第六章功能陶瓷.ppt

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1、 第六章第六章 功能陶瓷材料功能陶瓷材料 6-1 概述概述 功能陶瓷分类：大致四类功能陶瓷分类：大致四类 具有电、磁及能量转换功能的陶瓷 1、电功能陶瓷、电功能陶瓷电介电介质或质或绝缘绝缘体体绝缘陶瓷绝缘陶瓷：用于高频绝缘体、集成电路基片 Al2O3，BeO，MgO，AlN，SiC介电陶瓷介电陶瓷：用于陶瓷电容器，TiO2，La2TiO7铁电陶瓷铁电陶瓷：用于陶瓷电容器BaTiO3，BaTiO3压电陶瓷压电陶瓷：超声换能器、压电电机器，BaTiO3，PbTiO3，PZT（锆钛酸铅）半导体陶瓷半导体陶瓷：如BaTiO3中引入稀土元素半导体化导电陶瓷导电陶瓷：电子陶瓷，快离子导体2、磁功能陶瓷：铁

2、氧体等、磁功能陶瓷：铁氧体等3、光功能陶瓷、光功能陶瓷 透明陶瓷，用于红外输出窗口，激光元件，光开关等。4、生物及化学功能陶瓷、生物及化学功能陶瓷 湿敏、气敏、催化陶瓷，生物陶瓷等 6-2 导电陶瓷导电陶瓷一、电子导电陶瓷一、电子导电陶瓷 氧化物陶瓷通常是绝缘体。但某些氧化物加热或用其他方法激发，可以产生自由电子变成电子导体或半导体。如氧化锆、氧化钍、碳化硅、二硅化钼等是新型电子导电材料，可以作为高温设备电热材料。优点优点：与金属电热体比，更耐高温，良好的抗氧化能力。二、离子导电陶瓷二、离子导电陶瓷电解液中，电导来自离子运动 固态电解质（快离子导体快离子导体）：电场作用下，离子通过间隙或空位发

3、生迁移。迁移离子：阳离子、阴离子或离子团。快离子导体中，实用的是多晶陶瓷材料多晶陶瓷材料 离子传导过程由晶粒或晶界控制离子传导过程由晶粒或晶界控制：低温区，电导率主要取决于晶界导电（晶界电阻大）高温区，电导率主要取决于晶粒导电（晶界电阻小）电子有能量越过晶界势垒。影响陶瓷导电性质的因素：影响陶瓷导电性质的因素：化学组成，晶体结构，相组成，显微结构 离子传导性的敏感性：离子传导性的敏感性：对周围物质浓度、分压、温度、湿度、压力敏感，可以制作各种敏感传感器。材料种类：材料种类：1、H离子导体：离子导体：H+，H3O，NH4+杂多酸 2、Li离子导体：离子导体：Li+3、Na离子导体：离子导体：Na

4、+4、Cu离子导体离子导体5、Ag离子导体离子导体6、O离子导体离子导体:O2-ZrO2,ThO2,Bi2O3基固溶体，掺杂MgO或Y2O3的CaZrO37、F离子导体离子导体:F-CaF2、PbF2基固溶体，如Ca1-xYxF2-x 6-3 介电、铁电陶瓷材料介电、铁电陶瓷材料 带电粒子被束缚，仅发生微小位移形成电极化而不产生电流的物质称为绝缘体称为绝缘体。带电粒子在电场下发生微小位移的性质称为介电性。介电性。绝缘体以介电性为主，也称介电体称介电体。电介质特点电介质特点：以感应而不是以传导方式传递电的作用和影响。不能简单认为电介质就一定是绝缘体。实际上许多实际上许多半导体也有介电性半导体也有

5、介电性，如高纯硅、锗是良好的电介质。一、陶瓷介电和铁电性及极化机制一、陶瓷介电和铁电性及极化机制什么是电极化？电介质在电场作用下，表面（或体内不均匀处）出现净余束缚电荷并产生附加电场的现象，叫电极化。极化状态用极化强度描述：极化机制：极化机制：1、电子位移极化、电子位移极化 电场下，原子（离子）电子云畸变产生感应电矩的过程。2、离子位移极化、离子位移极化 （离子晶体），电场下分子中正负离子发生相对位移产生感应电矩 3、固有电矩转向极化、固有电矩转向极化 分子固有电矩（偶极子）转向与外电场方向一致的极化。位移极化惯性小，介电常数与交变电磁场频率基本上无关，能量损失小。转向极化惯性大，明显依赖于频

6、率。4、空间电荷极化、空间电荷极化 对多晶固体如陶瓷电介质，空间电荷在电场作用下移动并聚集于晶粒或电畴界面引起极化。5、铁电晶体、铁电晶体 在介电晶体中，有一类重要晶体，如BaTiO3，叫铁电晶体，具有铁电性。铁电性在某温度范围，有自发极化且自发极化方向可随电场变化（类似铁磁性）铁电体有电滞回线 内部存在电畴即自发极化区域。电畴间界面称为畴壁畴壁 铁电体变为顺电体的相变温度软铁电体：磷酸二氢钾KH2PO4硬铁电体：BaTiO3，PbTiO3二、介电、铁电陶瓷材料的应用二、介电、铁电陶瓷材料的应用 主要用于陶瓷电容器和微波电路元件 1、用于温度补偿电容器、用于温度补偿电容器 高频振荡电路中做温度

7、补偿电容介质，CaTiO3、SrTiO3，抵消由于温度变化引起的电容变化。要求高电容温度系数，低介电损耗。2、微波介质陶瓷、微波介质陶瓷 用于微波电路器件如谐振器、耦合器、滤波器及介质天线。要求高介电常数，低损耗，低膨胀系数。3、高介电容器陶瓷、高压电容器陶瓷、高介电容器陶瓷、高压电容器陶瓷 高介电常数4、透明铁电陶瓷、透明铁电陶瓷 陶瓷由细小晶粒构成，因气孔、晶界、杂质散射，故不透明。但通过控制显微结构和晶界性质，可以透明。如PLZT（Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3)，其透光率随成分（x,y）不同而变化（铁电性材料）PLZT光学特性随外电场和成分的变化呈现电光记忆呈现电光

8、记忆效应效应。在与入射光垂直的方向上加电压，该方向折射率n变化，呈双折射。一次电光效应Tc以下，有效双折射率 与E线性关系。二次电光效应Tc以上，加电压，可导致铁电相 利用电光效应可以制作某些光信息处理功能元件如图像显示元件。5、压电材料、压电材料6、热释电材料、热释电材料铁电晶体，下一章 6-4 气敏陶瓷和湿敏陶瓷气敏陶瓷和湿敏陶瓷一、气敏陶瓷一、气敏陶瓷1、什么是气敏陶瓷？、什么是气敏陶瓷？敏感特性如电阻等随温度所处环境中某种或某些气体浓度的变化而明显地做有规则变化的陶瓷叫气敏气敏陶瓷。陶瓷。不同类型气敏陶瓷，对不同气体特别敏感。检测灵敏度通常1/100万以上，大大超过动物嗅觉。“电子鼻”

9、之称。一般为金属氧化物半导体陶瓷金属氧化物半导体陶瓷。机理机理：待测气体附着陶瓷表面，产生某种化学反应（如氧化、还原反应），与表面产生电子交换作用，从而实现气敏特性。所以是一种表面过程，一般与陶瓷表面氧原子（离子）的活性有关。2、常见气敏陶瓷及应用、常见气敏陶瓷及应用 Sno2：对可燃气体如氢、甲烷、丙烷、乙醇、丙酮、Co、煤气灵敏度高。ZnO：对丁烷、丙烷灵敏二、湿敏陶瓷二、湿敏陶瓷1、什么是湿敏陶瓷？、什么是湿敏陶瓷？敏感特性（如电导）随湿度变化而变化的陶瓷叫湿敏陶瓷。意义意义：合适的大气湿度对生物、生活、生产都重要。所以，湿度的测量、控制与调节对工农业、气象、环卫、健康、食品、储运、国防

10、都有重要意义。机理机理：湿敏陶瓷是多孔性的。利用微孔吸附大气中水分，使电导发生变化，也是一种表面过程。既有离子电导，也有电子电导。2、湿敏陶瓷类型、湿敏陶瓷类型 氧化物涂覆膜型氧化物涂覆膜型：湿敏传感器是将氧化物制成浆料涂在基片上放好电极，烘干加固而成。（Fe2O3,NiO，Al2O3,ZnO，TiO2）多孔烧结体型多孔烧结体型：如30%mol的TiO2和70%的MgCr2O4 烧结的多孔陶瓷体。厚膜型厚膜型：如MnWO4和NiWO4厚膜湿敏元件。制备：感湿浆料制备，印刷法制备感湿元件。薄膜型薄膜型：溅射、阳极氧化、等离子CVD、溶胶-凝胶制备湿敏陶瓷薄膜。6-5 铁氧体铁氧体 铁氧体即铁系元

11、素氧化物，MFe2O4一、软磁铁氧体一、软磁铁氧体 用于高频磁芯。实用的有：Mn铁氧体，Ni铁氧体和Zn铁氧体的固溶体。Mn-Zn铁氧体：MnZnFeO4，电阻率较小（103 ）Bs很大半导体范围 10-3108Ni-Zn铁氧体：电阻率大于106用于中频以上二、硬磁铁氧体二、硬磁铁氧体CoFe2O4BaFe2O4 矫顽力很大。三、微波铁氧体三、微波铁氧体电阻率大，高频损耗小。微波电路元件 Mn-Mg-Al系铁氧体，Ni-Zn系铁氧体，稀土类石榴石 6-6 生物功能陶瓷生物功能陶瓷一、生物材料应满足的条件一、生物材料应满足的条件生物学条件：生物学条件：（1）生物相容性好。对机体无排异反应，不引起

12、周围产生局部或全身性反应。最好与骨形成化合物，具有生物活性；（2）对人体无毒、无刺激、无畸变，不致敏、致癌等；（3）无溶血、凝血反应。化学条件：化学条件：（1）在体内长期稳定、不分解、不变质；（2）耐侵蚀，不产生有害降解物；（3）不产生吸水膨润、软化等变化。力学条件：力学条件：（1）足够的静态强度，如抗弯、抗压、抗拉伸剪切等；（2）适当的弹性模量和硬度；（3）耐疲劳、摩擦、磨损，有润滑性能。二、生物陶瓷特点二、生物陶瓷特点 其它条件：其它条件：（1）良好的孔隙度，体液及软组织易于长入；（3）易加工成型；（3）热稳定性好，高温消毒不变质。综合上述考虑，尚无任何材料满意。相比之下，生物陶瓷占相对优

13、势。陶瓷是经高温处理合成的无机非金属材料，其它材料无法比拟。（1）因高温烧结，结构中包含强离子键和共价键。故具有良好的机械强度、硬度，而且在体内难溶、不易变质，热稳定性好，便于加热消毒，耐磨，满足种植要求。（2）陶瓷组成范围较宽，可以根据实际需要设计组成，控制性能变化。三、生物陶瓷材料三、生物陶瓷材料（3）易成型。如颗粒型、柱形、管型、致密型和多孔型。做骨螺钉、骨夹板、牙根、关节、颌骨、颅骨等（4）通常认为陶瓷烧成后难加工，现在陶瓷的切削、研磨、抛光工艺已成熟，可以车、刨、铣、钻。氧化铝是一种满意的实用生物材料。有多晶、单晶、多孔氧化铝三种。生物相容性好，稳定性高，机械强度大。用作人工骨、牙根

14、、人工关节等。问题问题：与骨头不发生化学结合，长时间骨固定发生松弛；机械强度不十分高；杨氏模量过高；摩擦系数和磨损速度不低。氧化锆生物稳定性也良好，耐磨性更为优良。在人工牙根和人工股关节方面引人注目。6-7 高温超导陶瓷（略）高温超导陶瓷（略）6-8 功能陶瓷制备方法功能陶瓷制备方法工艺流程：主成分原料+掺杂成分 混合 预烧合成 粉碎 造粒 成型 烧结 冷加工 成品。一、功能陶瓷粉体制备（机械法、合成法两种）一、功能陶瓷粉体制备（机械法、合成法两种）除陶瓷外，还有碳素材料、石墨，是良好的生物材料。还有羟基磷灰石。1、机械法、机械法 采用机械粉碎方法将机械能转化为颗粒表面能，使粗颗粒破碎为细粉。

15、常见方法常见方法：滚动球磨、振动球磨、搅动球磨、气流粉碎等。球磨过程是一个复杂的物理化学过程，不仅使粉末粒度变细，而且会改变粉末的物理化学性质，提高表面能。特点特点：简便。2、合成法、合成法 由离子、原子、分子通过反应、成核和成长、收集、后处理等手段获取细粉。特点：纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒细微。（1）固相法）固相法 自蔓延高温合成法多为金属元素燃烧、强烈的放热反应形成化合物粉末。固相热分解法如硫酸铝铵在空气中热分解制得Al2O3粉末。（2）液相法）液相法 1）共沉淀法）共沉淀法 某种金属盐溶液添加沉淀剂制成另一种盐或氢氧化物，再加热分解得到金属氧化物。两种金属盐同时沉淀得到复合金属氧化物粉末 2）溶胶）溶胶-凝胶法凝胶法（sol-gel）含有不同金属离子的盐酸溶液和有机胶混合成溶胶，溶液蒸发脱水成凝胶，低温煅烧成活性氧化物粉体（800-9000C）或者，将易于水解的金属化合物（无机盐或金属醇盐）在某种溶剂中与水反应，经缩聚而凝胶化，再干燥，烧结处理得到粉体。3、气相法（、气相法（CVD）可以制膜、晶须或粉体二、成型二、成型1、原料处理、原料处理 对粉体进行煅烧（挥发杂质，去水分、气分和有机物）、混合（加添加剂）、塑化（加增塑剂、胶黏剂）2、成型、成型 挤压、模压、注射成型等三、烧结三、烧结 常压烧结（大气压下），热压烧结（模具内加压力，同时烧结）等。