材料合成與制備概要PPT教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1材料合成與制備概要材料合成與制備概要5.1功能陶瓷概論功能陶瓷概論 電、磁、光、聲、熱力、化學(xué)和電、磁、光、聲、熱力、化學(xué)和生物學(xué)信息的檢測、轉(zhuǎn)換、耦合生物學(xué)信息的檢測、轉(zhuǎn)換、耦合、傳輸及存儲(chǔ)功能、傳輸及存儲(chǔ)功能 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第1頁/共118頁5.1功能陶瓷概論功能陶瓷概論 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第2頁/共118頁v 要以性能的改進(jìn)來改善陶瓷材料的功能性要以性能的改進(jìn)來改善陶瓷材料的功能性，可以從以下兩方面進(jìn)行：，可以從以下兩方面進(jìn)行：1. 2. 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第3頁/共118頁

2、 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第4頁/共118頁超微細(xì)粉料的制備方法（超微細(xì)粉料的制備方法（固、液、氣固、液、氣）1. 固相法（固相法（粉體是由固相原料制得的粉體是由固相原料制得的 ）p 機(jī)械粉碎法機(jī)械粉碎法p 固相反應(yīng)固相反應(yīng)法法燃燒法燃燒法熱分解法熱分解法第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第5頁/共118頁2. 液相法液相法選擇合適的可溶性金屬鹽類按要求計(jì)量配制成選擇合適的可溶性金屬鹽類按要求計(jì)量配制成溶液，再選擇一種合適的沉淀劑或用蒸發(fā)、升溶液，再選擇一種合適的沉淀劑或用蒸發(fā)、升華、水解等操作，使金屬離子均勻沉淀或結(jié)晶華、水解等操作，使金屬離子均

3、勻沉淀或結(jié)晶出來，最后將沉淀或結(jié)晶脫水或加熱分解而得出來，最后將沉淀或結(jié)晶脫水或加熱分解而得到陶瓷粉體。到陶瓷粉體。 原理：原理：第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第6頁/共118頁p 沉淀法沉淀法p（TiCl4,H2C2O4和和BaCl2共沉淀制共沉淀制BaTiO3納米晶）納米晶） p 水解法水解法Zr(OR)4+4H2O Zr(OH)4+4HOR p 溶劑蒸發(fā)法溶劑蒸發(fā)法(3)262的水溶液蒸發(fā)的水溶液蒸發(fā) 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第7頁/共118頁p 溶膠凝膠法溶膠凝膠法用金屬醇鹽的水解和聚合反應(yīng)制備金屬氧化物或用金屬醇鹽的水解和聚合反應(yīng)制備

4、金屬氧化物或金屬氫氧化物的均勻溶膠，然后將溶膠濃縮成透金屬氫氧化物的均勻溶膠，然后將溶膠濃縮成透明凝膠，凝膠經(jīng)干燥，熱處理可得到所需微粉。明凝膠，凝膠經(jīng)干燥，熱處理可得到所需微粉。 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第8頁/共118頁3. 氣相法氣相法直接利用氣體，或者通過各種手段將物質(zhì)轉(zhuǎn)變直接利用氣體，或者通過各種手段將物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理變化或者為氣體，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理變化或者化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過程中凝聚長大形成微化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過程中凝聚長大形成微細(xì)粉體的方法。細(xì)粉體的方法。 原理：原理：p 蒸發(fā)凝聚法蒸發(fā)凝聚法 (升華升華法）法）p

5、氣相反應(yīng)法氣相反應(yīng)法第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第9頁/共118頁 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第10頁/共118頁 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第11頁/共118頁5.2高溫超導(dǎo)陶瓷高溫超導(dǎo)陶瓷p超導(dǎo)體超導(dǎo)體：1. 超導(dǎo)體的性質(zhì)超導(dǎo)體的性質(zhì)是指當(dāng)某種物質(zhì)冷卻到低溫時(shí)是指當(dāng)某種物質(zhì)冷卻到低溫時(shí)電阻電阻突然變?yōu)榱阃蝗蛔優(yōu)榱悖瑫r(shí)物質(zhì)內(nèi)部失去磁，同時(shí)物質(zhì)內(nèi)部失去磁通成為通成為完全抗磁性完全抗磁性的物質(zhì)。的物質(zhì)。 pTc、Hc、Ic實(shí)驗(yàn)表明：超導(dǎo)狀態(tài)中零電阻現(xiàn)象不僅實(shí)驗(yàn)表明：超導(dǎo)狀態(tài)中零電阻現(xiàn)象不僅與超導(dǎo)體溫度有關(guān)（與超導(dǎo)體溫度

6、有關(guān)（Tc）,還與外磁場強(qiáng)還與外磁場強(qiáng)度（度（Hc）和通過超導(dǎo)體的電流（）和通過超導(dǎo)體的電流（Ic）有）有關(guān)。關(guān)。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第12頁/共118頁p邁斯納效應(yīng)（完全抗磁性）邁斯納效應(yīng)（完全抗磁性）第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備 懸浮的磁鐵懸浮的磁鐵第13頁/共118頁p元素超導(dǎo)體元素超導(dǎo)體2. 超導(dǎo)體的分類超導(dǎo)體的分類p合金或化合物超導(dǎo)體合金或化合物超導(dǎo)體p氧化物超導(dǎo)體（氧化物超導(dǎo)體（超導(dǎo)陶瓷超導(dǎo)陶瓷）第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第14頁/共118頁pBa-La-Cu-O系超導(dǎo)陶瓷（系超導(dǎo)陶瓷（1986年，年

7、，Tc=35K） 高溫超導(dǎo)陶瓷高溫超導(dǎo)陶瓷Y-Ba-Cu-O系超導(dǎo)陶瓷（系超導(dǎo)陶瓷（1987年，年，Tc=98K）可被新元素（如稀土可被新元素（如稀土元素）取代元素）取代第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第15頁/共118頁3. 超導(dǎo)理論超導(dǎo)理論p超導(dǎo)熱力學(xué)理論：超導(dǎo)熱力學(xué)理論：超導(dǎo)體由常導(dǎo)態(tài)到超導(dǎo)超導(dǎo)體由常導(dǎo)態(tài)到超導(dǎo)態(tài)其熵是不連續(xù)的，而且熵值減小態(tài)其熵是不連續(xù)的，而且熵值減小。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備C/Tc32101T/Tc導(dǎo)體正常和超導(dǎo)態(tài)的比熱第16頁/共118頁零電阻效應(yīng)零電阻效應(yīng)導(dǎo)體金屬電阻與溫度的關(guān)系曲線導(dǎo)體金屬電阻與溫度的關(guān)系曲線第五

8、章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第17頁/共118頁Bardeen, Cooper, Schrieffer Theory (1957)二、二、BCS 超導(dǎo)微觀理論超導(dǎo)微觀理論第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第18頁/共118頁 BCS理論的兩大基石理論的兩大基石：電聲作用電聲作用費(fèi)米面費(fèi)米面能隙能隙第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第19頁/共118頁 絕對零度下的電子能譜超導(dǎo)能隙超導(dǎo)能隙第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第20頁/共118頁第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第21頁/共118頁第五章功能

9、陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第22頁/共118頁p約瑟夫遜效應(yīng)約瑟夫遜效應(yīng)(超導(dǎo)隧道效應(yīng)）超導(dǎo)隧道效應(yīng)）：約瑟夫遜效應(yīng)是超導(dǎo)體的最重要現(xiàn)象。約瑟夫遜效應(yīng)是超導(dǎo)體的最重要現(xiàn)象。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備 約瑟夫遜結(jié)(SIS)Al超導(dǎo)體超導(dǎo)體Al超導(dǎo)體超導(dǎo)體第23頁/共118頁EUEU超導(dǎo)隧道效應(yīng)超導(dǎo)隧道效應(yīng)第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第24頁/共118頁4. 超導(dǎo)體主要性能測試超導(dǎo)體主要性能測試Tc的測量方法：的測量方法：p電阻測量法：電阻測量法：要求樣品內(nèi)超導(dǎo)相是均質(zhì)的要求樣品內(nèi)超導(dǎo)相是均質(zhì)的p磁測量法：磁測量法：伴隨著常導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)

10、態(tài)轉(zhuǎn)變，伴隨著常導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變，樣品從順磁性轉(zhuǎn)變?yōu)榭勾判?，樣品的樣品從順磁性轉(zhuǎn)變?yōu)榭勾判?，樣品的磁磁化率發(fā)生很大的變化?；拾l(fā)生很大的變化。v超導(dǎo)體的性能很多，但超導(dǎo)體的性能很多，但有有：、和和。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第25頁/共118頁第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第26頁/共118頁 超導(dǎo)陶瓷的制備超導(dǎo)陶瓷的制備 高溫熔燒法高溫熔燒法影響超導(dǎo)電性的主要因素是元素的組成和影響超導(dǎo)電性的主要因素是元素的組成和燒結(jié)條件。燒結(jié)條件。Y-Ba-Cu-O系超導(dǎo)陶瓷的燒制系超導(dǎo)陶瓷的燒制第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備高溫熔燒法又分

11、為高溫熔燒法又分為和和，是制造高溫陶瓷的主要方法。是制造高溫陶瓷的主要方法。第27頁/共118頁第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第28頁/共118頁 高溫超導(dǎo)陶瓷的應(yīng)用有以下幾個(gè)方面:室溫絕緣電纜結(jié)構(gòu)示意圖 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第29頁/共118頁第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第30頁/共118頁5.3敏感陶瓷敏感陶瓷敏感陶瓷：敏感陶瓷：第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第31頁/共118頁物理敏感陶瓷：物理敏感陶瓷：，如，如CdS、CdSe等；等；，如，如PTC陶瓷、陶瓷、NTC和和CTR 熱敏陶瓷等

12、；熱敏陶瓷等；，如，如InSb、InAs、GaAs等；等；第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第32頁/共118頁，如水晶、，如水晶、BaTiO3、PZT等；等；，如，如ZnO、SiC等；等；，如，如PbTiO3、PZT等。等。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第33頁/共118頁化學(xué)敏感陶瓷化學(xué)敏感陶瓷，如如SnO2、ZnO、ZrO2等；等；，TiO2MgCr2O4、ZnO-Li2O-V2O5等。等。也在積極開發(fā)之中。也在積極開發(fā)之中。 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第34頁/共118頁是由是由晶粒、晶界、氣孔晶粒、晶界、氣孔組成的多組

13、成的多相系統(tǒng)，通過人為的摻雜，可以造成晶粒相系統(tǒng)，通過人為的摻雜，可以造成晶粒表面的表面的，在晶粒表層產(chǎn)生在晶粒表層產(chǎn)生、及及等等。 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第35頁/共118頁熱敏陶瓷熱敏陶瓷 thermistor ceramics熱敏陶瓷熱敏陶瓷是指電阻率隨溫度發(fā)生明顯變化的材料是指電阻率隨溫度發(fā)生明顯變化的材料。熱敏陶瓷熱敏電容熱敏電容熱敏電阻熱敏電阻熱釋電材料熱釋電材料正溫度系數(shù)熱敏陶瓷正溫度系數(shù)熱敏陶瓷PTC（BaTiO3半導(dǎo)體瓷）半導(dǎo)體瓷）負(fù)溫度系數(shù)熱敏陶瓷負(fù)溫度系數(shù)熱敏陶瓷NTC（MnCoNi半導(dǎo)體瓷）半導(dǎo)體瓷）臨界溫度系數(shù)熱敏陶瓷臨界溫度系數(shù)熱敏陶瓷

14、CTR（VO2半導(dǎo)體瓷）半導(dǎo)體瓷）第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第36頁/共118頁第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第37頁/共118頁 PTCPTC是一種以是一種以鈦酸鋇鈦酸鋇(BaTiO(BaTiO3 3) )為主要成分的為主要成分的半導(dǎo)體功能陶瓷材料，半導(dǎo)體功能陶瓷材料，具有電阻值隨著溫度升具有電阻值隨著溫度升高而增大的特性，高而增大的特性，特別是在居里溫度點(diǎn)附近電特別是在居里溫度點(diǎn)附近電阻值躍升有阻值躍升有3 37 7個(gè)數(shù)量級(jí)。個(gè)數(shù)量級(jí)。 利用其最基本的電阻溫度特性，利用其最基本的電阻溫度特性，PTCPTC系列熱敏電系列熱敏電阻已廣泛應(yīng)用于工業(yè)

15、電子設(shè)備，汽車及家用電器阻已廣泛應(yīng)用于工業(yè)電子設(shè)備，汽車及家用電器等產(chǎn)品中，以達(dá)到自動(dòng)消磁、過熱過流保護(hù)，馬等產(chǎn)品中，以達(dá)到自動(dòng)消磁、過熱過流保護(hù)，馬達(dá)啟動(dòng)，恒溫加熱，溫度補(bǔ)償、延時(shí)等作用。達(dá)啟動(dòng)，恒溫加熱，溫度補(bǔ)償、延時(shí)等作用。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第38頁/共118頁第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第39頁/共118頁純純BaTiO3具有具有，常溫下，常溫下電子激發(fā)很少，其室溫下的電阻率為電子激發(fā)很少，其室溫下的電阻率為1012cm，已接近絕緣體，不具有，已接近絕緣體，不具有PTC電電阻特性。阻特性。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷

16、的合成與制備第40頁/共118頁BaTiO3的的半導(dǎo)化半導(dǎo)化采采用在真空、惰性氣體或還原性氣體中加用在真空、惰性氣體或還原性氣體中加熱熱BaTiO3。由于失氧，由于失氧，BaTiO3內(nèi)內(nèi)產(chǎn)生氧缺位產(chǎn)生氧缺位，為了保持電中性，部分為了保持電中性，部分Ti4+將俘獲電子成將俘獲電子成為為Ti3+。在強(qiáng)制還原以后，需要在氧化氣。在強(qiáng)制還原以后，需要在氧化氣氛下重新熱處理，才能得到較好的氛下重新熱處理，才能得到較好的PTC特性，電阻率為特性，電阻率為1-103cm。 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第41頁/共118頁采用采用使使BaTiO3半導(dǎo)化的方法之一是半導(dǎo)化的方法之一是，該

17、法也稱，該法也稱。如果用離子半徑與如果用離子半徑與Ba2+相近的三價(jià)離子相近的三價(jià)離子(如如La3+、Ce3+、Nd3+、Ga3+、Sm3+、Dy3+、Y3+、Bi3+、Sb3+等等)置換置換Ba2+，或者用離子半徑與，或者用離子半徑與Ti4+相近的五價(jià)離子相近的五價(jià)離子(如如Ta5+、Nb5+、Sb5+等等)置換置換Ti4+，采用普通陶瓷工藝，即能獲得電阻率為，采用普通陶瓷工藝，即能獲得電阻率為103-105cm的的n型型BaTiO3半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第42頁/共118頁采用采用使使BaTiO3半導(dǎo)化半導(dǎo)化的方法之二是的方法之二是，以，以Si

18、O2或或AST ( 1/3A12O3 3/4SiO21/4TiO2 )對對BaTiO3進(jìn)行摻雜，進(jìn)行摻雜，AST加加入量入量3(摩爾分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù))于于1260 -1380燒成后，電燒成后，電阻率為阻率為40-100cm。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第43頁/共118頁第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第44頁/共118頁第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第45頁/共118頁第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第46頁/共118頁第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第47頁/共118頁第五章功能陶瓷的合成

19、與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第48頁/共118頁 按照使用溫度可分為按照使用溫度可分為低溫低溫（-130-13000）、）、常溫常溫（-50-50350350）及）及高溫高溫（300300）用三種類型，主要應(yīng)用于溫度測）用三種類型，主要應(yīng)用于溫度測量和溫度補(bǔ)償。量和溫度補(bǔ)償。第49頁/共118頁絕大多數(shù)是具有絕大多數(shù)是具有的過渡金屬氧化物。的過渡金屬氧化物。其中，其中，主要有：主要有：Cu-Mn、Co-Mn、Ni-Mn等系。等系。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第50頁/共118頁有：有：Mn-Co-Ni、Mn-Cu-Ni、Mn-Cu-Co等等和和Cu-Fe-Ni、Cu

20、-Fe-Co等等。在在中，隨著中，隨著Mn含量的含量的增大，電阻率增大。增大，電阻率增大。此外，還有此外，還有Cu-Fe-Ni-CO四元系等。四元系等。 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第51頁/共118頁二元系二元系NTCNTC熱敏電阻材料熱敏電阻材料 缺點(diǎn)：對組分敏感，組分稍有變化，電導(dǎo)率缺點(diǎn)：對組分敏感，組分稍有變化，電導(dǎo)率就可能變化幾個(gè)數(shù)量級(jí)，使產(chǎn)品一致性和重復(fù)性就可能變化幾個(gè)數(shù)量級(jí)，使產(chǎn)品一致性和重復(fù)性差。差。材材 料料2 20 0 ( (S S/ /c cm m) )B B配配方方范范圍圍( (a at to om m% %) )M Mn nO O- -C Cu

21、 uO O- -O O2 21 10 0- -1 11 10 0- -7 71 18 85 56 64 44 40 00 0C Cu u：1 10 03 30 0M Mn nO O- -C Co oO O- -O O2 21 10 0- -3 31 10 0- -9 92 23 32 20 07 72 20 00 0C Co o：2 20 05 50 0M Mn nO O- -N Ni iO O- -O O2 21 10 0- -3 31 10 0- -7 73 34 48 80 04 46 64 40 0N Ni i：3 30 07 70 0C Co oO O- -C Cu uO O- -O

22、 O2 21 10 0- -4 41 10 0- -8 82 20 09 90 04 41 18 80 0C Co o：3 30 06 60 0C Co oO O- -N Ni iO O- -O O2 21 10 0- -1 11 10 0- -8 81 11 16 60 04 44 40 00 0C Co o：5 50 07 70 0第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第52頁/共118頁常用的三元系材料：常用的三元系材料：MnO-CoO-NiO-OMnO-CoO-NiO-OMnO-CuO-NiO-OMnO-CuO-NiO-OMnO-CuO-CoO-OMnO-CuO-CoO-

23、O三元系三元系NTCNTC熱敏電阻材料熱敏電阻材料 在三元系濃度三角形在三元系濃度三角形中央?yún)^(qū)域內(nèi)，中央?yún)^(qū)域內(nèi)，材料的電導(dǎo)材料的電導(dǎo)率對陽離子成分不敏感，率對陽離子成分不敏感，組分稍有變化，電導(dǎo)率變組分稍有變化，電導(dǎo)率變化很小，化很小，可以生產(chǎn)出一致可以生產(chǎn)出一致性、重復(fù)性、穩(wěn)定性優(yōu)良性、重復(fù)性、穩(wěn)定性優(yōu)良的的NTCNTC熱敏電阻。熱敏電阻。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第53頁/共118頁第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第54頁/共118頁主要是指主要是指的半導(dǎo)體陶瓷，在的半導(dǎo)體陶瓷，在68附近附近達(dá)到達(dá)到3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，具有個(gè)數(shù)量級(jí)，具有, 因此稱

24、為因此稱為或或。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第55頁/共118頁V是是，它有，它有5價(jià)、價(jià)、4價(jià)等多種價(jià)價(jià)等多種價(jià)態(tài)，因此，態(tài)，因此，V系有多種氧化物，如系有多種氧化物，如V2O5、VO2、V2O3、VO等。等。這些氧化物各有這些氧化物各有。每種。每種V系系氧化物與氧化物與B、Si、P、Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、La、Ag等氧化物形成等氧化物形成，可上、下可上、下移動(dòng)其臨界溫度。移動(dòng)其臨界溫度。 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第56頁/共118頁在現(xiàn)代社會(huì)，人們在生活和工作中使在現(xiàn)代社會(huì)，人們在生活和工作中使用和接觸的用和接觸的越來越多，其中某

25、些易燃越來越多，其中某些易燃、易爆、有毒氣體及其混合物一旦泄露到、易爆、有毒氣體及其混合物一旦泄露到大氣中，會(huì)造成大氣污染，甚至引起爆炸大氣中，會(huì)造成大氣污染，甚至引起爆炸和火災(zāi)。和火災(zāi)。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第57頁/共118頁氣敏陶瓷大致可分為氣敏陶瓷大致可分為、及及三種；按制造三種；按制造方法和結(jié)構(gòu)形式可分為方法和結(jié)構(gòu)形式可分為燒結(jié)型燒結(jié)型、厚膜型厚膜型及及薄膜型薄膜型。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第58頁/共118頁 按照按照來分類，如來分類，如SnO2型、型、ZnO型、型、 -Fe2O3型、型、 -Fe2O3型、鈣鈦礦化合物型、型

26、、鈣鈦礦化合物型、TiO2型等。型等。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第59頁/共118頁是一類介于是一類介于的奇特的奇特固體材料，其主要特征是它的固體材料，其主要特征是它的，如，如ZrO2陶瓷，陶瓷，K2SO4、Na2SO4等堿金屬硫等堿金屬硫酸鹽等。酸鹽等。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第60頁/共118頁用用作母線，表面用陶瓷涂層作母線，表面用陶瓷涂層、觸媒材料、防晶粒生長材料以及防觸、觸媒材料、防晶粒生長材料以及防觸媒中毒材料等涂層所制成。媒中毒材料等涂層所制成。 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第61頁/共118頁吸附氣體

27、分子時(shí)，半導(dǎo)體吸附氣體分子時(shí)，半導(dǎo)體的的將隨半導(dǎo)體類型和氣體分子種將隨半導(dǎo)體類型和氣體分子種類的不同而變化。類的不同而變化。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第62頁/共118頁第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第63頁/共118頁SnO2系氣敏陶瓷是系氣敏陶瓷是，是以，是以SnO2為基材，加入催化為基材，加入催化劑、黏結(jié)劑等，按照常規(guī)的陶瓷工藝方劑、黏結(jié)劑等，按照常規(guī)的陶瓷工藝方法制成的。法制成的。 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第64頁/共118頁 以以為基為基本原料，粉料越細(xì)，比表面積越大，對本原料，粉料越細(xì)，比表面積越大，對被測

28、氣體越敏感。被測氣體越敏感。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第65頁/共118頁所用所用多為多為，它們有不同的作用，主，它們有不同的作用，主要是要是Sb2O3、V2O5、MgO、PbO、CaO等。等。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第66頁/共118頁SnO2系氣敏陶瓷制造的氣敏元件有如下特點(diǎn)：系氣敏陶瓷制造的氣敏元件有如下特點(diǎn)：，出現(xiàn)最高靈敏度的溫度較低，約在，出現(xiàn)最高靈敏度的溫度較低，約在300；，在低濃，在低濃度范圍，這種變化十分明顯，非常適用于對低濃度范圍，這種變化十分明顯，非常適用于對低濃度氣體的檢測；度氣體的檢測；第五章功能陶瓷的合成與制備第

29、五章功能陶瓷的合成與制備第67頁/共118頁，而且，而且；，待測氣體可通，待測氣體可通過氣敏元件電阻值的變化直接轉(zhuǎn)化為信號(hào)，且過氣敏元件電阻值的變化直接轉(zhuǎn)化為信號(hào)，且阻值變化大，可用簡單電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量；阻值變化大，可用簡單電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量；第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第68頁/共118頁，；，和和。 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第69頁/共118頁利用利用吸附還原氣體時(shí)吸附還原氣體時(shí)來檢測還原氣體，已廣泛來檢測還原氣體，已廣泛應(yīng)用于家用應(yīng)用于家用、生、生產(chǎn)用產(chǎn)用和和等。等。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第70頁/共118頁

30、已進(jìn)入已進(jìn)入對于對于可燃性氣體，例如可燃性氣體，例如H2、CO、甲烷、丙烷、甲烷、丙烷、乙醇、酮或芳香族氣體等，具有、乙醇、酮或芳香族氣體等，具有，因而，因而SnO2氣敏元件氣敏元件。 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第71頁/共118頁氧化鋅系氣敏陶瓷元件最突出的優(yōu)點(diǎn)氧化鋅系氣敏陶瓷元件最突出的優(yōu)點(diǎn)是是，一般加入適量的，一般加入適量的來提高陶瓷元件的靈敏度。來提高陶瓷元件的靈敏度。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第72頁/共118頁對異丁烷、丙烷、對異丁烷、丙烷、乙烷等乙烷等有較高靈敏度，碳?xì)溆休^高靈敏度，碳?xì)浠衔镏谢衔镏?。第五章功能陶瓷的合成與制

31、備第五章功能陶瓷的合成與制備第73頁/共118頁的的氧化鋅氣敏陶瓷元件氧化鋅氣敏陶瓷元件對對H2、CO靈敏度靈敏度較高，對碳?xì)浠衔镬`敏度較較高，對碳?xì)浠衔镬`敏度較差。差。的的氧化鋅氣敏陶瓷元件氧化鋅氣敏陶瓷元件對對乙醇乙醇、苯和煤氣、苯和煤氣較靈敏，且成本也較低。較靈敏，且成本也較低。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第74頁/共118頁常見的鐵的氧化物有常見的鐵的氧化物有：FeO、Fe2O3和和Fe3O4；第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第75頁/共118頁其中，其中，F(xiàn)e2O3有有： Fe2O3和和 Fe2O3均被發(fā)現(xiàn)具有均被發(fā)現(xiàn)具有。 Fe2O3

32、具有具有結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)。從熱穩(wěn)定熱穩(wěn)定性性來看來看 Fe2O3較優(yōu)，但從較優(yōu)，但從靈敏度靈敏度而言則比而言則比 Fe2O3差。差。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第76頁/共118頁最大的特點(diǎn)最大的特點(diǎn)是是也能得到也能得到較高的催化性較高的催化性，高溫下熱穩(wěn)定性好高溫下熱穩(wěn)定性好。 Fe2O3對對丙烷氣體丙烷氣體較靈敏，但對較靈敏，但對甲甲烷烷就不靈敏。就不靈敏。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第77頁/共118頁 Fe2O3的的好，對好，對甲烷乃甲烷乃至異丁烷至異丁烷都非常靈敏，對都非常靈敏，對水蒸氣和乙醇水蒸氣和乙醇等等卻不靈敏。卻不靈敏。 Fe2O3

33、作作非非常合適。因它對常合適。因它對水蒸氣和乙醇水蒸氣和乙醇等不靈敏，等不靈敏，故不會(huì)因故不會(huì)因水蒸氣及酒精的存在水蒸氣及酒精的存在而誤報(bào)。而誤報(bào)。 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第78頁/共118頁，通常是指通常是指空氣中水蒸氣的含量空氣中水蒸氣的含量。濕度與人類的日常生活和生產(chǎn)活動(dòng)有著十濕度與人類的日常生活和生產(chǎn)活動(dòng)有著十分密切的關(guān)系，因此需要隨時(shí)監(jiān)測空氣濕度。分密切的關(guān)系，因此需要隨時(shí)監(jiān)測空氣濕度。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第79頁/共118頁濕敏陶瓷材料濕敏陶瓷材料種類種類繁多，繁多，化學(xué)組成化學(xué)組成復(fù)雜。復(fù)雜。按按可將可將濕敏半導(dǎo)體陶瓷

34、濕敏半導(dǎo)體陶瓷分分為為、和和。 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第80頁/共118頁MgCr2O4-TiO2系濕敏陶瓷是系濕敏陶瓷是多孔濕敏陶瓷結(jié)構(gòu)，多孔濕敏陶瓷結(jié)構(gòu)，達(dá)達(dá)30-40，具有良好的透濕性能。，具有良好的透濕性能。MgCr2O4-TiO2系濕敏陶瓷的系濕敏陶瓷的可采可采用傳統(tǒng)陶瓷的制造方法，但原料必須采用化學(xué)用傳統(tǒng)陶瓷的制造方法，但原料必須采用化學(xué)純或分析純級(jí)。純或分析純級(jí)。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第81頁/共118頁MgCr2O4-TiO2系濕敏陶瓷的制造工系濕敏陶瓷的制造工藝流程如下：藝流程如下：MgO、Cr2O3、TiO2 稱量

35、稱量 球磨球磨 干燥干燥 造粒造粒 干壓干壓燒結(jié)燒結(jié) 切片切片 電極電極 引線引線 裝裝配配 測試測試 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第82頁/共118頁MgCr2O4-TiO2系系具有很高的濕具有很高的濕度活性，濕度響應(yīng)快，對溫度、時(shí)間、濕度和度活性，濕度響應(yīng)快，對溫度、時(shí)間、濕度和電負(fù)荷的電負(fù)荷的，是很有應(yīng)用前途的濕敏傳，是很有應(yīng)用前途的濕敏傳感器陶瓷材料，已用于感器陶瓷材料，已用于。程序控制的微波爐，根據(jù)處于微波爐蒸汽程序控制的微波爐，根據(jù)處于微波爐蒸汽排口處的排口處的的相對濕度反饋信息，調(diào)的相對濕度反饋信息，調(diào)節(jié)烹調(diào)參數(shù)。節(jié)烹調(diào)參數(shù)。 第五章功能陶瓷的合成與制備第

36、五章功能陶瓷的合成與制備第83頁/共118頁此外，目前比較常見的此外，目前比較常見的還有還有ZnCr2O4為主晶相系半導(dǎo)體陶為主晶相系半導(dǎo)體陶瓷，以及新研究的瓷，以及新研究的。 第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第84頁/共118頁Si-Na2O-V2O5系濕敏陶瓷是系濕敏陶瓷是，主晶相是具有半導(dǎo)性的硅粉。，主晶相是具有半導(dǎo)性的硅粉。燒結(jié)溫度較低燒結(jié)溫度較低(一般低于一般低于900)，燒結(jié)時(shí)固，燒結(jié)時(shí)固相反應(yīng)不完全，燒結(jié)后收縮率很小。其阻值為相反應(yīng)不完全，燒結(jié)后收縮率很小。其阻值為102-107 ，隨相對濕度以指數(shù)規(guī)律變化，測量，隨相對濕度以指數(shù)規(guī)律變化，測量范圍為范圍為(2

37、5100)RH。第五章功能陶瓷的合成與制備第五章功能陶瓷的合成與制備第85頁/共118頁Si-Na-V系濕敏陶瓷的系濕敏陶瓷的是由于是由于Na2O和和V2O5吸附水分，使吸濕后硅粉粒間的電阻值吸附水分，使吸濕后硅粉粒間的電阻值顯著降低。顯著降低。這種元件的這種元件的是是溫度穩(wěn)定性較好溫度穩(wěn)定性較好，可在，可在100下工作，阻值范圍可調(diào)，工作壽命長。下工作，阻值范圍可調(diào)，工作壽命長。是是響應(yīng)速度慢響應(yīng)速度慢，有，有明顯濕滯現(xiàn)象明顯濕滯現(xiàn)象，不能，不能用于用于濕度變化不劇烈的場合濕度變化不劇烈的場合。第86頁/共118頁一般電阻器的電阻值可以認(rèn)為是一個(gè)一般電阻器的電阻值可以認(rèn)為是一個(gè)恒定值，即流過

38、它的電流與施加電壓成線恒定值，即流過它的電流與施加電壓成線性關(guān)系。性關(guān)系。壓敏陶瓷是指壓敏陶瓷是指，用這種材料制成的電阻稱為用這種材料制成的電阻稱為。第87頁/共118頁制造制造有有SiC、ZnO、BaTiO3、Fe2O3、SnO2、SrTiO3等。等。目前，應(yīng)用最廣、性能最好的是目前，應(yīng)用最廣、性能最好的是。 第88頁/共118頁壓敏電阻陶瓷具有壓敏電阻陶瓷具有，對電壓變化非常敏感。，對電壓變化非常敏感。在在某一臨界電壓某一臨界電壓以下，壓敏電阻陶瓷以下，壓敏電阻陶瓷電阻值非常高，幾乎沒有電流；但當(dāng)電阻值非常高，幾乎沒有電流；但當(dāng)超過超過這一臨界電壓時(shí)這一臨界電壓時(shí)，電阻將急劇變化，并且，電

39、阻將急劇變化，并且有電流通過。隨著電壓的少許增加，電流有電流通過。隨著電壓的少許增加，電流會(huì)很快增大。會(huì)很快增大。壓敏電阻陶瓷的這種電流壓敏電阻陶瓷的這種電流-電壓特性曲電壓特性曲線如圖所示。線如圖所示。 第89頁/共118頁1.齊鈉二極管；齊鈉二極管；2.SiC壓敏電阻；壓敏電阻；3.ZnO壓敏電阻；壓敏電阻；4.線性電阻；線性電阻；5.ZnO壓敏電阻。壓敏電阻。 壓敏電阻的壓敏電阻的I-U特性曲線特性曲線第90頁/共118頁ZnO系壓敏電阻陶瓷是壓敏電阻陶瓷系壓敏電阻陶瓷是壓敏電阻陶瓷中中。成分是成分是ZnO，并添加，并添加Bi2O3、CoO、MnO、Cr2O3、Sb2O3、TiO2、Si

40、O2、PbO等氧化物經(jīng)改性燒結(jié)而成。等氧化物經(jīng)改性燒結(jié)而成。第91頁/共118頁ZnO壓敏電阻器的應(yīng)用很廣，可歸壓敏電阻器的應(yīng)用很廣，可歸結(jié)為如下兩方面：結(jié)為如下兩方面： 過壓保護(hù)過壓保護(hù) 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓第92頁/共118頁光敏陶瓷也稱光敏陶瓷也稱，屬，屬半導(dǎo)體半導(dǎo)體陶瓷陶瓷。由于材料的由于材料的不同以及不同以及的差異，它的差異，它在光的照射下在光的照射下吸收光能，吸收光能，產(chǎn)生不同的光電效應(yīng)：產(chǎn)生不同的光電效應(yīng)：和和。第93頁/共118頁當(dāng)光線照射到半導(dǎo)體時(shí)，當(dāng)光線照射到半導(dǎo)體時(shí)，在光子作在光子作用下用下產(chǎn)生的產(chǎn)生的使電導(dǎo)增加的現(xiàn)使電導(dǎo)增加的現(xiàn)象，稱為象，稱為。第94頁/共118頁 當(dāng)光線

41、照射到當(dāng)光線照射到上時(shí)，上時(shí)，如果光子能量如果光子能量足夠大足夠大，h Eg，就，就在在p-n結(jié)附近結(jié)附近激發(fā)出激發(fā)出。在自建電場的作用下，在自建電場的作用下，n區(qū)的區(qū)的被拉向被拉向p區(qū)，區(qū)，p區(qū)的區(qū)的被拉向被拉向n區(qū)，結(jié)果區(qū)，結(jié)果n區(qū)積累了負(fù)電荷，區(qū)積累了負(fù)電荷，p區(qū)積累了正電荷，產(chǎn)生區(qū)積累了正電荷，產(chǎn)生。若若將外電路接通將外電路接通，就有電流由，就有電流由p區(qū)流經(jīng)外電路至區(qū)流經(jīng)外電路至n區(qū)區(qū)，這種效應(yīng)稱為，這種效應(yīng)稱為。第95頁/共118頁第96頁/共118頁第97頁/共118頁壓電陶瓷概論壓電陶瓷概論壓電材料概述壓電材料概述第98頁/共118頁壓電陶瓷概論壓電陶瓷概論 在自然界中大多數(shù)晶

42、體都具有壓在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)對材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、石英晶體、鈦酸鋇鈦酸鋇(BaTiO(BaTiO3 3) )、鋯鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛(PZT)(PZT)等材等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。料是性能優(yōu)良的壓電材料。 第99頁/共118頁壓電陶瓷概論壓電陶瓷概論石英晶體壓電模型石英晶體壓電模型(a) (a) 不受力時(shí)；不受力時(shí)； (b) (b) x x軸方向受力；軸方向受力； (c) (c) y y軸方向受力軸方向受力 第100頁/共118頁v晶體具有壓電性的必要條件是晶體晶體具有壓電性的必要條件是晶

43、體不具有對稱不具有對稱中心中心。v所有所有鐵電單晶鐵電單晶都具有壓電效應(yīng)。都具有壓電效應(yīng)。v對于對于鐵電陶瓷鐵電陶瓷來說，雖然各晶粒都有較強(qiáng)的壓來說，雖然各晶粒都有較強(qiáng)的壓電效應(yīng)，但由于晶粒和電疇分布無一定規(guī)則，電效應(yīng)，但由于晶粒和電疇分布無一定規(guī)則，各方向幾率相同，使各方向幾率相同，使P =0，因而不顯示壓電，因而不顯示壓電效應(yīng)，故必須經(jīng)過效應(yīng)，故必須經(jīng)過人工預(yù)極化人工預(yù)極化處理，使處理，使P 0，才能對外顯示壓電效應(yīng)。，才能對外顯示壓電效應(yīng)。 壓電陶瓷概論壓電陶瓷概論第101頁/共118頁(a) 極化前極化前電致伸長電致伸長(b) 預(yù)極化后預(yù)極化后E剩余伸長剩余伸長(c) 預(yù)極化后撤出外場

44、預(yù)極化后撤出外場陶瓷的預(yù)極化示意圖陶瓷的預(yù)極化示意圖壓電陶瓷概論壓電陶瓷概論第102頁/共118頁壓電陶瓷的主要參數(shù)壓電陶瓷的主要參數(shù)(1)機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)k(2)機(jī)械品質(zhì)因素機(jī)械品質(zhì)因素Q壓電陶瓷概論壓電陶瓷概論第103頁/共118頁機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)k 或或 Kp是壓電材料進(jìn)行機(jī)械能是壓電材料進(jìn)行機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換的能力反電能轉(zhuǎn)換的能力反映。它與材料的壓電系數(shù)、映。它與材料的壓電系數(shù)、和彈性常數(shù)等有關(guān)，和彈性常數(shù)等有關(guān)，是一個(gè)比較綜合的參數(shù)。是一個(gè)比較綜合的參數(shù)。 機(jī)電耦合系數(shù)反映了機(jī)械能和電能之間的轉(zhuǎn)機(jī)電耦合系數(shù)反映了機(jī)械能和電能之間的轉(zhuǎn)換效率，由于轉(zhuǎn)換不可能完全，總有一部分能量換效率，由于轉(zhuǎn)換不可能完全，總有一部分能量以熱能、聲波等形式損失或向周圍介質(zhì)傳播，因以熱能、聲波等形式損失或向周圍介質(zhì)