功能陶瓷材料总复习

功能陶瓷材料总复习绪论什么是功能陶瓷？常见的功能陶瓷的分类、特性与用途。1、定义：指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类 陶瓷。2、分类：电容器陶瓷、压电、铁电陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、导电、超导陶瓷、生物与 抗菌陶瓷、发光与红外辐射陶瓷、多孔陶瓷。3、特性：性能稳定性高、可靠性好、资源丰富、成本低、易于多功能转化和集成化等4 用途：在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空 航天、国防等部门均发挥着重要作用。举例：电容器陶瓷、谐振器元器件基材料、压电式动 态力传感器、压电式振动加速度传感器。介电陶瓷 以感应的方式对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材 料称为电介质各种极化机制以及频率范围。极化机制：电子极化、离子极化、偶极子极化、空间电荷极化频率范围：铁电体，晶体在某温度范围内具有自发极化Ps,且自发极化Ps的方向能随外电场而取向,称为铁电体。 材料的这种性质称为铁电性。电畴:铁电体中自发极化方向一致的微小区域铁电体的特性：铁电体特性包括电滞回线Hysteresis loop、电畴Domains、居里点Tc及居里 点附近的临界特性。电滞回线：铁电体的P滞后于外电场E而变化的轨迹（如图居里点Tc:顺电相一铁电相的转变温度TTc顺电相 TTc 存在Ps和电滞回线。频率色散(Frequency Dispersion)高介电常数，大的应变复合钙钛矿: 晶胞中某一个或几个晶格位置被 2 种以上离子所占据XT (附皿,一Mg,Z丹,丽+,治Pb(Mgl/3Nb2J3)O3 刊(勺肆仏)3介电陶瓷的改性机理。1、居里区与相变扩张: 热起伏相变扩张、应力起伏相变扩张、成分起伏相变扩散、结构起伏相变扩张2、铁电陶瓷居里峰的展宽效应:展宽效应是指铁陶瓷的&与温度关系中的峰值扩张的尽可能的宽旷，平坦，即不仅使居里峰 压低，而且要使峰的肩部上举，从而使材料具有较小的温度系数a,又具有较大的&值。 固溶缓冲型展宽效应和粒界缓冲型展宽效应。3、铁电陶瓷居里峰移动效应：铁电体居里点及其他转折点，随着组成成分的变化，作有规 律地移动现象。移动效应仅仅指Tc及其它转变点位置移动，而e-T曲线形状不变。对BaTiO3来说，主要 指Tc的移动（居里峰的移动）。4、铁电陶瓷重叠效应：重叠效应表象上是转变点的重合，&峰值的重叠，而本质上 是结构上的相互重叠。半导体介质：按其结构、工艺可分为三类：表面阻挡层型，表面还原再氧化和电价补偿型晶 界层型反铁电体：反铁电体是这样一些晶体，晶体结构与同型铁电体相近，但相邻离子沿反平行方 向产生自发极化，净自发极化强度为零，不存在类似于铁电中的电滞回线。MLCC：多层片式陶瓷元器件，MLCC的主要趋势是发展微型化、大容量的以贱金属镍为内电 极的 BME、 MLCC, 介质层。微波介质陶瓷定义：是指应用于微波频段（主要是UHF、SHF频段）电路中作为介质材料并完成一种或多 种功能的陶瓷主要性能要求：1、高的介电常数，以利于器件的小型化、2、高的品质因子，保证优良的选频特性、3、尽可能低小的谐振频率温度系数，以确保搞定频率稳定性。微波介质陶瓷大致可以分为以下三大类：低介电常数类、中介电常数类、高介电常数类1、低介电常数类微波介质陶瓷的介电常数为2530,Q=（13）x104 （在flOGHz下），t/ =0。 主要应用于厘米、毫米波段使用的卫星通讯以及军事应用等通讯系统。如钡基复合钙钛矿陶 瓷 Ba（B1/3B2/3）O32、中等介电常数类是指其介电常数介于3O-7O之间的微波介质陶瓷，主要应用于4GHz8GHz 频率范围内的卫星通信及移动通讯基站。这类材料主要有BaTi4O9、3、高介电常数类指其介电常数大于80的微波介质陶瓷，主要用于工作在f CTR1:鮎沪昊察PTTM*一泾变出PTC半导化：由于在常温下是绝缘体，要使它们变成半导体，需要一个半导化。所谓半导化，是 指在禁带中形成附加能级：施主能级或受主能级。在室温下，就可以受到热激发产生导电载 流子，从而形成半导体。PTC电阻温度特性及电压-电流特性与电流-时间特性n nH 3Sn jjnj r!i.虫 oB 閉i nC-rLAj$ i Ms Ms 骨亠3*电流-时间特性是指PTC热敏电阻在施加电压的过程中，电流随时间变化的特性。开始加电 瞬间的电流称为起始电流，达到热平衡时的电流称为残余电流PTC的应用：柜机空调用PTC器件、分体挂机空调PTC器件、暖风机用PTC器件PTC效应机理：PTC热敏电阻器有两大系列:一类是采用BaTiO3为基材料制作的；另一类是 以氧化钒为基的材料。1、 BaTiO3 系 PTC 热敏电阻陶瓷（1）BaTiO3陶瓷产生PTC效应的条件当 BaTiO3 陶瓷材料中的晶粒充分半导化，而晶界具有适当绝缘性时，才具有PTC效应。PTC效应完全是由其晶粒和晶界的电性能决定，没有晶界的单晶不具有PTC效应NTC：是Negative Temperature coefficient负温度系数）的缩写，是以尖晶石结构为主的半导 体功能陶瓷，具有电阻值随着温度升高而减小的特性.导电机理：（1）化学计量比偏离采用氧化或还原气氛烧结，分别产生p型和n型半导体，形成电子或空穴导电。（ 2 ）掺杂 在主成分中引入少量与主成分金属离子种类不同、电价不等的金属离子，产生不等价置 换，从而产生产生 p 型和 n 型半导体，实现电子或空穴导电。跳跃导电模型理论可以解释大部分关于尖晶石结构的NTC热敏电阻材料的性质和现象。NTC热敏电阻的电压电流特性3/ A!v-t CKAKACTEm ST I CS CVRITEa, 004NTC热敏电阻的应用1）温度补偿： 用于石英振荡器（23 个 NTC） 2）抑制浪涌电流： 用于控制开关电源、电机、变压器等在接通瞬时产生的大电流。3）温度检测：用于热水器、空调、厨房设备、办公用品、汽车电控等。气敏陶瓷:是一种对气体敏感的陶瓷材料，陶瓷气敏元件（或称陶瓷气敏传感器）由于其具有灵 敏度高、性能稳定、结构简单、体积小、价格低廉、使用方便等优点，得到迅速发展。分类 :气敏陶瓷大致可分为半导体式、固体电解质式及接触燃烧式三种 气敏陶瓷的性能:半导体表面吸附气体分子时，半导体的电导率将随半导体类型和气体分子 种类的不同而变化。*压敏陶瓷 压敏陶瓷是指电阻值随着外加电压变化有一显著的非线性变化的半导体陶瓷 压敏陶瓷的基本特性压敏电阻陶瓷具有非线性伏 - 安特性，对电压变化非常敏感。 在某一临界电压以下，压敏电阻陶瓷电阻值非常高，几乎没有电流；但当超过这一临界 电压时，电阻将急剧变化，并且有电流通过。随着电压的少许增加，电流会很快增大。压敏电阻陶瓷的这种电流-电压特性曲线如图所示。421齐钠二极管; 2.SiC压敏电阻;3. ZnO压敏电阻4线性电阻；5. ZnO压敏电阻10OT-10（血-200 -100压敏机理 :晶界高阻态，晶粒导电。外加电压达到压敏电压时，晶界发生隧道击穿，阻值由 晶粒电阻决定。应用:过压保护 稳定电压磁性陶瓷：磁性瓷也叫铁氧体。它是由铁的氧化物与其它某些金属氧化物用制造陶瓷的工艺方法制成的非金属磁性材料。它的主要成分是 Fe2O3，磁性陶瓷的类型与应用 按晶体结构可以把它的分成三大类：(1) 尖晶石：AB2O4,主要有NiZn和MnZn。A：四面体位置；B：八面体位置。(2) 磁铅石：MFe12O19, M压敏电阻价金属离性曲主要有BaFe12O19和SrFe12O19铁氧休的性能与用途诫款和梓甌连不号卫可分为Br-比：矫顽力B剩余磁感应强度 Bs: 饱和磴感应强度elr?.R-hJ 09HcH盛1（3）石榴石：R3Fe5O12, R3+：三价稀土金属离子按铁氧体的性质及用途又可分为软磁、硬磁、旋磁、矩磁、压磁、磁泡等铁氧体1、软磁材料：特点：磁导率大,矫顽力小,磁滞回线窄。软磁铁氧体主要 用于制作各种电感元件,如天线磁芯、变压器磁芯、滤波器磁芯以及录音机和录 像机磁头和磁芯等磁记录元件。2、硬磁材料：是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料, 也称为永磁材料或恒磁材料。特点：剩余磁感应强度大,矫顽力大,磁滞回线宽。 硬磁铁氧体的晶体结构大致是六角晶系磁铅石型,其典型代表是钡铁氧体 BaFe12O19。这种材料性能较好，成本较低，不仅可用作电讯器件如录音器、电 话机及各种仪表的磁铁,而已在医学、生物和印刷显示等方面也得到了应用。3、矩磁材料：特点：剩余磁感应强度大，接近饱和磁感应强度，矫顽力小，磁 滞回线接近于矩形。重要的矩磁材料有锰锌铁氧体和温度特性稳定的 LiNiZn 铁氧体、 LiMnZn 铁氧体。矩磁材料具有辨别物理状态的特性，如电子计算 机的“1”和“0”两种状态，各种开关和控制系统的“开”和“关”两种状态及 逻辑系统的“是”和“否”两种状态等。几乎所有的电子计算机都使用矩磁铁氧 体组成高速存贮器。4、旋磁铁氧体：又称微波铁氧体。在高频磁场作用下，平面偏振的电磁波在铁 氧体中按一定方向传播时，偏振面会不断绕传播方向旋转的铁氧体材料。具有铁 磁共振线宽小、自旋波共振线宽大、在低频段，饱和磁化强度低和磁晶各向异性 常数小、介质损耗低、稳定性高等性能。采用电子陶瓷工艺，热压烧结或氧气氛 中烧结制造而成。主要用于制作毫米波铁氧体器件。 铁氧体的性能与用途磁电效应：磁电阻效应（MR）、巨磁电阻效应（GMR）、庞磁电阻效应（CMR）、磁电极化效 应磁电效应与多铁性：外加电场可以改变介质的磁学性质，或者外加磁场能够改变介质的电极 化性质，这种效应被称作磁电效应/対旅wao-iooiiacm1), /仪税电，于不同除*島送射!含就药e.g.7 BiFeO同e二 11加KL- = 643 LP-90|iC/cm2YMnO? q 二 914硏二 76 K,P 6 jiC/cm1egtJ TbMnOv TbMn;O?巨磁电阻效应（GMR）原理：电阻来自散射，散射越厉害，电阻越大超导陶瓷：超导电现象 某些材料在温度低于某一温度时，电阻突然降到零的现象。具有导 电性的材料称为超导体，电阻降为零的温度称为转变温度或临界温度。迈斯纳效应：通过实验发现当物体处于超导态时,超导体内部的磁场实际上为零,具有完全的 抗磁性. 这种现象叫做迈斯纳效应。同位素效应：汞的超导转变温度与其同位素质量有关,同位素质量越小,转变温度就越高 约瑟夫森隧道电流效应：约瑟夫逊在研究电子对通过超导金属间的绝缘层时指出，当两块超 导体之间的绝缘层薄至接近原子尺寸（10-20A ）时，超导电子可以穿过绝缘层产生隧道效应, 即超导体-绝缘体-超导体这样的超导结（约瑟夫逊结或SIS结）具有超导性。超导材料的两 -基本特征物质在一特定的温度下没有电阻.零趙阻是 超导律的基本特征之一.称妙芈琳盟效应*超爭态的帧题完全排斤瑙场，即礙力裁苹能 进入趨导体内部.这一特征称为完全抗硝性 或迈斯轴敕应、超导锹悬浮的物理基础应用：强磁场、大电流的强电应用和电子学（弱电）应用两个方面。Eg1:2000A超导电缆、磁悬浮列车、核磁共振设备Eg2:无源微波器件、超导量子干涉仪（SQUID）、超导高速逻辑运算元件（超导计算机）、超导红 外探测器等。多孔陶瓷定义:多孔陶瓷是一种经高温烧成、体内具有大量彼此相通并与材料表面也相贯通的孔道结 构的陶瓷材料。多孔陶瓷材料的特性: 化学稳定性好；通过材质的选择和工艺控制，可制成适用于各种腐蚀环境的多孔陶瓷； 具有良好的机械强度和刚度；在气压、液压或其他应力负载下，多孔陶瓷的孔道形状和尺 寸不会发生变化 耐热性好，用耐高温陶瓷制成的多孔陶瓷可过滤熔融钢水或高温燃气； 具有咼度开口、内连的气孔； 几何表面积与体积比高； 孔道分布较均匀，气孔尺寸可控，在孔径为0.05 600 um范围内，可以制出所选定孔道 尺寸的多孔陶瓷制品。多孔陶瓷的制备与应用制备3.1 粒状陶瓷的制备： 粒状陶瓷一般是将粒状陶瓷骨料和玻璃质、粘土质粘结剂与成孔剂 混合、成型、干燥、烧成。其中，骨料包括AI2O3、SiC和玻璃等3.2 蜂窝陶瓷的制备：蜂窝陶瓷是采用机械加工方法制成许多平行直线开孔，孔径 110mm 的薄壁多孔结构。3.3 泡沫陶瓷的制备：泡沫陶瓷的结构是在三维空间重复的十二面体复杂图形。泡沫陶瓷气孔尺寸范围可从1.2孑L/cm的最大孔到39.37孑L/cm的极细孔。它采用特别严密的软质泡 沫塑料（如聚氨酯）为载体，进而加工成所需形状、尺寸等。应用：1 在金属熔体过滤净化技术中的应用2 精过滤技术在其他领域的应用3 作催化剂载体4 作敏感元件 5 作为隔膜材料6 降低噪声 7 用于布气纳米陶瓷 定义：纳米陶瓷是指在陶瓷材料的显微结构中，晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺 寸、缺陷尺寸等都处于纳米水平的一类陶瓷材料。纳米陶瓷的制备 ：纳米陶瓷的制备包括纳米粉体、纳米薄膜及纳米块体材料的制备。其中 主要是纳米块体陶瓷材料的制备。块体纳米晶材料的制备方法主要有以下两种方式： 第一种是由小变大（纳米微粒烧结成块体纳米晶材料）。即先由惰性气体冷凝法、沉淀法、溶 胶-凝胶法、机械球磨法等工艺制成纳米粉，然后通过原位加压、热等静压，激光压缩、微 波放电等离子等方法烧结成大块纳米晶材料。第二种方式是由大变小，即非晶晶化法，使大块非晶变成大块纳米晶材料，或利用各种沉积 技术（PVD、CVD等）获得大块纳米晶材料。纳米陶瓷的结构与性能结构：具有长程有序、不同晶相的晶粒组元；晶粒间的界面组元。纳米陶 瓷的结构也一样包含纳米量级的晶粒、晶界和缺陷。在界面组元中，其特点是：原始密度降低；最邻近原子配位数变化；晶界 结构在纳米材料中占的比例较高。陶瓷是由晶粒和晶界组成的一种多晶烧结体 性能：纳米材料的超细晶粒、高浓度晶界以及晶界原子邻近状况决定了它们具有明显区别于 无定形态、普通多晶和单晶的特异性能。1. 扩散和烧结性能：纳米晶体材料具有较高的扩散率，较高的扩散率对蠕变、超塑性、离子 导电性等力学和电学性能有显著的影响。扩散能力的增强产生的另一个结果是可以使纳米材 料的烧结温度大大降低。2. 力学性能：纳米陶瓷的基本特征是晶粒尺寸非常小，晶界占有相当大的比例，并且纯度高， 可使陶瓷材料的力学性能大为提高。3 超塑性：纳米陶瓷晶粒细化，晶界数量大幅度增加，扩散性高，可提高陶瓷材料的韧性和 产生超塑性。4、电学性质 5、光学性质生物陶瓷何谓生物陶瓷，生物陶瓷：用于人体器官替换、修补以及外科矫形的陶瓷材料。 生物陶瓷具有的功能：具有良好的力学性能，在体内难于溶解，不易氧化，不易 腐蚀变质，热稳定性好，耐磨且有一定的润滑性，和人体组织亲和性好，组成范 围宽，易于成型等。1、生物惰性陶瓷，具有优异的生物相容性，能与骨形形成 结合面，结合强度高，稳定性好，参与代谢。2、生物活性陶瓷，物理、化学性 能稳定，在生物体内完全呈惰性状态。生物陶瓷按用途分类人工骨或人造关节 运动系统的人工脏器（如心脏辩膜）材料 形态修复和整形外科材料 人造牙根和假牙 人工肝脏内的吸附材料（活性碳）； 固定酶载体（多孔玻璃） 诊断仪器的温度、气体、离子传感器等材料生物陶瓷按功能要求分类 根据生物陶瓷材料与生物体组织的关系，把它们可以分为三类： 惰性生物陶瓷。这种生物陶瓷在生物体内与组织几乎不发生反应或反应很小，例如氧化铝陶 瓷和蓝宝石、碳、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷等； 活性生物陶瓷。在生理环境下与组织界面发生作用，形成化学键结合，系骨性结合。如羟基 磷灰石等陶瓷及生物活性玻璃，生物活性微晶玻璃； 可被吸收的生物降解陶瓷，这类陶瓷在生物体内可被逐渐降解，被骨组织吸收，是一种骨的 重建材料，例如磷酸三钙等。生物陶瓷的特性与不足 硬度高、耐磨性好、化学性能稳定 、 广泛应用、生物性能好、着色性能好 脆性材料，抗冲击性能差，易断裂。如何解决这些不足？ 采用多孔氧化铝则可较好的解决氧化铝陶瓷与骨头结合不好而使植入体固定，保证了植入物 与骨头的良好结合。但这样会降低陶瓷的机械强度，多孔氧化铝陶瓷的强度随空隙率的啬而 急剧降低。因此，只能用于不负重或负重轻的部位； 为改善多孔氧化铝陶瓷植入体的强度，可采用将金属与氧化铝复合的方法，在金属表面形成 多孔性氧化铝薄层，这种复合材料既能保证强度、又能形成多孔性；空隙大小对骨长入十分重要，孔径为1040um时，只有组织长入，而没有骨质长入。当孔 径在75100 um时，则连接组织长入。骨质完全长入的孔径为100200 umo