新型陶瓷03old課件

新型陶瓷材料Ⅰ

AdvancedCeramicMaterialsSchoolofMaterialScienceandEngineering,WuhanInstituteofTechnology2.先進(jìn)陶瓷常用燒結(jié)工藝

熱壓燒結(jié)(hotpressing)是在燒結(jié)過(guò)程中同時(shí)對(duì)坯料施加壓力，加速了致密化的過(guò)程。所以熱壓燒結(jié)的溫度更低，燒結(jié)時(shí)間更短。熱壓技術(shù)已有70年歷史，最早用于碳化鎢和鎢粉致密件的制備?，F(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于陶瓷、粉末冶金和復(fù)合材料的生產(chǎn)。(1)熱壓燒結(jié)

熱壓燒結(jié)的特點(diǎn)ⅰ.所需的成型壓力僅為冷壓法的1/10；ⅱ.降低燒結(jié)溫度和縮短燒結(jié)時(shí)間，抑制了晶粒的長(zhǎng)大；ⅲ.易得到具有良好機(jī)械性能、電學(xué)性能的產(chǎn)品；ⅳ.能生產(chǎn)形狀較復(fù)雜、尺寸較精確的產(chǎn)品。熱壓法的缺點(diǎn)是生產(chǎn)率低、成本高。①②③④⑤⑥⑦?、ⅱ＂あΒБ瘼颌螈簪酡觫鳍鵁釅貉b置和模具(a)電阻間熱式；(b)感應(yīng)間熱式；(c)電阻直熱式；(d)感應(yīng)直熱式熱壓燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力在熱壓燒結(jié)的初始階段，假設(shè)所有粉體都是規(guī)則的球形顆粒立方密堆在一起，則作用在顆粒接觸面積上的有效壓力為:其中，a為顆粒半徑，x為頸部半徑，r為頸部曲率半徑。在燒結(jié)的最終階段，假設(shè)坯體中的氣孔成均勻分布狀況，則作用在顆粒接觸面積上的有效壓力為：其中ρ為坯體的相對(duì)密度。(2)熱等靜壓熱等靜壓工藝(HotIsostaticPressing，簡(jiǎn)寫(xiě)為HIP)是將粉末壓坯或裝入包套的粉料裝入高壓容器中，使粉料經(jīng)受高溫和均衡壓力的作用，被燒結(jié)成致密件。其基本原理是：以氣體作為壓力介質(zhì)，使材料（粉料、坯體或燒結(jié)體）在加熱過(guò)程中經(jīng)受各向均衡的壓力，借助高溫和高壓的共同作用促進(jìn)材料的致密化。目前，熱等靜壓技術(shù)的主要應(yīng)用有：金屬和陶瓷的固結(jié)，金剛石刀具的燒結(jié)，鑄件質(zhì)量的修復(fù)和改善，高性能磁性材料及靶材的致密化。熱等靜壓的優(yōu)點(diǎn)ⅰ.致密化可以在比較低的溫度下完成，有效地抑制高溫下的不良反應(yīng)；ⅱ.在減少甚至無(wú)燒結(jié)添加劑時(shí)，制備微觀結(jié)構(gòu)均勻氣孔極少的致密陶瓷；ⅲ.可以減少乃至消除一般燒結(jié)體中的殘余氣孔，愈合表面裂紋，從而提高陶瓷材料的密度、強(qiáng)度；ⅳ.能夠精確控制產(chǎn)品的尺寸與形狀，而不必使用昂貴的金剛石切割加工。熱等靜壓裝置直接HIP工藝流程圖預(yù)成型預(yù)燒HIP工藝流程圖(3)放電等離子體燒結(jié)放電等離子體燒結(jié)工藝(SparkPlasmaSintering，簡(jiǎn)寫(xiě)為SPS)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型材料制備工藝方法。又被稱(chēng)為脈沖電流燒結(jié)。該技術(shù)的主要特點(diǎn)是利用體加熱和表面活化，實(shí)現(xiàn)材料的超快速致密化燒結(jié)?？蓮V泛用于磁性材料、梯度功能材料、納米陶瓷、纖維增強(qiáng)陶瓷和金屬間化合物等系列新型材料的燒結(jié)。放電等離子體燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)ⅰ.燒結(jié)溫度低(比HP和HIP低200-300℃)、燒結(jié)時(shí)間短(只需3-10min，而HP和HIP需要120-300min)、單件能耗低；ⅱ.燒結(jié)機(jī)理特殊，賦予材料新的結(jié)構(gòu)與性能；ⅲ.燒結(jié)體密度高，晶粒細(xì)小，是一種近凈成形技術(shù)；ⅳ.操作簡(jiǎn)單，不像熱等靜壓那樣需要十分熟練的操作人員和特別的模套技術(shù)。(4)微波燒結(jié)微波燒結(jié)(MicrowaveSintering)是利用微波具有的特殊波段與材料的基本細(xì)微結(jié)構(gòu)耦合而產(chǎn)生熱量，材料在電磁場(chǎng)中的介質(zhì)損耗使材料整體加熱至燒結(jié)溫度而實(shí)現(xiàn)致密化的方法。目前，微波燒結(jié)技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于多種陶瓷復(fù)合材料的試驗(yàn)研究。微波燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)ⅰ.微波與材料直接耦合導(dǎo)致整體加熱。ⅱ.微波燒結(jié)升溫速度快，燒結(jié)時(shí)間短。ⅲ.安全無(wú)污染。ⅳ.能實(shí)現(xiàn)空間選擇性燒結(jié)。

材料與微波場(chǎng)的作用類(lèi)型材料與微波的作用方式示意圖微波燒結(jié)系統(tǒng)微波燒結(jié)機(jī)理在絕熱環(huán)境下，當(dāng)忽略材料在加熱過(guò)程中的潛能（如反應(yīng)熱、相變熱等）變化時(shí)，單位體積材料在微波場(chǎng)作用下的升溫速率為：式中f為微波工作頻率；’為材料介電損耗；0為空間介電常數(shù)；E為微波電場(chǎng)強(qiáng)度；Cp為材料熱容；為材料密度。5KW,2.45GHz微波發(fā)生器紅外測(cè)溫裝置&控制冷卻水系統(tǒng)微波燒結(jié)陶瓷裝置示意圖保溫結(jié)構(gòu)多模諧振腔(6)爆炸燒結(jié)爆炸粉末燒結(jié)(explosionsintering)是利用炸藥爆轟產(chǎn)生的能量，以沖擊波的形式作用于金屬或非金屬粉末，在瞬態(tài)、高溫、高壓下發(fā)生燒結(jié)的一種材料加工或合成的新技術(shù)。爆炸燒結(jié)優(yōu)點(diǎn)ⅰ.具備高壓性，可以燒結(jié)出近乎密實(shí)的材料；ⅱ.具備快熔快冷性，有利于保持粉末的優(yōu)異特性；ⅲ.可以使Si3N4，SiC等非熱熔性陶瓷在無(wú)需添加燒結(jié)助劑的情況下發(fā)生燒結(jié)。爆炸燒結(jié)機(jī)理

ⅰ.顆粒的塑性變形以及顆粒的相互碰撞、孔隙塌縮、顆粒表層的破壞導(dǎo)致顆粒表面的沉熱和熔化：發(fā)生焊接。ⅱ.顆粒的破碎、孔隙的填充、顆粒表面由于熱量的沉積而發(fā)生部分熔焊或固態(tài)擴(kuò)散結(jié)合。間接法爆炸燒結(jié)裝置(a.單面飛片；b.單活塞；c.雙活塞)1.C60及應(yīng)用科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，除金剛石、石墨外，還有一些新的以單質(zhì)形式存在的碳。其中典型且在研究中首先取得重要進(jìn)展的是C60分子。C60分子是一種由60個(gè)碳原子構(gòu)成的分子，它形似足球，因此又名足球烯。C60是英國(guó)Sussex大學(xué)的Kroto和美國(guó)休斯頓Rice大學(xué)的Smalley，Kurl等人于1985年發(fā)現(xiàn)的。他們用大功率激光束轟擊石墨使其氣化，用1MPa壓強(qiáng)的氦氣產(chǎn)生超聲波，使被激光束氣化的碳原子通過(guò)一個(gè)小噴嘴進(jìn)入真空膨脹，并迅速冷卻形成新的碳原子，從而得到C60。他們?cè)凇禢ature》上發(fā)表文章時(shí)，特意給C60取名為Buckminsterfullerene，即巴克明斯特富勒烯，簡(jiǎn)稱(chēng)Fullerene即富勒烯，或稱(chēng)為Buckyball即巴基球。因C60酷似英式足球，所以又稱(chēng)為Soccerene，即足球烯。Chap5陶瓷器件及實(shí)用C60的制備C60的應(yīng)用①氣體的貯存在控制溫度和壓力的條件下，可以簡(jiǎn)單地用C60和氫氣制成C60的氫化物，它在常溫下非常穩(wěn)定，而在80℃～215℃時(shí)，C60的氫化物便釋放出氫氣，留下純的C60，它可以被100%地回收，并被用來(lái)重新制備C60的氫化物。與金屬或其合金的貯氫材料相比，用C60貯存氫氣具有價(jià)格較低的優(yōu)點(diǎn)，而且C60比金屬及其合金要輕。因此，相同質(zhì)量的材料，C60所貯存的氫氣比金屬或其合金要多。C60不但可以貯存氫氣，還可以用來(lái)貯存氧氣。與高壓鋼瓶貯氧相比，高壓鋼瓶的壓力為3.9×106Pa，屬于高壓貯氧法，而C60貯氧的壓力只有2.3×105Pa，屬于低壓貯氧法。利用C60在低壓下大量貯存氧氣對(duì)于醫(yī)療部門(mén)、軍事部門(mén)乃至商業(yè)部門(mén)都會(huì)有很多用途。②有感覺(jué)功能的傳感器由于用C60薄膜做基質(zhì)材料可以制成手指狀組合型的電容器，用它來(lái)制成的化學(xué)傳感器具有比傳統(tǒng)的傳感器尺寸小、簡(jiǎn)單、可再生和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，可能成為傳感器中頗具吸引力的一種候選產(chǎn)品。C60的應(yīng)用③增強(qiáng)金屬

提高金屬材料的強(qiáng)度可以通過(guò)合金化、塑性變形和熱處理等手段，強(qiáng)化的途徑之一是通過(guò)幾何交互作用，例如將焦炭中的碳分散在金屬中，碳與金屬在晶格中相互交換位置，可以引起金屬的塑性變形，碳與金屬形成碳化物顆粒，都能使金屬增強(qiáng)。

在增強(qiáng)金屬材料方面，C60的作用將比焦炭中的碳更好，這是因?yàn)镃60比碳的顆粒更小、活性更高，C60與金屬作用產(chǎn)生的碳化物分散體的顆粒大小是0.7nm，而碳與金屬作用產(chǎn)生的碳化物分散體的顆粒大小為1μm～5μm，在增強(qiáng)金屬的作用上有較大差別。④新型催化劑

在發(fā)現(xiàn)C60以后，化學(xué)家們開(kāi)始探討C60用于催化劑的可能性。C60具有烯烴的電子結(jié)構(gòu)，可以與過(guò)渡金屬(如鉑系金屬和鎳)形成一系列絡(luò)合物。例如C60與鉑、鋨可以結(jié)合成｛[(C2H5)3P]2Pt｝C60和C60OsO4·(四特丁基吡啶)等配位化合物，它們有可能成為高效的催化劑。

日本豐橋科技大學(xué)的研究人員合成了具有高度催化活性的鈀與C60的化合物C60Pd6。武漢大學(xué)的研究人員合成了Pt(PPh3)2C60(PPh3為三苯基膦)，對(duì)于硅氫加成反應(yīng)具有很高的催化活性。2.多層陶瓷集成電路板支持板(Cu或Al)Al2O3絕緣板焊料導(dǎo)線(xiàn)(Al)導(dǎo)板(Cu)Si器件Mo板Cu散熱板支持板(熱導(dǎo)SiC)焊料導(dǎo)線(xiàn)(Al)Si器件Cu散熱板集成電路、大規(guī)模集成電路以及超大規(guī)模集成電路相繼問(wèn)世，這類(lèi)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瓷被大量使用，且性能與生產(chǎn)工藝不斷得以改進(jìn)。帶成形法：Al2O3粉料混合、研磨→干燥→加入可塑劑和溶劑→料漿→干燥→素片帶(帶成形)→高溫下燒成Al2O3瓷片。(流延法：高質(zhì)量的Al2O3基片)壓力成形法：Al2O3粉料混合、研磨→漿料噴霧干燥→壓力成形素片→高溫下燒成Al2O3瓷片。端電極內(nèi)電極介電材料(1)多層陶瓷技術(shù)1)多層片式電感(MLCI)示意圖內(nèi)電極磁性（介電）MLCC內(nèi)部結(jié)構(gòu)2)多層片式電容(MLCC)示意圖3)多層壓電陶瓷變壓器輸入輸入輸出接地外形尺寸：25mmX9mm，輸入電壓220VAC，輸出電壓5-10V多層壓電陶瓷變壓器

(降壓型)輸入輸入輸出發(fā)生器發(fā)生器多層功能陶瓷元件發(fā)展趨勢(shì)分離式片式陶瓷元件復(fù)合化片式陶瓷元器件集成陶瓷系統(tǒng)片式多層電容（MLCC）片式疊層電感（MLCI）片式電阻（壓敏、PTC、NTC…）片式多層壓電陶瓷器件（變壓器、驅(qū)動(dòng)器）片式多層微波器件片式多層LC濾波器片式RC組件片式LCR組件片式

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模塊L、C、R埋入式多層LTCC集成模塊低成本微型化：大容量微型MLCC、Ni電極MLCC、MLCC陣列、MLCI陣列高功率化（功率電子學(xué)）：中高壓MLCC、高貯能密度MLCC、大電流MLCI、片式變壓器高頻化：射頻/微波MLCI、微波MLCC、多層微波濾波器、多層片式天線(xiàn)、多層片式雙工器復(fù)合集成化：片式多層LC高頻濾波器、片式EMI濾波器、片式LCR組件、片式

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模塊…新型多層功能陶瓷元器件小型/微型化、高頻化/頻率捷變化、復(fù)合化/集成化、高功率、低功耗、高可靠、低成本多層陶瓷電容器的發(fā)展趨勢(shì)1000*500400300250170110層數(shù)(實(shí)驗(yàn)尺度)1000500*30023018014012060層數(shù)(產(chǎn)品尺度)<1m*1m2m3m4m5m8m13m層厚(實(shí)驗(yàn)尺度)1m2m4m5m6m8m10m20m層厚(產(chǎn)品尺度)0501989693918984年多層陶瓷電容器主要發(fā)展趨勢(shì)：小型化、高性能、低成本、中高壓、超大容量、薄膜化、寬工作溫度、高穩(wěn)定、高頻化高性能、低成本PbPdAgAg-PdNiCuNon

reducible

dielectricsLow

fireInjectionFiringinAirInH2/N2手機(jī)中無(wú)源元件與有源元件的比例JohnRector,IBM,1998ECTC14:117:125:120:114:113:122:116:12514112127294530359243283432389373993492EricssonDH338DigitalEricssonE237AnalogPhilipsFR93AnalogNokia2110DigitalMotorolaMrl1.8GHzCasioPH-250MotorolaStarTACMatsushitaNTTDoCoMo比例有源元件無(wú)源元件手機(jī)型號(hào)需求實(shí)例典型的移動(dòng)電話(huà)對(duì)多層陶瓷電容器的需求量<50pF50~100pF100pF~10nF>10nF72.78%14.2%4.26%8.88%

以移動(dòng)通信為例：1987年以來(lái)年均以80~150%發(fā)展速度，移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)1998年底達(dá)2498萬(wàn)戶(hù)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋31個(gè)省、直轄市，308個(gè)地市，地市覆蓋率達(dá)91%。我國(guó)移動(dòng)電話(huà)數(shù)2003年達(dá)1.5億戶(hù)。2008年國(guó)內(nèi)手機(jī)用戶(hù)已達(dá)到6億戶(hù)以上。(2)功能陶瓷的多功能化、復(fù)合化各種材料復(fù)合的幾何形式(3)功能陶瓷的機(jī)敏化和智能化機(jī)敏陶瓷(Smartceramics)—兼具傳感功能和執(zhí)行功能于一體…對(duì)外界（或內(nèi)部）的刺激強(qiáng)度（如應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁、化學(xué)和輻射等）能夠感知，并借助反饋系統(tǒng)作出有益的響應(yīng)。智能陶瓷(Intelligentceramics)—自診斷、調(diào)節(jié)、恢復(fù)、轉(zhuǎn)換…智能機(jī)制主要并不是從多功能的角度，而是指自調(diào)節(jié)機(jī)制，利用上述材料做成傳感器和驅(qū)動(dòng)器，借助現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)感知的信息進(jìn)行處理并把指令反饋給驅(qū)動(dòng)器，從而作出靈敏、恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，當(dāng)外部刺激消除后又能迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。例如，CuO/ZnO兩者的p-n型接觸就是一種自恢復(fù)的濕敏元件。另一種自調(diào)諧機(jī)制是形狀記憶材料的形狀自我恢復(fù)。機(jī)敏蒙皮和換能器PVDF聚合物壓電體3-3PZT－聚合物復(fù)合材料PZT陶瓷0-3W－聚合物基底材料電極應(yīng)力傳感器致動(dòng)器反饋放大傳感器與致動(dòng)器的補(bǔ)償例如，能降低沉動(dòng)噪音和使流動(dòng)液體層流化的“機(jī)敏蒙皮”(SmartSkin)。由壓電傳感器、電子反饋系統(tǒng)和電致伸縮或壓電致動(dòng)器組成，壓電傳感器接受環(huán)境流體變化，致動(dòng)器即時(shí)動(dòng)作抵消或緩和湍流。多層復(fù)合材料過(guò)渡：柔性化各層采用不同的復(fù)合模式用于聲納技術(shù)(4)功能陶瓷的高頻化---微波介質(zhì)陶瓷諧振器件介質(zhì)波導(dǎo)微波天線(xiàn)微波濾波器介質(zhì)基片介質(zhì)電容器介質(zhì)波導(dǎo)(5)功能陶瓷的低維化和