功能陶瓷材料

1關(guān)于功能陶瓷材料25.1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

第2頁,共94頁，2024年2月25日，星期天35.1.1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，在我國的文化和發(fā)展史上占有極其重要的地位。第3頁,共94頁，2024年2月25日，星期天4

陶瓷的研究進(jìn)程分為三個(gè)階段新石器時(shí)代先進(jìn)陶瓷階段納米陶瓷階段第4頁,共94頁，2024年2月25日，星期天5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。第5頁,共94頁，2024年2月25日，星期天6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，可增加陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣性能。第6頁,共94頁，2024年2月25日，星期天7

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—成形一煅燒等過程制成的。如常見的日用陶瓷、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。第7頁,共94頁，2024年2月25日，星期天8

先進(jìn)陶瓷階段20世紀(jì)以來，隨著人類對宇宙的探索、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，對陶瓷材料均提出越來越高的要求。從而，促使陶瓷材料發(fā)展成為一系列具有特殊功能的無機(jī)非金屬材料。第8頁,共94頁，2024年2月25日，星期天9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。第9頁,共94頁，2024年2月25日，星期天10

先進(jìn)陶瓷（Advancedceramics）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(FineCeramics)、新型陶瓷(NewCeramics)、特種陶瓷(SpecialCeramics)和高技術(shù)陶瓷(High-Tech.Ceramics)等。第10頁,共94頁，2024年2月25日，星期天11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。第11頁,共94頁，2024年2月25日，星期天12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)方法制造的無機(jī)非金屬固體材料和制品的統(tǒng)稱。第12頁,共94頁，2024年2月25日，星期天13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。第13頁,共94頁，2024年2月25日，星期天145.1.2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(Structralceramics)和功能陶瓷(FunctionalCeramics)兩大類。第14頁,共94頁，2024年2月25日，星期天15

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)來實(shí)現(xiàn)某種使用功能的先進(jìn)陶瓷(現(xiàn)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。第15頁,共94頁，2024年2月25日，星期天16通過對復(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始從經(jīng)驗(yàn)式的探索逐步走向按所需性能來進(jìn)行材料設(shè)計(jì)。第16頁,共94頁，2024年2月25日，星期天175.1.3、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，又必須針對具體應(yīng)用，去改善、提高某種有效的性能，以獲得有某種功能的陶瓷材料。第17頁,共94頁，2024年2月25日，星期天18一般來說，要從性能的改進(jìn)來改善陶瓷材料的功能，需從以下兩個(gè)方面入手：①通過改變外界條件，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。②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。第18頁,共94頁，2024年2月25日，星期天19

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。無論是改變組成還是改變工藝，最終都是通過材料微觀結(jié)構(gòu)的變化，才能體現(xiàn)出宏觀的功能變化。第19頁,共94頁，2024年2月25日，星期天20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。第20頁,共94頁，2024年2月25日，星期天21陶瓷功能與組成、工藝、性能、結(jié)構(gòu)的關(guān)系第21頁,共94頁，2024年2月25日，星期天225.1.4、功能陶瓷的應(yīng)用和展望

功能陶瓷的不斷開發(fā)，對科學(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、轉(zhuǎn)換、傳輸、處理和存儲(chǔ)等，并已在電子信息、集成電路、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。第22頁,共94頁，2024年2月25日，星期天23

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)功能陶瓷對外場條件的敏感效應(yīng)，則可制備熱敏、氣敏、濕敏、壓敏、磁敏和光敏等敏感陶瓷。第23頁,共94頁，2024年2月25日，星期天24

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。

第24頁,共94頁，2024年2月25日，星期天255.1.5、制備陶瓷材料的原料

陶瓷材料制品由多相的無機(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原料的要求很高，需要采用均一且高純度的人工合成原料。第25頁,共94頁，2024年2月25日，星期天26(一)原料分類①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。②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。

③根據(jù)原料的礦物組成分為：黏土質(zhì)原料、硅質(zhì)原料、長石質(zhì)原料、鈣質(zhì)原料、鎂質(zhì)原料。④根據(jù)原料獲得的方式分為：礦物原料、化工原料。第26頁,共94頁，2024年2月25日，星期天27綜合陶瓷制品對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

熔劑原料第27頁,共94頁，2024年2月25日，星期天28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。

第28頁,共94頁，2024年2月25日，星期天29(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。我國黏土原料資源豐富，產(chǎn)地遍及全國。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)方面來進(jìn)行分析。第29頁,共94頁，2024年2月25日，星期天30

黏土的性質(zhì)黏土的性質(zhì)對陶瓷的生產(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。第30頁,共94頁，2024年2月25日，星期天31

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)和瓷器中莫來石晶體的主要來源。第31頁,共94頁，2024年2月25日，星期天32(三)石英類原料①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。第32頁,共94頁，2024年2月25日，星期天33②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，一般酸類對它都不產(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)。第33頁,共94頁，2024年2月25日，星期天34③石英在陶瓷生產(chǎn)中的作用1)在燒成前是瘠性原料，可對泥料的可塑性起調(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。

第34頁,共94頁，2024年2月25日，星期天35(四)長石類原料

長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。長石的種類和一般性質(zhì)：長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)，長石可分為四種基本類型：鈉長石、鉀長石、鈣長石和鋇長石。第35頁,共94頁，2024年2月25日，星期天36長石在陶瓷生產(chǎn)中的作用如下：①長石在高溫下熔融，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。②熔融后的長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)莫來石晶體的形成和長大，賦予了坯體的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。③長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。④在釉料中長石是主要熔劑。⑤長石作為瘠性原料，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。第36頁,共94頁，2024年2月25日，星期天37(五)其他礦物原料

含堿硅酸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

第37頁,共94頁，2024年2月25日，星期天385.2、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)用第38頁,共94頁，2024年2月25日，星期天395.2.1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。第39頁,共94頁，2024年2月25日，星期天40即，電子技術(shù)中首先要求絕緣材料不導(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。第40頁,共94頁，2024年2月25日，星期天41

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(

)>=1012

·cm

相對介電常數(shù)(

r)<=30

損耗因子(tg

)<=0.001

介電強(qiáng)度(DS)>=5.0kV/mm第41頁,共94頁，2024年2月25日，星期天42

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)中所起的作用是前者無法比擬的。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。第42頁,共94頁，2024年2月25日，星期天435.2.2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

第43頁,共94頁，2024年2月25日，星期天44一、

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)帶之間的距離稱之為禁帶寬度。第44頁,共94頁，2024年2月25日，星期天45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零度時(shí)才能獲得。第45頁,共94頁，2024年2月25日，星期天46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。它主要是通過離子擴(kuò)散而發(fā)生的電導(dǎo)行為。第46頁,共94頁，2024年2月25日，星期天47一般情況下，離子電導(dǎo)率

i表示如下:

i=n.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。第47頁,共94頁，2024年2月25日，星期天48下式給出了

i的具體表達(dá)式：

i=qDi/kT式中，Di——離子的擴(kuò)散系數(shù)

k—玻耳茲曼常數(shù)，

T—絕對溫度(K)。

而Di可由下式給出：Di=Aexp(-E/kT)式中，E--激活能A--頻率系數(shù)。第48頁,共94頁，2024年2月25日，星期天49

i=nqi

i=qDi/kTDi=Aexp(-E/kT)

ln

i

常數(shù)－E/kT

i=nq{q[Aexp(-E/kT)]/kT}=(Anq2/kT)exp(-E/kT)第49頁,共94頁，2024年2月25日，星期天50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由下式第50頁,共94頁，2024年2月25日，星期天51

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=nq{q[Aexp(-E/kT)]/kT}第51頁,共94頁，2024年2月25日，星期天52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)，使材料的絕緣性能劣化。第52頁,共94頁，2024年2月25日，星期天53二、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。第53頁,共94頁，2024年2月25日，星期天54固體內(nèi)部存在的氣孔對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以防止污染和吸潮。

第54頁,共94頁，2024年2月25日，星期天55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。第55頁,共94頁，2024年2月25日，星期天565.2.3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)展起來的，第56頁,共94頁，2024年2月25日，星期天57目前應(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。

第57頁,共94頁，2024年2月25日，星期天585.2.4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年美國在電力輸電線路中開始使用陶瓷絕緣子，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。第58頁,共94頁，2024年2月25日，星期天59隨著電子工業(yè)的發(fā)展，集成電路、大規(guī)模集成電路以及超大規(guī)模集成電路相繼問世，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)。第59頁,共94頁，2024年2月25日，星期天60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。對于如此高密度的集成電路，其散熱及熱控制勢必成為確保此類電路可靠性的重要因素。于是，近10年來，高絕緣、高熱導(dǎo)的SiC瓷與AlN瓷被研究與開發(fā)。第60頁,共94頁，2024年2月25日，星期天61

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。第61頁,共94頁，2024年2月25日，星期天62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。第62頁,共94頁，2024年2月25日，星期天635.3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、多孔陶瓷的制備

5.3.4、多孔陶瓷的應(yīng)用第63頁,共94頁，2024年2月25日，星期天645.3.1、概述

多孔陶瓷是一種經(jīng)高溫?zé)?、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適當(dāng)?shù)墓に囍瞥啥嗫左w。第64頁,共94頁，2024年2月25日，星期天65根據(jù)成孔方法和孔隙結(jié)構(gòu)，多孔陶瓷可分為三類：①粒狀陶瓷；②泡沫陶瓷；③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/%80~907030~50第65頁,共94頁，2024年2月25日，星期天66根據(jù)孔徑大小，陶瓷可分為1000um到幾十微米的粗孔制品0.2~20um的微孔制品0.2um到幾納米的超微孔制品第66頁,共94頁，2024年2月25日，星期天67多孔陶瓷材料的特性

①化學(xué)穩(wěn)定性好；②具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和剛度；③耐熱性好；④具有高度開口、內(nèi)連的氣孔；⑤幾何表面積與體積比高；⑥孔道分布較均勻，氣孔尺寸可控。第67頁,共94頁，2024年2月25日，星期天685.3.2、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)來表征多孔陶瓷材料特性：

①氣孔率；②平均孔徑、最大孔徑和孔道長度；③滲透能力。第68頁,共94頁，2024年2月25日，星期天69①氣孔率

把開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粒子堆積而形成孔道。第69頁,共94頁，2024年2月25日，星期天70

多孔陶瓷的平均孔徑可以用水銀壓入法、氣泡法等方法來進(jìn)行測試。

測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，通過毛細(xì)管時(shí)，將遵循下式：②平均孔徑、最大孔徑和孔道長度第70頁,共94頁，2024年2月25日，星期天71式中，D--毛細(xì)管直徑；

--流體的表面張力；

P--使流體通過毛細(xì)管所需之壓力;

--流體的材料的浸潤角。第71頁,共94頁，2024年2月25日，星期天72一般認(rèn)為，多孔材料用于液體過濾時(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濾時(shí)，被濾阻的粒子尺寸為最大孔徑的1／20。第72頁,共94頁，2024年2月25日，星期天73③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流體的能力，一般用透氣度或滲透率來表征。第73頁,共94頁，2024年2月25日，星期天745.3.3、多孔陶瓷的制備1粒狀陶瓷的制備2蜂窩陶瓷的制備3泡沫陶瓷的制備第74頁,共94頁，2024年2月25日，星期天75

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。第75頁,共94頁，2024年2月25日，星期天76

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，形成連通開孔。第76頁,共94頁，2024年2月25日，星期天77

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；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)體無大差別。第77頁,共94頁，2024年2月25日，星期天782.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孔，孔徑1~10mm的薄壁多孔結(jié)構(gòu)。第78頁,共94頁，2024年2月25日，星期天793.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。第79頁,共94頁，2024年2月25日，星期天80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。第80頁,共94頁，2024年2月25日，星期天81

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，而且沒有過量的排液。

陶瓷料漿組成，通常為固體粉末(％重量)＋10％～40％水。為了獲得更好的性能，可分別添加＜15％的莫來石、二氧化鋯、氧化鎂。一種陶瓷料漿的組成，見下表所示：第81頁,共94頁，2024年2月25日，星期天82陶瓷料漿的組成原料一般含量/%較好含量/%Al2O3Cr2O3AlPO4膨潤土高嶺土40~951~250.1~120.1~122.1~2545~5510~170.5~22~512~17第82頁,共94頁，2024年2月25日，星期天83

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---與膨潤土有相似作用；AlPO4---是一種空氣固化劑或粘結(jié)劑，無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。第83頁,共94頁，2024年2月25日，星期天845.3.4多孔陶瓷的應(yīng)用1在金屬熔體過濾凈化技術(shù)中的應(yīng)用