5功能陶瓷材料.ppt

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1、第五章第五章 功能陶瓷材料功能陶瓷材料材料学院 王琳15.1 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 25.1.1 陶瓷材料的发展概况陶瓷材料的发展概况 陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷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

2、材料并列为当代并列为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历史悠久、成就辉煌、成就辉煌，它是中它是中华文明的伟大象征之一，在我国的华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占有极其重要的地位。有极其重要的地位。3陶瓷的研究进程分为三个阶段陶瓷的研究进程分为三个阶段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4新石器时代新石器时代远在远在几干年前几干年前的的新石器时代新石器时代新石器时代新石器时代，我们的祖先就，我们的祖先就已经用已经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

3、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陶器陶器陶器陶器，由于，由于烧成烧成温度较低温度较低，陶器仅是一种含有，陶器仅是一种含有较多气孔较多气孔较多气孔较多气孔、质地疏质地疏质地疏质地疏松松松松的的未完全烧成未完全烧成制品。制品。5以后大约在以后大约在2000年前的年前的东汉晚期东汉晚期东汉晚期东汉晚期，人们利用，人们利用含铝含铝含铝含铝较高的天然瓷土较高的天然瓷土较高的天然瓷土较高的天然瓷土为原料，加上为原料，加上釉釉釉釉的发明，以及的发明，以及高温合高温合高温合高温合成技术成技术成技术成技术的不断改进，使陶瓷步入的不断改进，使陶瓷步入瓷器

4、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。意义重大的里程碑。釉：釉：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，烧制后发出玻璃光泽发出玻璃光泽发出玻璃光泽发出玻璃光泽，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。6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为主要原料与其他天然矿物原料天然矿物原料经经粉碎混炼粉碎混炼粉碎混炼粉碎混炼成形成形成形成形一一煅烧煅烧煅烧煅烧等过程制成的。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

5、陶瓷、电瓷电瓷等传统陶瓷。等传统陶瓷。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盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物(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。从从原始瓷器原始瓷器原始瓷器原始瓷器的出现到的出现到近代的传统陶瓷近代的传统陶瓷近代的传统陶瓷近代的传统陶瓷，这一阶段，这一阶段持续了四千余年。持续了四千余年。7先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段20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，从性质性质性质性质

6、、品种品种品种品种到到质量质量质量质量等方面，对等方面，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。8如如氧化物陶瓷氧化物陶瓷、压电陶瓷压电陶瓷、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，陶瓷研究进入第二个阶段这时，陶瓷研究进入第二个阶段先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段。9先进陶瓷先进陶瓷先进陶瓷先进陶瓷（Advanced ceramics）又称又称现代陶瓷现代陶瓷现代陶瓷现代陶瓷，

7、是为了有别于是为了有别于传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷而言的。而言的。先进陶瓷先进陶瓷先进陶瓷先进陶瓷有时也称为有时也称为精细陶瓷精细陶瓷精细陶瓷精细陶瓷(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)和和高技术陶瓷高技术陶瓷高技术陶瓷高技术陶瓷(High-Tech.Ceramics)等。等。10在在先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段，陶瓷制备技术陶瓷制备技术飞速发展。飞速发展。在在成形方面，成形方面，成形方面，成形方面，有有等静压等静压等静压等静压成形、成形、热压

8、注热压注热压注热压注成形、成形、注注注注射射射射成形、成形、离心注浆离心注浆离心注浆离心注浆成形、成形、压力注浆压力注浆压力注浆压力注浆成形等成形方法；成形等成形方法；在在烧结方面，烧结方面，烧结方面，烧结方面，则有则有热压热压热压热压烧结、烧结、热等静压热等静压热等静压热等静压烧结、烧结、反应反应反应反应烧结、烧结、快速快速快速快速烧结、烧结、微波微波微波微波烧结、烧结、自蔓延自蔓延自蔓延自蔓延烧结等。烧结等。11在在先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段，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传统原料，而已扩大到等传统原料，而已扩大

9、到化工原料化工原料化工原料化工原料和和合合合合成矿物成矿物成矿物成矿物，甚至是，甚至是非硅酸盐非硅酸盐非硅酸盐非硅酸盐、非氧化物非氧化物非氧化物非氧化物原料，原料，组成范组成范围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围。范围。此时可认为，此时可认为，广义的陶瓷概念广义的陶瓷概念广义的陶瓷概念广义的陶瓷概念已是已是用陶瓷生产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统称。的统称。12纳米陶瓷阶段纳米陶瓷阶段到到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

10、个阶段段-纳米陶瓷阶段纳米陶瓷阶段纳米陶瓷阶段纳米陶瓷阶段。所谓所谓纳米陶瓷纳米陶瓷纳米陶瓷纳米陶瓷，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度宽度宽度宽度、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级的尺度上纳米量级的尺度上。135.1.2 功能陶瓷的定义、范围和分类功能陶瓷的定义、范围和分类从性能上从性能上可把可把先进陶瓷先进陶瓷分为分为结构陶瓷结构陶瓷(Structral ceramics

11、)和和功能陶瓷功能陶瓷(Functional Ceramics)两大类。两大类。14 结构陶瓷结构陶瓷结构陶瓷结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学热学热学热学和和和和化学功能化学功能化学功能化学功能的先进陶瓷的先进陶瓷(现代陶瓷现代陶瓷)，特别，特别适于高温适于高温下应用的下应用的则称为则称为高温结构陶瓷高温结构陶瓷高温结构陶瓷高温结构陶瓷。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电电、磁磁磁磁、声声声声、光光光光、热热热热、力力力力等等直接效应直接效应及其及其耦合效应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

12、质来实现某种来实现某种使用功能使用功能使用功能使用功能的先进陶瓷的先进陶瓷(现代陶瓷现代陶瓷)。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。15通过对通过对复杂多元氧化物系统复杂多元氧化物系统复杂多元氧化物系统复杂多元氧化物系统的的化学、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优异性能或特殊功能的功能陶瓷优异性能或特殊功能的功能陶瓷优异性能或特殊功能的功能陶瓷优异性能或特殊功能

13、的功能陶瓷，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经验式的探索经验式的探索经验式的探索经验式的探索逐步走向逐步走向按按按按所需性能来进行材料设计所需性能来进行材料设计所需性能来进行材料设计所需性能来进行材料设计。165.1.3、功能陶瓷的性能与工艺特征、功能陶瓷的性能与工艺特征陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能的实现，主要取决于它所具有的的实现，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，而在某一类性能某一类性能某一类性能某一类性能范围中，又必须针对范围中，又必须针对具体应具体

14、应具体应具体应用用用用，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。17一般来说，要一般来说，要从性能的改进从性能的改进从性能的改进从性能的改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：通过通过改变外界条件改变外界条件改变外界条件改变外界条件，即，即改变工艺条件改变工艺条件改变工艺条件改变工艺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

15、料的组成上直接直接调节调节调节调节、优化优化优化优化其内在的品质其内在的品质，包括采用包括采用非化学式计量非化学式计量非化学式计量非化学式计量、离子置换离子置换离子置换离子置换、添加不同类型杂添加不同类型杂添加不同类型杂添加不同类型杂质质质质，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。18一般工艺条件一般工艺条件是指是指原料的原料的物理化学性质物理化学性质和和状态状态、加工成型方法加工成型方法和和条件、条件、烧成制度烧成制度和和烧结状态烧结状态，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。无论是无论是改变组成改变组成还是

16、还是改变工艺改变工艺，最终都，最终都是通过是通过材料材料微观结构的变化微观结构的变化，才能体现出，才能体现出宏宏观的功能变化观的功能变化。19因此，要想达到因此，要想达到自控设计材料自控设计材料自控设计材料自控设计材料，或者进行，或者进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。20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215

17、.1.4、功能陶瓷的应用和展望、功能陶瓷的应用和展望功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷的不断开发，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广也随之更为广泛。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、热电、磁、光、声、热和化学和化学等等信息的检测信息的检测信息的检测信息的检测、转换转换转换转换、传输传输传输传输、处理处理处理处理和和存储存储存储存储等，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

18、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。22根据功能陶瓷根据功能陶瓷组成结构的组成结构的易调性易调性易调性易调性和和可控性可控性可控性可控性，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能量转换能量转换能量转换能量转换和和耦合特性耦合特性耦合特性耦合特性，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等陶瓷；等陶瓷；根据功能陶瓷对根据功能陶瓷对外场条件的敏感效应外场条件的敏感效应外场条件的敏感效应外场条件的敏感效应，则可制，则可

19、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。23在在设备技术方面设备技术方面设备技术方面设备技术方面向着向着多层多层多层多层、多相、多相乃至乃至超微细结构的调控超微细结构的调控超微细结构的调控超微细结构的调控与与复合复合复合复合、低温活化烧结低温活化烧结低温活化烧结低温活化烧结、立体布线立体布线立体布线立体布线、超细超纯超细超纯超细超纯超细超纯、薄膜技术、薄膜技术等方等方向发展。向发展。在在材料及应用方面材料及应用方面材料及应用方面材料及应用方面的的主要研究方向主要研究方向应包括：应包括：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

20、及其传感器传感器传感器传感器；高转换率高转换率高转换率高转换率、高可靠性高可靠性高可靠性高可靠性、低损耗低损耗低损耗低损耗、大功率大功率大功率大功率的的压电压电压电压电陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷及其及其换能器换能器换能器换能器；超高速大容量超高速大容量超导计算机超导计算机用用光纤陶瓷材料光纤陶瓷材料光纤陶瓷材料光纤陶瓷材料；多层封装多层封装立体布线立体布线用的用的高导热低介电常数陶瓷基板材料高导热低介电常数陶瓷基板材料高导热低介电常数陶瓷基板材料高导热低介电常数陶瓷基板材料；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多层陶瓷电容器材多层陶瓷电容器材多层陶瓷电容器材多层陶瓷电容器材料料

21、料料等。等。245.1.5、制备陶瓷材料的原料、制备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矿物原料天然的矿物原料天然的矿物原料天然的矿物原料或或岩石原料岩石原料岩石原料岩石原料，其中多为，其中多为硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物。这些这些天然的矿物原料天然的矿物原料天然的矿物原料天然的矿物原料或或岩石原料岩石原料岩石原料岩石原料种类繁多种类繁多，资源蕴藏丰资源蕴藏丰富富，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

22、陶瓷材料制品对原料的要求很高，需要采用对原料的要求很高，需要采用均一均一均一均一且且高纯度高纯度高纯度高纯度的的人工合成原料人工合成原料。25(一一)原料分类原料分类根据根据原料工艺特性原料工艺特性原料工艺特性原料工艺特性分为：分为：可塑性原料可塑性原料(也称瘠性原料也称瘠性原料)、熔剂性原料熔剂性原料。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。根据根据原料的矿物组成原料的矿物组成原料的矿物组成原料的矿物组成分为：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

23、质原料。根据根据原料获得的方式原料获得的方式原料获得的方式原料获得的方式分为：分为：矿物原料矿物原料、化工原料化工原料。26综合综合陶瓷制品陶瓷制品对于对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艺特性工艺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黏土类原料黏土类原料 具有非可塑性的具有非可塑性的石英类原料石英类原料 熔剂原料熔剂原料27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

24、各种化工原料。陶瓷工业中需用的陶瓷工业中需用的辅助材料辅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，以及各种外加剂各种外加剂如如助磨剂助磨剂、助助滤剂滤剂、解凝剂解凝剂、增塑剂增塑剂和和增强剂增强剂等。等。28(二二)黏土类原料黏土类原料黏土类原料黏土类原料黏土类原料黏土类原料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微细的矿物微细的矿物微细的矿物微细的矿物的混合体，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，主要是由主要是由黏土矿物黏土矿物黏土矿物黏土矿物和和其他矿物其他矿物其他矿物其他矿物组成的并组成的并具有一定

25、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，产地遍及全国。资源丰富，产地遍及全国。黏土的主要矿物黏土的主要矿物黏土的主要矿物黏土的主要矿物：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水铝英石英石。黏土的组成黏土的组成黏土的组成黏土的组成：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、化学组成化学组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。29 黏土的性质黏土的性质黏土的性质黏土的性质黏土的性质对黏土的

26、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。它主要包括可塑可塑性性、结合性结合性、离子交换性、离子交换性、触变性触变性、干燥收缩干燥收缩和和烧成收缩烧成收缩、烧烧结温度结温度与与烧结范围烧结范围和和耐火度耐火度等。等。黏土的工艺性质黏土的工艺性质黏土的工艺性质黏土的工艺性质 主要取决于黏土的主要取决于黏土的矿物组成矿物组成矿物组成矿物组成、化学组成化学组成化学组成化学组成与与颗粒组成颗粒组成颗粒组成颗粒组成。其中，。其中，矿物组成矿物组成是基本因素。是基本因素。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：脱水阶段脱水阶段脱水阶段脱水阶段与与脱水脱

27、水脱水脱水后产物的继续转化阶段后产物的继续转化阶段后产物的继续转化阶段后产物的继续转化阶段。30黏土作用黏土作用黏土作用黏土作用概括为五个方面：概括为五个方面：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AlAl2 2OO3 3含量含量含量含量和和杂质含杂质含杂质含杂质含 量量量量是决定是决定陶瓷坯体的

28、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。31(三三)石英类原料石英类原料石英的种类石英的种类。自然界中的自然界中的二氧化硅结晶矿物二氧化硅结晶矿物二氧化硅结晶矿物二氧化硅结晶矿物可以统称为石英。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水晶水晶水晶水晶。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：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、

29、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。32石英原料的性质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为SiOSiO2 2，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强耐酸侵蚀力强耐酸侵蚀力强耐酸侵蚀力强耐酸侵蚀力的酸性氧化物，除的酸性氧化物，除氢氟氢氟酸酸外，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。当石英与当石英与碱性物质碱性物质碱性物质碱性物质接触时，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

30、属氧化物碱金属氧化物作用生成作用生成硅酸盐硅酸盐硅酸盐硅酸盐与与玻璃玻璃玻璃玻璃态物质态物质态物质态物质。33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瘠性原料瘠性原料瘠性原料瘠性原料，可对，可对泥料的可塑性泥料的可塑性起起调节作用调节作用调节作用调节作用，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，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

31、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，石英对坯体的力学强度坯体的力学强度坯体的力学强度坯体的力学强度有着很大的影响，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提高瓷器坯体的强度提高瓷器坯体的强度提高瓷器坯体的强度提高瓷器坯体的强度，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

32、质的主要组分，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。34(四四)长石类原料长石类原料长石长石长石长石是陶瓷原料中最常用的是陶瓷原料中最常用的熔剂性原料熔剂性原料熔剂性原料熔剂性原料，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。长石的长石的种类种类种类

33、种类和和一般性质一般性质一般性质一般性质：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。根据根据架状硅酸盐架状硅酸盐架状硅酸盐架状硅酸盐的结构特点，的结构特点，长石长石长石长石可分为可分为四种基四种基四种基四种基本类型本类型本类型本类型：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。35长石长石在陶瓷生产中的作用在陶瓷生产中的作用如下：如下：长石长石长石长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，能降低陶瓷坯体组分的熔化温降低陶瓷坯体组分的熔

34、化温降低陶瓷坯体组分的熔化温降低陶瓷坯体组分的熔化温 度度度度，有利于成瓷和降低烧成温度有利于成瓷和降低烧成温度有利于成瓷和降低烧成温度有利于成瓷和降低烧成温度。熔融后的熔融后的长石熔体能长石熔体能长石熔体能长石熔体能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，促进莫来石晶体莫来石晶体莫来石晶体莫来石晶体的形成和长大，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。长石熔体长石熔体长石熔体长石熔体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，有助于坯体致密坯体致密坯体致

35、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长石是主要熔剂熔剂熔剂熔剂。长石作为长石作为瘠性原料瘠性原料，在生坯中还可以，在生坯中还可以缩短坯体干燥时间缩短坯体干燥时间缩短坯体干燥时间缩短坯体干燥时间，减少减少减少减少 坯体的干燥收缩和变形坯体的干燥收缩和变形坯体的干燥收缩和变形坯体的干燥收缩和变形等。等。36(五五)其他矿物原料其他矿物原料 含碱硅酸铝含碱硅酸铝含碱硅酸铝含碱硅酸铝类类 碱土硅酸盐类碱土硅酸盐类碱土硅酸盐类碱土硅酸盐类 碳酸盐类碳酸盐类碳酸盐类碳酸盐类 钙的磷酸盐类钙的磷酸盐类钙的磷酸盐类钙的磷酸盐类 高铝质矿物类高铝质矿物类高铝质矿物类高铝质

36、矿物类 工业废渣类工业废渣类工业废渣类工业废渣类 锆英石锆英石锆英石锆英石 375.2、绝缘陶瓷、绝缘陶瓷5.2.1 精密绝缘陶瓷精密绝缘陶瓷在近代电子技术在近代电子技术中的作用中的作用 5.2.2 绝缘陶瓷的绝缘陶瓷的性能与特征性能与特征 5.2.3 常用绝缘陶瓷材料及其性能常用绝缘陶瓷材料及其性能 5.2.4 绝缘陶瓷的应用绝缘陶瓷的应用385.2.1 精密绝缘陶瓷在近代电子技术中的作用精密绝缘陶瓷在近代电子技术中的作用绝缘材料绝缘材料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

37、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。39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，即要求即要求电阻率电阻率电阻率电阻率尽量高，尽量高，绝缘强度绝缘强度绝缘强度绝缘强度也尽量高。也尽量高。此外，此外，绝缘材料绝缘材料绝缘材料绝缘材料还起着导体的还起着导体的机械支持机械支持机械支持机械支持、散散散散热热热热及及电路环境保护电路环境保护电路环境保护电路环境保护等作用。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为称为绝缘陶瓷绝缘陶瓷绝缘陶瓷绝缘陶瓷。40绝缘陶瓷绝缘陶瓷绝缘陶瓷绝缘陶瓷可分为可分为氧化物绝缘陶瓷氧化物绝

38、缘陶瓷氧化物绝缘陶瓷氧化物绝缘陶瓷和和非氧化物绝缘非氧化物绝缘非氧化物绝缘非氧化物绝缘陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷两大系列；无论是哪种系列的绝缘陶瓷，要成为两大系列；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：体积电阻率体积电阻率体积电阻率体积电阻率()=1012 cm相对介电常数相对介电常数相对介电常数相对介电常数(r)=30损耗因子损耗因子损耗因子损耗因子(tg)=5.0kV/mm41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

39、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，在众多的家用电器家用电器家用电器家用电器，如收录机、彩色电视机和录像，如收录机、彩色电视机和录像机中，在机中，在一般的集成电路一般的集成电路一般的集成电路一般的集成电路(IC)，大规模集成电路大规模集成电路大规模集成电路大规模集成电路(LSI)和和超大规超大规超大规超大规模集成电路模集成电路模集成电路模集成电路(VLSI)中，在中，在大型电子

40、计算机大型电子计算机大型电子计算机大型电子计算机等高技术产品中，甚等高技术产品中，甚至在航空、航天等至在航空、航天等尖端科技领域尖端科技领域尖端科技领域尖端科技领域中，中，精密绝缘陶瓷精密绝缘陶瓷精密绝缘陶瓷精密绝缘陶瓷已较大量使已较大量使用。用。425.2.2 绝缘陶瓷的性能与特征绝缘陶瓷的性能与特征一、一、离子导电离子导电和和绝缘性绝缘性二、二、陶瓷的陶瓷的微观结构微观结构和和绝缘性绝缘性43一、一、离子导电和绝缘性离子导电和绝缘性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绝缘性绝缘性绝缘性绝缘性、半导性半导性半导性半导性和和导电性导电性导电性导电性。固体

41、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满带满带满带满带，未被电子占据未被电子占据的叫的叫导带导带导带导带，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禁带宽度禁带宽度禁带宽度禁带宽度。44如果如果禁带宽度足够大禁带宽度足够大(在几个电子伏特以上在几个电子伏特以上)，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导进入导带，也即认为电子几乎无法迁移，那么固体便带，也即认为电子几乎无法迁移，那么固体便成为成为典型的绝缘体典型的绝缘体。实际上，这种实际上，这种理想的绝缘体理想的绝缘体只有只有在绝对零在绝对零度度时才能获得。时才能获得。45很多很多绝

42、缘陶瓷绝缘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绝缘陶瓷绝缘陶瓷而言，固体中的另一种导电机理而言，固体中的另一种导电机理-离子导电离子导电就变得十分重要了。它主要是就变得十分重要了。它主要是通过离子扩散通过离子扩散而发生的电导行为。而发生的电导行为。46一般情况下，一般情况下，离子电导率离子电导率 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。47下式给出了下式给出了 i的具体表达式：的具体表

43、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玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，T绝对温度绝对温度(K)。而而Di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。48 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/q A exp(-E/kTkT)/)/kTkT =(=(AnqAnq2 2/kT)exp(-E/kT)exp(-E/kTkT)49可知，可知，离子电导率离子电导率随随温度温度的的升高呈指数增加。升高呈指数增加

44、。ln i 常数常数E/kT由下式由下式50离子电荷离子电荷离子电荷离子电荷和和扩散系数扩散系数扩散系数扩散系数影响影响离子导电离子导电，扩散扩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电荷及离子的电荷及离子的电荷及离子的电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，电荷及体积越小的离子电荷及体积越小的离子电荷及体积越小的离子电荷及体积越小的离子越易越易扩散扩散，其，其激活能的数值激活能的数值也越小。也越小。i=n q q A exp(-E/kT)/kT51因此，因此，在绝缘陶瓷中在绝缘陶瓷中应尽可能应尽可能避免避免碱金属离子碱金属离子

45、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强烈的电导，使材料的材料的绝缘性能劣化绝缘性能劣化。52 二、二、陶瓷的微观结构与绝缘性陶瓷的微观结构与绝缘性一般而言，一般而言，绝缘陶瓷绝缘陶瓷绝缘陶瓷绝缘陶瓷是是粉体原料粉体原料经过经过成型和烧成型和烧成型和烧成型和烧结结结结而得到的多相多晶材料。而得到的多相多晶材料。陶瓷的微观结构陶瓷的微观结构主要可分为主要可分为基质基质基质基质、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绝缘性能好，而好，而基质基质基质基质往往往往在高在

46、高温下温下显示显示较大的导电性较大的导电性较大的导电性较大的导电性。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。53固体内部存在的固体内部存在的气孔气孔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，因易吸水易吸水和和被污染被污染将将使表面绝缘性显著劣化使表面绝缘性显著劣化。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

47、釉上釉以以防止污染和吸潮防止污染和吸潮。54通常情况下，通常情况下，材料的绝缘性材料的绝缘性材料的绝缘性材料的绝缘性与材料的与材料的纯度纯度纯度纯度、材料中材料中杂质含量杂质含量杂质含量杂质含量的多少有关。的多少有关。材料材料纯度越高纯度越高纯度越高纯度越高，杂质含量越少，则它们的，杂质含量越少，则它们的绝绝绝绝缘性能就越好缘性能就越好缘性能就越好缘性能就越好。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，在禁带中产生杂质能级杂质能级杂质能级杂质能级，从而，从而使使电荷载流子增加电荷载流子增加电荷载流子增加电荷载流子增加

48、，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。555.2.3 常用绝缘陶瓷材料及其性能常用绝缘陶瓷材料及其性能绝缘陶瓷材料绝缘陶瓷材料绝缘陶瓷材料绝缘陶瓷材料按按化学组成化学组成化学组成化学组成可分为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类。两大类。氧化物系氧化物系氧化物系氧化物系绝缘陶瓷绝缘陶瓷已得到广泛应用，而已得到广泛应用，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绝缘陶瓷是70年代才发展起来的，年代才发展起来的，56目前应用的主要有目前应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、B

49、N、AlN等。等。除除多晶陶瓷多晶陶瓷多晶陶瓷多晶陶瓷外，近年来又发展了外，近年来又发展了单晶绝缘单晶绝缘单晶绝缘单晶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、人造蓝宝石蓝宝石、尖晶石尖晶石、氧化铍氧化铍及及石英石英等。等。575.2.4 绝缘陶瓷的应用绝缘陶瓷的应用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，陶瓷绝缘子陶瓷绝缘子陶瓷绝缘子陶瓷绝缘子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陶瓷绝陶瓷绝陶瓷绝陶瓷绝缘子缘子缘子缘子，目前，已

50、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超高压输电用输电用高性能陶瓷绝缘子高性能陶瓷绝缘子高性能陶瓷绝缘子高性能陶瓷绝缘子。随之，汽车随之，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。58随着随着电子工业电子工业电子工业电子工业的发展，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，这类电路需要要绝缘性能绝缘性能绝缘性能绝缘性能、导热性能导热性能导热性能导热性能、热膨胀匹配性能热膨胀匹配性能热膨胀匹配性能热膨胀匹配性能