功能材料(精细功能陶瓷).ppt

(3)特殊技术和特定结构组合化学。它包括激光喷涂组合化学 研究，主客体组装组合化学等。
(4)固体氧化物燃料电池中新型中、低温(600—800℃)区工 作的固体复合氧化物电解质材料的探索和筛选。
(5)从热力学平衡角度研究材料的相态、结构及稳定性，
获得所需材料体系的相图，同时进行性能测定，由此全
面掌握不同组成、结构和工作温度下的材料特性。
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1.1.3 功能材料的分类
目前主要是根据材料的物质性、或功能性、应用性 进行分类。
（一）根据材料的物质性进行分类 1、金属功能材料 2、无机非金属功能材料 3、有机功能材料 4、复合功能材料
1功能材料概论
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（二）根据材料的功能性进行分类
按照材料的物理化学功能进行分类：
1.光学功能材料（按在具体应用中所发挥的效能和作用）
⑨光记录材料 例：碲、碲合金、稀土类合金
1功能材料概论
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2、电学功能材料 例：防静电材料 3、磁学功能材料 例：磁带、磁盘 4、声学功能材料 例：音响设备、仪器 5、力学功能材料 例：高结晶材料、超高强材料 6、热学功能材料 例：显示、测量 7、化学功能材料 ①分离功能材料 例：分离膜、离子交换树脂 ②反应功能材料 例：高分子试剂、高分子催化剂 ③生物功能材料 例：固定化酶、生物反应器 8、生物医学功能材料 例：人工肾、人工心肺 9、核功能材料
1功能材料概论
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③磁能与其他形式能量的转换 如光磁效应、热磁效应、磁冷冻效应和磁性转变效应等 ④机械能与其他形式能量的转换 如形状记忆效应、热弹性效应、机械化学效应、压电效 应、电致伸缩、光压效应、声光效应、光弹性效应和磁 致伸缩效应等。
1功能材料概论
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按材料种类分，功能材料还可分为：金属功 能材料、无机非金属功能材料和有机功能材料。

电子绝缘陶瓷
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 ALN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。
照明绝缘陶瓷套管
绝缘装置陶瓷
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是： 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。
气体点火器
音响设备
磁性陶瓷材料
磁性陶瓷材料可分为硬磁性和软磁性材料两 类，前者不易失去磁性。代表性硬磁性材料为铁 氧体磁铁和稀土磁铁，主要用于磁铁和磁存储元 件。软磁性材料易磁化及去磁，磁场方向可以改 变，主要用于交变磁场响应的电子部件。
抗菌陶瓷刀
抗杀菌陶瓷的生产工艺及效果
抗杀菌陶瓷由两部分组成：陶瓷基体、载体及抗杀菌 材料。基体的制备和一般陶瓷的制备方法一样，通过配料、 球磨、成型、烘干等工艺，有的还进行素烧；载体可以用 溶胶凝胶法(sol—ge1)或其它化学反应法制成薄膜 再把 抗杀菌材料涂复在其上，然后在较低的温度下进行烤制 (300～400℃)而成。 一 般载膜的厚度应小于0.0lmm，我们则直接制成 TiO2膜层 。抗杀菌功能材料的加入，有的是独立加人， 多数则是与陶瓷基础釉混合、球磨制成抗菌釉，然后在基 体上施釉、烘干并烧成。
电介质陶瓷
用于调谐电路、保护逻辑及记忆单元的陶瓷电容 器介质材料多数为BaTiO3基材料，此外还有高介的复合 钙钛矿材料，以研制出频率为105Hz时，介电常数高达 105的高介材料。目前晶界层电容器的出现，使常规瓷介 电容器的介电常数提高数倍甚至数十倍。

将粉体通过电子枪或燃料枪，使 其熔化后被高速喷射到基片表面 而固化。
可形成高强度、低空 隙率制品 可以在较低温度下达 到完全致密化，产品 硬度高、韧性强、可 制得复杂制品。 不需烧结助剂、有效 孔率为０，可形成高 纯致密层。 能制得形状复杂的制 品、成本低、不需助 剂。
难于大量生产 复杂形状制品。 对设备性能要 求高，设备昂 贵。 由于基体间热 膨胀不同，易 产生应变。 气孔率较高、 难制得高致密 制品。
精细陶瓷的制造工艺： 原料粉体的调整 成型 烧结 加工 成品 1.精细陶瓷粉体的制备 （１）机械法 滚动球磨、振动球磨、搅动（高能）球磨、气流粉碎等 （２）合成法 固相合成法、 液相合成法、气相合成法（气相热分解法、蒸发凝聚法） 2. 成型 （1）注浆法（2）压制法（3）可塑法 3.精细陶瓷的烧结 烧结是指生坯在高温加热时发生一系列物理化学变化（水的蒸发，硅酸盐分 解，有机物及碳化物的气化，晶体转型及熔化），幵使生坯体积收缩，强度、 密度增加，最终形成致密、坚硬的具有某种显微结构烧结体的过程。
定义
采用高度精选或人工合成的原料，保 持精确的化学组成，经严格的、精确控制的 工艺斱法，达到设计要求的显微结构和精确 的尺寸精度，获得高新技术应用的优异性能 的陶瓷材料。
精细陶瓷主要有以下特点： （１）产品原料全都是在原子、分子水平上分离、精制的 高纯度的人造原料。 （２）在制备工艺上，精细陶瓷要有精密的成型工艺，制 品的成型不烧结等加工过程均需精确的控制。 （３）产品具有完全可控制的显微结构，以确保产品应用 于高技术领域。精细陶瓷具有多种特殊的性质，如高强度、 高硬度、耐磨耐蚀，同时在磁、电、热、声光、生物工程 等各斱面有特殊功能，因而使其在高温、机械、电子、计 算机、航天、医学工程各斱面得到广泛应用。

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• 在制备工艺上，突破了传统陶瓷以炉窑为主 要生产手段的界限，广泛采用真空烧结，保 护气氛烧结、热压、热静压等手段。
• 在性能上，特种陶瓷具有不同的特殊性质和 功能，如高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、 绝缘以及在磁、电、光、声、生物工程各方 面具有的特殊功能，从而使其在高温、机械、 电子、宇航、医学工程各方面得到广泛的应 用。
• 陶瓷器即使在高温下仍保持坚硬、不燃、不生 锈，能承受光照或加压和通电，具有许多优良
性能
• 广义陶瓷定义为无机原料经过热处理后的“陶
瓷器”制品的总称
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1.1 精细陶瓷定义与分类
• 相对这种用天然无机物烧结的传统陶瓷
➢精细陶瓷 (Fine Ceramics)又称先进陶瓷(Advan ced Ceramics)： 以精制的高纯天然无机物或人工合成的 无机化合物为原料，采用精密控制的制 造加工工艺烧结，具有远胜过以往独特 性能的优异特性的陶瓷
(定义、分类、特性、制备方法、应用)
• 功能陶瓷材料
(电介质陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、 超导陶瓷、生物陶瓷)
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第一节 精细陶瓷
• 精细陶瓷作为仅次于金属、塑料的“第三类材 料”，正在越来越多地在结构材料方面崭露头
脚，成为现代工程材料的三大支柱之一
• 陶瓷原大多数指料
郑伟宏
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1、陶瓷材料的发展概况
陶瓷在人类生活和社会建设中是不 可缺少的材料，它和金属材料、高分子 材料并列为当代三大固体材料。
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我国的陶瓷研究历史悠久、成就辉煌， 它是中华文明的伟大象征之一，在我国 的文化和发展史上占有极其重要的地位。

2.2 陶瓷的组织结构与性能
一、陶瓷的组织结构
• 陶瓷的原料通常是由粘土、石英和长石三部分组成。在加热烧成 或烧结和冷却过程中，由这三部分组成的坯料相继发生四个阶段 的变化： (1) 低温阶段(室温～300℃) 残余水分的排除，形成大气孔。 (2) 分解及氧化阶段(300～950℃) 粘土等矿物中结构水的排除； 有机物、碳素和无机物等的氧化；碳酸盐、硫化物等的分解；石 英晶型转变。 (3) 高温阶段(950℃～烧成温度) 氧化、分解反应继续进行；相继 出现共熔体等液相，各组成物逐渐溶解；一次莫来石 (3Al2O3·2SiO2)晶体生成；二次莫来石晶体长大；石英块溶解成 残留小块；晶体被液相粘结，发生烧结成瓷。 (4) 冷却阶段(烧成温度～室温) 二次莫来石晶体析出或长大；液相 转变; 残留石英晶型转变。
德国陶瓷协会：“陶瓷是化学工业或化学生产工艺的一个分支，包 括陶瓷材料和器物的制造或进一步加工成陶瓷制品(元件)。陶瓷材 料属于无机非金属材料，最少含30％结晶体。一般是在室温中将原 料成型，通过800℃以上的高温处理，以获得这种材料的典型性质。 有时也在高温下成型，甚至可经过熔化及析晶等过程。”
美国和日本等国：Ceramics是包括各种硅酸盐材料和制品在内的无 机非金属材料的通称，不仅指陶瓷，还包括水泥、玻璃、搪瓷等材 料。
中国陶瓷珍品之清青花
景德镇传统名瓷之一的薄胎瓷
景德镇传统名瓷之一的雕塑瓷
景德瓷 景德镇传统名瓷
之一的玲珑瓷
之一的青花瓷
我国的陶瓷发展经历了三个阶段，取得三个重大突破： 三个阶段：a. 陶器
b. 原始瓷器(过渡阶段) c. 瓷器 三个重大突破：a. 原料的选择和精制
壳状
敲击声
沉浊
清脆

现在，又开发了一种可更换式主轴 系统， 具有一 机两用 的功效 ，用户 根据不 同的加 工对象 选择使 用，即 电主轴 和镗杆 可相互 更换使 用。这 种结构 兼顾了 两种结 构的不 足，还 大大降 低了成 本。是 当今卧 式镗铣 床的一 大创举 。电主 轴的优 点在于 高速切 削和快 速进给 ，大大 提高了 机床的 精度和 效率。
部分稳定氧化锆组织
部分稳定氧化锆的导热率 低，绝热性好；热膨胀系 数大，接近于发动机中使 用的金属，抗弯强度与断 裂韧性高，除在常温下使 用外，已成为绝热柴油机 的主要侯选材料，如发动 机汽缸内衬、推杆、活塞 帽、阀座、凸轮、轴承等。
部分稳定氧化锆制品
氧化锆制品
增 韧 氧 化 锆 导 轮 芯 轴
工艺特点
第二节 常用工业陶瓷
一、普通陶瓷
普通陶瓷是用粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、长石 (K2O·Al2O3·6SiO2，Na2O·Al2O3·6SiO2)和石英(SiO2) 为原料，经成型、烧结而成的陶瓷。
其组织中主晶相为莫来石(3Al2O3·2SiO2)，占 25~30%，玻璃相占35~60%，气相占1~3%。
高速铣削给落地式铣镗床带来了结构 上的变 化，主 轴箱居 中的结 构较为 普遍， 其刚性 高，适 合高速 运行。 滑枕驱 动结构 采用线 性导轨 ，直线 电机驱 动，这 种结构 是高速 切削所 必需的 ，国外 厂家在 落地式 铣镗床 上都已 采用， 国内同 类产品 还不
多见，仅在中小规格机床上采用线性 导轨。 高速加 工还对 环境、 安全提 出了更 高的要 求，这 又产生 了宜人 化生产 的概念 ，各厂 家都非 常重视 机床高 速运行 状态下 ，对人 的安全 保护与 可操作 性，将 操作台 、立柱 实行全 封闭式 结构， 既安全 又美观 。

饱和极化强度Ps 剩余极化强度Pr
矫顽电场强度Ec
饱和电场强度Esat 铁电体的电滞回线
电极化的微观机制

电子位移极化, 响应 时 间 10-1410-16s 可见光频段, e a3

离子位移极化,
1210-13s,
10-
微波频段，
I = a3

偶极子取向极化,
= 02/3KT
② 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。
3.1 电介质陶瓷
3.1.3电介质陶瓷陶瓷生产工艺、性能及应用
1) 电绝缘陶瓷的生产特点——高体积电阻 ③ 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。 ④ 避免引入变价金属离子，以免产生自由电子和空穴，
氧化锆和氧化锌---提高材料机械强度。
3.1 电介质陶瓷
3.1.3电介质陶瓷陶瓷生产工艺、性能及应用
2） 镁质瓷 (以滑石瓷为例)
生产的关键问题及工艺：
① 滑石的预烧
② 防止滑石老化
③ 烧结
扩大烧结范围严格控制窑炉温度范围
3.1 电介质陶瓷
3.1.4 非铁电电容器陶瓷
非铁电高介电电容器陶瓷的品种繁多。按照材料介电 系数和温度系数的大小，可分为： 1）温度补偿电容器陶瓷；2）温度稳定电容器陶瓷 1）温度补偿电容器陶瓷 高频温度补偿电容器陶瓷的介电常数在650以下，介电 常数的温度系数较小，而且可通过组成的调整，使介电常 数的温度系数灵活地变化。 介电常数的温度系数常为负值，用来补偿回路中电感 的正温度系数，使回路的谐振频率保持稳定。
往往由于击穿而不能工作，因此提高它的耐压性能非常重 要。

热液蚀变型黏土： A12O3 含量高，
量黄铁矿、明矾石等含硫杂质。
S. iO2含量低，钛和碱金属含量低，但含少14
.
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化学组成在一定程度上反映其工艺性质。
（1）SiO2 ：若以游离石英状态存在的SiO2多时，黏土可塑性降低， 但是干燥后烧成收缩小。
（2）Al2O3 ：含量多，耐火度增高，难烧结。 （3）Fe2O3＜1％ ，TiO2 ＜0.5％ ：瓷制品呈白色，含量过高，颜色 变深，还影响电绝缘性。
随着地质条件不同，含有少量的碱金属氧化物K2O、Na2O，碱土金属 氧化物CaO、MgO，以及着色氧化物Fe2O3、TiO2等。
结晶水一般不进行直接测定，而以“灼烧减量”的形式测定：除了结晶 水外，还包括碳酸盐的分解和有机物的分解、挥发等。
风化残积型黏土：一般SiO2含量高，A12O3含量低，铁含量高于钛，富 含游离石英及未风化的残余长石，化学组成和矿物组成很不稳定。
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长石及绢云母通过风化作用转化为高岭石的反应：
风化生成的基本产物是Al2Si2O5(OH)4，称为高岭石，主要由高岭石组成 的黏土就是高岭土。此外，还有可溶性的K2CO3、难溶性的CaCO3以及 游离的SiO2。
母岩不同，风化与蚀变条件不同，常形成不同类型的黏土矿物。
蒙脱石类黏土：由火山熔岩或凝灰岩在碱性环境中经热液蚀变形成
黏土是自然界产出的多种矿物混合体，普遍存在于各种类型的沉积岩 中，占沉积岩矿物组成的40%以上
各种富含铝硅酸盐的岩石，如长石、伟晶花岗岩、斑岩、片麻岩等， 经过漫长地质年代的风化或热液蚀变作用，均可形成黏土。
经风化或蚀变作用而生成黏土的岩石统称为黏土的母岩。
母岩经风化作用而形成的黏土产于地表或不太深的风化壳以下，而经 热液蚀变作用而形成的黏土常产于地壳较深处。

功能材料元件体积小，如传感器件、电子器件等。
现代社会对研制新一代材料提出了结构和功能相结 合的要求。即材料不仅能作为结构材料使用，而且具 有特殊功能或多种功能。同一构件、设备、器件可能 是结构材料和功能材料的结合。如航天航空器既有特 殊结构材料，又有特殊的功能材料。
分类： 很难有统一的认识，常见的分类方法有：
中国在商周处于青铜时代的鼎盛时期，湖北隋县出 土的编钟、西安青铜马车都反映当时中国冶金技术水 平和高超的制造工艺。
公元前13-14世纪，人类开始使用铁。3000年前的 铁器比青铜器更为普遍，人类开始进入铁器时代。
到春秋末期，中国的生铁技术遥遥领先于其他国家。 如生铁退火而制成的韧性铸铁以及生铁炼钢技术发明， 促进了当时生产力的大发展，对农业、水利和军事的 发展起到了极大的作用，推动了世界的文明与进步。
6、扩展功能材料的应用范围，尤其是尖端技术与民 用高技术领域中的应用。
Байду номын сангаас
2、材料的发展史
人类发展的历史证明，材料的发展导致时代变迁。 人类的历史曾以使用的主要材料来划分，如石器时代、 铜器时代和铁器时代等。
早在100万年前，人类开始使用石头做工具，使人 类进入旧石器时代。大约1万年前，人类能对石头进行 加工，使石头成为精制的器皿和工具，从而进入新石 器时代。在新石器时代，人类开始用毛皮遮身。8000 年前，中国开始用蚕丝做衣服。4500年前，印度人开 始种植棉花，这些都标志着人类使用材料促进人类文 明进步。此外，人类还使用竹、木、骨等原始天然材 料，不经或稍许加工而制成工具或用具。这是材料发 展的初始阶段，其特点是人类单纯选用天然材料。
人类还处于新石器时代，就已经发明了粘土成型， 在火烧固化而得到陶器，用作器皿或装饰品。陶器的 出现，是对人类文明的一大促进。在烧制陶器的过程 中，又偶然发现了铜和锡，实际上是铜和锡的氧化物 在高温下被碳还原的产物，进而生产出色泽鲜艳且能 浇铸的青铜，使人类进入青铜时代。这是人类较大量 使用金属的开始。希腊、印度、埃及和中国都在公元 前3000年左右进入青铜时代。

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缺陷对陶瓷导电的影响
晶体缺陷对陶瓷导电行为的影响比较复杂。陶瓷中点缺陷对材 料电性能影响较大，一般都是使陶瓷材料的电导有所增加。
例如立方ZrO2，其结构中的正离子作立方密堆积，负离子占据全部 四面体间隙，而全部八面体间隙空着，这就便于其他离子在其间移动。 如果在立方ZrO2中加入8at%的Y2O3，Y3+部分替代Zr4+后在晶格中形成部 分氧离子空位，使ZrO2的导电性增强。
功能陶瓷
❖ 功能陶瓷主要是指利用除机械性能外的陶瓷的其它 物理性能，包括导电和半导体性能、绝缘性和介电性、 磁性和热学性能、各种敏感特性，机、电、磁、光、 热等物理性能之间的耦合和转换效应，以及化学和生 物效应制成的一大类材料。
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电功能陶瓷：
绝缘陶瓷、介电陶瓷、 铁电陶瓷、压电陶瓷、 半导体陶瓷、快离子导 体陶瓷、高温超导陶瓷
和点缺陷不同，位错、层错、晶界等晶体缺陷一般会降低陶瓷 材料的导电性。
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掺杂可能改变陶瓷材料的导电性。
例如在ZnO中掺杂Al3+ 可以增加材料的导电性，原因是当三价的铝 替代了二价的锌后，原先二价锌的位置上变成了三价的离子。为了保持 电中性，使得Al3+附近的锌变成了一价，而一价锌是不稳定的，又会变成 二价的锌，同时放出一个电子，增加了材料的导电性。
3Leabharlann ❖ 对于传统陶瓷，人们利用陶瓷材料的电性能主要是其绝缘 性能；而对于先进陶瓷材料，除了其绝缘性能外，人们更关 心的是陶瓷材料的导电能力。目前高温超导氧化物的导电能 力已超过金属，得到应用的先进陶瓷材料的电导率覆盖了从 良导体到绝缘体的范围。
❖ 陶瓷材料的导电机制比较复杂，其导电性能与材料组成、 掺杂、微结构、晶体缺陷、制备工艺及后处理过程等密切相 关。

由功能陶瓷材料制作的电容器、压电元 件、磁性元件、热敏电阻、压敏电阻、 气敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻等已在 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。
因为功能陶瓷 应用的范围广、 场合多，按材 料的功能可以 把陶瓷分为许 多类。
气敏陶瓷
— 利用气氛变化引起电阻和电流变化的特 异性能制备的陶瓷
左：汽车尾气检测氧传感器 右：装载去除尾气催化剂的蜂窝陶瓷
生体组织器官的一类陶瓷材料
陶瓷牙齿
生物陶瓷关节
透明陶瓷
一般来说，陶瓷都是不透明的，可是今天 人们确实得到了和玻璃一样透明的陶瓷。那末 陶瓷是怎样变成透明的呢 ? 这还得从陶瓷材料 的内部结构讲起，无论是我们日常生活中使用 的陶瓷器皿，还是新技术中应用的各种特种陶 瓷如氧化物、碳化物、氮化物等陶瓷材料，尽 管它们的化学成份各不相同，以及制品的外形 千差万别，可是如果把它们切磨成很薄的片子 放在显微镜下进行观察的话，发现它们都有一 个共同的特征，即含有无数个很细小的晶粒， 在晶粒与晶粒之间是一些玻璃状的物质和气孔， 如下图所示。
(a) 极化处理前
但当陶瓷片加上电场以后，这些电畴就会在电场 的作用下发生极化 (图 b) ，极化后的电畴排列比
较规矩(图c) 。
直流电场E 剩余极化强度
电场作用下的伸长 (a) 极化处理前 (b) 极化处理中
剩余伸长 (c) 极化处理后
这样，陶瓷片就和某种晶体一样了，能使射入陶 瓷片的一束光通过陶瓷片后变成两束光，在光学上 这种现象叫做双折射效应，由于它是加了电场以后 才产生的。电场去掉后，双折射效应又没有了，所 以这种双折射效应又叫做电控双折射效应。 如果再在陶瓷片的前后以一定方式放上一对偏振 方向互相垂直的偏振片的话，当陶瓷片上不加电场 时，这陶瓷片就是各向同性的，由了两个偏振片互 相垂直，因此从第一个偏振片 ( 起偏镜 ) 射出的偏振 光经过陶瓷片后就被第二个偏振片 ( 检偏镜 ) 挡住， 光强变得最弱，这时系统处于关态。