第十講新型非金屬材料

5.2特種陶瓷5.2.2制造工藝③冷等靜壓成型單向加壓成型因壓力不均勻而使坯體易變形，難以保證質(zhì)量。各向等壓成型是一種均勻加壓法。先在300MPa壓力下預成型，然后在薄膜袋中，用水、甘油為介質(zhì)，在50MPa一400Mpa壓力下成型。（2）成型制備技術④熱壓鑄成型將原料粉末與粘結劑(如石蠟)混合，調(diào)制成塑性瓷科，用注射成型機把此料于130℃～300℃溫度注射入金屬模內(nèi)，形成瓷坯。⑤注漿成型將原料粉末、水(或甘油、酒精等)分散懸浮刑、粘結劑、除氣劑等制成一定濃度的料漿，注入石膏模內(nèi)，經(jīng)一定時向后形成注件，在室溫下干燥。當前第1頁\共有50頁\編于星期三\9點5.2特種陶瓷5.2.2制造工藝（3）燒結目的：增加致密度、機械強度、減少氣孔等。燒結是吉布斯函數(shù)降低的過程。其動力來自粉末顆粒內(nèi)外表面能的降低和晶格畸變能的降低。能否進行燒結的熱力學條件取決于晶界能與表面能之比。熱壓燒結反應熱壓燒結熱等靜壓燒結反應燒結法CVD法當前第2頁\共有50頁\編于星期三\9點5.2特種陶瓷5.2.2制造工藝（3）燒結方法熱壓燒結:已用于A12O3：陶瓷車刀的制備，在CaF2、PZT、Si3N4等材料生產(chǎn)中也有廣泛應用。

粉體置于壓模中，從上到下用10～50MPa的壓力，邊單軸加壓邊加熱到高溫的燒結方法稱熱壓燒結法。常用的模具材料有石墨、氧化鋁和碳化硅等，石墨可承受70MPa壓力，1500一2000℃高溫，A12O3?？沙惺?00MPa壓力。當前第3頁\共有50頁\編于星期三\9點5.2特種陶瓷5.2.2制造工藝（3）燒結方法反應熱壓燒結:

①相變熱壓燒結氧化鋯在相變溫度(800一1200℃)和0.3MPa壓力下，進行熱壓燒結可以在比正常燒結溫度低的情況下，幾十分鐘內(nèi)燒結出高穩(wěn)定性、高強度、高透明度的細晶陶瓷。在熱壓鑄過程中同時伴隨化學反應過程。②分解熱壓燒結含氫氧化物或水合物氧化物原料，在高溫過程中發(fā)生脫水或釋氣分解，此時施加合適的機械力進行熱壓燒結，則可在較低溫度、壓力和短時間內(nèi)獲得高密度、高強度的優(yōu)質(zhì)陶瓷。例如用鎂或鋁的氫氧化物(或硫酸鹽)來燒制氧化鎂、氧化鋁陶瓷，溫度在900一1200℃，加壓0.5h可獲得相對密度為99％以上的制品。

③分解合成熱壓燒結在熱壓鑄過程中既有分解反應又有合成反應。例如，Ba(OH)或BaCO3：分解的BaO與TiO2合成BaTiO3。

當前第4頁\共有50頁\編于星期三\9點5.2特種陶瓷5.2.2制造工藝（3）燒結方法熱等靜壓燒結:溫度更高

2000℃

，壓力更大50～200MPa。邊加熱邊各向施壓。通過多孔坯體同氣相或液相發(fā)生化學反應，使坯體質(zhì)量增加，孔隙減小。例如反應燒結氮化硅坯體中的Si、SiO2、和CaF2同氮反應生成Si2ON2。Si2ON2晶體從被氮飽和的玻璃相中析出，氮氧化硅的相對密度大于90％。反應燒結:當前第5頁\共有50頁\編于星期三\9點5.2特種陶瓷5.2.3結構陶瓷---工程陶瓷氧化物陶瓷

Al2O3陶瓷、ZrO2陶瓷非氧化物陶瓷

氮化物陶瓷、碳化物陶瓷性能評價

強度、硬度、韌性、耐溫、耐磨、耐蝕等當前第6頁\共有50頁\編于星期三\9點5.2特種陶瓷（1）功能陶瓷的應用5.2.4功能陶瓷當前第7頁\共有50頁\編于星期三\9點5.2特種陶瓷能夠?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。5.2.4功能陶瓷（3）壓電陶瓷正壓電效應介質(zhì)在受到機械壓力時，導致其表面帶電。逆壓電效應對介質(zhì)施加激勵電場，導致其產(chǎn)生機械變形。壓電陶瓷Pachinko游戲機（2）介電陶瓷特點是：體積小、耐熱性好、損耗小、絕緣電阻高，但容量小，適用于高頻高壓電路。當前第8頁\共有50頁\編于星期三\9點5.2特種陶瓷具有電光特性的陶瓷，光學性質(zhì)會隨外電場的變化而改變，表現(xiàn)出電控雙折射和電控散射。5.2.4功能陶瓷（4）光電陶瓷立體電視的原理立體電視奧秘在一副能分離左眼和右眼圖像的立體觀察鏡，這種觀察鏡的鏡片是用電光陶瓷制作的。當前第9頁\共有50頁\編于星期三\9點5.2特種陶瓷5.2.4功能陶瓷（5）磁性陶瓷鐵氧體磁性陶瓷由鐵和其它一種或多種金屬（Ba、Sr和稀土等）的氧化物組成的復合氧化物。電阻率比金屬磁性材料高，原料來源充足，生產(chǎn)方便，價低，在永磁、高頻軟磁、磁記錄等方面的應用發(fā)展很快。主要應用人造骨；人造齒；人造心臟瓣膜；人造關節(jié)；固定化酶載體等。（6）生物陶瓷當前第10頁\共有50頁\編于星期三\9點5.2特種陶瓷5.2.4功能陶瓷（6）生物陶瓷當前第11頁\共有50頁\編于星期三\9點5.3敏感材料5.3.1傳感器與敏感材料（1）敏感材料傳感器技術是現(xiàn)代科技的前沿技術，是信息技術的基礎。傳感器產(chǎn)業(yè)也是國內(nèi)外公認的具有發(fā)展前途的高技術產(chǎn)業(yè)。而敏感材料是傳感器獲取、感知和轉(zhuǎn)換有用信號的關鍵元件。光敏材料是利用半導體的光敏特牲制成的.半導體材料在光的激勵下,會產(chǎn)生更多的電子空穴對,致使導電能力增加,電阻率減小.由此可以制造出紫外光傳感器(CdS、ZnS等)、紅外光傳感器(PbS、PbTe等)等光敏傳感器。

敏感材料是指對電、光、聲、力、熱、磁、氣體分布等待測量的微小變化而表現(xiàn)出性能明顯改變的功能材料。（2）光敏材料當前第12頁\共有50頁\編于星期三\9點5.3敏感材料5.3.1傳感器與敏感材料（3）熱敏材料熱敏材料,顧名思義，就是電阻受溫度影響較大的材料。

一般電阻都會受溫度影響，但是熱敏材料肯定是影響較大的。

熱敏電阻包括正溫度系數(shù)（PTC）和負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻，以及臨界溫度熱敏電阻（CTR）．它們的電阻-溫度特性不同．熱敏電阻的主要特點是：①靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10～100倍以上，能檢測出10-6℃的溫度變化；②工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55℃～315℃，高溫器件適用溫度高于315℃（目前最高可達到2000℃），低溫器件適用于-273℃～55℃；③體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度

當前第13頁\共有50頁\編于星期三\9點5.3敏感材料5.3.1傳感器與敏感材料（3）熱敏材料正溫度特性（PTC）——溫度升高，電阻增大如BaTiO3基PTC負溫度特性（NTC）——溫度升高，電阻減小如SnO2基陶瓷當前第14頁\共有50頁\編于星期三\9點5.3敏感材料5.3.1傳感器與敏感材料（4）力敏材料（5）磁敏材料（6）濕敏材料（8）氣敏材料（7）聲敏材料當前第15頁\共有50頁\編于星期三\9點5.3敏感材料5.3.2常用傳感器（1）常用傳感器的變換功能與材料當前第16頁\共有50頁\編于星期三\9點5.3敏感材料5.3.2常用傳感器（2）化學傳感器對各種化學物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進行檢測的儀器?？捎糜跍y量溶液的pH值、電導率、溶解氧和溫度一氧化碳氣敏傳感器

當前第17頁\共有50頁\編于星期三\9點5.4激光材料5.4.1激光原理激光晶體愛因斯坦在玻爾工作的基礎上于1916年發(fā)表《關于輻射的量子理論》。文章提出了激光輻射理論，而這正是激光理論的核心基礎。因此愛因斯坦被認為是激光理論之父。在這篇論文中，愛因斯坦區(qū)分了三種過程：受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射。

受激吸收就是處于低能態(tài)的原子吸收外界輻射而躍遷到高能態(tài)；自發(fā)輻射是指高能態(tài)的原子自發(fā)地輻射出光子并遷移至低能態(tài)。受激輻射是指處于高能級的原子在光子的“刺激”或者“感應”下，躍遷到低能級，并輻射出一個和入射光子同樣頻率的光子。

受激輻射的最大特點是由受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受激輻射的原來的光子具有完全相同的狀態(tài)。它們具有相同的頻率，相同的方向。這種受到激發(fā)而產(chǎn)生的平行性極好的單色光束稱為激光。當前第18頁\共有50頁\編于星期三\9點輸出5.4激光材料5.4.1激光原理全反鏡

工作物質(zhì)部分反射鏡紅寶石激光器當前第19頁\共有50頁\編于星期三\9點5.4激光材料5.4.2激光工作物質(zhì)1.氣體—He-Ne激光器2.固體—紅寶石3.液體—染料激光器用于產(chǎn)生激光的材料稱激光工作物質(zhì)在一定范圍內(nèi)可以連續(xù)改變激光輸出波長的激光器稱為可調(diào)諧激光器實現(xiàn)激光波長調(diào)諧的原理大致有三種。大多數(shù)可調(diào)諧激光器都使用具有寬的熒光譜線的工作物質(zhì)。構成激光器的諧振腔只在很窄的波長范圍內(nèi)才有很低的損耗。

第一種是通過某些元件（如光柵）改變諧振腔低損耗區(qū)所對應的波長來改變激光的波長。第二種是通過改變某些外界參數(shù)（如磁場、溫度等）使激光躍遷的能級移動。第三種是利用非線性效應實現(xiàn)波長的變換和調(diào)諧。屬于第一種調(diào)諧方式的典型激光器有染料激光器、金綠寶石激光器、色心激光器、可調(diào)諧高壓氣體激光器和可調(diào)諧準分子激光器。

當前第20頁\共有50頁\編于星期三\9點5.4激光材料5.4.2激光工作物質(zhì)光纖激光器結構圖當前第21頁\共有50頁\編于星期三\9點5.5光導纖維當前第22頁\共有50頁\編于星期三\9點5.5光導纖維光纖工作過程當前第23頁\共有50頁\編于星期三\9點5.5光導纖維5.5.1光導纖維及光導原理光導纖維是一種由折射率較大的纖芯和折射率較小的包層構成的可以自由彎曲的導光材料。光纖的作用是將始端的入射光線傳輸?shù)浇K端，利用光來傳輸信息和圖像。例如在光通信電話網(wǎng)中，利用送話器的微音器把聲音變?yōu)殡娦盘?，再由發(fā)光元件把電信號變成光信號，這種光信號由光導纖維傳遞到受話的一方，通過受光元件恢復成電信號，使受話器的話筒(揚聲器)嗚叫。

當前第24頁\共有50頁\編于星期三\9點5.5光導纖維5.5.1光導纖維及光導原理導光原理－－－全反射(實際利用折射的原理)全反射即光從光密介質(zhì)(折射率n大的介質(zhì))射到光疏介質(zhì)(折射率n小的介質(zhì))的界面時，全部反射回原介質(zhì)的現(xiàn)象。光導纖維，就是利用纖芯和包層折射率的差別，依靠全反射的原理實現(xiàn)光信息傳輸?shù)摹?/p>

用一束光導纖維導光時，只要入射角選擇適當，使其大干臨界角，則入射光線在光導纖維芯體內(nèi)部界面上會產(chǎn)生全反射，而全反射光線又以同樣的角度在對面界面上發(fā)生第二次全反射，這樣經(jīng)過多次全反射后，就可以將光從一端輸送到另一端，用以傳導信息和圖像當前第25頁\共有50頁\編于星期三\9點5.5光導纖維5.5.2光纖材料目前光纖通訊材料主要用高透明度的二氧化硅材料，可用化學蒸汽沉積法(CVD)制成純二氧化硅。近年來還有新的光纖材料，如ZrF4、LaF3和BaF2二元混合體的氟玻璃，其性能優(yōu)于二氧化硅，光損失更小，上萬公里光信號傳輸不需要任何中繼站。

此外還有晶體光纖和聚合物光纖。我們平時家里拉網(wǎng)線是雙膠線，傳輸介質(zhì)一般是銅線。而光纖，用到的是玻璃纖維，所以速度比雙膠線要快得多，而損耗要比雙膠線小。寬帶使用平常的電話線就可以了；光纖屬于專線，速度快、費用貴。研究光纖材料主要是減少光損耗和色散。

色散的大小，影響到一根光纖中同時傳輸?shù)墓庑畔⒘康娜萘?。復色光分解為單色光而形成光譜的現(xiàn)象叫做光的色散。

當前第26頁\共有50頁\編于星期三\9點5.5光導纖維5.5.3石英光纖材料及制備石英光纖的組成以SiO2為主，添加少量的GeO2、P2O5及F等以控制光纖的折射率。它具有資源豐富、化學性能極其穩(wěn)定、膨脹系數(shù)小，容易在高溫下加工且光纖的性能不隨溫度而改變等優(yōu)點。1.化學氣相沉積法當前第27頁\共有50頁\編于星期三\9點5.5光導纖維5.5.3石英光纖材料及制備（1）MCVD法氯化物和氧氣從石英管的一端饋入管中，在噴燈提供的高溫下反應，在噴燈的下游所生成的煙灰狀二氧化硅和二氧化鍺亞微米顆粒沉積于石英管的內(nèi)壁上。當噴燈經(jīng)過沉積物時，它們就被凝固為固態(tài)的玻璃。?通過改變硅、鍺氯化物的比例，可形成折射率梯度（更多的鍺，更高的折射率）。GeCl4+O2

→GeO2+2Cl2SiCl4+O2

→SiO2+2Cl2當前第28頁\共有50頁\編于星期三\9點5.5光導纖維5.5.3石英光纖材料及制備MCVD法工藝當前第29頁\共有50頁\編于星期三\9點5.5光導纖維5.5.3石英光纖材料及制備（2）OVD法(外部氣相沉積法)將SiCl4等噴射人氫氧焰中，加水進行分解反應。形成的氧化物微粉沉積在耐高溫的中心材料周圍。用這種方法可以獲得類似于粉筆的多孔性玻璃體，然后再取出中心棒材加熱，便可得到適明的母體材料。它的折射率分布也是通過控制每一玻璃層中GeO2等添加量來調(diào)節(jié)的。

SiCl4+2H2O→SiO2+4HCl當前第30頁\共有50頁\編于星期三\9點5.5光導纖維5.5.3石英光纖材料及制備OVD法工藝當前第31頁\共有50頁\編于星期三\9點5.5光導纖維5.5.3石英光纖材料及制備（3）VAD法(垂直軸向氣相沉積)沿軸向沉積的。它與氣相外延沉積法的相同點是，都是用氫氧焰獲得氧化物粉末，再將這些粉末用氫氧焰從石英玻璃棒下端表面噴吹沉積而獲得多孔的玻璃母體。通過安裝在其上方的電路加熱到1500℃，便得到透明的玻璃母體。母體材料在石墨電阻爐內(nèi)加熱到2100℃后軟化，由拉絲裝置進行拉絲，可形成外徑約125p航的光纖。SiCl4+2H2O→SiO2+4HCl當前第32頁\共有50頁\編于星期三\9點5.5光導纖維5.5.3石英光纖材料及制備VAD法工藝當前第33頁\共有50頁\編于星期三\9點5.5光導纖維5.5.3石英光纖材料及制備2.拉絲當前第34頁\共有50頁\編于星期三\9點5.5光導纖維5.5.3石英光纖材料及制備其一端加工成圓錐形并接上一小段石英棒的預制棒固定于預制棒饋入器上，當錐形端饋入至溫度約2200oC的拉絲爐中一定時間后，一個溶化的垂體形成并下落，隨著下落，一根細的光纖就形成了。2.拉絲2000℃左右加熱熔化預型件拉絲過程最重要的是控制纖維直徑的恒定。為此必須嚴格穩(wěn)定爐溫和控制氣氛的變化當前第35頁\共有50頁\編于星期三\9點5.5光導纖維5.5.4光纜塑料加強件位于幾根心線之間，起支撐、防止光纖斷裂的作用。心線緊圍在塑料加強件周圍，但其周圍仍有許多空隙，必須用填充物將光纜內(nèi)的空隙填滿，以阻止外界水分子的滲入。此外，還有其它防水涂層。光纜的最外層大多是塑料、橡膠護套，多用聚乙烯塑料護套。

光纜示意圖當前第36頁\共有50頁\編于星期三\9點5.5光導纖維5.5.4光纜光纖(心線)一般分為三層：中心高折射率玻璃芯（芯徑一般為50或62.5μm），中間為低折射率硅玻璃包層（直徑一般為125μm），最外是加強用的樹脂涂層光纖(心線)示意圖1--纖芯；2--包層；3--一次涂層(有機硅樹脂等)；4--緩沖層(低密度硅樹酯等)；5--套塑層(尼龍-12,聚丙烯等).當前第37頁\共有50頁\編于星期三\9點5.6超導材料5.6.1超導現(xiàn)象導體材料電阻突然消失、變?yōu)?的現(xiàn)象。1911年，荷蘭著名低溫物理學家卡末林·昂尼斯在觀察低溫下水銀電阻的變化時，偶然發(fā)現(xiàn)在絕對溫度4.2K時，水銀的電阻突然消失了，這是人類初次發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象。

超導現(xiàn)象超導體處于超導狀態(tài)時，電阻完全消失，若用它組成閉合回路，一旦在回路中有電流，則回路中沒有電能的消耗，不需要任何電源補充能量，電流可以持續(xù)存在，形成持久電流。因此超導體內(nèi)部ρ→0，E=0，超導體是一個等勢體。

1.超導概念當前第38頁\共有50頁\編于星期三\9點5.6超導材料5.6.1超導現(xiàn)象1.超導概念當前第39頁\共有50頁\編于星期三\9點5.6超導材料5.6.1超導現(xiàn)象1913年，昂尼斯發(fā)現(xiàn)，當超導鉛線中的電流密度超過某一臨界值jc(臨界電流密度)時，鉛線就轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。1914年，他從實驗中發(fā)現(xiàn)，材料的超導狀態(tài)可以被外加磁場破壞而轉(zhuǎn)入正常態(tài)，這種破壞超導態(tài)所需的最小磁場強度稱為臨界磁場，以Hc表示。

超導態(tài)有三個臨界條件：臨界溫度Tc，臨界磁場Hc和臨界電流密度jc，它們之間密切相關，我們可以用下面的三維相圖表示它。2.臨界磁場與臨界電流密度

(曲面內(nèi)：超導狀態(tài)曲面外：正常狀態(tài))

當前第40頁\共有50頁\編于星期三\9點5.6超導材料5.6.1超導現(xiàn)象

如果將一超導體樣品放入磁場中，由于樣品的磁通量發(fā)生了變化，樣品的表面產(chǎn)生感生電流，這電流將在樣品內(nèi)部產(chǎn)生磁場，完全抵消掉內(nèi)部的外磁場，使超導體內(nèi)部的磁場為零。這就是超導體的完全抗磁性。超導體的抗磁性可用右圖來表示。小磁鐵懸浮在Ba-La-Cu-O超導體圓片（浸在液氮中）上方的照片。

3.邁斯納效應—完全抗磁性當前第41頁\共有50頁\編于星期三\9點5.6超導材料5.6.1超導現(xiàn)象磁懸浮列車是一種利用磁極吸引力和排斥力的高科技交通工具。簡單地說，排斥力使列車懸起來、吸引力讓列車開動。磁懸浮列車上裝有電磁體，鐵路底部則安裝線圈。通電后，地面線圈產(chǎn)生的磁場極性與列車上的電磁體極性總保持相同，兩者“同性相斥”，排斥力使列車懸浮起來。鐵軌的兩側線圈，交流電使線圈變?yōu)殡姶朋w。它與列車上的電磁體相互作用，使列車前進。

磁懸浮列車當前第42頁\共有50頁\編于星期三\9點5.6超導材料5.6.1超導現(xiàn)象超導磁懸浮列車原理示意圖世界第一條磁懸浮列車示范運營線——上海磁懸浮列車，建成后，從浦東龍陽路站到浦東國際機場，三十多公里只需6～7分鐘。磁懸浮列車有許多優(yōu)點：列車在鐵軌上方懸浮運行，鐵軌與車輛不接觸，不但運行速度快，能超過500千米／小時，而且運行平穩(wěn)、舒適，易于實現(xiàn)自動控制；無噪音，不排出有害的廢氣，有利于環(huán)境保護；

當前第43頁\共有50頁\編于星期三\9點5.6超導材料5.6.2低Tc材料大多數(shù)金屬和合金的超導臨界溫度Tc都在20K以下，因而稱為低Tc材料自1911年發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象Hg的Tc＝4.2K以來，直到1986年1月前，經(jīng)過了75年的奮斗，能得到的最好的材料仍然是1973年發(fā)現(xiàn)的Tc＝23.2K的Nb3Ge，也就是說，超導材料的Tc只提高了19K。

對于低Tc材料，實現(xiàn)超導現(xiàn)象，只有使用液氦制冷。液氦的來源、價格、制冷成本限制了低Tc材料的應用。研究高Tc材料，在更高溫度下實現(xiàn)超導現(xiàn)象一直是科學家的研究夢想。當前第44頁\共有50頁\編于星期三\9點5.6超導材料5.6.3高Tc材料1986年人們終于發(fā)現(xiàn)了臨界溫度在液氦沸點以上的高溫超導體（HTS），這大大的推動了高溫超導材料的研究。高Tc材料主要是氧化物超導體。其研究發(fā)展迅速，到目前為止，已可以實現(xiàn)室溫大約14℃左右的超導現(xiàn)象。高溫氧化物超導體的出現(xiàn)，突破了溫度壁壘，把超導應用的溫度從液氦提高到了液氮（77K）溫區(qū)。同液氦相比，液氮是一種非常經(jīng)濟的冷媒，并且具有較高的熱容量，給工程應用帶來了極大的方便。

當前第45頁\共有50頁\編于星期三\9點5.6超導材料5.6.3高Tc材料超導材料研究進展高Tc材料研究大致進展如右。從超導技術發(fā)展的歷程來看，新的更高Tc材料的發(fā)現(xiàn)和制造工藝技術突破都有可能。目前高溫超導材料正從研究階段向應用發(fā)展階段轉(zhuǎn)變，未來的十年可能會是市場發(fā)展和高Tc材料產(chǎn)業(yè)化的十年。目前世界上已形成每年約20億美元的超導產(chǎn)業(yè)市場，主要是低溫超導材料。據(jù)近幾年國際超導工業(yè)高峰會議預測，到2000年及2010年世界超導工業(yè)市場將分別達到76億美元及370億美元/年。人們有理由相信，再過15年，即超導體發(fā)現(xiàn)100年的時候，將會在高溫超導機制，更高Tc超導體探索以及高溫超導應用等方面取得重大進展。當