功能陶瓷作业封面
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济南大学研究生课程考核（封面）课程编号：SS043019 课程名称：功能陶瓷学时32 学分 2.0考生学号：20070501024考生姓名胡小迎专业材料科学与工程成绩1、考核形式：论文2、考核具体要求：1. 论文题目：中国功能陶瓷的研究及生产现状分析；2. 论文内容：对中国功能陶瓷的研究现状及生产现状进行调研、分析、总结；3. 论文格式：以综述性论文格式撰写；需有参考文献，并于文中注明参考文献出处；任课教师：杨萍2011 年5 月10 日中国功能陶瓷的研究及生产现状分析功能陶瓷是一种新型特种陶瓷，通常具有一种或多种功能，如电、磁、光、热以及耦合功能，如压电、热点、光电等。
功能陶瓷不仅在功能材料中占有十分重要的地位，且功能陶瓷占整个特种陶瓷制品销售量的80%，而电磁功能陶瓷又要占到功能陶瓷的80%以上。
功能陶瓷已在能源开发、空间技术、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等领域得到广泛的应用。
根据使用材料性质的不同，功能陶瓷分为压电陶瓷、电介质陶瓷、发光陶瓷、敏感陶瓷、超导陶瓷和生物陶瓷等。
1.压电陶瓷在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷。
反之，当在晶体上施加电场引起极化时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力。
正、逆效应统称为压电效应。
目前,压电材料的应用已经渗透到了人们的生活及科学技术领域中的众多方面。
压电材料自从发现以来,发展迅速,人们已经掌握了压电材料的很多特性。
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[1]。
1.1压电陶瓷的性质（1）弹性常数（elastic coefficient）：根据压电效应，压电陶瓷在交变电场的作用下，会产生交替的伸长和收缩，从而形成与激励电场频率相一致的受迫机械振动。
对于具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷体称为压电陶瓷振子。
弹性常数是反映材料在弹性形变范围内应力与应变关系的物理量。
（2）机械品质因数（mechanical quality factor）：机械品质因数也是衡量压电陶瓷材料的一个重要参数。
它表示在振动转换时，材料内部能量消耗的程度。
机械品质因数越大，能量的损耗越小。
产生损耗的原因在于内摩擦。
1.2压电陶瓷的生产工艺压电陶瓷生产的主要工艺流程：配料--球磨--过滤、干燥--预烧--二次球磨--过滤、干燥--过筛--成型--排塑--烧结--精修--上电极--烧银--极化--测试。
在生产压电陶瓷时需要注意的事项（1）原料处理首先，根据化学反应式配料。
所用的原料大多数是金属氧化物，少数也可用碳酸盐。
为使生成压电陶瓷的化学反应顺利进行，要求原料细度一般不超过2μm（平均直径）。
提高原料纯度，有利于提高产品质量。
（2）预烧中的反应过程预烧过程一般需经过四个阶段：线性膨胀（室温--400℃），固相反应（400--750℃），收缩（750--850℃），和晶粒生长（800--900℃以下）。
（3）成型和排塑原料经预烧后，就合成了固溶体化合物。
再经一次粉碎，便可成型。
成型可根据不同的要求采用轧膜、压型或等静压等方式。
成型之前需加入粘合剂。
对轧膜的情况，粘合剂一般是粉料质量的15--20%；对压型的情况，只需加5%左右。
过多的粘合剂会使制品的致密度降低。
成型后生坯中的粘合剂、水分等必须加温排去，成为排塑或排胶。
（4）上电极排塑后的生坯重新装炉烧结。
烧成的陶瓷经精修、研磨、清洁后，就可以被覆上电极。
被覆电极一般采用涂布银浆烘干，然后装炉，加热到750℃，保温10--20分钟，使银浆中的氧化银还原为银，并烧渗到陶瓷表面，形成牢固结合层。
也可采用真空蒸镀或化学沉积等办法来被电极。
被上电极的产品便可进行人工极化处理。
（5）影响烧结的因素影响烧结的因素很多。
首先是配方的化学组成，当配方组成中有足够的活动离子时，烧结容易进行。
（6）极化压电陶瓷必须经过极化后才有压电性。
极化就是在直流电场作用下使电畴沿电场方向取向。
1.3 压电陶瓷材料的发展前景压电陶瓷指把氧化物混合（氧化锆、氧化铅、氧化钛等）高温烧结，固相反应后而成的多晶体，并通过直流高压极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷的统称。
所有压电陶瓷都具有这一性质，即当外电场变化时，可以使极化强度减少到零或使极化转向。
（1）一元系压电陶瓷BaTiO3是典型的陶瓷铁电体，具有钙钛矿晶体结构，BaTiO3不溶于水，机电耦合系数大，成为最早的有实用价值的压电陶瓷。
BaTiO3压电陶瓷和石英晶体、罗息盐等压电单晶相比具有制备容易，且可制成任意形状和任意极化方向的产品等的优点。
（2）二元系压电陶瓷50年代初，一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料-锆钛酸铅研制成功。
由于Ti4+的离子半径与Zr4+的离子半径相近，且两种离子的化学性能相似，PbZrO3和PbTiO3能以任何比例形成连续固溶体。
1955年美国国家标准局NBS研究所（现称NIST）的Jaffe等人发现，在因成分变化引起的所谓准同型相界或同质异晶相变成分（X=0.52）附近，四方相和三角相共存，相变激活能低，只要在微弱电场的诱导下，就能发生晶相结构的转变，极化处理时可以获得高压电活性和高介电常数，压电常数是BaTiO3的两倍，且其各方面的性能比BaTiO3陶瓷好得多。
PZT的出现开辟了压电陶瓷应用的新局面，对压电陶瓷来说具有划时代的意义。
为了适应不同的应用需要，获得不同的压电、介电性能，采用改变锆、钛比的方法，Zr/Ti主要集中于53/47和95/5组成范围；但单纯依靠不同Zr/Ti的改变来改善PZT材料的性能，远远满足不了不同领域的要求，还可以在选择Zr/Ti的基础上采取等价离子及不等价离子置换或者掺加杂质、氧化物的方法。
微量的添加物或用置换元素进行改性后，二元系配方比一元系配方性能更为优良，具有高耦合、高机械品质因数和高稳定性等特征，在使用范围内没有明显相变点，可作为滤波器等通信材料，而高耦合。
高介电常数方面的优点又明显扩大了压电陶瓷的应用范围，不仅可作为振子，而且还可作为换能器材，在这些应用中都充分发挥了压电陶瓷的独特作用。
自从PZT压电陶瓷合成成功，它为压电陶瓷应用在变压器、滤波器、换能器、通讯、计测、引燃引爆装置、超声延迟线等各个方面打开了前所未有的新局面。
（3）三元系及多元系压电陶瓷PZT压电陶瓷不断改进，逐趋完美。
以锆钛酸铅为基础，用多种元素改进的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。
1965年，日本松下电气公司把Pb(Mg1/3Nb2/3)O3作为第三组分加到PZT中制成了第一种三元系陶瓷.经研究发现在这种三元系压电陶瓷中添加一些氧化物会提高机电耦合系数K p和高机械品质因数Q m,还能够使频率常数和老化特性得到改善。
三元系陶瓷比二元系陶瓷具有更为优越的性能，可以大幅度地调节可供选择的组成成份和压电性，容易获得高机电耦合数的接收型材料。
大量研究表明，各种驰豫铁电体固溶物与PZT陶瓷组合，以及对这种系统的压电陶瓷进行离子置换和掺杂改性，可获得高介电、高压电性能，并在三元系的基础上发展了更为复杂的四元系、五元系陶瓷材料，使压电陶瓷的研究前景更为广阔[2]。
2.电介质陶瓷根据电性能分类，可将固体材料分为超导体、导体、半导体和绝缘体。
绝缘体（材料）亦称电介质。
电介质陶瓷即是指电阻率大于108Ωm的陶瓷材料承受较强的电场而不被击穿。
电介质陶瓷可通过控制介电性质使之符合高的介电常数，低的高频损耗，适当的介电常数温度变化值等要求。
2.1电介质陶瓷的性质（1）电绝缘与极化电介质陶瓷中的分子正负电荷彼此强烈地束缚，在弱电场的作用下，虽然正电荷沿电场方向移动，负电荷逆电场方向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，因而具有较高的体积电阻率，具有绝缘性。
由于电荷的移动，造成了正负电荷中心不重合，在电介质陶瓷内部形成偶极距，产生了极化。
（2）极化与介电损耗电介质陶瓷的另一特性是介电损耗。
任何电介质在电场作用下，总会或多或少的把部分电能转变成热能使介质发热，在单位时间内因发热而消耗的能量称为损耗功率或简称介电损耗。
2.2电介质陶瓷的分类电介质陶瓷在静电场或交变电场中使用，评价其特性主要指标有体积电阻率、介电常数和介电损耗等参数。
根据这些参数的不同，可把电介质陶瓷分为电绝缘陶瓷即装置陶瓷和电容器陶瓷。
（1）电绝缘陶瓷电绝缘陶瓷又称为装置陶瓷，是在电子设备中作为安装、固定、支撑、保护、绝缘、隔离及连接各种无线电子原件及器件的陶瓷材料。
电绝缘陶瓷具有以下性质：a.高的体积电阻率，b.介电常数小，c.高频电场下的介电损耗要小，d.机械强度高，e.良好的化学稳定性。
电绝缘陶瓷的生产特点。
陶瓷的电绝缘性和介电损耗性主要受玻璃相的影响。
电绝缘陶瓷的性能，主要强调三个方面，即高体积电阻率、低介电常熟和低介电损耗。
除此之外，还要求具有一定的机械强度。
通常陶瓷材料的导电机制为离子导电。
离子导电又可分为本征离子导电、杂质离子导电和玻璃离子导电。
要获得高体积电阻率的陶瓷材料，必须在工艺上考虑以下几点：a.选择体积电阻率高的晶体材料为主要相。
b.严格控制配方，避免杂质离子，尤其是碱金属和碱土金属离子的引入，在必须引入金属离子时，充分利用中和效应和压抑效应，以降低材料中玻璃相的电导率。
c.由于玻璃的电导活化能小，因此应尽可能控制玻璃相的数量，甚至达到无玻璃相烧结。
d.避免引入变价金属离子，以免产生自由电子和空穴，引起电子式导电，使电性能恶化。
e.严格控制温度和气氛，以免产生氧化还原反应而出现自由电子可空穴。
f.当材料中已引入了产生自由电子或空穴的离子时，可引入另一种产生空穴或自由电子的不等价杂质离子，以消除自由电子和空穴，提高体积电阻率这种方法称作杂质补偿。
另外，对于绝缘陶瓷还要求低介电损耗，陶瓷损耗的主要来源是漏导损耗、松弛质点的极化损耗及结构损耗。
因此，降低材料的介电损耗主要从降低漏导损耗和极化损耗入手：a.选择合适的主晶相。
b.在改善主晶相性质时尽量避免产生缺位固溶体或填隙固溶体，最好形成连续固溶体。
c.尽量减小玻璃相含量。
d.防止产生多晶转换，因为多晶转变时晶格缺陷多，电性能下降，损耗增加。
e.注意烧结气氛，尤其对含有变价离子的陶瓷的烧结。
