新型功能陶瓷材料研究进展-张秀娟.doc

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1、佳木斯大学研究生课程报告陶瓷材料学报告题目新型功能陶瓷材料的研究进展学 院材料科学与工程年 级2009级专 业材料加工工程研究方向生物医学材料学生姓名张秀娟学 号09812012佳木斯大学1功能陶瓷材料分类导电陶瓷具有良好的导电性能，而且能耐高温，是磁流体发电装置中集电极的关键材料。半导体陶瓷：指采用陶瓷工艺成型的多晶陶瓷材料。与单晶半导体不同的是，半导体陶瓷存在大量晶界，晶粒的半导体化是在烧结工艺过程中完成的，因此具有丰富的材料微结构状态和多样的工艺条件，特别适用于作为敏感材料。除半导体晶界层陶瓷电容器外，目前已使用的敏感材料，主要有热敏材料、电压敏材料、光敏材料、气敏材料、湿敏材料等。尤其

2、是近10年来，如PTC(positive temperature coefficient的缩写)材料在国内无论是基础理论研究还是工业生产规模都得到长足进步，其应用范围，已渗透到航天、航空、航海、无线通讯、有线通讯、电子工业和民用电器等各个领域。有一种高性能PTC材料，采用了一种施主为液相、另一种施主为固相的双施主掺杂方法，利用国产原料并同时考虑到成型压力和烧成制度等因素的影响，制备出了性能较优的PTC材料，这对于促进生产高性能PTC材料和原料的国产化，有一定的理论和实际意义。而铬酸镧(La-CrO3)是一种钙钛矿型(ABO3)复合氧化物，具有很高的熔点(2490)，它在掺杂Ca、Sr和Mg等二

3、价碱土金属后具有很多特殊的性质。在高温发热材料、固体氧化物燃料电池连接材料、催化剂、NTC热敏电阻等方面都得到广泛的应用，是一种很有前途的功能陶瓷材料。在NTC热敏电阻方面应用NiMn2O4与LaCrO3以适当的比例进行复合，利用不同特性材料间的复合效应制备低B高阻热敏材料，该复合材料对化学成分偏离不敏感，电阻易于调整和控制，并具有良好的耐高温性，是很有发展前途的一类新型热敏材料。高温超导陶瓷指相对金属而言具有较高超导温度的功能陶瓷材料。从20世纪80年代对超导陶瓷的研究有重大突破以来，对高温超导陶瓷材料的研究及应用就倍受关注。近十几年以来，我国在这方面的研究一直处于世界先进水平。目前高温超导

4、材料的应用正朝着大电流应用、电子学应用、抗磁性等方面发展。介电陶瓷：具有绝缘电阻高、耐压高、介电常数小、介电损耗低、机械强度高以及化学稳定性好的特点，被广泛用做集成电路的绝缘基板。介电陶瓷包括氧化铝、氧化铍、碳化硅、氮化铝等，以氧化铝的应用最为普遍。目前国内外常用的电子绝缘材料是Al2O3。近年来随着科技不断发展，又出现了新型的电子绝缘材料，如陶瓷，具有高强度、高绝缘性、低介电常数、高的热导率等优良的性能，且其热膨胀系数能够与单晶硅相匹配，主要应用是作为大规模集成电路和电力模块电路的散热基板。压电陶瓷：压电陶瓷的晶体结构上没有对称中心，因而具有压电效应，即具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功

5、能。压电陶瓷材料具有成本低、换能效率高、加工成型方便等优点，常用于制作压电器材、滤波器、谐振器和变压器等。常用的压电元件：传感器、气体点火器、报警器、音响设备、医疗诊断设备及通讯等。通常的压电材料是PZT，新型的压电陶瓷材料主要有：高灵敏、高稳定压电陶瓷材料，电致伸缩陶瓷材料，热释电陶瓷材料等。压电陶瓷作为电、力、热、光敏感材料，在超声换能、传感器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用。近年来，虽然我们在陶瓷驱动器的应用和开发方面给予了重视，参加研究的单位越来越多，并且取得了一定的成绩，有些产品的性能指标与国外产品已经很接近，但总的来说，与发达国家的差距仍然是很大的，尤其是在技术的实用化

6、和产业化方面。磁性陶瓷材料：分为硬磁性和软磁性材料两类，前者易磁化，也不易失去磁性。代表性硬磁材料为铁氧体磁和稀土磁体，主要用于磁铁和磁存贮元件。磁性材料可磁化及去磁，磁场方向可以改变，主要用于交变磁场响的电子部件。纳米功能陶瓷：纳米功能陶瓷是应用于空气净化及水处理等具有抗菌、活化、吸附、过滤等功能的新型高科技陶瓷，具有以下功能：(1)远红外释放功能：普通水的pH值为7，经过远红外作用后其pH变为呈弱碱性，弱碱性离子水有益健康；并能加速水分子运动，从而使水的渗透力、扩散力、溶解力、代谢力增强，并产生水保护膜，使普通水变成活性水。(2)负离子释放功能：负氧离子具有较高的活性，有很强的氧化还原作用

7、，能破坏细菌的细胞膜或细胞原生质活性酶的活性，从而达到抗菌杀菌的目的。负离子在空气中移动是呈现“Z”字形的，而且输送负电荷给细菌、灰尘、烟雾微粒以及水滴等，电荷与这些微粒相结合聚成球而下沉，从而达到净化空气目的。在室内装修过程中使用的装潢材料挥发出来的苯、甲醛、酮、氨等刺激性气体以及常生活中剩菜剩饭酸臭味，香烟等对人本有害的异味，负离子都能有效地加以消除。(3)光催化抗菌功能：在波长小于400nm的光照射下，价带电子被激发到导带，形成了电子和空穴，与吸附于其表面的O2和H2O作用，生成超氧化物阴离子自由基，O2和羟基自由基OH，其自由基具有很强的氧化分解能力，能破坏有机物中的C-C链、C-H键

8、、C-N键、C-O键、O-H键、N-H键并杀死细菌，对空气净化和水处理有极佳效果。(4)除臭、吸咐、过滤功能。(5)矿化功能等。由此可见纳米陶瓷将具有十分广阔的应用前景!透明功能陶瓷：透明功能陶瓷材料是在光学上透明的功能材料，它除了具有一般铁电陶瓷所有的基本特性以外，还具有优异的电光效应。通过组分的控制可呈现电控双折射效应、电控光散射效应、电控表面畸变效应、电致伸缩效应、热释电效应、光致伏特效应以及光致伸缩效应等。透明陶瓷可以被制成各种用途的电-光、电-机军民两用器件：光通信用的光开关、光衰减器、光隔离器、光学存储、显示器、实时显示组页器、光纤对接、光纤熔接以及光衰减器等方面应用的微位移驱动器

9、、光强传感器、光驱动器等。用透明陶瓷做成的电光快门器件具有工作电压低、响应速度快、开关比大、尺寸大、可加工性能好、成本低的明显优点：半波电压为650V；开关比大于10001；响应速度：ms级；波长可连续调制，色彩真实，图象文字清晰；尺寸面积达F达10cm2。据了解上海硅酸盐研究所是国内唯一能制备具有实用意义的PLZT透明陶瓷(及薄膜)的单位，目前该产品已提供给部队和企业使用。保健功能陶瓷：将负离子功能粉体制成人体保健产品，主要是利用负离子能够中和体内的代谢产物以及感染所产生的氧自由基；氧自由基是一种极不稳定的物质，当被负离子外围所带的多余电子中和后，氧自由基的种种危害得以消除，如破坏蛋白质、细

10、胞膜，加速动脉硬化，抑制免疫功能、致癌、使人体器官衰老等。总的来说，这种负离子功能粉体首先在日本开发成功，由它制成的各种功能制品已大量涌入市场，如各种能纺织品：床罩、沙发套、内衣、窗帘等；环保制品：内外墙涂料、墙纸、墙布等；以及水质处理产品、除味剂等。自洁功能陶瓷：自洁功能陶瓷是由陶瓷基体和自洁功能材料两大主要部分构成，它是指在陶瓷制品表面或釉层中加入一种或几种具有抗菌、杀菌、防污、除臭和具有净化大气功能的材料，这些功能材料必须以较强的结合力附着在陶瓷上或者与陶瓷本身结为一体，同时对人体不产生任何危害，这样制得的多功能陶瓷称为自洁陶瓷。据有关资料报导，目前，我国已将自洁功能陶瓷的研究列为高技术

11、陶瓷之列，作为“我国今后陶瓷工业科技发展的六大主攻领域”之一，相信在不远的将来，通过我国陶瓷工作者的共同努力，自洁功能陶瓷会投入市场供人们使用。在发达国家中，住宅建设已经或正在使用一些具有净化功能和抗菌功能的建筑材料，包括具有抗污染、抗菌杀菌功能的新型陶瓷制品，而我国在此方面也正在逐步发展。自洁功能陶瓷的进一步完善还需要作包括上述研究在内的大量工作，只有不断的完善和开发，自洁功能陶瓷才会为广大人民接受，才会进入千家万户。2发展趋势及应用功能材料是一门研究无机功能材料的合成与制备、组成与结构、性能与使用效能之间的关系和规律的学科，是具有电、磁、光、声、热等不同性能及通过相互耦合产生各种作用特性的

12、一大类材料。功能陶瓷是指那些利用电、磁、声、光、热、力等直接效应及其耦合效应所提供的先进陶瓷(现代陶瓷)。日常生活中常见的打火机喷嘴、B超探头等一般都是用功能陶瓷材料制成的。随着能源开发、空间技术、电子技术、激光技术、光电子技术、红外技术、传感技术等新技术的出现，现有一般用途的材料已难以满足要求，开发和有效利用高性能材料和功能材料引人瞩目。陶瓷材料具有高强、耐高温、耐腐蚀、耐磨质轻等特点，因而成为新材料的发展中心。如今，在新材料世界里，陶瓷材料可能与金属材料、有机高分子材料形成三足鼎立之势，同时它们又互相复合，取长补短，成为新技术革命的支柱。随着功能陶瓷材料向高性能、高可靠性、多功能、微型化和

13、集成化发展，其制备方法与技术的重要性日益突出。其科学目标是通过对功能陶瓷材料制备中的关键基础性问题的综合研究，发展制备高性能功能陶瓷的相关的科学技术，提出功能陶瓷材料的制备、结构与性能关系的内在规律，发展功能粉体、膜、片及多层结构等形体的功能陶瓷奠定科学技术基础，为制备高可靠和高效能的功能陶瓷材料能及微型元器件提供理论依据，研究内容应该有：2.1高性能功能陶瓷粉体制备关键基础性问题研究高性能功能陶瓷粉体制备中组成控制与结构控制的方法与理论，研究粉体制备过程中的反应机制、扩散机理以及粉体表征等关键性基础问题，研究用于制备功能陶瓷材料的固液浆料体系的物理化学特性及其调控理论与技术。2.2功能陶瓷膜

14、、片与多层结构制备关键基础性问题和关键技术研究功能陶瓷膜、片、多层结构制备的基础性和关键性问题，如流延、内电极、低温共烧及制膜新技术等， 研究瓷材料与异质材料的结合机理和界面结构。2.3复相功能陶瓷的制备及相关基础性问题研究复相价电、铁电陶瓷的组成、设计及其功能与效应的复合探索形成与稳定复相结构陶瓷的制备技术及提高功能陶瓷材料复相结构的重现性和一致性的相关基础性问题等。现代功能陶瓷的特点是品种多、价格低、应用广、功能全、技术高、更新快。通过对复杂多元氧化物系统的化学、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优异性能或特殊功能的功能陶瓷，并可借助于离子置换、掺杂等

15、方法调节、优化其性能，功能陶瓷材料研究已开始从经验式的探索逐步走向按所需性能来进行材料设计。一般来说，要从性能的改进来改善陶瓷材料的功能，办法可从两方面入手：(1)从材料的组成上直接调节，优化其内在的品质。包括采用非化学式计量、离子置换、添加不同类型杂质，使不同相在微观级复合、形成不同性质的晶界层等。(2)通过改变外界条件，即改变工艺条件以改善和提高陶瓷材料的性能，达到获得优质材料的目的。工艺条件是指原料粉料的物理化学性质和状态、加工成型方法和条件，烧成制度和烧结状态，以及成品的加工方法和条件等。无论从应用的广度，还是市场占有率来看，在当前及以后相当一段时间内功能陶瓷在现代陶瓷中仍将占据主导地

16、位。因此，功能陶瓷今后在性能方面会向着高效能、高可靠性、低损耗、多功能、超高功能以及智能化方向发展。在设备技术方面向着多层、多相乃至超微细结构的调控与复合、低温活化烧结、立体布线、超细超纯、薄膜技术等方向发展，在材料及应用的主要研究方向应包括智能化敏感陶瓷及其传感器，具有高转换率、高可靠性、低损耗、大功率的压电陶瓷及其换能器；超高速大容量超导计算机用光纤陶瓷材料；多层封装立体布线用的高导热低介电常数陶瓷基板材料；量大面广、低烧、高比容、用稳定性的多层陶瓷电容器材料等。总之，现代工业技术的快速提高，极大地促进了陶瓷工业的发展。陶瓷产品的应用也日益扩大，因此我们可以相信现代陶瓷必将给我们的生活带来

17、巨大的变化，渗透到我们生活的各个方面。我国发展新型功能陶瓷材料，一方面要大力引进先进装备及检测手段，购买新材料配方和技术专利，来提高我国陶瓷材料的研究、开发、生产的起点水平；另一方面，又要在消化、吸收国外技术的基础上，立即投入到有创造性的研究开发工作之中去。因此我国科技工作者应根据目标市场需求，有针对性地深入研究与市场相适应的应用技术，同时也为该项技术的发展寻找到真正的源泉和根本的推动力。同时国家亦应该在产业政策、投资力度、投资机制等方面对陶瓷驱动技术予以大力扶持，最先进的技术是买不来的，我们一定要积极发展有自主知识产权的技术，以使自己在未来全球经济一体化的大潮中立于不败之地。3结论功能陶瓷材料的制备科学是联系其组成、结构和性能、应用之间的核心，正是通过对功能陶瓷合成与制备的基础性、科学性和规律性的研究，发现和发展了一大批性能优异的功能陶瓷材料及其元器件。通过解决功能陶瓷材料在制备中的各种基础性科学问题，可为我国高性能功能陶瓷材料和元器件的批量、稳定生产提供理论依据，促进功能陶瓷材料制备科学的发展。