無機非金屬材料工學 特種陶瓷

1、無機非金屬材料工學無機非金屬材料工學 特種陶瓷特種陶瓷 特種陶瓷特種陶瓷 v特種陶瓷是指采用高度精選的材料。具特種陶瓷是指采用高度精選的材料。具 有能精準控制的化學組成，按照便于控制有能精準控制的化學組成，按照便于控制 的制造加工技術(shù)，便于進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并的制造加工技術(shù)，便于進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并 具有優(yōu)異特性的陶瓷具有優(yōu)異特性的陶瓷 v 原料以氧化物，氮化物， 硅化物，硼化物，碳化物為 主要原料 v 成分由人工配比，純化物 較多，性質(zhì)優(yōu)劣與原料產(chǎn)地 無關(guān) v 以黏土為主要原料 v 相同類型的普通陶瓷由于 黏土的產(chǎn)地不同在結(jié)構(gòu)和質(zhì) 有較大差異 特種陶瓷與普通陶瓷的區(qū)別特種陶瓷與普通陶瓷的區(qū)別 特種陶

2、瓷特種陶瓷普通陶瓷普通陶瓷 v 制備工藝上廣泛采用超微 細粉制備，等靜壓成型，熱 壓燒結(jié)等現(xiàn)代化工藝 v 在高溫，機械，電子，航 天，醫(yī)學工程等方面有綜合 應用 v 以傳統(tǒng)陶瓷工藝為主：胚 料制備，制模成型，干燥施 釉，裝燒裝飾，包裝 v 傳統(tǒng)陶瓷質(zhì)地脆，易碎， 一般作為裝飾品和器物 特種陶瓷與普通陶瓷的區(qū)別特種陶瓷與普通陶瓷的區(qū)別 特種陶瓷特種陶瓷普通陶瓷普通陶瓷 特種陶瓷的其他稱呼 v 特種陶瓷有一系列的稱呼，如先進陶瓷（Advanced Ceramics）、精細陶瓷（Engineering Ceramics)、新型陶瓷 （New Ceramics ）、近代陶瓷（Modern Cerami

3、cs ）、高技術(shù) 陶瓷（High Technology Ceramics ）、高性能陶瓷（High Performance Ceramics）等 特種陶瓷的分類特種陶瓷的分類 v結(jié)構(gòu)陶瓷 v功能陶瓷 結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷 又稱工程陶瓷。具有耐高溫、高硬度,耐磨損， 耐腐蝕，低膨脹系數(shù)、高導熱性和質(zhì)輕等優(yōu)點。 廣泛應用于能源、空間技術(shù)石油化工等領(lǐng)域。 主要包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶 瓷、硼化物陶瓷和硅化物陶瓷。 高溫結(jié)構(gòu)陶瓷 v 高溫結(jié)構(gòu)陶瓷：高溫結(jié)構(gòu)陶瓷： 1.高熔點氧化物陶瓷：高熔點氧化物陶瓷：Al2O3、ZrO2、MgO、VO2等，熔點一般在等，熔點一般在2000以以 上上 2.碳化

4、物陶瓷：碳化物陶瓷：SiC、WC、TiC、NbC等等 3.硼化物陶瓷：硼化物陶瓷：HfB2、ZrB2等等 4.氮化物陶瓷氮化物陶瓷:SiN4、BN、以及由、以及由Si3N4和和Al2O3復合而成的賽隆陶瓷。氮化復合而成的賽隆陶瓷。氮化 物常具有很高的硬度物常具有很高的硬度 5.硅化物陶瓷：硅化物陶瓷：MoSi2、ZrSi等，他們在使用中表面會生成等，他們在使用中表面會生成SiO2或硅酸鹽?；蚬杷猁}保 護層，抗氧化能力強護層，抗氧化能力強 氧化物陶瓷之一 v 氧化鋁陶瓷 氧化鋁陶瓷通常是指-Al2O3含量為70%以上的氧化鋁陶瓷。氧 化鋁陶瓷的主晶相是剛玉（-Al2O3）晶相。 氧化鋁含量高，陶

5、瓷的燒成溫度也高。隨著氧化鋁的含量增加， 陶瓷具有的機械強度也提高；介電常數(shù)和比電阻提高，介電損 耗降低，而且介電常數(shù)和介電損耗隨頻率的增加而減少。導熱 系數(shù)隨著氧化鋁含量的增加而提高。 氧化物陶瓷之二 v 氧化鋯陶瓷 氧化鋯有三種晶型，低溫時為單斜晶系，高溫時為四方晶系， 更高溫度時轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄?。由于晶型轉(zhuǎn)變會引起體積效應， 因此純氧化鋯很難制出產(chǎn)品，必須加入穩(wěn)定劑進行晶型穩(wěn)定化 處理，主要有CaO、MgO和其他稀土氧化物等。 氧化鋯陶瓷密度大，硬度高，抗彎強度和斷裂韌性較高（是所 有陶瓷中做高的），具有半導性、抗腐蝕性及敏感性等 氧化物陶瓷之三 v 氧化鈹陶瓷 氧化鈹屬于纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其結(jié)

6、構(gòu)很穩(wěn)定且無晶型轉(zhuǎn)變。添加1%以 下的MgO、TiO2或Fe2O3可促進BeO燒結(jié)，加入MgO形成固溶體， 加入TiO2或Fe2O3出現(xiàn)第二相。 氧化鈹陶瓷具有和金屬相近的導熱系數(shù)，約為209.34W/(mK)。膨 脹系數(shù)不大，高溫絕緣性能良好，還能抵抗堿性物質(zhì)侵蝕（除苛 型堿外），除此之外還具有良好的核性能，可用作中子減速劑核 抗輻射材料。 氧化物陶瓷之四 復合氧化物陶瓷之一 v 莫來石陶瓷 莫來石陶瓷是一種傳統(tǒng)且典型的陶瓷材料。在1847年，Oschatz發(fā) 現(xiàn)這是一種富鋁的硅酸鹽相并將其稱為硅線石。直到1956年，英 國地理學家在蘇格蘭西海岸的“Mull”島，并發(fā)現(xiàn)該島具有非常豐 富的富

7、鋁的硅酸鹽，因此，此類物質(zhì)被定義為莫來石。莫來石 （3Al2O32SiO2）是Al2O3-SiO2系中唯一穩(wěn)定的二元化合物。 莫來石陶瓷具有高熔點、抗蠕變性、抗熱震性、及抗腐蝕性等優(yōu) 良性能，可用于耐火材料 復合氧化物陶瓷之二 v 鎂鋁尖晶石陶瓷 鎂鋁尖晶石屬等軸晶系，呈八面體型。是MgO-Al2O3二元系統(tǒng) 中唯一的化合物。正尖晶石型的鎂鋁尖晶石的晶格常數(shù)為 0.8060.808nm，折射率為1.7181.719，莫氏硬度為89，密 度為3.58g/cm3，熔點為2135，耐火度為1900，熱膨脹系數(shù) 為58106/，熱導率（800）為23.865kJ/(hm) 復合氧化物陶瓷之二 v 鎂鋁

8、尖晶石陶瓷 鎂鋁尖晶石陶瓷材料的性質(zhì)可以和氧化物陶瓷相媲美，它除了 有熔點高、熱膨脹系數(shù)、絕緣性好等優(yōu)點外，還有很高的化學 穩(wěn)定性，不與濃酸反應，抵抗堿作用能力比剛玉還高，大多數(shù) 鹽和熔渣都不與尖晶石反應，對碳、金屬、金屬熔體也很穩(wěn)定， 因而廣泛應用于金屬熔煉，爐（窯）襯、電絕緣材料等 氮化物陶瓷之一 v 氮化硅陶瓷 氮化硅結(jié)構(gòu)中氮與硅的原子之間的鍵力很強，因此氮化硅具有 高溫下穩(wěn)定，分解前仍能保持較高的強度，以及高硬度，良好 的耐磨性和耐化學腐蝕性等特性。在空氣中開始氧化的溫度是 13001400，熱膨脹系數(shù)很小。 氮化物陶瓷之二 v 塞隆陶瓷 1970年代，日本和英國的學者發(fā)現(xiàn)，在Si3N

9、4-Al2O3系統(tǒng)中，加 入多量的Al2O3時，變構(gòu)成Si-Al-O-N系統(tǒng)，Al,O部分的置換了 Si,N原子，從而促進了Si3N4的燒結(jié)，也就形成了塞隆陶瓷。 塞隆陶瓷在常溫和高溫下強度很大，化學穩(wěn)定性優(yōu)異，耐磨 性很高，熱膨脹系數(shù)低，抗熱沖擊性好，抗氧化性強，密度不 大等 碳化物陶瓷之一 v 碳化硼陶瓷 碳化硼（B4C）的晶體結(jié)構(gòu)除了立方結(jié)構(gòu)外，通常以斜方六面 結(jié)構(gòu)為主。碳化硼陶瓷的顯著特點是硬度高，僅次于金剛石和 立方晶體BN。導熱性好膨脹系數(shù)低，能吸收熱中子，耐酸堿 性好。 碳化物陶瓷之二 v 碳化硅陶瓷 碳化硅(SiC)為共價鍵化合物。晶體結(jié)構(gòu)中的單位晶胞是由相同 的四面體構(gòu)成的，

10、硅原子處于中心。周圍為碳原子。 碳化硅熔點高且具有良好的抗氧化性，純SiC是電絕緣體，但 含有雜志時，電阻率大幅下降，再加上它有負的電阻溫度系數(shù)， 因此可作為發(fā)熱元件和非線性壓敏電阻材料。SiC耐高溫?？?以做耐火材料，硬度高，可作磨料。 碳化物陶瓷之三 v 碳化鈦陶瓷 碳化鈦陶瓷(TiC)屬于面心立方晶系，熔點高，強度較高，導熱 性較好，硬度大，化學穩(wěn)定性好。不水解，高溫抗氧化性好 （僅次于碳化硅）。在常溫下不與酸起反應，但在硝酸和氫氟 酸的混合酸中能溶解，于1000在氮氣氛中能行成氮化物。 其他結(jié)構(gòu)陶瓷之一 v二硼化鋯陶瓷(ZrB2)具有很高的硬度， 良好的 導電性導熱性和化學穩(wěn)定性，是

11、優(yōu)良的耐火材料，可做熱電偶保護套， 熔煉金屬用的坩堝、鑄模。 其他結(jié)構(gòu)陶瓷之二 v 二硅化鉬陶瓷 MoSi2可以通過Mo和Si粉直接反應獲得，或者利用Mo的氧化還原反 應合成。 MoSi2晶體為四方結(jié)構(gòu)，灰色，有金屬光澤，熔點為2030。 MoSi2能抵抗熔融金屬和爐渣的侵蝕，于氫氟酸、王水及其他無機 酸不起作用，但容易溶于硝酸和氫氟酸的混合液中，也溶于熔融 的堿中。MoSi2的抗氧化性好，這是由于在其表面形成了一薄層 SiO2或者一層耐氧化和難融的硅酸鹽組成的保護膜。 二硅化鉬陶瓷發(fā)熱體 功能陶瓷功能陶瓷 v 功能陶瓷（FunctionalCeramaics）是指在應用中側(cè)重其非力 學性能（

12、如電磁、光、熱、化學、和生物等方面的性能以及核 性能，對氣體的敏感性等）的陶瓷材料 磁性陶瓷磁性陶瓷 v 磁性陶瓷（Magnetic Ceramics）是鐵和其它一種或多種金屬 元素的復合氧化物，通常稱為鐵氧體，其導電性與半導體材料 類似，因制備工藝和外觀類似陶瓷而得名，但嚴格來講，磁性 陶瓷還包括不含鐵的磁性瓷。 磁性陶瓷之一 v 軟磁鐵氧體 軟磁鐵氧體是目前各種鐵氧體中品種最多、應 用最廣泛的一種磁性陶瓷材料，軟磁鐵氧體的 種類有尖晶石型的Mn-Zn,Ni-Zn,Mg-Zn,Li-Zn鐵 氧體及磁石型的甚高頻鐵氧體，如 Ba3Co2Fe24O41等 磁性陶瓷之二 v 硬磁鐵氧體 v 硬磁鐵

13、氧體是指矯頑力Hc大，磁化后不易退磁而能長期保 留磁性的鐵氧體，又稱為永磁材料。硬磁鐵氧體化學式為 Mo6Fe2O3（M=Ba2+,Sr2+） 磁性陶瓷之三 v 旋磁鐵氧體 旋磁鐵氧體是指在高頻磁場作用下，平面偏振的電磁波在磁介 質(zhì)中按一定方向傳播的過程中，偏振面不斷繞傳播方向旋轉(zhuǎn)的 一種鐵氧體。旋磁鐵氧體主要用作微波器件，故又稱為微波鐵 氧體。 磁性陶瓷之四 v 矩磁鐵氧體 矩磁鐵氧體是指磁滯回線呈矩形的，剩余磁感強度Br和工作時 最大磁感應強度Bm的比值。且此比值都盡可能接近1，并根據(jù) 實際應用情況調(diào)整具有適當大小的矯頑力的鐵氧體。 矩磁鐵氧體材料大都具有尖晶石結(jié)構(gòu)，少數(shù)幾種是石榴石型。

14、磁性陶瓷之四 v 壓磁鐵氧體 處于退磁狀態(tài)下的鐵氧體材料，當外界磁場磁化時，其長度或 體積均會發(fā)生極小的變形，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮，具有這種 性能的鐵氧體稱為壓磁鐵氧體。 目前應用的壓磁鐵氧體材料都是含Ni的鐵氧體系統(tǒng)，最主要的 是Ni-Zn鐵氧體 磁性陶瓷之五 v 新興鐵氧體材料 主要有超高密度記錄垂直磁化薄膜材料，可擦除磁光信息儲存 薄膜材料，磁泡材料，吸波和防電磁信息泄露材料，非晶態(tài)磁 性材料等等 導電陶瓷和超導陶瓷 v 導電陶瓷 絕大部分陶瓷屬于絕緣體，但具有間隙結(jié)構(gòu)的碳化物等硬質(zhì)化 合物具有良好的導電性，這類間隙相屬于電子電導。除間隙相 以外，還有為數(shù)不多的幾種陶瓷，它們在適當?shù)臈l件

15、下具有與 液體強電解質(zhì)相似的離子電導，如Na-Al2O3、PSZ等 導電陶瓷和超導陶瓷 v 超導陶瓷超導陶瓷 超導陶瓷目前仍在發(fā)現(xiàn)之中，由于它具有完全的導電性和完全的抗磁性，超導陶瓷目前仍在發(fā)現(xiàn)之中，由于它具有完全的導電性和完全的抗磁性， 因此獲得了廣泛的應用。因此獲得了廣泛的應用。 1.在電力系統(tǒng)方面，可以用于輸送配電，由于電阻為零，因此完全沒有在電力系統(tǒng)方面，可以用于輸送配電，由于電阻為零，因此完全沒有能能 量損耗量損耗。 2.在交通方面，可以制造磁懸浮列車在交通方面，可以制造磁懸浮列車 3.利用超導陶瓷的約瑟夫遜效應可望制成超小型、高性能的第五代計算機利用超導陶瓷的約瑟夫遜效應可望制成超

16、小型、高性能的第五代計算機 4.利用其抗磁性，在環(huán)保方面可以進行廢水凈化和去除毒物，在醫(yī)藥方面利用其抗磁性，在環(huán)保方面可以進行廢水凈化和去除毒物，在醫(yī)藥方面 可以從血漿中分離紅細胞并正在研究利用其抑制和殺死癌細胞。可以從血漿中分離紅細胞并正在研究利用其抑制和殺死癌細胞。 熱釋電陶瓷 v 熱釋電現(xiàn)象是一種自然現(xiàn)象，也是晶體的一種物理效應。晶體 受熱溫度升高，由于溫度的變化，導致自發(fā)極化的變化，在晶體 的一定方向上產(chǎn)生表面電荷，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應。 v 晶體中存在熱釋電效應的前提是：首先具有自發(fā)極化，即晶體 結(jié)構(gòu)的某些方向的正、負電荷重心不重合（存在固有電矩）。二 是有溫度的變化，即熱釋電效應

17、是反映材料在溫度變化的狀態(tài)下 的性能。經(jīng)過改性的PZT陶瓷，有良好的熱釋電性能，目前已制 成單個探測矩陣，在紅外探測和熱成像系統(tǒng)中得到應用。 壓電陶瓷 v 在給無對稱中心的晶體施加一應力時，晶體發(fā)生與應力成比例 的極化，導致晶體表面兩端出現(xiàn)符號相反的電荷；反之，當對這 類晶體施加一電場時，晶體將產(chǎn)生與電場強度成比例的應變。這 兩種效應都稱為壓電效應，前者稱為正壓電效應。后者稱為逆壓 電效應。 v 從晶體結(jié)構(gòu)來看，壓電陶瓷屬于鈣鈦礦型，鎢青銅型，焦綠石 型，含鉍層結(jié)構(gòu)的陶瓷都具有壓電性。但目前廣泛應用的壓電陶 瓷都屬于鈣鈦礦型晶體。 敏感陶瓷 v材料的電學性能隨熱，濕，氣，光，力等外 界條件的變

18、化而產(chǎn)生敏感效應的陶瓷，統(tǒng)稱為 敏感陶瓷（Sensitive Ceramics） 敏感陶瓷之一 v 熱敏陶瓷 利用半導體陶瓷的電阻值對溫度的敏感特性制成的一種對溫度 敏感的器件，區(qū)熱敏電阻器或熱敏元件，它是溫度傳感器的一 種。根據(jù)熱敏電阻器的電阻溫度特性，熱敏半導體陶瓷可 分為負溫度系數(shù)（NTC）熱敏陶瓷、正溫度系數(shù)（PTC）熱敏 陶瓷和臨界溫度熱敏陶瓷（CTR）。 敏感陶瓷之二 v 壓敏陶瓷 壓敏陶瓷是指具有非線性伏安特性，對電壓變化敏感的半導體 陶瓷，它在某一臨界電壓下電阻值非常高，幾乎沒有電流，但 當超過這一臨界電壓時，電阻將急劇變化，并且有電流通過， 隨著電壓的少許增加，電流會很快增大

19、。用這種材料制成的電 阻稱為壓敏電阻器。也稱為非線性電阻。 壓敏陶瓷主要可以用在兩個方面：過壓保護和穩(wěn)定電壓。 敏感陶瓷之三 v 光敏陶瓷 光敏陶瓷也稱為光敏電阻陶瓷，屬于半導體陶瓷，它在光的照 射下，吸收光能，產(chǎn)生光電導或產(chǎn)生光伏特效應。利用光電阻 效應來制造光敏電阻，可用于各種自動控制系統(tǒng)，利用其光伏 特效應也可以制造光電池（也稱太陽能電池） 敏感陶瓷之四 v 氣敏陶瓷 氣敏陶瓷主要分為以下三種： 1.半導體式氣敏陶瓷 2.半觸燃燒式氣敏陶瓷 3.固體電解質(zhì)型氣敏陶瓷 敏感陶瓷之五 v 濕敏陶瓷 濕敏陶瓷的主要成分一般以氧化物半導體構(gòu)成。導電形式一般 認為是電子導電和質(zhì)子導電，或兩者共存。濕敏陶瓷根據(jù)濕敏 特性可分為當濕度增加時，電阻率減小的負特性濕敏陶瓷和電 阻率增加的正特性濕敏陶瓷。 透明陶瓷和光學陶瓷 v 透明陶瓷種類比較多。一般有氧化鋁系陶瓷、氧化鎂系陶瓷、 氧化釔系陶瓷、非