功能陶瓷材料總復習(共14頁)

1、功能(gngnng)陶瓷材料總復習緒論(xln)什么(shn me)是功能陶瓷？常見的功能陶瓷的分類、特性與用途。1、定義：指具有電、磁、光、聲、超導、化學、生物等特性，且具有相互轉(zhuǎn)化功能的一類陶瓷。2、分類：電容器陶瓷、壓電、鐵電陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、導電、超導陶瓷、生物與抗菌陶瓷、發(fā)光與紅外輻射陶瓷、多孔陶瓷。3、特性：性能穩(wěn)定性高、可靠性好、資源豐富、成本低、易于多功能轉(zhuǎn)化和集成化等4用途：在自動控制、儀器儀表、電子、通訊、能源、交通、冶金、化工、精密機械、航空航天、國防等部門均發(fā)揮著重要作用。舉例：電容器陶瓷、諧振器元器件基材料、壓電式動態(tài)力傳感器、壓電式振動加速度傳感器。介電陶瓷

2、以感應的方式對外電場作出響應，即沿著電場方向產(chǎn)生電偶極矩或電偶極矩的改變，這類材料稱為電介質(zhì)各種極化機制以及頻率范圍。松弛極化極化機制：電子極化、離子極化、偶極子極化、空間電荷極化頻率范圍：鐵電體，晶體在某溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化Ps,且自發(fā)極化Ps的方向能隨外電場而取向，稱為鐵電體。材料的這種性質(zhì)稱為鐵電性。電疇:鐵電體中自發(fā)極化方向一致的微小區(qū)域鐵電體的特性: 鐵電體特性包括電滯回線Hysteresis loop、電疇Domains、居里點Tc及居里點附近的臨界特性。電滯回線: 鐵電體的P 滯后于外電場E而變化的軌跡（如圖 居里點Tc:順電相鐵電相的轉(zhuǎn)變(zhunbin)溫度 TTc 順電相

3、 TTc存在Ps和電滯回線。頻率色散(Frequency Dispersion)高介電常數(shù)，大的應變復合鈣鈦礦: 晶胞中某一個或幾個晶格位置被2種以上離子所占據(jù)介電陶瓷的改性機理。1、居里(j l)區(qū)與相變擴張: 熱起伏(qf)相變擴張、應力起伏相變擴張、成分起伏相變擴散、結(jié)構(gòu)起伏(qf)相變擴張 2、鐵電陶瓷居里峰的展寬效應:展寬效應是指鐵陶瓷的與溫度關(guān)系中的峰值擴張的盡可能的寬曠，平坦，即不僅使居里峰壓低，而且要使峰的肩部上舉，從而使材料具有較小的溫度系數(shù)，又具有較大的 值。固溶緩沖型展寬效應和粒界緩沖型展寬效應。 3、鐵電陶瓷居里峰移動效應：鐵電體居里點及其他轉(zhuǎn)折點，隨著組成成分的變化，

4、作有規(guī)律地移動現(xiàn)象。移動效應僅僅指Tc及其它轉(zhuǎn)變點位置移動，而T曲線形狀不變。對BaTiO3來說，主要指Tc的移動（居里峰的移動）。 4、鐵電陶瓷重疊效應：重疊效應表象上是轉(zhuǎn)變點的重合，峰值的重疊，而本質(zhì)上是結(jié)構(gòu)上的相互重疊。半導體介質(zhì)：按其結(jié)構(gòu)、工藝可分為三類：表面阻擋層型，表面還原再氧化和電價補償型晶界層型反鐵電體：反鐵電體是這樣一些晶體，晶體結(jié)構(gòu)與同型鐵電體相近，但相鄰離子沿反平行方向產(chǎn)生自發(fā)極化，凈自發(fā)極化強度為零，不存在類似于鐵電中的電滯回線。MLCC：多層片式陶瓷元器件，MLCC的主要趨勢是發(fā)展微型化、大容量的以賤金屬鎳為內(nèi)電極的BME、MLCC, 介質(zhì)層。微波介質(zhì)陶瓷定義：是指應

5、用于微波頻段（主要是UHF、SHF頻段）電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶瓷主要性能要求：1、高的介電常數(shù)，以利于器件的小型化、2、高的品質(zhì)因子，保證優(yōu)良的選頻特性、3、盡可能低小的諧振頻率溫度系數(shù)，以確保搞定頻率穩(wěn)定性。微波介質(zhì)陶瓷大致可以分為以下三大類：低介電常數(shù)類、中介電常數(shù)類、高介電常數(shù)類低介電常數(shù)類微波介質(zhì)陶瓷的介電常數(shù)為2530，Q=(13)104 (在f10GHz下)， =0。主要應用于厘米、毫米波段使用的衛(wèi)星通訊以及軍事應用等通訊系統(tǒng)。如鋇基復合鈣鈦礦陶瓷Ba(B1/3B2/3)O3 2、中等介電常數(shù)類是指其介電常數(shù)介于30-70之間的微波介質(zhì)陶瓷，主要應用于4GHz8

6、GHz 頻率范圍內(nèi)的衛(wèi)星通信及移動通訊基站。這類材料主要有BaTi4O9、3、高介電常數(shù)類指其介電常數(shù)大于80的微波介質(zhì)陶瓷，主要用于工作在f2GHz的低頻波段的民用移動通訊系統(tǒng)中作為介質(zhì)諧振器件。這類材料主要包括簡稱為BLT的BaO-Ln2O3-nTiO2 系列、CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2系列和鉛基鈣鈦礦系列。壓電陶瓷(toc): 壓電陶瓷是指經(jīng)直流高壓極化后，具有(jyu)壓電效應的鐵電陶瓷材料壓電效應(y din xio yng)：當給晶體施加應力則電荷發(fā)生位移，如果電荷分布不在保持對稱就會出現(xiàn)凈極化，并將伴隨產(chǎn)生一個電場，這個電場就表現(xiàn)為壓電效應。正壓電效應：晶體受到機械力

7、的作用時，表面產(chǎn)生束縛電荷，其電荷密度大小與施加外力大小成線性關(guān)系，這種由機械效應轉(zhuǎn)換成電效應的過程稱為正壓電效應。力形變電壓逆壓電效應：晶體在受到外電場激勵下產(chǎn)生形變，且二者之間呈線性關(guān)系，這種由電效應轉(zhuǎn)換成機械效應的過程稱為逆壓電效應。電壓形變 極化工藝：極化工藝是指在壓電陶瓷上加一個強直流電場，使陶瓷中的電疇沿電場方向取向排列。只有經(jīng)過極化工藝處理的陶瓷，才能夠顯示壓電效應壓電陶瓷材料應用：振子方面、換能器方面準同型相界：四方鐵電相與三方鐵電相的交界，并不是一個明確的成分分界線，而是具有一定的成分范圍，在此區(qū)域內(nèi)，陶瓷體內(nèi)三方相和四方相共存摻雜改性：為了滿足不同的使用目的，我們需要具有各

8、種性能的PZT壓電陶瓷，為此我們可以添加不同的離子來取代A位的Pb2+離子或B位的Zr4+,Ti4+離子，從而改進材料的性能。等價取代：等價取代是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+ 等半徑較 Pb2+ 離子小的二價離子取代Pb2+ 離子，結(jié)果使PZT陶瓷的介電常數(shù)增大，機電耦合系數(shù)KP增大,壓電常數(shù)d增大 ,從而提高PZT瓷的壓電性能。異價取代軟性取代改性：所謂“軟性取代改性”是指加入這些添加物后能使矯頑場強EC 減小 ，極化容易，因而在電場或應力作用下，材料性質(zhì)變“軟”。 經(jīng)軟性取代改性后的PZT瓷性能有如下變化： 矯頑場強EC 減小，機械品質(zhì)因數(shù)Qm減??； 介電常數(shù)增加，介電損耗tan增加,

9、機電耦合系數(shù)KP增加, 抗老化性增加，絕緣電阻率增加 。硬性取代改性：所謂“硬性取代改性”是指加入這些添加物后能使矯頑場強EC 增加，極化變難，因而在電場或應力作用下，材料性質(zhì)變“硬”。 經(jīng)硬性取代改性后的PZT瓷性能有如下變化： 矯頑場強EC增加，機械品質(zhì)因數(shù)Qm增加； 介電常數(shù)減小，介電損耗tan減小,機電耦合系數(shù)KP減小, 抗老化性降低，絕緣電阻率減小其它取代改性：非軟非硬添加劑如Ce4+、Cr3+和Si4+等，兼具軟性和硬性的特征。無鉛壓電陶瓷材料體系(tx) 迄今為止，可被考慮的無鉛壓電陶瓷(toc)體系有：BaTiO3基無鉛壓電陶瓷(toc)；Bi1/2Na1/2TiO3（BNT）

10、基無鉛壓電陶瓷；鈮酸鹽NaNbO3系無鉛壓電陶瓷；鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷；鎢青銅結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷。具體為：敏感陶瓷：敏感陶瓷是根據(jù)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的特性而制得的敏感陶瓷分類： 1、物理敏感陶瓷：光敏陶瓷、熱敏陶瓷、磁敏陶瓷、聲敏陶瓷、壓敏陶瓷、力敏陶瓷2、化學敏感陶瓷氧敏陶瓷濕敏陶瓷生物敏感陶瓷也在積極開發(fā)之中，也獲得了不少驕人的成績。 敏感陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能：陶瓷是由晶粒、晶界、氣孔組成的多相系統(tǒng)，通過人為的摻雜，可以造成晶粒表面的組分偏離，在晶粒表層產(chǎn)生固溶、偏析及晶格缺陷等。另外，在晶界處也會產(chǎn)生異質(zhì)相的析出、雜質(zhì)的聚集、晶格

11、缺陷及晶格各向異性等。這些晶粒邊界層的組成、結(jié)構(gòu)變化，顯著改變了晶界的電性能，從而導致整個陶瓷電學性能的顯著變化。*熱敏陶瓷：熱敏陶瓷是一類電阻率、磁性、介電性等性質(zhì)隨溫度發(fā)生明顯變化的材料，主要用于制造溫度傳感器、線路溫度補償及穩(wěn)頻的元件-熱敏電阻(thermistor)。PTC熱敏電阻的溫度曲線半導化：由于在常溫下是絕緣體，要使它們變成半導體，需要一個半導化。所謂半導化，是指在禁帶中形成附加能級：施主能級或受主能級。在室溫下，就可以受到熱激發(fā)(jf)產(chǎn)生導電載流子，從而形成半導體。PTC電阻溫度特性(txng)及電壓-電流(dinli)特性與電流-時間特性電流(dinli)-時間(shji

12、n)特性是指PTC熱敏電阻在施加電壓的過程中，電流隨時間(shjin)變化的特性。 開始加電瞬間的電流稱為起始電流，達到熱平衡時的電流稱為殘余電流PTC的應用：柜機空調(diào)用PTC器件、分體掛機空調(diào)PTC器件、暖風機用PTC器件PTC效應機理：PTC熱敏電阻器有兩大系列:一類是采用BaTiO3為基材料制作的；另一類是以氧化釩為基的材料。1、 BaTiO3系PTC熱敏電阻陶瓷（1）BaTiO3陶瓷產(chǎn)生PTC效應的條件 當BaTiO3陶瓷材料中的晶粒充分半導化，而晶界具有適當絕緣性時，才具有PTC效應。 PTC效應完全是由其晶粒和晶界的電性能決定，沒有晶界的單晶不具有PTC效應NTC：是Negativ

13、e Temperature coefficient (負溫度系數(shù)(xsh)的縮寫，是以尖晶石結(jié)構(gòu)(jigu)為主的半導體功能陶瓷，具有電阻值隨著溫度升高而減小的特性.導電(dodin)機理：（1）化學計量比偏離 采用氧化或還原氣氛燒結(jié)，分別產(chǎn)生p型和n型半導體，形成電子或空穴導電。（2）摻雜 在主成分中引入少量與主成分金屬離子種類不同、電價不等的金屬離子，產(chǎn)生不等價置換，從而產(chǎn)生產(chǎn)生p型和n型半導體，實現(xiàn)電子或空穴導電。 跳躍導電模型理論可以解釋大部分關(guān)于尖晶石結(jié)構(gòu)的NTC熱敏電阻材料的性質(zhì)和現(xiàn)象。NTC熱敏電阻的電壓電流特性NTC熱敏電阻的應用1）溫度補償： 用于石英振蕩器（23個NTC）2

14、）抑制浪涌電流： 用于控制開關(guān)電源、電機、變壓器等在接通瞬時產(chǎn)生的大電流。3）溫度檢測：用于熱水器、空調(diào)、廚房設備、辦公用品、汽車電控等。氣敏陶瓷:是一種對氣體敏感的陶瓷材料，陶瓷氣敏元件(或稱陶瓷氣敏傳感器)由于其具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低廉、使用方便等優(yōu)點，得到迅速發(fā)展。 分類 :氣敏陶瓷大致可分為半導體式、固體電解質(zhì)式及接觸燃燒式三種氣敏陶瓷的性能:半導體表面吸附氣體分子時，半導體的電導率將隨半導體類型和氣體分子種類的不同而變化。*壓敏陶瓷 壓敏陶瓷是指電阻值隨著外加電壓變化有一顯著的非線性變化的半導體陶瓷壓敏陶瓷的基本特性壓敏電阻陶瓷具有非線性伏 - 安特性，對電

15、壓變化非常敏感。在某一臨界電壓以下，壓敏電阻陶瓷電阻值非常(fichng)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。壓敏電阻陶瓷(toc)的這種電流-電壓(diny)特性曲線如圖所示。 1.齊鈉二極管；2.SiC壓敏電阻；3.ZnO壓敏電阻；4.線性電阻；5.ZnO壓敏電阻壓敏電阻的I-U特性曲線壓敏機理 :晶界高阻態(tài)，晶粒導電。外加電壓達到壓敏電壓時，晶界發(fā)生隧道擊穿，阻值由晶粒電阻決定。應用:過壓保護 穩(wěn)定電壓磁性陶瓷：磁性瓷也叫鐵氧體。它是由鐵的氧化物與其它某些金屬氧化物用制造陶瓷的工藝方法制成的非金屬磁性材料。它的主要

16、成分是Fe2O3，磁性陶瓷的類型與應用按晶體結(jié)構(gòu)可以把它的分成三大類：（1）尖晶石：AB2O4，主要有NiZn和MnZn。A：四面體位置； B：八面體位置。 （2）磁鉛石：MFe12O19，M2+：二價金屬(jnsh)離子。主要有BaFe12O19 和SrFe12O19 （3）石榴石：R3Fe5O12，R3+：三價稀土金屬離子(lz)按鐵氧體的性質(zhì)(xngzh)及用途又可分為 軟磁、硬磁、旋磁、矩磁、壓磁、磁泡等鐵氧體1、軟磁材料：特點：磁導率大，矯頑力小，磁滯回線窄。軟磁鐵氧體主要用于制作各種電感元件，如天線磁芯、變壓器磁芯、濾波器磁芯以及錄音機和錄像機磁頭和磁芯等磁記錄元件。2、硬磁材料：

17、是指磁化后不易退磁而能長期保留磁性的一種鐵氧體材料，也稱為永磁材料或恒磁材料。特點：剩余磁感應強度大，矯頑力大，磁滯回線寬。硬磁鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)大致是六角晶系磁鉛石型，其典型代表是鋇鐵氧體BaFe12O19。這種材料性能較好，成本較低，不僅可用作電訊器件如錄音器、電話機及各種儀表的磁鐵，而已在醫(yī)學、生物和印刷顯示等方面也得到了應用。3、矩磁材料：特點：剩余磁感應強度大，接近飽和磁感應強度，矯頑力小，磁滯回線接近于矩形。重要的矩磁材料有錳鋅鐵氧體和溫度特性穩(wěn)定的LiNiZn鐵氧體、LiMnZn鐵氧體。矩磁材料具有辨別物理狀態(tài)的特性，如電子計算機的“1”和“0”兩種狀態(tài)，各種開關(guān)和控制系統(tǒng)的“開”

18、和“關(guān)”兩種狀態(tài)及邏輯系統(tǒng)的“是”和“否”兩種狀態(tài)等。幾乎所有的電子計算機都使用矩磁鐵氧體組成高速存貯器。4、旋磁鐵氧體：又稱微波鐵氧體。在高頻磁場作用下，平面偏振的電磁波在鐵氧體中按一定方向傳播時，偏振面會不斷繞傳播方向旋轉(zhuǎn)的鐵氧體材料。具有鐵磁共振線寬小、自旋波共振線寬大、在低頻段，飽和磁化強度低和磁晶各向異性常數(shù)小、介質(zhì)損耗低、穩(wěn)定性高等性能。采用電子陶瓷工藝，熱壓燒結(jié)或氧氣氛中燒結(jié)制造而成。主要用于制作毫米波鐵氧體器件。 鐵 氧 體 的 性 能 與 用 途磁電效應：磁電阻效應（MR）、巨磁電阻效應（GMR）、龐磁電阻效應（CMR）、磁電極化效應磁電效應與多鐵性：外加電場可以改變介質(zhì)的磁

19、學性質(zhì)，或者外加磁場能夠改變介質(zhì)的電極化性質(zhì)，這種效應被稱作磁電效應巨磁電阻(dinz)效應（GMR）原理(yunl)：電阻來自(li z)散射，散射越厲害，電阻越大超導陶瓷：超導電現(xiàn)象 某些材料在溫度低于某一溫度時，電阻突然降到零的現(xiàn)象。具有導電性的材料稱為超導體，電阻降為零的溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度。邁斯納效應：通過實驗發(fā)現(xiàn)當物體處于超導態(tài)時,超導體內(nèi)部的磁場實際上為零,具有完全的抗磁性. 這種現(xiàn)象叫做邁斯納效應。同位素效應：汞的超導轉(zhuǎn)變溫度與其同位素質(zhì)量有關(guān),同位素質(zhì)量越小,轉(zhuǎn)變溫度就越高約瑟夫森隧道電流效應：約瑟夫遜在研究電子對通過超導金屬間的絕緣層時指出，當兩塊超導體之間的絕緣層薄

20、至接近原子尺寸(10-20A)時，超導電子可以穿過絕緣層產(chǎn)生隧道效應，即超導體-絕緣體-超導體這樣的超導結(jié) (約瑟夫遜結(jié)或SIS結(jié)) 具有超導性。應用：強磁場、大電流的強電應用和電子學(弱電)應用兩個方面。 Eg1:2000A超導電纜、磁懸浮列車、核磁共振設備Eg2:無源微波器件、超導量子干涉儀(SQUID)、超導高速邏輯運算元件(超導計算機)、超導紅外探測器等。多孔陶瓷定義:多孔陶瓷是一種經(jīng)高溫燒成、體內(nèi)具有大量彼此相通并與材料表面也相貫通的孔道結(jié)構(gòu)的陶瓷材料。多孔陶瓷材料的特性:化學穩(wěn)定性好；通過材質(zhì)的選擇和工藝控制，可制成適用于各種腐蝕環(huán)境的多孔陶瓷；具有良好的機械強度和剛度；在氣壓、液

21、壓或其他應力負載下，多孔陶瓷的孔道形狀和尺寸不會發(fā)生變化耐熱性好，用耐高溫陶瓷制成的多孔陶瓷可過濾熔融鋼水或高溫燃氣； 具有高度開口、內(nèi)連的氣孔；幾何(j h)表面積與體積比高；孔道分布較均勻，氣孔(qkng)尺寸可控，在孔徑為0.05 600 um范圍內(nèi)，可以(ky)制出所選定孔道尺寸的多孔陶瓷制品。 多孔陶瓷的制備與應用制備3.1 粒狀陶瓷的制備： 粒狀陶瓷一般是將粒狀陶瓷骨料和玻璃質(zhì)、粘土質(zhì)粘結(jié)劑與成孔劑混合、成型、干燥、燒成。其中，骨料包括Al2O3、SiC和玻璃等3.2 蜂窩陶瓷的制備：蜂窩陶瓷是采用機械加工方法制成許多平行直線開孔，孔徑110mm的薄壁多孔結(jié)構(gòu)。3.3 泡沫陶瓷的制

22、備：泡沫陶瓷的結(jié)構(gòu)是在三維空間重復的十二面體復雜圖形。泡沫陶瓷氣孔尺寸范圍可從1.2孔/cm的最大孔到39.37孔/cm的極細孔。它采用特別嚴密的軟質(zhì)泡沫塑料(如聚氨酯)為載體，進而加工成所需形狀、尺寸等。應用：1 在金屬熔體過濾凈化技術(shù)中的應用2 精過濾技術(shù)在其他領(lǐng)域的應用3 作催化劑載體4 作敏感元件5 作為隔膜材料6 降低噪聲7 用于布氣納米陶瓷 定義：納米陶瓷是指在陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)中，晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸等都處于納米水平的一類陶瓷材料。納米陶瓷的制備 ：納米陶瓷的制備包括納米粉體、納米薄膜及納米塊體材料的制備。其中主要是納米塊體陶瓷材料的制備。塊體納米晶

23、材料的制備方法主要有以下兩種方式：第一種是由小變大(納米微粒燒結(jié)成塊體納米晶材料)。即先由惰性氣體冷凝法、沉淀法、溶膠-凝膠法、機械球磨法等工藝制成納米粉，然后通過原位加壓、熱等靜壓，激光壓縮、微波放電等離子等方法燒結(jié)成大塊納米晶材料。第二種方式是由大變小，即非晶晶化法，使大塊非晶變成大塊納米晶材料，或利用各種沉積技術(shù)(PVD、CVD等)獲得大塊納米晶材料。納米陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能結(jié)構(gòu)：具有長程有序、不同晶相的晶粒組元；晶粒間的界面組元。納米陶瓷的結(jié)構(gòu)也一樣包含納米量級的晶粒、晶界和缺陷。在界面組元中，其特點是：原始密度降低；最鄰近原子配位數(shù)變化；晶界結(jié)構(gòu)在納米材料中占的比例較高。陶瓷是由晶粒和晶

24、界組成的一種多晶燒結(jié)體性能：納米材料的超細晶粒、高濃度晶界以及晶界原子鄰近狀況決定了它們具有明顯區(qū)別于無定形態(tài)、普通多晶和單晶的特異性能。1.擴散和燒結(jié)性能：納米晶體材料具有較高的擴散率，較高的擴散率對蠕變、超塑性、離子導電性等力學和電學性能有顯著的影響。擴散能力的增強產(chǎn)生的另一個結(jié)果是可以使納米材料的燒結(jié)溫度大大降低。力學性能：納米陶瓷的基本特征是晶粒尺寸非常小，晶界占有相當(xingdng)大的比例，并且(bngqi)純度高，可使陶瓷材料的力學性能大為提高。3超塑性(sxng)：納米陶瓷晶粒細化，晶界數(shù)量大幅度增加，擴散性高，可提高陶瓷材料的韌性和產(chǎn)生超塑性。4、電學性質(zhì)5、光學性質(zhì)生物陶瓷何謂生物陶瓷，生物陶瓷：用于人體器官替換、修補以及外科矯形的陶瓷材料。生物陶瓷具有的功能：具有良好的力學性能，在體內(nèi)難于溶解，不易氧化，不易腐蝕變質(zhì)，熱穩(wěn)定性好，耐磨且有一定的潤滑性，和人體組織親和性好，組成范圍寬，易于成型等。1、生物惰性陶瓷，具有優(yōu)異的生物相容性，能與骨形形成結(jié)合面，結(jié)合強度高，穩(wěn)定性好，參與代謝。2、生物活性陶瓷，物理、化學性能穩(wěn)定，在生物體內(nèi)完全呈惰性狀態(tài)。生