功能陶瓷材料

1、1第五章第五章 功能陶瓷材料功能陶瓷材料材料學(xué)院 王琳25.1.1、陶瓷材料陶瓷材料的發(fā)展概況的發(fā)展概況5.1.2、功能陶瓷功能陶瓷的定義、范圍和分類的定義、范圍和分類5.1.3、功能陶瓷功能陶瓷的性能與工藝特征的性能與工藝特征5.1.4、功能陶瓷功能陶瓷的應(yīng)用和展望的應(yīng)用和展望5.1.5、制備、制備陶瓷材料的原料陶瓷材料的原料 3在人類在人類生活和社會建設(shè)生活和社會建設(shè)中是不可缺少的材料，中是不可缺少的材料，它和它和、并列為當代并列為當代。 我國的我國的歷史悠久歷史悠久、成就輝煌、成就輝煌，它是中它是中華文明的偉大象征之一，在我國的華文明的偉大象征之一，在我國的文化和發(fā)展史上文化和發(fā)展史上占

2、占有極其重要的地位。有極其重要的地位。4新石器時代新石器時代先進陶瓷階段先進陶瓷階段納米陶瓷階段納米陶瓷階段5遠在遠在幾干年前幾干年前的的，我們的祖先就，我們的祖先就已經(jīng)用已經(jīng)用作原料，塑造成各種器皿，再作原料，塑造成各種器皿，再在在火堆中火堆中燒成堅硬的可重復(fù)使用的燒成堅硬的可重復(fù)使用的，由于，由于燒成燒成溫度較低溫度較低，陶器僅是一種含有，陶器僅是一種含有、的的未完全燒成未完全燒成制品。制品。6以后大約在以后大約在2000年前的年前的，人們利用，人們利用為原料，加上為原料，加上的發(fā)明，以及的發(fā)明，以及的不斷改進，使陶瓷步入的不斷改進，使陶瓷步入瓷器階段瓷器階段，這是，這是陶瓷陶瓷技術(shù)發(fā)展史

3、上技術(shù)發(fā)展史上意義重大的里程碑。意義重大的里程碑。以以石英、長石、硼砂、黏土石英、長石、硼砂、黏土等為原料制成的東等為原料制成的東西，涂在瓷器、陶器外面，燒制后西，涂在瓷器、陶器外面，燒制后，可增加陶瓷的可增加陶瓷的機械強度機械強度和和絕緣性能絕緣性能。7都是以都是以為主要原料與其他為主要原料與其他天然礦物原料天然礦物原料經(jīng)經(jīng)一一等過程制成的。等過程制成的。如常見的如常見的日用陶瓷日用陶瓷、建筑陶瓷建筑陶瓷、電瓷電瓷等傳統(tǒng)陶瓷。等傳統(tǒng)陶瓷。由于由于的主要原料取之于自然界的的主要原料取之于自然界的(如如黏土黏土、長石長石、石英石英等等)，所以可歸為，所以可歸為硅酸鹽類材料硅酸鹽類材料和制品和制品

4、。從從的出現(xiàn)到的出現(xiàn)到，這一階段，這一階段持續(xù)了四千余年。持續(xù)了四千余年。820世紀以來，隨著人類對世紀以來，隨著人類對宇宙的探索宇宙的探索、原子原子能工業(yè)的興起能工業(yè)的興起和和電子工業(yè)電子工業(yè)的迅速發(fā)展，從的迅速發(fā)展，從、到到等方面，對等方面，對均提出均提出越來越高越來越高的要求的要求。從而，促使。從而，促使發(fā)展成為一系列發(fā)展成為一系列具具有特殊功能的有特殊功能的。9如如、等各種等各種高溫和功能陶瓷高溫和功能陶瓷。這時，陶瓷研究進入第二個階段這時，陶瓷研究進入第二個階段。10（Advanced ceramics）又稱又稱，是為了有別于是為了有別于而言的。而言的。有時也稱為有時也稱為(Fine

5、 Ceramics)、(New Ceramics)、(Special Ceramics)和和(High-Tech. Ceramics)等。等。11在在陶瓷制備技術(shù)陶瓷制備技術(shù)飛速發(fā)展。飛速發(fā)展。在在有有成形、成形、成形、成形、成形、成形、成形、成形、成形等成形方法；成形等成形方法；在在則有則有燒結(jié)、燒結(jié)、燒結(jié)、燒結(jié)、燒結(jié)、燒結(jié)、燒結(jié)、燒結(jié)、燒結(jié)、燒結(jié)、燒結(jié)等。燒結(jié)等。12在在采用的采用的已不再使用或很已不再使用或很少使用少使用等傳統(tǒng)原料，而已擴大到等傳統(tǒng)原料，而已擴大到和和，甚至是，甚至是、原料，原料，組成范組成范圍圍也延伸到也延伸到范圍。范圍。此時可認為，此時可認為，已是已是用陶瓷生產(chǎn)用陶瓷

6、生產(chǎn)方法方法制造的制造的和和的統(tǒng)稱。的統(tǒng)稱。13到到20世紀世紀90年代，陶瓷研究已進入第三個階年代，陶瓷研究已進入第三個階段段-。所謂所謂，是指，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相顯微結(jié)構(gòu)中的物相就有就有納米級尺度納米級尺度的陶瓷材料。它包括的陶瓷材料。它包括、等均等均在在納米量級的尺度上納米量級的尺度上。14從性能上從性能上可把可把分為分為(Structral ceramics)和和(Functional Ceramics)兩大類。兩大類。15 是指具有是指具有和和及部分及部分的先進陶瓷的先進陶瓷(現(xiàn)代陶瓷現(xiàn)代陶瓷)，特別，特別適于高溫下適于高溫下應(yīng)用的應(yīng)用的則稱為則稱為。是指那些利用是指那些利用、等等

7、直接效應(yīng)直接效應(yīng)及其及其耦合效應(yīng)耦合效應(yīng)所提供的所提供的一種或多種性一種或多種性質(zhì)質(zhì)來實現(xiàn)某種來實現(xiàn)某種的先進陶瓷的先進陶瓷(現(xiàn)代陶瓷現(xiàn)代陶瓷)。品種多品種多、產(chǎn)量大產(chǎn)量大、價格低價格低、應(yīng)用廣應(yīng)用廣、功能全功能全、技術(shù)高技術(shù)高、更新快更新快。16通過對通過對的的化學(xué)、物理及組成、化學(xué)、物理及組成、結(jié)構(gòu)、性能和使用效能結(jié)構(gòu)、性能和使用效能間相互關(guān)系的研究，已陸續(xù)發(fā)間相互關(guān)系的研究，已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一大批具有現(xiàn)了一大批具有，并，并可借助于可借助于離子置換離子置換、摻雜摻雜等方法等方法調(diào)節(jié)、優(yōu)化其性能調(diào)節(jié)、優(yōu)化其性能，功能陶瓷材料研究已開始從功能陶瓷材料研究已開始從逐步走向逐步走向。17的實現(xiàn)，主要取

8、決于它所具有的的實現(xiàn)，主要取決于它所具有的，而在，而在范圍中，又必須針對范圍中，又必須針對，去，去改善、提高某種有效的性能改善、提高某種有效的性能，以獲得有，以獲得有某種某種功能功能的陶瓷材料。的陶瓷材料。18一般來說，要一般來說，要來來，需從以下兩個方面入手：，需從以下兩個方面入手：通過通過，即，即以改善和以改善和提高提高，達到獲得優(yōu)質(zhì)材料的目的。，達到獲得優(yōu)質(zhì)材料的目的。 從材料的組成上從材料的組成上直接直接、其內(nèi)在的品質(zhì)其內(nèi)在的品質(zhì)，包括采用包括采用、，使不同相在微觀級復(fù)合，進而形成不同性質(zhì)的晶，使不同相在微觀級復(fù)合，進而形成不同性質(zhì)的晶界層等。界層等。19是指是指原料的原料的和和、和和

9、條件、條件、和和燒結(jié)狀態(tài)燒結(jié)狀態(tài)，以及，以及和和等。等。無論是無論是還是還是，最終都，最終都是通過是通過材料材料，才能體現(xiàn)出，才能體現(xiàn)出。20因此，要想達到因此，要想達到，或者進行，或者進行，必須綜合考慮，必須綜合考慮組成組成、工藝工藝、微觀微觀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)等諸多因素，這是個系統(tǒng)工程。等諸多因素，這是個系統(tǒng)工程。下圖表示了下圖表示了陶瓷功能陶瓷功能與與組成、工藝、性能和組成、工藝、性能和結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。的關(guān)系。21陶瓷功能與組成、工藝、性能、結(jié)構(gòu)的關(guān)系陶瓷功能與組成、工藝、性能、結(jié)構(gòu)的關(guān)系22的不斷開發(fā)，對的不斷開發(fā)，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起了起了巨大促進作用，功能陶瓷的巨大促進作用，功能

10、陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域也隨之更為廣也隨之更為廣泛。泛。 目前，目前，主要用于主要用于電、磁、光、聲、熱電、磁、光、聲、熱和化學(xué)和化學(xué)等等、和和等，等，并已在電子信息、并已在電子信息、集成電路集成電路、計算機計算機、能源工程能源工程、超聲換能、超聲換能、人工智能人工智能、生物工程生物工程等眾多等眾多近代科技領(lǐng)近代科技領(lǐng)域域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。顯示出廣闊的應(yīng)用前景。23根據(jù)功能陶瓷根據(jù)功能陶瓷組成結(jié)構(gòu)的組成結(jié)構(gòu)的和和，可，可以制備以制備超高絕緣性超高絕緣性、絕緣性絕緣性、半導(dǎo)性半導(dǎo)性、導(dǎo)電性導(dǎo)電性和和超超導(dǎo)電性導(dǎo)電性陶瓷；陶瓷； 根據(jù)功能陶瓷根據(jù)功能陶瓷和和，可以制備，可以制備壓電壓電、光電光電

11、、熱電熱電、磁電磁電和和鐵電鐵電等陶瓷；等陶瓷；根據(jù)功能陶瓷對根據(jù)功能陶瓷對，則可制，則可制備備熱敏熱敏、氣敏氣敏、濕敏濕敏、壓敏壓敏、磁敏磁敏和和光敏光敏等敏感陶等敏感陶瓷。瓷。24在在向著向著、多相、多相乃至乃至與與、薄膜技術(shù)、薄膜技術(shù)等方等方向發(fā)展。向發(fā)展。 在在的的主要研究方向主要研究方向應(yīng)包括：應(yīng)包括：及其及其；、的的及其及其； 超高速大容量超高速大容量超導(dǎo)計算機超導(dǎo)計算機用用；多層封裝多層封裝立體布線立體布線用的用的；量大面廣量大面廣、低燒低燒、高比容高比容、高穩(wěn)定性高穩(wěn)定性的的等。等。 25由多相的由多相的所構(gòu)成，所用原料所構(gòu)成，所用原料大部分是大部分是或或，其中多為，其中多為。

12、這些這些或或種類繁多種類繁多，資源蘊藏資源蘊藏豐富豐富，且，且分布極廣分布極廣。某些某些對原料的要求很高，需要采用對原料的要求很高，需要采用且且的的人工合成原料人工合成原料。26根據(jù)根據(jù)分為：分為：可塑性原料可塑性原料(也稱瘠性原也稱瘠性原料料)、熔劑性原料熔劑性原料。根據(jù)根據(jù)分為：分為：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。 根據(jù)根據(jù)分為：分為：黏土質(zhì)原料黏土質(zhì)原料、硅質(zhì)原料硅質(zhì)原料、長石質(zhì)原料長石質(zhì)原料、鈣質(zhì)原料鈣質(zhì)原料、鎂質(zhì)原料、鎂質(zhì)原料。根據(jù)根據(jù)分為：分為：礦物原料礦物原料、化工原料化工原料。27綜合綜合對于對于的兩方面要求，根的兩方面要求，根據(jù)原料的據(jù)原料

13、的可以把所需要的可以把所需要的主主要歸納為三大類：要歸納為三大類： 具有可塑性的具有可塑性的 具有非可塑性的具有非可塑性的 28除上述的除上述的中所需的三大原料外，中所需的三大原料外，陶瓷釉料陶瓷釉料還常常需用各種特殊的還常常需用各種特殊的熔劑原料熔劑原料，包括采用各種化工原料。包括采用各種化工原料。陶瓷工業(yè)中需用的陶瓷工業(yè)中需用的主要是主要是和和，以及，以及各種外加劑各種外加劑如如、和和等。等。29是是日用陶瓷日用陶瓷和和工業(yè)用陶瓷工業(yè)用陶瓷的主要原料之一。的主要原料之一。黏土是多種黏土是多種的混合體，其礦物的粒徑多數(shù)小的混合體，其礦物的粒徑多數(shù)小于于2um，主要是由主要是由和和組成的并組成

14、的并具有一定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)。我國我國資源豐富，產(chǎn)地遍及全國。資源豐富，產(chǎn)地遍及全國。：高嶺石高嶺石類、類、蒙脫石蒙脫石類、類、伊利石伊利石類和類和水水鋁英石鋁英石。：黏土的組成可從幾個方面來分析，一般可：黏土的組成可從幾個方面來分析，一般可從從礦物組成礦物組成、化學(xué)組成化學(xué)組成和和顆粒組成顆粒組成三個方面來進行分析。三個方面來進行分析。30黏土的性質(zhì)對黏土的性質(zhì)對陶瓷的生產(chǎn)陶瓷的生產(chǎn)有很大的影響。它主要包括有很大的影響。它主要包括可塑可塑性性、結(jié)合性結(jié)合性、離子交換性、離子交換性、觸變性觸變性、干燥收縮干燥收縮和和燒成收縮燒成收縮、燒燒結(jié)溫度結(jié)

15、溫度與與燒結(jié)范圍燒結(jié)范圍和和耐火度耐火度等。等。 主要取決于黏土的主要取決于黏土的、與與。其中，。其中，礦物組成礦物組成是基本因素。是基本因素。 黏土黏土在加熱過程中的變化在加熱過程中的變化包括兩個階段：包括兩個階段：與與。31概括為五個方面：概括為五個方面：1)是是陶瓷坯泥賴以成形的基礎(chǔ)陶瓷坯泥賴以成形的基礎(chǔ)。2)黏土使黏土使注漿泥料與釉料注漿泥料與釉料具有懸浮性與穩(wěn)定性。具有懸浮性與穩(wěn)定性。3)黏土一般呈黏土一般呈細分散顆粒細分散顆粒，同時具有，同時具有結(jié)合性結(jié)合性。4)黏土是黏土是陶瓷坯體燒結(jié)時陶瓷坯體燒結(jié)時的主體，黏土中的的主體，黏土中的和和是決定是決定陶瓷坯體的燒結(jié)程度陶瓷坯體的燒結(jié)

16、程度、燒結(jié)溫度燒結(jié)溫度和軟化溫度的主要和軟化溫度的主要 因素；因素；5)黏土是形成黏土是形成陶器主體結(jié)構(gòu)陶器主體結(jié)構(gòu)和和瓷器中莫來石晶體瓷器中莫來石晶體的主要來源。的主要來源。32石英的種類石英的種類。自然界中的自然界中的可以統(tǒng)稱為石英。可以統(tǒng)稱為石英。其中其中最純的石英晶體最純的石英晶體統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為。在陶瓷工業(yè)中，在陶瓷工業(yè)中，常用的石英類原料和材料常用的石英類原料和材料有下有下列幾種：列幾種：、石英砂、石英砂、和和。 33石英原料的性質(zhì)石英原料的性質(zhì)石英的石英的為為，常含有少量雜質(zhì)成常含有少量雜質(zhì)成分，如分，如Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2等。等。 石英是具有石英是具有的

17、酸性氧化物，除的酸性氧化物，除氫氟氫氟酸酸外，一般酸類對它都不產(chǎn)生作用。外，一般酸類對它都不產(chǎn)生作用。當石英與當石英與接觸時，則能起反應(yīng)而生成接觸時，則能起反應(yīng)而生成可可溶性的硅酸鹽溶性的硅酸鹽。在高溫中與在高溫中與堿金屬氧化物堿金屬氧化物作用生成作用生成與與。34石英石英在陶瓷生產(chǎn)中的在陶瓷生產(chǎn)中的作用作用1)在燒成前在燒成前是是，可對，可對泥料的可塑性泥料的可塑性起起，能，能降低坯體的干燥降低坯體的干燥收縮收縮，縮短干燥時間縮短干燥時間并防止坯體變形。并防止坯體變形。2)在燒成時在燒成時，石英的加熱膨脹可，石英的加熱膨脹可部分地抵消坯體收縮部分地抵消坯體收縮的影響，的影響，當玻璃質(zhì)大量當玻

18、璃質(zhì)大量出現(xiàn)時出現(xiàn)時，在高溫下，在高溫下石英能部分熔解于液相中石英能部分熔解于液相中，增加熔體的強度增加熔體的強度，而未熔解的，而未熔解的石英顆粒，則構(gòu)成坯體的骨架，可防止坯體發(fā)生軟化變形等缺陷石英顆粒，則構(gòu)成坯體的骨架，可防止坯體發(fā)生軟化變形等缺陷。3)在瓷器中，石英對在瓷器中，石英對有著很大的影響，有著很大的影響，合理的石英顆粒合理的石英顆粒能大能大大大，否則效果相反。同時，石英也能使，否則效果相反。同時，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質(zhì)的主要組分，增加釉料中在釉料中，二氧化硅是生成玻璃質(zhì)的主要組分，增加釉料中能提能提高高

19、釉的熔融溫度與黏度釉的熔融溫度與黏度，并減少，并減少釉的線脹系數(shù)釉的線脹系數(shù)。同時它是賦予釉以。同時它是賦予釉以高的力學(xué)高的力學(xué)強度強度、硬度、耐磨性和耐化學(xué)侵蝕性硬度、耐磨性和耐化學(xué)侵蝕性的主要因素。的主要因素。 35是陶瓷原料中最常用的是陶瓷原料中最常用的，在陶瓷，在陶瓷生產(chǎn)中用作生產(chǎn)中用作坯料坯料、釉料釉料、色料色料、熔劑熔劑等的基本組分，等的基本組分，其用量較大，是其用量較大，是陶瓷三大原料陶瓷三大原料之一。之一。長石的長石的和和：長石是地殼上分布廣泛：長石是地殼上分布廣泛的的造巖礦物造巖礦物。 根據(jù)根據(jù)的結(jié)構(gòu)特點，的結(jié)構(gòu)特點，可分為可分為：鈉長石、鉀長石、鈣長石和鋇長石。：鈉長石、鉀

20、長石、鈣長石和鋇長石。36長石長石在陶瓷生產(chǎn)中的作用在陶瓷生產(chǎn)中的作用如下：如下： 在高溫下在高溫下熔融，形成熔融，形成黏稠的玻璃熔體黏稠的玻璃熔體，是坯料中堿金屬氧，是坯料中堿金屬氧 化物化物(K2O、Na2O)的主要來源，能的主要來源，能，。 熔融后的熔融后的熔解部分熔解部分高嶺土分解產(chǎn)物高嶺土分解產(chǎn)物和和石英顆粒石英顆粒。液。液 相中相中Al2O3和和SiO2互相作用，促進互相作用，促進的形成和長大，賦的形成和長大，賦 予了坯體的予了坯體的力學(xué)性能力學(xué)性能和和化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性。能填充于能填充于各結(jié)晶顆粒之間各結(jié)晶顆粒之間，有助于，有助于和和。在釉料中在釉料中長石是主要長石是主要。長石

21、作為長石作為瘠性原料瘠性原料，在生坯中還可以，在生坯中還可以，等。等。37類類 385.39在在電氣電路電氣電路或或電子電路電子電路中所起的中所起的作用主要是作用主要是根據(jù)電路設(shè)計要求根據(jù)電路設(shè)計要求將導(dǎo)體物理隔離，將導(dǎo)體物理隔離，以防以防電流在它們之間流動電流在它們之間流動而破壞電路的正常運而破壞電路的正常運行。行。40即，即，電子技術(shù)中電子技術(shù)中首先要求首先要求絕緣材料不導(dǎo)電絕緣材料不導(dǎo)電，即要求即要求盡量高，盡量高，也盡量高。也盡量高。此外，此外，還起著導(dǎo)體的還起著導(dǎo)體的、及及等作用。等作用。一般將一般將能起上述作用的陶瓷能起上述作用的陶瓷稱為稱為。41可分為可分為和和兩大系列；無論是哪

22、種系列的絕緣陶瓷，要成為兩大系列；無論是哪種系列的絕緣陶瓷，要成為一種一種優(yōu)異的絕緣陶瓷優(yōu)異的絕緣陶瓷，它必須具備如下性能：，它必須具備如下性能：( ) = 1012 cm( r)=30(tg )=5.0kV/mm42作為一種作為一種傳統(tǒng)的絕緣陶瓷傳統(tǒng)的絕緣陶瓷已有已有100100多年的多年的歷史。歷史。而而與與相比，則是后起之秀，相比，則是后起之秀，它在它在近代電子技術(shù)中近代電子技術(shù)中所起的作用是前者無法比擬的。所起的作用是前者無法比擬的。 比如比如，在眾多的，在眾多的，如收錄機、彩色電視機和錄像，如收錄機、彩色電視機和錄像機中，在機中，在(IC)，(LSI)和和(VLSI)中，在中，在等高

23、技術(shù)產(chǎn)品中，甚等高技術(shù)產(chǎn)品中，甚至在航空、航天等至在航空、航天等中，中，已較大量使已較大量使用。用。43一、一、44應(yīng)用應(yīng)用固體能帶理論固體能帶理論，可以成功地解釋固體，可以成功地解釋固體的的、和和。固體能帶中那些固體能帶中那些被電子完全占滿被電子完全占滿的叫的叫，未被電子占據(jù)未被電子占據(jù)的叫的叫，滿帶和導(dǎo)帶之間的距滿帶和導(dǎo)帶之間的距離離稱之為稱之為。45如果如果(在幾個電子伏特以在幾個電子伏特以上上)，滿帶的電子滿帶的電子就難以被激發(fā)而就難以被激發(fā)而超越禁帶超越禁帶進入進入導(dǎo)帶，也即認為電子幾乎無法遷移，那么固體導(dǎo)帶，也即認為電子幾乎無法遷移，那么固體便成為便成為。實際上，這種實際上，這種只

24、有只有時才能獲得。時才能獲得。46很多很多是典型的是典型的或或。在這種情況下，對具有在這種情況下，對具有足夠?qū)挾冉麕^(qū)足夠?qū)挾冉麕^(qū)的的而言，固體中的另一種導(dǎo)電機理而言，固體中的另一種導(dǎo)電機理-就變得十分重要了。它主要是就變得十分重要了。它主要是而發(fā)生的電導(dǎo)行為。而發(fā)生的電導(dǎo)行為。47一般情況下，一般情況下， i表示如下表示如下: i = n . q . i式中式中 ， n-單位體積中單位體積中可遷移的離子數(shù)可遷移的離子數(shù)； q-離子的電荷；離子的電荷； i-離子的遷移率。離子的遷移率。48下式給出了下式給出了 的具體表達式：的具體表達式： i = q Di / kT式中，式中， Di離子的擴

25、散系數(shù)離子的擴散系數(shù) k玻耳茲曼常數(shù)，玻耳茲曼常數(shù)， T絕對溫度絕對溫度(K)。 而而可由下式給出：可由下式給出：Di = A exp (- E / kT ) 式中，式中， E-激活能激活能 A-頻率系數(shù)。頻率系數(shù)。49 50可知，可知，隨隨的的升高呈指數(shù)增加。升高呈指數(shù)增加。由下式由下式51和和影響影響離子導(dǎo)電離子導(dǎo)電，擴散擴散系數(shù)系數(shù)又與又與及及穿越缺陷的穿越缺陷的有關(guān)。有關(guān)。通常情況下，通常情況下，越易越易擴散擴散，其，其激活能的數(shù)值激活能的數(shù)值也越小。也越小。52因此，因此，在絕緣陶瓷中在絕緣陶瓷中應(yīng)盡可能應(yīng)盡可能的存在的存在(尤其是鈉離子尤其是鈉離子)，因，因為這些離子可形成相當強烈

26、的電導(dǎo)，使為這些離子可形成相當強烈的電導(dǎo)，使材料的材料的。53一般而言，一般而言，是是粉體原料粉體原料經(jīng)過經(jīng)過而得到的多相多晶材料。而得到的多相多晶材料。陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)主要可分為主要可分為、和和三部分。三部分。通常通常和和的的絕緣性能絕緣性能好，而好，而往往往往在高在高溫下溫下顯示顯示。由于由于基質(zhì)部分基質(zhì)部分雜質(zhì)雜質(zhì)濃度較高濃度較高，在組織上又是，在組織上又是連續(xù)連續(xù)相相，所以，所以陶瓷的絕緣性陶瓷的絕緣性容易受容易受基質(zhì)相的影響基質(zhì)相的影響。54固體內(nèi)部存在的固體內(nèi)部存在的對對絕緣性能的破壞絕緣性能的破壞不不大，但當大，但當表面存在氣孔時表面存在氣孔時，因，因和和將將使表面絕

27、緣性顯著劣化使表面絕緣性顯著劣化。因此，原則上絕緣陶瓷應(yīng)選擇因此，原則上絕緣陶瓷應(yīng)選擇、的致密材料，并根據(jù)的致密材料，并根據(jù)使用情況的不同使用情況的不同在其表面在其表面以以防止污染和吸潮防止污染和吸潮。 55通常情況下，通常情況下，與材料的與材料的、材料中材料中的多少有關(guān)。的多少有關(guān)。材料材料，雜質(zhì)含量越少，則它們的，雜質(zhì)含量越少，則它們的。這是因為這是因為絕緣陶瓷中若有雜質(zhì)引入絕緣陶瓷中若有雜質(zhì)引入，則會像，則會像摻雜半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體那樣，在禁帶中產(chǎn)生那樣，在禁帶中產(chǎn)生，從而，從而使使，電阻率下降，結(jié)果使，電阻率下降，結(jié)果使絕緣強絕緣強度下降度下降。56按按可分為可分為和和兩大類。兩大類。絕

28、緣陶瓷絕緣陶瓷已得到廣泛應(yīng)用，而已得到廣泛應(yīng)用，而絕緣陶瓷是絕緣陶瓷是70年代才發(fā)展起來的，年代才發(fā)展起來的，57目前應(yīng)用的主要有目前應(yīng)用的主要有，如，如Si3N4、BN、AlN等。等。除除外，近年來又發(fā)展了外，近年來又發(fā)展了，如人工合成，如人工合成云母云母、人造、人造藍寶石藍寶石、尖尖晶石晶石、氧化鈹氧化鈹及及石英石英等。等。58絕緣陶瓷的工業(yè)應(yīng)用絕緣陶瓷的工業(yè)應(yīng)用歷史較早，在歷史較早，在1850年左右，年左右，作為作為電絕緣器材電絕緣器材，使用于鐵路通信線路。，使用于鐵路通信線路。1880年美國年美國在電力輸電線路中在電力輸電線路中開始使用開始使用，目前，已能制造出耐壓，目前，已能制造出耐

29、壓500kV以上的以上的超高壓超高壓輸電用輸電用。隨之，汽車隨之，汽車付諸應(yīng)用，這是一種需付諸應(yīng)用，這是一種需求量極大的求量極大的絕緣陶瓷絕緣陶瓷。59隨著隨著的發(fā)展，集成電路、大規(guī)模集成的發(fā)展，集成電路、大規(guī)模集成電路以及超大規(guī)模集成電路相繼問世，這類電路需電路以及超大規(guī)模集成電路相繼問世，這類電路需要要、及及等一系列等一系列性能優(yōu)良的絕緣陶瓷性能優(yōu)良的絕緣陶瓷作作為電路的為電路的。于是，高性能的于是，高性能的A12O3瓷和瓷和BeO瓷作為瓷作為而被大量使用在這類電路中，且而被大量使用在這類電路中，且性能與生產(chǎn)性能與生產(chǎn)工藝工藝不斷得以改進。不斷得以改進。60由于電路設(shè)計者一直致力于由于電路

30、設(shè)計者一直致力于、的的電路設(shè)計與制造電路設(shè)計與制造，例如在一塊小小的硅，例如在一塊小小的硅片上安放片上安放37,000,000個晶體管。對于如此個晶體管。對于如此，其，其及及勢必成為確保此類勢必成為確保此類電路可靠性的重要因素。電路可靠性的重要因素。于是，近于是，近10年來，年來，的的SiC瓷瓷與與AlN瓷被研究與開發(fā)。瓷被研究與開發(fā)。61是一種把是一種把大量微型晶體管電路元件大量微型晶體管電路元件組組裝在一塊基片上所構(gòu)成的裝在一塊基片上所構(gòu)成的、的電路，的電路，這類電路通常要這類電路通常要封裝在集成電路的管殼封裝在集成電路的管殼之內(nèi)。之內(nèi)。這種高質(zhì)量的這種高質(zhì)量的一般是由一般是由制成的。制成

31、的。目前，應(yīng)用較成熟的目前，應(yīng)用較成熟的和和是氧是氧化鋁陶瓷?；X陶瓷。62由于由于具有良好的具有良好的、及較高的及較高的與較好的與較好的，而且，而且，表面均勻平整，因此，氧，表面均勻平整，因此，氧化鋁陶瓷還是目前主要的化鋁陶瓷還是目前主要的。63 5.3.1、概、概 述述5.3.2、表征多孔陶瓷材料、表征多孔陶瓷材料5.3.3、多孔陶瓷的、多孔陶瓷的5.3.4、多孔陶瓷的、多孔陶瓷的64是一種經(jīng)是一種經(jīng)高溫?zé)筛邷責(zé)?、體內(nèi)具有、體內(nèi)具有大量大量彼此相通彼此相通并與材料表面也相貫通的并與材料表面也相貫通的陶瓷材料。陶瓷材料。多孔陶瓷的種類很多，幾乎目前研制及多孔陶瓷的種類很多，幾乎目前研制及

32、生產(chǎn)的生產(chǎn)的所有陶瓷所有陶瓷均可以均可以制成制成多孔體。多孔體。65根據(jù)根據(jù)和和，多孔陶瓷可，多孔陶瓷可分為三類：分為三類：粒狀陶瓷粒狀陶瓷； 泡沫陶瓷泡沫陶瓷；蜂窩陶瓷蜂窩陶瓷。陶瓷的陶瓷的列于下表列于下表。多孔陶瓷多孔陶瓷泡沫陶瓷泡沫陶瓷蜂窩陶瓷蜂窩陶瓷粒狀陶瓷結(jié)體粒狀陶瓷結(jié)體氣孔率氣孔率/%809070305066根據(jù)根據(jù)，陶瓷可分為，陶瓷可分為1000 um到幾十微米的到幾十微米的0.2 20 um的的0.2 um到幾納米的到幾納米的67 ；具有具有； ；具有高度開口、內(nèi)連的具有高度開口、內(nèi)連的氣孔氣孔； 幾何幾何高；高； ，。68一般可用下述一般可用下述三個參數(shù)三個參數(shù)來表征多孔陶來

33、表征多孔陶瓷材料特性：瓷材料特性：氣孔率氣孔率；平均平均孔徑孔徑、最大孔徑和、最大孔徑和孔道長度孔道長度；滲透能力滲透能力。69把把占占的百分的百分率定義為率定義為氣孔率氣孔率。最常用的最常用的多孔陶瓷的制備方法多孔陶瓷的制備方法是依靠是依靠而形成孔道。而形成孔道。70多孔陶瓷的多孔陶瓷的可以用可以用、等方法來進行測試。等方法來進行測試。是假設(shè)是假設(shè)材料孔道材料孔道均為均為，流體在外力作用下，通過毛細管，流體在外力作用下，通過毛細管時，將遵循下式：時，將遵循下式：71式中，式中，D-毛細管直徑；毛細管直徑； -流體的表面張力；流體的表面張力； P-使流體通過毛細管所需之壓力使流體通過毛細管所需

34、之壓力; -流體的材料的浸潤角。流體的材料的浸潤角。PDcos472一般認為，多孔材料用于一般認為，多孔材料用于時，時，被濾阻的粒子尺寸為被濾阻的粒子尺寸為最大孔徑最大孔徑的的1/10多孔材料用于多孔材料用于時，被濾阻的時，被濾阻的粒子尺寸為粒子尺寸為最大孔徑最大孔徑的的120。73在多孔陶瓷材料兩側(cè)在多孔陶瓷材料兩側(cè)存在一定壓力差存在一定壓力差的條件下的條件下，指材料透過指材料透過流體的能力，一般用流體的能力，一般用或或來來表征。表征。7475一般是將粒狀一般是將粒狀和和、與與混合、成型、干燥、混合、成型、干燥、燒成。燒成。其中，其中，包括包括Al2O3、SiC和玻璃等。和玻璃等。76分為分

35、為(如碳粒如碳粒)和和(如碳酸鈣如碳酸鈣)。在燒結(jié)時在燒結(jié)時，逸出氣體起，逸出氣體起，形成連通開孔。，形成連通開孔。77在燒結(jié)時在燒結(jié)時，形成液相燒結(jié)，形成液相燒結(jié)，將骨料顆粒結(jié)合起來；同時，在骨料之間形將骨料顆粒結(jié)合起來；同時，在骨料之間形成孔隙。成孔隙。除除氣孔率較大氣孔率較大外，同一般外，同一般陶瓷燒結(jié)體無大差別。陶瓷燒結(jié)體無大差別。78是采用是采用機械加工方法機械加工方法制成許制成許多多，孔徑，孔徑110mm的薄壁多的薄壁多孔結(jié)構(gòu)?？捉Y(jié)構(gòu)。79泡沫陶瓷的結(jié)構(gòu)是泡沫陶瓷的結(jié)構(gòu)是重復(fù)的十重復(fù)的十二面體二面體復(fù)雜圖形。復(fù)雜圖形。泡沫陶瓷泡沫陶瓷可從可從1.2孔孔/cm的的最大孔到最大孔到39

36、.37孔孔/cm的極細孔。的極細孔。80泡沫陶瓷的泡沫陶瓷的略有別于略有別于，它采用特別嚴密的，它采用特別嚴密的(如聚氨酯如聚氨酯)為載體，進而加工成所需為載體，進而加工成所需形狀、尺寸等形狀、尺寸等。81必須混合成必須混合成，即，即。這種這種有利于有利于泡沫纖維的適宜涂覆泡沫纖維的適宜涂覆，而且，而且沒有沒有過量的排液過量的排液。 陶瓷料漿組成陶瓷料漿組成，通常為，通常為(重量重量)1040。為了獲得更好的性能，可分別添加為了獲得更好的性能，可分別添加15的的、。一種陶瓷料漿的組成，見下表所示：一種陶瓷料漿的組成，見下表所示：82陶瓷料漿的組成陶瓷料漿的組成83 Al2O3-，它與銅、鋁熔體不起化學(xué)反應(yīng)；，它與銅、鋁熔體不起化學(xué)反應(yīng)； Cr2O3-與與Al2O3配合，有很好的配合，有很好的性能和性能和性能；性能； 膨潤土膨潤土-泡沫結(jié)構(gòu)材料的泡沫結(jié)構(gòu)材料的，燒結(jié)時，燒結(jié)時產(chǎn)生玻璃相產(chǎn)生玻璃相，增加流動性增加流動性； 高嶺土高嶺土-與膨潤土有相似作用；與膨潤土有相似作用； AlPO4-是一種是一種或或，無需加熱無需加熱即可使陶即可使陶瓷漿硬化瓷漿硬化(但最好還是經(jīng)烘干但最好還是經(jīng)烘干)，它與，它與金屬熔體金屬熔體不起化學(xué)反應(yīng)。不起化學(xué)反應(yīng)。 AlPO4最好配成最好配成使用。使用。8