功能陶瓷的制備成型與應(yīng)用培訓(xùn)課件：壓電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、磁性陶瓷

功能陶瓷的制備與應(yīng)用一、

壓電陶瓷二、半導(dǎo)體陶瓷三、磁性陶瓷功能陶瓷的制備與應(yīng)用1、壓電陶瓷概述壓電陶瓷是什么？壓電陶瓷是一種具壓電效應(yīng)的多晶體，因生產(chǎn)工藝和陶瓷相近而得名。一、壓電陶瓷壓電效應(yīng)是指某些介質(zhì)在力的作用下，產(chǎn)生形變，引起介質(zhì)表面帶電，這是正壓電效應(yīng)。反之，施加激勵電場，介質(zhì)將產(chǎn)生機械變形，稱逆壓電效應(yīng)。最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）。它是由碳酸鋇和二氧化鈦按等量摩爾分數(shù)混合后成形，并于1350oC左右燒結(jié)2~3h制成的。燒結(jié)后在BaTiO3陶瓷上被覆銀電極，在居里附近的溫度下開始加2000V/mm的直流電場，用在電場中冷卻的方式進行極化處理。極化處理后，剩余極化仍比較穩(wěn)定地存在，呈現(xiàn)出相當大的壓電性。2、壓電陶瓷材料目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT系列）,它是鈦酸鋇（BaTiO3）和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的Pb（ZrTi）O3。它有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。

鈮鎂酸鉛是20世紀60年代發(fā)展起來的壓電陶瓷。它由鈮鎂酸鉛(Pb（Mg·Nb）O3)、鋯酸鉛(PbZrO3)和鈦酸鉛(PbTiO3)按不同比例配成的不同性能的壓電陶瓷,具有極高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度,而且能承受較高的壓力。壓電陶瓷生產(chǎn)的主要工藝流程：配料——球磨——過濾、干燥——預(yù)燒——二次球磨——過濾、干燥——過篩——成型——排塑——燒結(jié)——精修——上電極——燒銀——極化——測試。CompanyLogo應(yīng)用分類

正壓電效應(yīng)將機械力轉(zhuǎn)換為電能，如點火裝置，拾音器等，是機電換能器

逆壓電效應(yīng)

主要用于壓電蜂鳴器，如音樂賀卡、門鈴和揚聲器等

3、壓電陶瓷的應(yīng)用壓電陶瓷風(fēng)扇壓電振動加速計壓電陶瓷繼電器壓電點火器壓電式觸屏

壓電陶瓷市場應(yīng)用二、半導(dǎo)體陶瓷1、半導(dǎo)體陶瓷的導(dǎo)電特性物質(zhì)可根據(jù)其導(dǎo)電性大小分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體，在室溫時如果按材料的電阻率大小一般為小劃分：導(dǎo)體ρ<10-2Ω·cm半導(dǎo)體10-2<ρ<109

Ω·cm絕緣體ρ>109

Ω·cm絕緣體又稱電介質(zhì)。大多數(shù)陶瓷是絕緣體，少數(shù)是導(dǎo)體，也有一部分是半導(dǎo)體。

半導(dǎo)體陶瓷就是指導(dǎo)電性介于導(dǎo)電和絕緣介質(zhì)之間的陶瓷材料。由于半導(dǎo)體陶瓷有獨特的電學(xué)性能，同時還具有優(yōu)良的機械性能、熱性能和良好的化學(xué)穩(wěn)定性、因而已成為當代科學(xué)技術(shù)中不可缺少的重要材料。如用于電動機、收錄機、計算機、復(fù)印機、變壓器、烘干機、暖風(fēng)機、電烙鐵、彩電消磁、燃料的發(fā)熱體、阻風(fēng)門、化油器、功率計、線路溫度補償?shù)?。陶瓷材料的結(jié)合鍵為離子鍵和共價鍵，它的導(dǎo)電載流子隨電場強度的溫度的變化而改變。在低溫弱電場作用下，主要是弱聯(lián)系填隙離子參加導(dǎo)電；隨電場強度增加，聯(lián)系強的基本離子也可能參加導(dǎo)電，高溫時呈現(xiàn)電子導(dǎo)電。按其載流子性質(zhì)不同，陶瓷材料的電導(dǎo)又分為電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo)。金屬材料的導(dǎo)電機制為自由電子電導(dǎo)，溫度升高增加晶格的熱振動，增大電子的散射幾率，降低電子的遷移率，使電導(dǎo)率減小。對于陶瓷材料，溫度升高，一方面使離子的擴散系數(shù)增大。另一方面有更多電子被激發(fā)到導(dǎo)帶上，雖然晶格熱振動的加劇能導(dǎo)致電子遷移率的降低，但由于前面兩個因素在半導(dǎo)體陶瓷中占支配地位，所以總的趨勢是電導(dǎo)率隨溫度升高而增大。某些陶瓷與金屬的電導(dǎo)率（κ）隨溫度的變化如下圖1985年才出現(xiàn)的一類新的半導(dǎo)體型非線性光學(xué)材料—半導(dǎo)體微晶摻雜玻璃，具有大的非線性（n=10-14m2/W)、幾十皮秒的快速響應(yīng)時間、室溫下操作以及成本低等優(yōu)點，使其在全光學(xué)開關(guān)、簡并四波混頻、光學(xué)雙穩(wěn)和光學(xué)相位共軛等光學(xué)信息處理和光計算中有著潛在用途。2、半導(dǎo)體摻雜陶瓷及其應(yīng)用半導(dǎo)體摻雜陶瓷舉例：基礎(chǔ)玻璃成分[w%]:SiO2[40~60];B2O3[0~10];Al2O3[0~2];P2O5[0~3];TiO2[1~10];F[0~2];Na2O+K2O[10~30];ZnO[10~30]。引入摻雜如CdO、CdCO3、CdS、S、Se等。采用弱還原氣氛熔制。該類陶瓷光譜特性重復(fù)性差，其原因是剝離熔制過程中摻質(zhì)組分揮發(fā)嚴重。F.G.West和Oram等認為摻質(zhì)引入原料的量是實際能保留下來量的10倍。影響揮發(fā)的因素很多，如玻璃組成、熔制溫度、摻質(zhì)組分的比例、氧化還原劑的引入、制備手段等。作者認為如采取密封熔制、低溫熔制或覆蓋分布加料等，可有效控制揮發(fā)。隨Se含量增加，帶隙能減少，光譜吸收帶邊緣向長波方向移動；隨Cd含量增加，帶隙能增加，吸收邊緣向短波方向移動；而S含量增加到一定量后，會使玻璃著成棕色調(diào)；Zn含量越過一定量時難于顯晶。玻璃經(jīng)成型、粗退火后于430~650oC，6~24h顯晶。微晶尺寸不僅決定于摻雜物比例，同時是顯晶溫度和時間的函數(shù)。溫度或時間增加均使微晶尺寸變大；而微晶越小，其帶隙越大。微晶平均直徑在2~8mm。其吸收邊緣呈臺階形，歸因陶瓷的量子限效應(yīng)，與非量子限玻璃相比，吸收難于飽和，大的飽和表明陶瓷中雜質(zhì)中心數(shù)目大，雜質(zhì)中心提供了第三能級，即增加光量子容量。陶瓷半導(dǎo)體元件是一種新型“電-火”轉(zhuǎn)換元件，它以陶瓷材料為基體，摻以適當比例的半導(dǎo)體材料，如TiO2、SiO2、Cu2O、Fe2O3等金屬氧化物，制成兩種形式：一種是經(jīng)過先制坯，按照規(guī)定工藝燒結(jié)成團塊式半導(dǎo)體；另一種則是在陶瓷基體上涂上半導(dǎo)體材料釉膜燒結(jié)而成的涂層式半導(dǎo)體。3、陶瓷半導(dǎo)體元件半導(dǎo)體陶瓷是一種異向性元件，在宏觀上不具有像晶體二極管那樣的單向?qū)щ娦?。但是由于它?nèi)部材料的異向性，使各部位的導(dǎo)電性極不均勻，并具有負溫度系數(shù)。只要給陶瓷半導(dǎo)體的兩端施加一定的電壓，電流就流過，但在其截面上的電流分布是極不均勻的。往往在呈現(xiàn)電阻極小的區(qū)域，電流密度很快上升，該區(qū)域就很快被加熱。由于材料本身具有負溫度系數(shù)，這個區(qū)域的電阻值隨著發(fā)熱而減小，使流過的電流繼續(xù)增長，更加發(fā)熱。當電流密度達到10-2~10-3A/cm2時，導(dǎo)致電子產(chǎn)生“雪崩”式熱游離，使溫度迅速上升，沿半導(dǎo)體表面形成火化放電。利用這一特性可以制成陶瓷半導(dǎo)體電嘴。陶瓷半導(dǎo)體電嘴具有如下特點:(1)放電電壓低，在130V以上就能表面放電；(2)放電火化能量大；(3)不受周圍介質(zhì)、溫度等影響，在水中、冰里均能正常發(fā)火，可在-55oC環(huán)境中冷啟動，也能在800oC環(huán)境中正常工作；(4)有很快的“自靜”作用，即油污和積碳經(jīng)表面強烈的放電作用而被清洗；(5)可以用于各種燃油的直接點火；(6)安全可靠、壽命長。利用陶瓷半導(dǎo)體電嘴可制成低壓高效能點火器。最先用于航空發(fā)動機的點火系統(tǒng)，現(xiàn)已廣泛用于電力鍋爐點火、石油管道加熱站、紡織印染行業(yè)中的煤氣加熱設(shè)備等方面。除了上面介紹的以外，半導(dǎo)體陶瓷還包括熱敏電阻、變阻器瓷、半導(dǎo)體電容器等。主要用在辦公自動化、汽車、通信、家庭自動化設(shè)備中。三、磁性陶瓷磁性陶瓷含鐵的鐵氧體陶瓷不含鐵的磁性陶瓷硬磁鐵氧體：不易磁化也不易消磁，主要用于鐵磁及磁存儲元件。軟磁鐵氧體：容易磁化及去磁，磁場方向可以變化，可用于對交變磁場響應(yīng)的電子部件。磁性陶瓷一般主要指鐵氧體，其分子式為多種，有MFe2O3,MFe2O4,

M3FeO12·MFeO3,

MFe12O19等,M代表一價或二價金屬離子Mg、Zn、Mn、Ba、Li或三價稀土離子Y，Sm等。（1）固體的磁性固體的磁性在宏觀上是以物質(zhì)的磁化率X來描寫的。對于處于外磁場強度為H中的磁介質(zhì)，其磁化強度M為M=XH磁化率為X=M/H=μ0M/B0式中μo---真空的磁導(dǎo)率，μo=4π×10-7H/m

Bo---磁場在真空中的磁感應(yīng)強度（T）。由上式得知材料中磁感應(yīng)強度為B=μo(H+M)=μo(1+X)H=μB0式中μ—磁導(dǎo)率，μ=1+X1、磁性陶瓷的磁學(xué)基本性能按照磁化率X的數(shù)值，固體的磁性可分成下面幾類：1)逆磁體：這類固體的磁化率是數(shù)值很小的負數(shù)，它幾乎不隨溫度變化。X的典型數(shù)值約-10-5。2)順磁體：其磁化率是數(shù)值較小的正數(shù)，它隨溫度T成反比關(guān)系，X=μoC/T，稱為居里定律，式中C是常數(shù)。3)鐵磁體：其磁化率是特別大的正數(shù)，在某個臨界溫度Tc以下，即使沒有外磁場，材料中也會出現(xiàn)自發(fā)磁化，在高于Tc的溫度，它變成順磁體，其磁化率服從居里-外斯定律X=μ0C/(T-Tc)（1）Tc稱為居里溫度或居里點。4)亞鐵磁體：這類材料在溫度低于居里點Tc時像鐵磁體，氮其磁化率不如鐵磁體那么大，它的自發(fā)磁化強度也沒有鐵磁體的大；在高于居里點的溫度時，它的特性逐漸變得像順磁體。5)反鐵磁體：其磁化率是小的正數(shù)。反鐵磁性和亞鐵磁性的物理本質(zhì)是相同的，即原子間的相互作用使相鄰自旋磁矩成反向平行。當反向平行的磁矩恰好相抵消時為反鐵磁性，部分抵消而存在合磁矩時為亞鐵磁性，所以，反鐵磁性是亞鐵磁性的特殊情況。亞鐵磁性和反鐵磁性，均要在一定溫度以下原子間的磁相互作用勝過熱運動的影響時才能出現(xiàn)，對于這個溫度，亞鐵磁體仍叫居里溫度（Tc），而反鐵磁體叫奈耳溫度（TN）。在這個臨界溫度以上，亞鐵磁體和反鐵磁體同樣轉(zhuǎn)為順磁體，但亞鐵磁體的磁化率X和溫度T的關(guān)系比較復(fù)雜，不滿足簡單的居里-外斯定律，反鐵磁體則在高于奈耳溫度以上（T>TN），磁化率隨溫度的變化仍可寫成居里-外斯定律的形式X=μo

C/(T+TN)（2）式（1）與式（2）的差別在于式（2）分母中TN前有（+）號，這說明反鐵磁體的磁化率有一個極大值。下圖表示在居里點或奈耳點以下時鐵磁性。反鐵磁性及亞鐵磁性的自旋排列。（2）磁滯回線表征磁性陶瓷材料各種主要特征的是下圖中所示的磁滯回線。圖中橫軸表示測量磁場H（外加磁場），縱軸表示磁感應(yīng)強度Bo磁介處于磁場H中，當外磁場H按照0→Hm→0→-Hc→-Hm→0→Hc→Hm方向變化時，次感應(yīng)強度B則按0→Bm→Br→0→-Bm→-Br→0→Bm順序變化。這里，把Hc稱為矯頑力（矯頑場），Hm稱為最大磁場，Br稱為剩余磁感應(yīng)強度，Bm稱為最大磁感應(yīng)強度（或叫飽和次感應(yīng)強度）。（3）磁導(dǎo)率μ磁導(dǎo)率是表征磁介質(zhì)磁化性能的一個物理量。鐵磁體的磁導(dǎo)率很大，且隨外磁場的強度而變化；順磁體和抗磁體的磁導(dǎo)率不隨外磁場而變化，前者略大于1，后者略小于1。對鐵磁體而言，從實用角度出發(fā)，希望磁導(dǎo)率越大越好。尤其現(xiàn)今，為適應(yīng)數(shù)字化趨勢，磁導(dǎo)率的大小已成為鑒別磁性材料性能是否優(yōu)良的主要指標。由磁化過程知道，疇壁移動和畤內(nèi)磁化方向旋轉(zhuǎn)越容易，磁導(dǎo)率μ值就越大。要獲得高μ值的磁性材料，必須滿足下列三個條件：1.不論在哪個晶向上磁化，磁能的變化抖不大（磁晶各向異性?。?.磁化方向改變時產(chǎn)生的晶格畸變?。ù胖律炜s?。?；3.材質(zhì)均勻，沒有雜質(zhì)（沒有氣孔、異相），沒有殘余應(yīng)力。如果以上三個條件均能滿足，磁導(dǎo)率μ就會很高，矯頑力Hc就會很小。金屬材料在高頻下，渦流損失大，μ值難以提高，而鐵氧體磁性陶瓷的μ值很高，即使在高頻下也能獲得很高的μ值。若能找到使磁晶各向異性常數(shù)K1和磁致伸縮系數(shù)λs同時變小的適合的化學(xué)組成，就可提高μ值。目前，鐵氧體可以獲得的最高μ值大約為40000，但實際應(yīng)用的工業(yè)產(chǎn)品，其μ≈15000.（4）最大磁能積（BH）max右圖的磁化曲線可以來說明最大磁能積的意義。把該圖第Ⅱ象限的磁化曲線相應(yīng)于A點下的(BH)乘積(即圖中劃斜線的矩形面積)稱為磁能積，退磁曲線上某點下的(BH)乘積的最大值與該磁體單位體積內(nèi)儲存的磁能的最大值成正比，因此用(BH)max表示最大磁能積。(BH)max隨鐵氧體種類而不同。鐵氧體陶瓷是以氧化鐵和其他鐵族、稀土氧化物為主要成分的復(fù)合氧化物，按晶體結(jié)構(gòu)可以把它的分成三大類：尖晶石型(MFe2O4)、石榴石型(R3Fe5O12)、磁鉛石型(MFe12O19)，其中M為鐵族元素，R為稀土元素。按鐵氧體的性質(zhì)及用途又可分為軟磁、硬磁、族磁、矩磁、壓磁、磁泡磁光及熱敏等鐵氧體。按其結(jié)晶狀態(tài)又可分為單晶和多晶體鐵氧體，按其外觀形態(tài)又可分為粉末、薄膜和體材等。2、磁性陶瓷的分類鐵氧體粉料的制備方法有氧化物法、鹽類熱分解法、共沉淀法和噴霧干燥法等。成型可采用干壓成型、磁場成型、亞熱鑄成型、沖壓成型、燒鑄成型等靜壓和擠壓成型等方法。燒結(jié)可分在空氣中，氣氛或熱壓中進行。性能良好的多晶取向鐵氧體采用磁場取向成型和熱壓法制造。此外，還可以用濺射法、化學(xué)氣象沉淀法及液相外延法等技術(shù)生產(chǎn)鐵氧體的單晶薄膜。而鐵氧體的多晶薄膜多采用電弧等離子體噴涂法、射頻濺射法、氣相法、噴霧熱分解法、涂覆或化學(xué)附著后燒成法及金屬真空蒸發(fā)高溫氧化方法來進行制備。（1）軟磁鐵氧體軟磁鐵氧體是目前各種鐵氧體中品種最多應(yīng)用最廣泛的一種磁性材料，其通式為M2+O·Fe2O3，特點是起始磁導(dǎo)率μo高，這樣對于相同電感量要求的線圈的體積可以縮小。3、磁性陶瓷材料及應(yīng)用軟磁鐵氧體主要用于各種電感線圈的磁芯、天線磁芯、變壓器磁芯、濾波器磁芯、錄音機和錄像機磁頭、電視機偏轉(zhuǎn)磁軛、磁放大器等，因此又稱軟磁鐵氧體為磁芯材料。（2）硬磁鐵氧體硬磁鐵氧體又稱永磁鐵氧體，其矯頑力Hc