第8次課-功能陶瓷課件

特種陶瓷材料及工藝授課教師：任帥第8次課-功能陶瓷緒論第一章特種陶瓷生產(chǎn)工藝原理第二章結(jié)構(gòu)陶瓷第三章功能陶瓷第七章薄膜材料第八章生物陶瓷第九章新能源材料第十章環(huán)境材料第四章特種玻璃第五章人工晶體第六章無機(jī)纖維第8次課-功能陶瓷功能陶瓷：在材料應(yīng)用中，主要利用其非力學(xué)性能時，則統(tǒng)稱此類陶瓷材料為功能陶瓷材料。所謂非力學(xué)性能，包括材料的電、磁、光、熱、化學(xué)、核性能和生物學(xué)等方面的性能。功能陶瓷已在能源開發(fā)、空間技術(shù)、電子技術(shù)、傳感技術(shù)、激光技術(shù)、光電子技術(shù)、紅外技術(shù)、生物技術(shù)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。第三章、功能陶瓷第8次課-功能陶瓷3.1電介質(zhì)陶瓷3.2鐵電陶瓷3.3敏感陶瓷3.4導(dǎo)電陶瓷3.5超導(dǎo)陶瓷3.6磁性陶瓷3.7陶瓷的金屬化和封接第三章、功能陶瓷第8次課-功能陶瓷3.1.1電介質(zhì)陶瓷的一般特性3.1.2電介質(zhì)陶瓷的性能及分類3.1.3電介質(zhì)陶瓷陶瓷生產(chǎn)工藝、性能及應(yīng)用3.1.4非鐵電電容器陶瓷3.1電介質(zhì)陶瓷

第8次課-功能陶瓷A絕緣陶瓷電容器陶瓷B壓電陶瓷C熱釋電陶瓷D鐵電陶瓷電介質(zhì)陶瓷分類示意圖第8次課-功能陶瓷3.2鐵電陶瓷一、壓電陶瓷二、熱釋電陶瓷三、透明鐵電陶瓷四、鐵電電容器陶瓷第8次課-功能陶瓷(a)不受外力(b)沿X方向的壓力(c)沿X方向的拉力壓電產(chǎn)生原理第8次課-功能陶瓷壓電超聲馬達(dá)世界上最小的馬達(dá)（電機(jī)）：重36mg，長5mm，直徑1mm，可作為人造心臟的驅(qū)動器。原理：當(dāng)給定子加上電之后，由于逆壓電效應(yīng)，定子表面就會產(chǎn)生超聲振動。由于定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦力的作用，轉(zhuǎn)子也會跟著運(yùn)動起來。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、啟動快、體積小、無電磁干擾。

第8次課-功能陶瓷3.3敏感陶瓷3.3.1敏感陶瓷的分類及應(yīng)用3.3.2敏感陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能3.3.3敏感陶瓷的半導(dǎo)體化過程3.3.4熱敏陶瓷3.3.5氣敏陶瓷3.3.6濕敏陶瓷第8次課-功能陶瓷3.3敏感陶瓷某些陶瓷的電阻率、電動勢等物理量對熱、濕、光、電壓及某種氣體、某種離子的變化特別敏感這一特性。第8次課-功能陶瓷3.1電介質(zhì)陶瓷3.2鐵電陶瓷3.3敏感陶瓷3.4導(dǎo)電陶瓷3.5超導(dǎo)陶瓷3.6磁性陶瓷3.7陶瓷的金屬化和封接第三章、功能陶瓷第8次課-功能陶瓷3.4導(dǎo)電陶瓷

在一定條件（溫度、壓力等）下具有電子（或空穴）電導(dǎo)或離子電導(dǎo)的陶瓷叫導(dǎo)電陶瓷。電子電導(dǎo)(包括空穴電導(dǎo))有氧化物或碳化物半導(dǎo)體等。離子電導(dǎo)有固體電解質(zhì)陶瓷，如ZrO2、β-Al2O3等。這些都是離子晶體的氧化物或復(fù)合物。第8次課-功能陶瓷3.4導(dǎo)電陶瓷在固體電解質(zhì)中，帶電離子的運(yùn)動比在液體中倍受限制，但仍然能以擴(kuò)散的形式發(fā)生，從而產(chǎn)生離子電導(dǎo)。陶瓷的電導(dǎo)率是橫穿晶界的電導(dǎo)率和沿表面晶體的電導(dǎo)率之和。離子在晶體中擴(kuò)散通過取代晶格空位的方式進(jìn)行，在一般情況下，這類運(yùn)動取向混亂，不給出凈的電荷運(yùn)動；然而在電場作用下，離子會沿著電場方向運(yùn)動，從而產(chǎn)生了離子導(dǎo)電流。第8次課-功能陶瓷3.4.1ZrO2導(dǎo)電陶瓷

ZrO2的結(jié)晶形態(tài)與穩(wěn)定3.4導(dǎo)電陶瓷單斜ZrO2轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆絑rO2會產(chǎn)生3－5%的體積收縮

加入某些適量的氧化物(例如Y2O3、CaO、MgO等)，可使ZrO2變成無異常收縮的等軸晶型或四方晶型的穩(wěn)定ZrO2?！娃D(zhuǎn)變第8次課-功能陶瓷3.4.2ZrO2陶瓷的導(dǎo)電機(jī)理

穩(wěn)定ZrO2中，由于穩(wěn)定劑的金屬離子會與Zr4+進(jìn)行不等價置換，產(chǎn)生氧離子缺位。以Ca2+為例，當(dāng)Ca2+取代了Zr4+之后，使正電荷減少了+2價，于是在Ca2+周圍必須失掉一個在正常位置上的O2-離子，才能保持晶格中的電中性，于是便產(chǎn)生一個氧空位。同樣，用Y3+取代Zr4+使正電荷少了+1價。所以在兩個釔離子周圍存在一個氧空位。從而保持了穩(wěn)定ZrO2晶格的電中性。因此在穩(wěn)定的ZrO2晶格內(nèi)存在大量的氧空位，使ZrO2陶瓷成為導(dǎo)電陶瓷。

3.4導(dǎo)電陶瓷第8次課-功能陶瓷3.4.2ZrO2陶瓷的導(dǎo)電機(jī)理

氧離子空位3.4導(dǎo)電陶瓷第8次課-功能陶瓷3.4.3ZrO2導(dǎo)電陶瓷的制造工藝依產(chǎn)品的性能、形狀、大小的不同可以有多種方法：采用注漿成型，在瓷球磨筒內(nèi)配制中性泥漿，料：球：水：膠液=1：1.5：0.6：0.15，具有較好的懸浮性和流動性。采用模壓法成型，配料可選用兩種不同溫度下穩(wěn)定的ZrO2料：一種是高于1700℃穩(wěn)定的；另一種是在1450℃穩(wěn)定的。其比例，前者為60-70%，后者為30-40%。然后混合均勻，加入適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑，壓制成型。原料要求ZrO2采用超細(xì)粉末（＜0.05微米），純度為99.5%，穩(wěn)定劑采用Y2O3或Al2O3純度為試劑級。3.4導(dǎo)電陶瓷第8次課-功能陶瓷3.4.3ZrO2導(dǎo)電陶瓷的制造工藝工藝流程3.4導(dǎo)電陶瓷在中性或氧化氣氛中燒結(jié)第8次課-功能陶瓷3.4.3ZrO2導(dǎo)電陶瓷的制造工藝ZrO2陶瓷導(dǎo)電性能3.4導(dǎo)電陶瓷銀的電導(dǎo)率為6.3×107(Ω·m)-1第8次課-功能陶瓷3.5超導(dǎo)陶瓷第8次課-功能陶瓷3.5超導(dǎo)陶瓷3.5.1超導(dǎo)體

超導(dǎo)體：指當(dāng)某種物質(zhì)冷卻到低溫時電阻突然變?yōu)榱?，同時物質(zhì)內(nèi)部失去磁通成為完全抗磁性的物質(zhì)。每一種超導(dǎo)體都有一定的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，即物質(zhì)由常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度稱其為超導(dǎo)臨界溫度，Tc表示。第8次課-功能陶瓷3.5超導(dǎo)陶瓷3.5.1超導(dǎo)體

判斷材料是否具有超導(dǎo)性，有兩個基本的特征：超導(dǎo)電性，指材料在低溫下失去電阻的性質(zhì)；完全抗磁性，指超導(dǎo)體處于外界磁場中，磁力線無法穿透，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通為零。超導(dǎo)體呈現(xiàn)的超導(dǎo)現(xiàn)象取決于溫度、磁場、電流密度的大小。1、臨界溫度

TC2、臨界電流密度JC3、臨界磁場強(qiáng)度HC第8次課-功能陶瓷3.5超導(dǎo)陶瓷3.5.1超導(dǎo)體超導(dǎo)體的分類，從材料來分，可分為三大類：即元素超導(dǎo)體、合金或化合物超導(dǎo)體、氧化物超導(dǎo)體（即陶瓷超導(dǎo)體）。從低溫處理方法來分，可分為：液氦溫區(qū)超導(dǎo)體（4.2K以下），液氫溫區(qū)超導(dǎo)體（20K以下），液氮溫區(qū)超導(dǎo)體（77K以下），常溫超導(dǎo)體。第8次課-功能陶瓷1.1985年前的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度單質(zhì)Nb9.3K化合物材料Nb3Ge23.2K液氦溫區(qū)低溫超導(dǎo)體第8次課-功能陶瓷

2．高溫超導(dǎo)材料發(fā)現(xiàn)

LaBaCuO

氧化物陶瓷材料

30K1986年繆勒（瑞士）貝德諾茲（德）

1987年繆勒貝德諾茲獲諾貝爾物理學(xué)獎3．華人超導(dǎo)物理學(xué)家趙忠賢（中）朱經(jīng)武（美）發(fā)現(xiàn)YBaCuO

90K

液氮溫區(qū)高溫超導(dǎo)體4.高溫超導(dǎo)材料鉍系110K

鉈系125K

汞系134K（常壓）164K（高壓）5．高溫超導(dǎo)研究典型結(jié)構(gòu)La系Y系Bi系Tl系第8次課-功能陶瓷

第8次課-功能陶瓷3.5.2超導(dǎo)陶瓷的制造工藝

氧化物超導(dǎo)陶瓷的制備方法普遍采用固態(tài)反應(yīng)法。即將組成粉料按配比混合壓制，置于氧化鋁坩堝中，放在電爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為900---960℃，時間至少為4小時，一般為自然冷卻。為使材料均勻，可進(jìn)行粉碎，重新壓片，進(jìn)行第二次，甚至第三次燒結(jié)。

成型可在一般壓機(jī)上進(jìn)行，也可采用等靜壓成型。燒結(jié)對超導(dǎo)陶瓷的性能影響很大。燒結(jié)溫度過低，反應(yīng)不完全；過高又會出現(xiàn)相分解。燒結(jié)時間過長則出現(xiàn)宏觀的相分凝現(xiàn)象，不同部位呈現(xiàn)不同顏色。燒結(jié)時的氧分壓是很重要的控制參數(shù)，氧分壓過低或過高都不利，都會導(dǎo)致四方相出現(xiàn)。燒結(jié)時，如果爐中的空氣流通性好，不必通氧氣；反之，應(yīng)在通氧氣情況下燒結(jié)。

降溫速度也是重要的控制參數(shù)，一般低溫淬火都會使超導(dǎo)性破壞。第8次課-功能陶瓷3.5.3超導(dǎo)陶瓷的應(yīng)用高溫超導(dǎo)陶瓷的應(yīng)用有以下幾個方面：①電力系統(tǒng)方面的輸配電、超導(dǎo)線圈、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)等；②交通運(yùn)輸方面的超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)電磁性推進(jìn)器和空間推進(jìn)系統(tǒng)；③在選礦和探礦方面；④在環(huán)保和醫(yī)藥方面；⑤在高能核試驗和熱核聚變方面。3.5超導(dǎo)陶瓷第8次課-功能陶瓷3.5.3超導(dǎo)陶瓷的應(yīng)用3.5超導(dǎo)陶瓷超導(dǎo)導(dǎo)線(含2120根微米直徑的鈮鈦合金纖維)第8次課-功能陶瓷3.6磁性陶瓷

磁性陶瓷分為含鐵的鐵氧體陶瓷和不含鐵的磁性陶瓷。多屬于半導(dǎo)體材料，因此成為現(xiàn)代電子技術(shù)中必不可少的一種材料。磁性陶瓷的高頻磁導(dǎo)率較高，這是其他金屬磁性材料所不能比擬的。最大弱點是飽和磁化強(qiáng)度較低，居里溫度也不高。

第8次課-功能陶瓷3.6磁性陶瓷3.6.1磁性陶瓷的分類所要介紹的磁性陶瓷主要是鐵氧體陶瓷，它們是以氧化鐵和其它鐵族或稀土族氧化物為主要成分的復(fù)合氧化物。按鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)可把它們分為三大類：尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型。按鐵氧體的性質(zhì)及用途又可分為軟磁、硬磁、旋磁、矩磁、壓磁、磁泡、磁光及熱敏等鐵氧體等。按其結(jié)晶狀態(tài)可分為單晶和多晶體鐵氧體；按其外觀形態(tài)可分為粉末、薄膜和體材等。第8次課-功能陶瓷3.6.2鐵氧體的生產(chǎn)工藝多晶鐵氧體的生產(chǎn)工藝：多晶鐵氧體生產(chǎn)最后都要通過燒結(jié)達(dá)到致密化，因此，要求獲得微細(xì)、均勻、具有一定燒結(jié)活性的鐵氧化粉末，按照其生產(chǎn)方法大體可分為經(jīng)預(yù)燒和不經(jīng)預(yù)燒兩種，預(yù)燒的目的在于減少燒成收縮或合成鐵氧體。幾種鐵氧體的粉料制備方法：

其中氧化物法、化學(xué)沉淀法、電解沉淀法、低溫化學(xué)法及部分鹽類分解法獲得的是微細(xì)均勻的原料，需要預(yù)燒合成鐵氧體。而另一部分鹽類分解法及噴霧煅燒法可直接獲得微細(xì)均勻的鐵氧體，不經(jīng)預(yù)燒，就可成型、燒結(jié)。3.6磁性陶瓷第8次課-功能陶瓷3.7陶瓷的金屬化和封接

陶瓷金屬化的目的之一是為了實現(xiàn)陶瓷與金屬、陶瓷與陶瓷之間的牢固封接。陶瓷與金屬的封接流程陶瓷件與金屬的封接實際上是金屬件與金屬薄膜的焊接。第8次課-功能陶瓷半導(dǎo)體元件封接第8次課-功能陶瓷3.7陶瓷的金屬化和封接3.7.1被銀法被銀法又稱燒滲銀法，是指在陶瓷表面燒滲一層金屬銀，作為電容器、濾波器的電極或集成電路基片的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。此制備技術(shù)旨在利用銀的導(dǎo)電能力強(qiáng)、抗氧化性能好，在銀面上可直接焊接金屬等優(yōu)點。但對于電性能要求較高的材料，如在高溫，高濕和直流電場作用下使用，由于銀離子容易向介質(zhì)中擴(kuò)散，造成電性能惡化，因而不宜采用被銀法。第8次課-功能陶瓷3.7.2燒結(jié)金屬粉末法燒結(jié)金屬粉末法，是在高溫還原氣氛中，使金屬粉末在陶瓷表面上燒結(jié)成金屬薄膜，再進(jìn)行陶瓷——金屬封接的一種方法。上述工藝應(yīng)遵循以下原則：①金屬件的熔點應(yīng)比金屬化溫度高200℃以上。②金屬件的膨脹系數(shù)與陶瓷的膨脹系數(shù)盡可能地接近、互相匹配。但封包陶瓷的金屬應(yīng)有較高的熱膨脹系數(shù)；封接于陶瓷內(nèi)部的金屬，則應(yīng)具有較低的熱膨脹系數(shù)，這是為了要使陶瓷保持受壓狀態(tài)，封接處的金屬壁應(yīng)做得比較薄。3.7陶瓷的金屬化和封接第8次課-功能陶瓷3.7.3玻璃焊料封接法

隨著陶瓷應(yīng)用的擴(kuò)大，陶瓷應(yīng)用于真空技術(shù)中的關(guān)鍵——金屬與陶瓷的封接，也不斷發(fā)展。陶瓷的金屬化法，雖然金屬化層與陶瓷結(jié)合強(qiáng)度高，金屬釬焊焊料與金屬化層和金屬構(gòu)件皆能牢固焊接，封接強(qiáng)度高（抗折強(qiáng)度一般在100MPa以上），適合與強(qiáng)度要求高的器件封接，但較難滿足于抗堿金屬腐蝕，熱震性好的要求。為此，發(fā)展另一種氧化物玻璃焊料的封接法。常用的玻璃焊料為以氧化鋁和氧化鈣為基，加入氧化鎂、氧化銥等組成的玻璃焊料。3.7陶瓷的金屬化和封接第8次課-功能陶瓷釬焊機(jī)第8次課-功能陶瓷3.7.4非氧化物系陶瓷的固相封接碳化硅、氮化硅等非氧化物系陶瓷，是較理想的高溫結(jié)構(gòu)材料。但是，陶瓷脆性難以保證在外應(yīng)力作用下而不破壞。因此希望制備陶瓷與金屬復(fù)合的復(fù)合材料，以發(fā)揮各