合起来；同时，在骨料之间形成孔隙。成孔隙。除除气孔率较大气孔率较大外，同一般外，同一般陶瓷烧结体无大差别。陶瓷烧结体无大差别。78是采用是采用机械加工方法机械加工方法制成许制成许多多，孔径，孔径110mm的薄壁多的薄壁多孔结构。孔结构。79泡沫陶瓷的结构是泡沫陶瓷的结构是重复的十重复的十二面体二面体复杂图形。复杂图形。泡沫陶瓷泡沫陶瓷可从可从1.2孔孔/cm的的最大孔到最大孔到39.37孔孔/cm的极细孔。的极

36、细孔。80泡沫陶瓷的泡沫陶瓷的略有别于略有别于，它采用特别严密的，它采用特别严密的(如聚氨酯如聚氨酯)为载体，进而加工成所需为载体，进而加工成所需形状、尺寸等形状、尺寸等。81必须混合成必须混合成，即，即。这种这种有利于有利于泡沫纤维的适宜涂覆泡沫纤维的适宜涂覆，而且，而且没有没有过量的排液过量的排液。 陶瓷料浆组成陶瓷料浆组成，通常为，通常为(重量重量)1040。为了获得更好的性能，可分别添加为了获得更好的性能，可分别添加15的的、。一种陶瓷料浆的组成，见下表所示：一种陶瓷料浆的组成，见下表所示：82陶瓷料浆的组成陶瓷料浆的组成83 Al2O3-，它与铜、铝熔体不起化学反应；，它与铜、铝熔体

37、不起化学反应； Cr2O3-与与Al2O3配合，有很好的配合，有很好的性能和性能和性能；性能； 膨润土膨润土-泡沫结构材料的泡沫结构材料的，烧结时，烧结时产生玻璃相产生玻璃相，增加流动性增加流动性； 高岭土高岭土-与膨润土有相似作用；与膨润土有相似作用； AlPO4-是一种是一种或或，无需加热无需加热即可使陶瓷浆硬化即可使陶瓷浆硬化(但最好还但最好还是经烘干是经烘干)，它与，它与金属熔体金属熔体不起化学反应。不起化学反应。 AlPO4最好配成最好配成使用。使用。8485因为因为和和等多孔陶瓷材料具有等多孔陶瓷材料具有、的特点，因此，在金属熔的特点，因此，在金属熔体体中，泡沫陶瓷作为一种新型中，

38、泡沫陶瓷作为一种新型高效过高效过滤器滤器，得到人们的重视。近年来，国内外对于利用，得到人们的重视。近年来，国内外对于利用对对或或的的过滤净化技术过滤净化技术进行了大量研究，取得明显的效果。进行了大量研究，取得明显的效果。86一些一些在浇注过程中在浇注过程中，会产生大量的，会产生大量的，而且，而且部分微小夹杂物部分微小夹杂物呈呈分布于分布于液态合液态合金金中；中；另外，原料本身也存在部分杂质。另外，原料本身也存在部分杂质。 利用传统利用传统难以去除上面的这些难以去除上面的这些和和，直接影响合金质量。，直接影响合金质量。87 因为这些微小因为这些微小给合金的给合金的力学性能力学性能、耐腐蚀性、耐腐

39、蚀性、铸造性能铸造性能以及以及加工性能加工性能带来极为不良的带来极为不良的影响。影响。 采用采用进行进行，不仅能有效去除，不仅能有效去除，消除，消除，而且可大，而且可大幅度幅度。88用用或或有效地捕获有效地捕获柴柴油机尾气中油机尾气中小于小于lum的的； 精密气动装置或液压装置中精密气动装置或液压装置中利用孔径利用孔径约为约为20um的陶瓷过滤器，可的陶瓷过滤器，可；89用用作作尘埃阻滤元件尘埃阻滤元件,可测定可测定1000高温烟气中高温烟气中0.5um以上的以上的； 利用利用碳化硅碳化硅制成的孔径约制成的孔径约40um的多孔的多孔陶瓷可用于陶瓷可用于；以最大孔径为以最大孔径为0.9um的多孔

40、陶瓷过滤管的多孔陶瓷过滤管可可。90由于由于具有良好的具有良好的，被覆催化剂后，反应流体，被覆催化剂后，反应流体通过多孔通过多孔陶瓷孔道后陶瓷孔道后，将大大提高，将大大提高和和。91利用利用制成的制成的，可快速测出土壤中的水分变化，其，可快速测出土壤中的水分变化，其取决于取决于材料的气孔率及孔径材料的气孔率及孔径。多孔陶瓷片两侧多孔陶瓷片两侧后，插入土壤后，插入土壤中，中，将由陶瓷片的将由陶瓷片的电阻值电阻值变化变化而反映出来。而反映出来。92在电解法生产双氧水工艺中，用多孔陶在电解法生产双氧水工艺中，用多孔陶瓷作为瓷作为，控制其孔径小于，控制其孔径小于0.5um及渗及渗透性指标，可大大透性指标，可大大，和和，效率可提高，效率可提高50以上。以上。93利用多孔陶瓷的利用多孔陶瓷的可使可使高速高速排气管的排气速度降低排气管的排气速度降低。如排气速度降低。如排气速度降低1/2，则噪声衰减则噪声衰减24dB。中国在实际应用中中国在实际应用中取得了降低噪声取得了降低噪声2535dB的效果。的效果。94 孔径为孔径为10 600um的多孔陶瓷用于化工、的多孔陶瓷用于化工、冶炼等过程，可冶炼等过程，可而加速反而加速反应。应。 目前城市废水处理的目前城市废水处理的中，已使中，已使用了大量用了大量或或进行布气。进行布气。