现代工业上陶瓷材料的应用与发展

现代工业上陶瓷材料的应用与发展

摘要：阐述陶瓷材料的结构相、分类和陶瓷基复合材料的特性,以及陶瓷材料

在车辆上的应用。简要介绍手机电池中正温度系数热敏电阻（PTC）和负温度系数热敏电阻（NTC）和它们所起的不同作用。

关键词：传统陶瓷新型陶瓷传感器 PTC热敏电阻 NTC热敏电阻特性应用

引言：本文主要介绍陶瓷材料在汽车和手机这两个在当今社会中最具代表性的

工业中的应用与发展。陶瓷是古老而又新型的材料，它是用天然或人工合成的无机粉状物料，经过成型和高温烧结而制成的一种多相固体材料。利用天然硅酸盐矿物(如粘土、长石、石英等)为原料制成的陶瓷叫普通陶瓷，也叫传统陶瓷。这类陶瓷原料来源广，成本低，用量大。天然原料中的杂质对陶瓷的性能不利，人们用纯度高的人工合成原料(如氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化物等)，用传统陶瓷工艺方法制造的新型陶瓷，也叫现代陶瓷或特种陶瓷。新型陶瓷材料在现代工业的许多方面都已经发挥了巨大作用，现代工业应用多属精细陶瓷。比如在汽车上很早以前就有火花塞、窗玻璃、水泵的机械式密封使用了陶瓷。而且作为排放对策，触媒载体、氧传感器、爆震传感器等功能陶瓷相继出现。目前，已有许多发动机零件采用结构陶瓷制造，不久将来，陶瓷发动机将会出现。而在当今社会不可或缺的通讯工具——手机中，也可以看到精细陶瓷材料的身影。

1.陶瓷的结构相

陶瓷一般由晶相、玻璃相和气相组成。

(1)晶相晶相是体现陶瓷材料性质的主要组成相。大多数陶瓷材料是由离子键(如MgO、CaO、Al203等)和共价键(如金刚石、SiC等)为主要结合键。晶体中非金属元素的原子直径大，可排列成不同的晶系，形成晶体"骨架"，金属原子的直径小，处于骨架的间隙中。

陶瓷晶体中主要的两类结构是硅酸盐结构和氧化物结构。陶瓷材料是多相多晶体材料，其物理化学性能主要由晶相决定。晶相中晶粒的大小对陶瓷的性能影响很大。晶粒越细，晶界越多，裂纹扩展越不容易，材料的强度越高。这一点和金属材料很相似。

(2)玻璃相玻璃是非晶态材料，由熔融的液体凝固得到。陶瓷中玻璃相的作用是将分散的晶相粘结在一起;降低烧成温度;抑制晶体长大以及填充气孔空隙。但玻璃相的机械强度比晶相低，热稳定性差，在较低的温度下就开始软化。而且往往因带有一些金属离子而降低陶瓷的绝缘性能。工业陶瓷要控制玻璃相的数量，一般约为20%～40%。

(3)气相陶瓷材料中往往存在许多气孔，体积约占5%～10%，这主要是由于原材料和生产工艺方面的原因造成的。较大的气孔往往是裂纹形成的原因;因此

会降低材料的机械性能。另外，陶瓷材料的介电损耗也因之增大，并造成击穿强度下降。故一般应尽量降低材料的孔隙率。但在某些情况下，如用作保温的陶瓷材料和化工用的过滤陶瓷等，则需要有控制的增加气孔量。

2.汽车用陶瓷的类型、性能和用途

陶瓷产品的种类繁多，性能各异，总体上可分为普通陶瓷和特种陶瓷。从组成上可分为氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷。现代陶瓷又称精细陶瓷，可分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。

结构陶瓷因具有良好的综合性能：高温强度、高耐蚀性、高耐磨性、低膨胀系数、隔热性好及低密度，用它来替代耐热合金能大幅度地提高热机效率、降低能耗、节约贵重金属、达到轻量化效果。目前，已广泛用于制造发动机和热交换器零件。此外，结构陶瓷还被用来制造切削工具、轴承、泵的机械密封环等，实用效果也很好。结构陶瓷的优良机械性能要得以充分发挥，并用于大量生产的汽车零件，要解决性能的稳定性和再现性及不断完善加工技术、评价技术、接合技术等。功能陶瓷主要用于传感器，此外，还可用于各种执行元件、陶瓷加热器、导电材料、显示装置等。陶瓷传感器在温度传感器、位置传感器、速度传感器、气体传感器、湿度传感器、离子传感器、仓储等得到非常广泛的应用。

用于汽车的传感器应具有的特性：要能长久适用汽车特有的恶劣环境(高温、低温、振动、加速、潮湿、噪声、废气);要小型轻量;重复使用性要好(精度达

±0.5%～1%)、输出范围要广。汽车用温度传感器以热敏系为主;发动机冷却水温度调节也有采用感温铁氧体的。

(1)热敏电阻。过渡族金属氧化物系陶瓷半导体有随温度升高电阻下降的性能，把具有这种特性的半导体称为热敏电阻。热敏电阻的使用温度可达1000℃，被广泛用于防止排气净化触媒的过热。上述这种随温度升高电阻下降的热敏电阻称为NTC(负电阻温度系数)热敏电阻。 BaTiO3系半导体，在居里点以上电阻急剧增加，把这种具有正电阻温度系数的热敏电阻称为PTC热敏电阻。通过改变化学成分(更换Sr或Pb)来控制电阻急剧增加而产生的温度变化。可作为自行控制温度加热器或温度补偿用热敏电阻。这种PTC加热器被用于自动阻风门、各种传感器内加热体、进气加热器等。

(2)感温铁氧体。它由于利用了在居里点导磁率急剧变化的特性，被利用于温度转换。当温度上升时, 热运动剧烈, 其感温铁氧体的固有特性即自发极化消除。为使三元触媒工作, 必须使排气空燃比保持在理论空燃比, 即氧为零的状态, 为此采用氧化锆氧传感器。氧化锆管的内侧通入大气，外侧引入排气。温度升高，氧就离子化，由于离子浓度差在固体电解质中将产生自大气侧向排气侧的扩散，构成一种浓淡电池，从而产生电势。排气侧，白金触媒的作用，使氧与一氧化碳、碳化氢、氢分子等发生反应，达到平衡浓度。氧浓度以理论空燃比为界产生急剧变化。其结果，氧传感器在理论空燃比上下会发生阶跃性变化的信号。利用该信号，可反馈控制空燃比。

在氧分压低的保护气中，TiO2晶体中形成晶格缺陷，使电阻下降，利用这一现象制成氧传感器。已实用化的稀薄燃烧空燃比传感器,是利用氧化锆固体电解质的电化学泵作用的氧化锆传感器。将氧化锆固体电解质通以电流，会产生阴极吸氧，阳极放氧现象。当外加电压保持一定时，输出电流与空燃比呈正比，据此测定该电流即可求出空燃比。此外还有其它的气体传感器,如金属氧化物半导体传感器，是利用了表面吸附气体成分变化电阻也随之变化这一性质制成。利用溅射法形成ZnO及SnO2薄膜，由于NO2在膜表面上吸附负电荷，在NO2浓度增加的同时，元件电阻增大。另外薄膜元件显示了很高的灵敏度。这些传感器不受共存的H2、CO或02气的影响，在数秒钟内即可检测出数ppm的Nox,这是用于柴油机检测Nox的理想传感器。还有温度传感器在汽车行业不仅用于空调，还能防止玻璃结露的作用。

陶瓷湿度传感器的类型：一是半导体型。它是利用水的电子给予性化学吸附所产生的半导体电阻变化的原理; 二是容量型。利用水的吸附产生容量变化的原理。采用的氧化物有Al2O2、Ta2O3等; 三是质子传导型。它是利用多孔质陶瓷表面上水的物理吸附及毛细管凝结而引起电阻变化的原理。目前主要采用在室温附近的质子传导型。

爆震传感器可预知高负荷下易产生的爆震防止点火延迟。特别适用于装有涡轮充电机的发动机。检测爆震主要根据汽缸部件的振动 (一旦产生爆震，机械振动就加剧)，间接地察觉爆震。

利用压电性的传感器：所谓压电性是指一旦加力，就产生电压，反之，一加上电压，就会产生位移或力这一性质。具有压电体的陶瓷已在许多领城广泛应用。这种被称作PZT的材料除在传感器上得到利用外，还被用在倒车报警器上，作为超声波的接收器和发射器而被利用。

陶瓷促动器：陶瓷压电体一旦沿电极化方向施加电压，就会因压电效应沿极化方伸张。利用这一性质，开发了陶瓷促动器。发动机控制用的陶瓷促动器，把多个薄板状压电陶瓷叠层，通过对其施加电压得到位移。利用外加电压得到的位移量，是很微小的，但发生力大，动作也迅速。

3.车用新型陶瓷材料

汽车的陶瓷材料是采用高纯超细的氧化物、氮化物、硼化物、碳化物等原料，经过预处理、破碎、磨粉、混合、成形、干燥、烧结等特殊工艺而得到的结构精细的无机非金属材料。它具有高强度、高耐热性、抗蚀性、高硬度、高耐磨性、密度小、变形小、抗热冲击等一系列优点,特别是抗拉强度和弯曲强度可与金属相比。陶瓷大体上可以分为结构陶瓷和功能陶瓷，用结构陶瓷代替高强度合金制造涡轮增压发动机、燃气轮机、绝热发动机，可以将现在发动机的燃烧温度从700～800℃提高到1000℃以上，热效率提高1倍以上。结构陶瓷的质量为铁的一半，节能效果非常显著，同时还能减少环境污染，节约钢材等金属材料。但由于陶瓷材料性能的再现性和可靠性差，不能确保大量生产的稳定性,同时陶瓷加工困难、质脆、稍有缺陷就容易破裂，以及成本高等缺点，所以目前还没广泛使用。