功能陶瓷材料

1、關(guān)于功能陶瓷材料1第一張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5.1 陶瓷材料與功能陶瓷5.1.1、陶瓷材料的發(fā)展概況5.1.2、功能陶瓷的定義、范圍和分類5.1.3、功能陶瓷的性能與工藝特征5.1.4、功能陶瓷的應(yīng)用和展望5.1.5、制備陶瓷材料的原料 2第二張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5.1.1 陶瓷材料的發(fā)展概況 陶瓷在人類生活和社會(huì)建設(shè)中是不可缺少的材料，它和金屬材料、高分子材料并列為當(dāng)代三大固體材料。 我國(guó)的陶瓷研究歷史悠久、成就輝煌，它是中華文明的偉大象征之一，在我國(guó)的文化和發(fā)展史上占有極其重要的地位。3第三張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月陶瓷的研究進(jìn)程分

2、為三個(gè)階段新石器時(shí)代先進(jìn)陶瓷階段納米陶瓷階段4第四張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月新石器時(shí)代遠(yuǎn)在幾干年前的新石器時(shí)代，我們的祖先就已經(jīng)用天然黏土作原料，塑造成各種器皿，再在火堆中燒成堅(jiān)硬的可重復(fù)使用的陶器，由于燒成溫度較低，陶器僅是一種含有較多氣孔、質(zhì)地疏松的未完全燒成制品。5第五張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月以后大約在2000年前的東漢晚期，人們利用含鋁較高的天然瓷土為原料，加上釉的發(fā)明，以及高溫合成技術(shù)的不斷改進(jìn)，使陶瓷步入瓷器階段，這是陶瓷技術(shù)發(fā)展史上意義重大的里程碑。釉：以石英、長(zhǎng)石、硼砂、黏土等為原料制成的東西，涂在瓷器、陶器外面，燒制后發(fā)出玻璃光澤，可增加陶瓷

3、的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣性能。6第六張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月陶瓷都是以黏土為主要原料與其他天然礦物原料經(jīng)粉碎混煉成形一煅燒等過(guò)程制成的。如常見(jiàn)的日用陶瓷、建筑陶瓷、電瓷等傳統(tǒng)陶瓷。由于陶瓷的主要原料取之于自然界的硅酸鹽礦物(如黏土、長(zhǎng)石、石英等)，所以可歸為硅酸鹽類材料和制品。從原始瓷器的出現(xiàn)到近代的傳統(tǒng)陶瓷，這一階段持續(xù)了四千余年。7第七張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月先進(jìn)陶瓷階段20世紀(jì)以來(lái)，隨著人類對(duì)宇宙的探索、原子能工業(yè)的興起和電子工業(yè)的迅速發(fā)展，從性質(zhì)、品種到質(zhì)量等方面，對(duì)陶瓷材料均提出越來(lái)越高的要求。從而，促使陶瓷材料發(fā)展成為一系列具有特殊功能的無(wú)機(jī)非金屬材料。

4、8第八張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月如氧化物陶瓷、壓電陶瓷、金屬陶瓷等各種高溫和功能陶瓷。這時(shí)，陶瓷研究進(jìn)入第二個(gè)階段先進(jìn)陶瓷階段。9第九張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月先進(jìn)陶瓷（Advanced ceramics）又稱現(xiàn)代陶瓷，是為了有別于傳統(tǒng)陶瓷而言的。先進(jìn)陶瓷有時(shí)也稱為精細(xì)陶瓷(Fine Ceramics)、新型陶瓷(New Ceramics)、特種陶瓷(Special Ceramics)和高技術(shù)陶瓷(High-Tech. Ceramics)等。10第十張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月在先進(jìn)陶瓷階段，陶瓷制備技術(shù)飛速發(fā)展。在成形方面，有等靜壓成形、熱壓注成

5、形、注射成形、離心注漿成形、壓力注漿成形等成形方法；在燒結(jié)方面，則有熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)、快速燒結(jié)、微波燒結(jié)、自蔓延燒結(jié)等。11第十一張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月在先進(jìn)陶瓷階段，采用的原料已不再使用或很少使用黏土等傳統(tǒng)原料，而已擴(kuò)大到化工原料和合成礦物，甚至是非硅酸鹽、非氧化物原料，組成范圍也延伸到無(wú)機(jī)非金屬材料范圍。此時(shí)可認(rèn)為，廣義的陶瓷概念已是用陶瓷生產(chǎn)方法制造的無(wú)機(jī)非金屬固體材料和制品的統(tǒng)稱。12第十二張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月納米陶瓷階段到20世紀(jì)90年代，陶瓷研究已進(jìn)入第三個(gè)階段-納米陶瓷階段。所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相就有納米級(jí)尺度

6、的陶瓷材料。它包括晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸等均在納米量級(jí)的尺度上。13第十三張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5.1.2 功能陶瓷的定義、范圍和分類從性能上可把先進(jìn)陶瓷分為結(jié)構(gòu)陶瓷(Structral ceramics)和功能陶瓷(Functional Ceramics)兩大類。14第十四張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 結(jié)構(gòu)陶瓷是指具有力學(xué)和機(jī)械性能及部分熱學(xué)和化學(xué)功能的先進(jìn)陶瓷(現(xiàn)代陶瓷)，特別適于高溫下應(yīng)用的則稱為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。功能陶瓷是指那些利用電、磁、聲、光、熱、力等直接效應(yīng)及其耦合效應(yīng)所提供的一種或多種性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)某種使用功能的先進(jìn)陶瓷(現(xiàn)

7、代陶瓷)。功能陶瓷的特點(diǎn)品種多、產(chǎn)量大、價(jià)格低、應(yīng)用廣、功能全、技術(shù)高、更新快。15第十五張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月通過(guò)對(duì)復(fù)雜多元氧化物系統(tǒng)的化學(xué)、物理及組成、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)現(xiàn)了一大批具有優(yōu)異性能或特殊功能的功能陶瓷，并可借助于離子置換、摻雜等方法調(diào)節(jié)、優(yōu)化其性能，功能陶瓷材料研究已開(kāi)始從經(jīng)驗(yàn)式的探索逐步走向按所需性能來(lái)進(jìn)行材料設(shè)計(jì)。16第十六張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5.1.3、功能陶瓷的性能與工藝特征陶瓷功能的實(shí)現(xiàn)，主要取決于它所具有的各種性能，而在某一類性能范圍中，又必須針對(duì)具體應(yīng)用，去改善、提高某種有效的性能，以獲得有某種

8、功能的陶瓷材料。17第十七張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一般來(lái)說(shuō)，要從性能的改進(jìn)來(lái)改善陶瓷材料的功能，需從以下兩個(gè)方面入手：通過(guò)改變外界條件，即改變工藝條件以改善和提高陶瓷材料的性能，達(dá)到獲得優(yōu)質(zhì)材料的目的。 從材料的組成上直接調(diào)節(jié)、優(yōu)化其內(nèi)在的品質(zhì)，包括采用非化學(xué)式計(jì)量、離子置換、添加不同類型雜質(zhì)，使不同相在微觀級(jí)復(fù)合，進(jìn)而形成不同性質(zhì)的晶界層等。18第十八張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一般工藝條件是指原料的物理化學(xué)性質(zhì)和狀態(tài)、加工成型方法和條件、燒成制度和燒結(jié)狀態(tài)，以及成品的加工方法和條件等。無(wú)論是改變組成還是改變工藝，最終都是通過(guò)材料微觀結(jié)構(gòu)的變化，才能體現(xiàn)出宏觀

9、的功能變化。19第十九張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月因此，要想達(dá)到自控設(shè)計(jì)材料，或者進(jìn)行局部的性能改善，必須綜合考慮組成、工藝、微觀結(jié)構(gòu)等諸多因素，這是個(gè)系統(tǒng)工程。下圖表示了陶瓷功能與組成、工藝、性能和結(jié)構(gòu)的關(guān)系。20第二十張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月陶瓷功能與組成、工藝、性能、結(jié)構(gòu)的關(guān)系21第二十一張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5.1.4、功能陶瓷的應(yīng)用和展望功能陶瓷的不斷開(kāi)發(fā)，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起了巨大促進(jìn)作用，功能陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域也隨之更為廣泛。 目前，功能陶瓷主要用于電、磁、光、聲、熱和化學(xué)等信息的檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、傳輸、處理和存儲(chǔ)等，并已在電子信息、集成電

10、路、計(jì)算機(jī)、能源工程、超聲換能、人工智能、生物工程等眾多近代科技領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。22第二十二張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月根據(jù)功能陶瓷組成結(jié)構(gòu)的易調(diào)性和可控性，可以制備超高絕緣性、絕緣性、半導(dǎo)性、導(dǎo)電性和超導(dǎo)電性陶瓷； 根據(jù)功能陶瓷能量轉(zhuǎn)換和耦合特性，可以制備壓電、光電、熱電、磁電和鐵電等陶瓷；根據(jù)功能陶瓷對(duì)外場(chǎng)條件的敏感效應(yīng)，則可制備熱敏、氣敏、濕敏、壓敏、磁敏和光敏等敏感陶瓷。23第二十三張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月在設(shè)備技術(shù)方面向著多層、多相乃至超微細(xì)結(jié)構(gòu)的調(diào)控與復(fù)合、低溫活化燒結(jié)、立體布線、超細(xì)超純、薄膜技術(shù)等方向發(fā)展。 在材料及應(yīng)用方面的主要研究方

11、向應(yīng)包括：智能化敏感陶瓷及其傳感器；高轉(zhuǎn)換率、高可靠性、低損耗、大功率的壓電陶瓷及其換能器； 超高速大容量超導(dǎo)計(jì)算機(jī)用光纖陶瓷材料；多層封裝立體布線用的高導(dǎo)熱低介電常數(shù)陶瓷基板材料；量大面廣、低燒、高比容、高穩(wěn)定性的多層陶瓷電容器材料等。 24第二十四張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5.1.5、制備陶瓷材料的原料陶瓷材料制品由多相的無(wú)機(jī)非金屬材料所構(gòu)成，所用原料大部分是天然的礦物原料或巖石原料，其中多為硅酸鹽礦物。這些天然的礦物原料或巖石原料種類繁多，資源蘊(yùn)藏豐富，且分布極廣。某些陶瓷材料制品對(duì)原料的要求很高，需要采用均一且高純度的人工合成原料。25第二十五張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作

12、于2022年6月(一) 原料分類根據(jù)原料工藝特性分為：可塑性原料(也稱瘠性原料)、熔劑性原料。根據(jù)原料的用途分為：瓷坯原料、瓷釉原料、色彩及彩料原料。 根據(jù)原料的礦物組成分為：黏土質(zhì)原料、硅質(zhì)原料、長(zhǎng)石質(zhì)原料、鈣質(zhì)原料、鎂質(zhì)原料。根據(jù)原料獲得的方式分為：礦物原料、化工原料。26第二十六張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月綜合陶瓷制品對(duì)于原料的兩方面要求，根據(jù)原料的工藝特性可以把所需要的陶瓷原料主要?dú)w納為三大類： 具有可塑性的黏土類原料 具有非可塑性的石英類原料 熔劑原料27第二十七張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月除上述的陶瓷坯體中所需的三大原料外，陶瓷釉料還常常需用各種特殊的熔

13、劑原料，包括采用各種化工原料。陶瓷工業(yè)中需用的輔助材料主要是石膏和耐火材料，以及各種外加劑如助磨劑、助濾劑、解凝劑、增塑劑和增強(qiáng)劑等。28第二十八張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(二) 黏土類原料黏土類原料是日用陶瓷和工業(yè)用陶瓷的主要原料之一。黏土是多種微細(xì)的礦物的混合體，其礦物的粒徑多數(shù)小于2um，主要是由黏土礦物和其他礦物組成的并具有一定特性的(其中主要是具有可塑性)土狀巖石。我國(guó)黏土原料資源豐富，產(chǎn)地遍及全國(guó)。黏土的主要礦物：高嶺石類、蒙脫石類、伊利石類和水鋁英石。黏土的組成：黏土的組成可從幾個(gè)方面來(lái)分析，一般可從礦物組成、化學(xué)組成和顆粒組成三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行分析。29第二十九張，

14、PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 黏土的性質(zhì)黏土的性質(zhì)對(duì)陶瓷的生產(chǎn)有很大的影響。它主要包括可塑性、結(jié)合性、離子交換性、觸變性、干燥收縮和燒成收縮、燒結(jié)溫度與燒結(jié)范圍和耐火度等。 黏土的工藝性質(zhì) 主要取決于黏土的礦物組成、化學(xué)組成與顆粒組成。其中，礦物組成是基本因素。 黏土在加熱過(guò)程中的變化包括兩個(gè)階段：脫水階段與脫水后產(chǎn)物的繼續(xù)轉(zhuǎn)化階段。30第三十張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月黏土作用概括為五個(gè)方面：1)黏土的可塑性是陶瓷坯泥賴以成形的基礎(chǔ)。2)黏土使注漿泥料與釉料具有懸浮性與穩(wěn)定性。3)黏土一般呈細(xì)分散顆粒，同時(shí)具有結(jié)合性。4)黏土是陶瓷坯體燒結(jié)時(shí)的主體，黏土中的Al2O3

15、含量和雜質(zhì)含 量是決定陶瓷坯體的燒結(jié)程度、燒結(jié)溫度和軟化溫度的主要 因素；5)黏土是形成陶器主體結(jié)構(gòu)和瓷器中莫來(lái)石晶體的主要來(lái)源。31第三十一張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(三) 石英類原料石英的種類。自然界中的二氧化硅結(jié)晶礦物可以統(tǒng)稱為石英。其中最純的石英晶體統(tǒng)稱為水晶。在陶瓷工業(yè)中，常用的石英類原料和材料有下列幾種：脈石英、砂巖、石英巖、石英砂、隧石和硅藻土。 32第三十二張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月石英原料的性質(zhì)石英的主要化學(xué)成分為SiO2，常含有少量雜質(zhì)成分，如Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2等。 石英是具有強(qiáng)耐酸侵蝕力的酸性氧化物，除氫氟酸外

16、，一般酸類對(duì)它都不產(chǎn)生作用。當(dāng)石英與堿性物質(zhì)接觸時(shí)，則能起反應(yīng)而生成可溶性的硅酸鹽。在高溫中與堿金屬氧化物作用生成硅酸鹽與玻璃態(tài)物質(zhì)。33第三十三張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月石英在陶瓷生產(chǎn)中的作用1)在燒成前是瘠性原料，可對(duì)泥料的可塑性起調(diào)節(jié)作用，能降低坯體的干燥收縮，縮短干燥時(shí)間并防止坯體變形。2)在燒成時(shí)，石英的加熱膨脹可部分地抵消坯體收縮的影響，當(dāng)玻璃質(zhì)大量出現(xiàn)時(shí)，在高溫下石英能部分熔解于液相中，增加熔體的強(qiáng)度，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。3)在瓷器中，石英對(duì)坯體的力學(xué)強(qiáng)度有著很大的影響，合理的石英顆粒能大大提高瓷器坯體的強(qiáng)度，否則效

17、果相反。同時(shí)，石英也能使瓷坯的透光度和白度得到改善。4)在釉料中，二氧化硅是生成玻璃質(zhì)的主要組分，增加釉料中石英含量能提高釉的熔融溫度與黏度，并減少釉的線脹系數(shù)。同時(shí)它是賦予釉以高的力學(xué)強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐化學(xué)侵蝕性的主要因素。 34第三十四張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(四) 長(zhǎng)石類原料長(zhǎng)石是陶瓷原料中最常用的熔劑性原料，在陶瓷生產(chǎn)中用作坯料、釉料、色料、熔劑等的基本組分，其用量較大，是陶瓷三大原料之一。長(zhǎng)石的種類和一般性質(zhì)：長(zhǎng)石是地殼上分布廣泛的造巖礦物。 根據(jù)架狀硅酸鹽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，長(zhǎng)石可分為四種基本類型：鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石和鋇長(zhǎng)石。35第三十五張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作

18、于2022年6月長(zhǎng)石在陶瓷生產(chǎn)中的作用如下： 長(zhǎng)石在高溫下熔融，形成黏稠的玻璃熔體，是坯料中堿金屬氧 化物(K2O、Na2O)的主要來(lái)源，能降低陶瓷坯體組分的熔化溫 度，有利于成瓷和降低燒成溫度。 熔融后的長(zhǎng)石熔體能熔解部分高嶺土分解產(chǎn)物和石英顆粒。液 相中Al2O3和SiO2互相作用，促進(jìn)莫來(lái)石晶體的形成和長(zhǎng)大，賦 予了坯體的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。長(zhǎng)石熔體能填充于各結(jié)晶顆粒之間，有助于坯體致密和減少空 隙。在釉料中長(zhǎng)石是主要熔劑。長(zhǎng)石作為瘠性原料，在生坯中還可以縮短坯體干燥時(shí)間，減少 坯體的干燥收縮和變形等。36第三十六張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(五) 其他礦物原料 含堿硅酸

19、鋁類 堿土硅酸鹽類 碳酸鹽類 鈣的磷酸鹽類 高鋁質(zhì)礦物類 工業(yè)廢渣類 鋯英石 37第三十七張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5.2、絕緣陶瓷5.2.1 精密絕緣陶瓷在近代電子技術(shù)中的作用 5.2.2 絕緣陶瓷的性能與特征 5.2.3 常用絕緣陶瓷材料及其性能 5.2.4 絕緣陶瓷的應(yīng)用38第三十八張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5.2.1 精密絕緣陶瓷在近代電子技術(shù)中的作用絕緣材料在電氣電路或電子電路中所起的作用主要是根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求將導(dǎo)體物理隔離，以防電流在它們之間流動(dòng)而破壞電路的正常運(yùn)行。39第三十九張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月即，電子技術(shù)中首先要求絕緣材料

20、不導(dǎo)電，即要求電阻率盡量高，絕緣強(qiáng)度也盡量高。此外，絕緣材料還起著導(dǎo)體的機(jī)械支持、散熱及電路環(huán)境保護(hù)等作用。一般將能起上述作用的陶瓷稱為絕緣陶瓷。40第四十張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月絕緣陶瓷可分為氧化物絕緣陶瓷和非氧化物絕緣陶瓷兩大系列；無(wú)論是哪種系列的絕緣陶瓷，要成為一種優(yōu)異的絕緣陶瓷，它必須具備如下性能：體積電阻率() = 1012cm相對(duì)介電常數(shù)(r)=30損耗因子(tg)=5.0kV/mm41第四十一張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月高壓陶瓷絕緣子作為一種傳統(tǒng)的絕緣陶瓷已有100多年的歷史。而精密絕緣陶瓷與高壓陶瓷絕緣子相比，則是后起之秀，它在近代電子技術(shù)中所起

21、的作用是前者無(wú)法比擬的。 比如，在眾多的家用電器，如收錄機(jī)、彩色電視機(jī)和錄像機(jī)中，在一般的集成電路(IC)，大規(guī)模集成電路(LSI)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)中，在大型電子計(jì)算機(jī)等高技術(shù)產(chǎn)品中，甚至在航空、航天等尖端科技領(lǐng)域中，精密絕緣陶瓷已較大量使用。42第四十二張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5.2.2 絕緣陶瓷的性能與特征一、 離子導(dǎo)電和絕緣性二、 陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和絕緣性43第四十三張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一、 離子導(dǎo)電和絕緣性應(yīng)用固體能帶理論，可以成功地解釋固體的絕緣性、半導(dǎo)性和導(dǎo)電性。固體能帶中那些被電子完全占滿的叫滿帶，未被電子占據(jù)的叫導(dǎo)帶，滿帶和導(dǎo)

22、帶之間的距離稱之為禁帶寬度。44第四十四張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月如果禁帶寬度足夠大(在幾個(gè)電子伏特以上)，滿帶的電子就難以被激發(fā)而超越禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，也即認(rèn)為電子幾乎無(wú)法遷移，那么固體便成為典型的絕緣體。實(shí)際上，這種理想的絕緣體只有在絕對(duì)零度時(shí)才能獲得。45第四十五張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月很多絕緣陶瓷是典型的離子晶體或共價(jià)晶體。在這種情況下，對(duì)具有足夠?qū)挾冉麕^(qū)的絕緣陶瓷而言，固體中的另一種導(dǎo)電機(jī)理-離子導(dǎo)電就變得十分重要了。它主要是通過(guò)離子擴(kuò)散而發(fā)生的電導(dǎo)行為。46第四十六張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一般情況下，離子電導(dǎo)率i表示如下:i = n

23、 . q . i式中 ， n-單位體積中可遷移的離子數(shù)； q-離子的電荷； i-離子的遷移率。47第四十七張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月下式給出了i的具體表達(dá)式：i = q Di / kT式中， Di離子的擴(kuò)散系數(shù) k玻耳茲曼常數(shù)， T絕對(duì)溫度(K)。 而Di可由下式給出：Di = A exp (- E / kT ) 式中， E-激活能 A-頻率系數(shù)。48第四十八張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月i = n q ii = q Di / kT Di =A exp (- E / kT ) ln i 常數(shù)E/kTi = n q q A exp (- E / kT ) / kT =

24、 (Anq2/kT) exp (- E / kT )49第四十九張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月可知，離子電導(dǎo)率隨溫度的升高呈指數(shù)增加。ln i 常數(shù)E/kT由下式50第五十張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月離子電荷和擴(kuò)散系數(shù)影響離子導(dǎo)電，擴(kuò)散系數(shù)又與晶格缺陷及穿越缺陷的離子的電荷及其大小有關(guān)。通常情況下，電荷及體積越小的離子越易擴(kuò)散，其激活能的數(shù)值也越小。i = n q q A exp (- E / kT ) / kT51第五十一張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月因此，在絕緣陶瓷中應(yīng)盡可能避免堿金屬離子的存在(尤其是鈉離子)，因?yàn)檫@些離子可形成相當(dāng)強(qiáng)烈的電導(dǎo)，使材料

25、的絕緣性能劣化。52第五十二張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 二、 陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)與絕緣性一般而言，絕緣陶瓷是粉體原料經(jīng)過(guò)成型和燒結(jié)而得到的多相多晶材料。陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)主要可分為基質(zhì)、晶粒和氣孔三部分。通常氣孔和晶粒的絕緣性能好，而基質(zhì)往往在高溫下顯示較大的導(dǎo)電性。由于基質(zhì)部分雜質(zhì)濃度較高，在組織上又是連續(xù)相，所以陶瓷的絕緣性容易受基質(zhì)相的影響。53第五十三張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月固體內(nèi)部存在的氣孔對(duì)絕緣性能的破壞不大，但當(dāng)表面存在氣孔時(shí)，因易吸水和被污染將使表面絕緣性顯著劣化。因此，原則上絕緣陶瓷應(yīng)選擇氣孔少、沒(méi)有吸水性的致密材料，并根據(jù)使用情況的不同在其表面上釉

26、以防止污染和吸潮。 54第五十四張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月通常情況下，材料的絕緣性與材料的純度、材料中雜質(zhì)含量的多少有關(guān)。材料純度越高，雜質(zhì)含量越少，則它們的絕緣性能就越好。這是因?yàn)榻^緣陶瓷中若有雜質(zhì)引入，則會(huì)像摻雜半導(dǎo)體那樣，在禁帶中產(chǎn)生雜質(zhì)能級(jí)，從而使電荷載流子增加，電阻率下降，結(jié)果使絕緣強(qiáng)度下降。55第五十五張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5.2.3 常用絕緣陶瓷材料及其性能絕緣陶瓷材料按化學(xué)組成可分為氧化物系和非氧化物系兩大類。氧化物系絕緣陶瓷已得到廣泛應(yīng)用，而非氧化物系絕緣陶瓷是70年代才發(fā)展起來(lái)的，56第五十六張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月目前

27、應(yīng)用的主要有氮化物陶瓷，如Si3N4、BN、AlN等。除多晶陶瓷外，近年來(lái)又發(fā)展了單晶絕緣陶瓷，如人工合成云母、人造藍(lán)寶石、尖晶石、氧化鈹及石英等。57第五十七張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5.2.4 絕緣陶瓷的應(yīng)用絕緣陶瓷的工業(yè)應(yīng)用歷史較早，在1850年左右，陶瓷絕緣子作為電絕緣器材，使用于鐵路通信線路。1880年美國(guó)在電力輸電線路中開(kāi)始使用陶瓷絕緣子，目前，已能制造出耐壓500kV以上的超高壓輸電用高性能陶瓷絕緣子。隨之，汽車陶瓷火花塞付諸應(yīng)用，這是一種需求量極大的絕緣陶瓷。58第五十八張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月隨著電子工業(yè)的發(fā)展，集成電路、大規(guī)模集成電路以及超

28、大規(guī)模集成電路相繼問(wèn)世，這類電路需要絕緣性能、導(dǎo)熱性能、熱膨脹匹配性能、高頻性能及快速響應(yīng)性能等一系列性能優(yōu)良的絕緣陶瓷作為電路的基片與封裝材料。于是，高性能的A12O3瓷和BeO瓷作為精密絕緣陶瓷而被大量使用在這類電路中，且性能與生產(chǎn)工藝不斷得以改進(jìn)。59第五十九張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月由于電路設(shè)計(jì)者一直致力于高集成度、高信號(hào)速度的電路設(shè)計(jì)與制造，例如在一塊小小的硅片上安放37,000,000個(gè)晶體管。對(duì)于如此高密度的集成電路，其散熱及熱控制勢(shì)必成為確保此類電路可靠性的重要因素。于是，近10年來(lái)，高絕緣、高熱導(dǎo)的SiC瓷與AlN瓷被研究與開(kāi)發(fā)。60第六十張，PPT共九十四頁(yè)

29、，創(chuàng)作于2022年6月集成電路是一種把大量微型晶體管電路元件組裝在一塊基片上所構(gòu)成的超小型、高密度的電路，這類電路通常要封裝在集成電路的管殼之內(nèi)。這種高質(zhì)量的基片和管殼一般是由精密絕緣陶瓷制成的。目前，應(yīng)用較成熟的基片材料和管殼材料是氧化鋁陶瓷。61第六十一張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月由于氧化鋁陶瓷具有良好的電絕緣性、化學(xué)耐久性及較高的機(jī)械強(qiáng)度與較好的導(dǎo)熱性，而且價(jià)格較低，易于制造，表面均勻平整，因此，氧化鋁陶瓷還是目前主要的電路基片材料。62第六十二張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5.3 多孔陶瓷 5.3.1、概 述5.3.2、表征多孔陶瓷材料特性參數(shù)5.3.3、多孔

30、陶瓷的制備5.3.4、多孔陶瓷的應(yīng)用63第六十三張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5.3.1、概 述多孔陶瓷是一種經(jīng)高溫?zé)伞Ⅲw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。多孔陶瓷的種類很多，幾乎目前研制及生產(chǎn)的所有陶瓷均可以通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に囍瞥啥嗫左w。64第六十四張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月根據(jù)成孔方法和孔隙結(jié)構(gòu)，多孔陶瓷可分為三類：粒狀陶瓷； 泡沫陶瓷；蜂窩陶瓷。陶瓷的氣孔率列于下表。多孔陶瓷泡沫陶瓷蜂窩陶瓷粒狀陶瓷結(jié)體氣孔率/%809070305065第六十五張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月根據(jù)孔徑大小，陶瓷可分為1000 um到幾十微米的粗

31、孔制品0.2 20 um的微孔制品0.2 um到幾納米的超微孔制品66第六十六張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月多孔陶瓷材料的特性 化學(xué)穩(wěn)定性好；具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和剛度； 耐熱性好；具有高度開(kāi)口、內(nèi)連的氣孔； 幾何表面積與體積比高； 孔道分布較均勻，氣孔尺寸可控。67第六十七張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5.3.2、表征多孔陶瓷材料特性參數(shù)一般可用下述三個(gè)參數(shù)來(lái)表征多孔陶瓷材料特性：氣孔率；平均孔徑、最大孔徑和孔道長(zhǎng)度；滲透能力。68第六十八張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月氣孔率把開(kāi)口孔道體積占材料總體積的百分率定義為氣孔率。最常用的多孔陶瓷的制備方法是依靠骨料

32、粒子堆積而形成孔道。69第六十九張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月多孔陶瓷的平均孔徑可以用水銀壓入法、氣泡法等方法來(lái)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的基本原理是假設(shè)材料孔道均為理想毛細(xì)管，流體在外力作用下，通過(guò)毛細(xì)管時(shí)，將遵循下式：平均孔徑、最大孔徑和孔道長(zhǎng)度70第七十張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月式中，D-毛細(xì)管直徑； -流體的表面張力； P-使流體通過(guò)毛細(xì)管所需之壓力; -流體的材料的浸潤(rùn)角。71第七十一張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一般認(rèn)為，多孔材料用于液體過(guò)濾時(shí)，被濾阻的粒子尺寸為最大孔徑的1/10多孔材料用于氣體過(guò)濾時(shí)，被濾阻的粒子尺寸為最大孔徑的120。72第七十二張

33、，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 滲透能力在多孔陶瓷材料兩側(cè)存在一定壓力差的條件下，材料的滲透能力指材料透過(guò)流體的能力，一般用透氣度或滲透率來(lái)表征。73第七十三張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5.3.3、多孔陶瓷的制備1 粒狀陶瓷的制備2 蜂窩陶瓷的制備3 泡沫陶瓷的制備74第七十四張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1. 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。75第七十五張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月成孔劑分為可燃性物質(zhì)(如碳粒)和高溫時(shí)分解產(chǎn)生氣體的物質(zhì)(如碳酸鈣)。在

34、燒結(jié)時(shí)成孔劑分解，逸出氣體起發(fā)泡作用，形成連通開(kāi)孔。76第七十六張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月粘結(jié)劑在燒結(jié)時(shí)熔融，形成液相燒結(jié)，將骨料顆粒結(jié)合起來(lái)；同時(shí)，在骨料之間形成孔隙。粒狀多孔陶瓷除氣孔率較大外，同一般陶瓷燒結(jié)體無(wú)大差別。77第七十七張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 蜂窩陶瓷蜂窩陶瓷是采用機(jī)械加工方法制成許多平行直線開(kāi)孔，孔徑110mm的薄壁多孔結(jié)構(gòu)。78第七十八張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3. 泡沫陶瓷泡沫陶瓷的結(jié)構(gòu)是在三維空間重復(fù)的十二面體復(fù)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(xì)孔。79第七十九張，PP

35、T共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月泡沫陶瓷的制造方法略有別于一般陶瓷工藝，它采用特別嚴(yán)密的軟質(zhì)泡沫塑料(如聚氨酯)為載體，進(jìn)而加工成所需形狀、尺寸等。80第八十張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月陶瓷粉末必須混合成觸變性料漿，即流動(dòng)時(shí)比靜態(tài)時(shí)粘度較低。這種觸變性有利于泡沫纖維的適宜涂覆，而且沒(méi)有過(guò)量的排液。 陶瓷料漿組成，通常為固體粉末(重量)1040水。為了獲得更好的性能，可分別添加15的莫來(lái)石、二氧化鋯、氧化鎂。一種陶瓷料漿的組成，見(jiàn)下表所示：81第八十一張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月陶瓷料漿的組成原料一般含量/ %較好含量/ %Al2O3Cr2O3AlPO4膨潤(rùn)土高嶺土

36、40951250.1120.1122.125455510170.5225121782第八十二張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月組成原料的作用 Al2O3-基體材料，它與銅、鋁熔體不起化學(xué)反應(yīng)； Cr2O3-與Al2O3配合，有很好的耐高溫性能和抗金屬熔體腐蝕性能； 膨潤(rùn)土-泡沫結(jié)構(gòu)材料的粘結(jié)劑，燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生玻璃相，增加流動(dòng)性； 高嶺土-與膨潤(rùn)土有相似作用； AlPO4-是一種空氣固化劑或粘結(jié)劑，無(wú)需加熱即可使陶瓷漿硬化(但最好還是經(jīng)烘干)，它與金屬熔體不起化學(xué)反應(yīng)。 AlPO4最好配成50水溶液使用。83第八十三張，PPT共九十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5.3.4 多孔陶瓷的應(yīng)用1 在金屬熔體過(guò)濾凈化技術(shù)中的應(yīng)用2 精過(guò)濾技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)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