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功能陶瓷 1 引言 陶瓷业是一个富有 源远流长 独特工艺 文化载体 现代科技 属性的行业 可以说是中国的第五大发明 是中国最具世界影响力的产业 是一个与千家万户有关的产业 2 白釉青花一火成 花从釉里透分明 可参造化先天妙 无极由来太极生 3 1 陶瓷是陶器和瓷器的总称 2 陶瓷是指用粘土 石英等天然硅酸盐原料经过粉碎 成型 煅烧等过程而得到的具有一定形状和强度的制品 从发展的历程来看是先有陶器 后有瓷器 在西汉时陶器和瓷器才分开 4 表陶器与瓷器的区别 5 6 3 广义上陶瓷是用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的通称 4 由于陶瓷的基本生产过程都遵循着 原料处理一成型 煅烧 这种传统方式 因此 陶瓷又可以认为是用传统的陶瓷生产方法制成的无机多晶产品 7 近几十年来 随着宇航 原子能和电子工业的迅速发展 对陶瓷材料无论从性能 质量 品种等方面 均提出了越来越高的要求 陶瓷材料的研究和发展已从传统陶瓷阶段跃入到先进陶瓷阶段先进陶瓷是以化学方法制备的高纯度或纯度可控制的材料做原料 通过调整材料的成分和结构获得传统陶瓷无法比拟的卓越性能 先进陶瓷从性能上可分为结构陶瓷 StructuralCeramics 和功能陶瓷 FunctionalCeramics 到20世纪90年代 陶瓷材料的研究又进入了第3阶段 纳米陶瓷阶段 它将促使陶瓷材科研究从工艺到理论 从性能到应用都提高到一个崭新的阶段 8 结构陶瓷是指具有特殊力学或机械性能 以及部分热学或化学性能的先进陶瓷 特别适于高温下应用的则称为高温结构陶瓷 功能陶瓷是指那些利用电 磁 声 光 力等直接效应及其耦合效应所提供的一种或多种性质来实现某种使用功能的先进陶瓷 9 1 在原料上 传统陶瓷以粘土为主要原料 新型陶瓷一般以人工合成的氧化物 氮化物 硅化物 硼化物 碳化物为原料 2 在制备工艺上 传统陶瓷以炉窑为主要生产手段 新型陶瓷广泛采用真空烧结 保护气氛烧结 热压 热等静压等手段 3 在性能上 特种陶瓷具有不同的特殊性质和功能 如高强度 高硬度 耐腐蚀 导电 绝缘 以及在磁 电 光 声 生物工程各方面具有的特殊功能 从而使其在高温 机械 电子 宇航 医学工程各方面得到广泛的应用 4 在应用上 传统陶瓷主要应用于制造日用器皿 卫生洁具等生活用品 而新型陶瓷则主要用于工业技术 特别是高新技术方面 新型陶瓷与传统陶瓷 10 功能陶瓷是一类颇具灵性的材料 能感知光线 或能区分气味 或能储存信息 它们在电 磁 声 光 热等方面具备的许多优异性能令其他材料难以企及这些性质的实现往往取决于其内部的电子状态或原子核结构 又称电子陶瓷 已在能源开发 电子技术 传感技术 激光技术 光电子技术 红外技术 生物技术 环境科学等方面有广泛应用 功能陶瓷介绍 11 信息功能陶瓷材料 信息技术的重大需求 信息功能陶瓷材料 信息技术的重大需求 12 几种常见功能陶瓷 半导体陶瓷瓷绝缘陶瓷介电陶瓷发光陶瓷感光陶瓷吸波陶瓷激光用陶瓷核燃料陶瓷推进剂陶瓷太阳能光转换陶瓷贮能陶瓷陶瓷固体电池阻尼陶瓷生物技术陶瓷催化陶瓷特种功能薄膜 13 1 绝缘陶瓷绝缘材料在电气电路或电子电路中所起的作用主要是根据电路设计要求将导体物理隔离 以防电流在它们之间流动而破坏电路的正常运行 此外 绝缘材料还起着导体的机械支持 散热及电路环境保护等作用 照明绝缘陶瓷套管绝缘装置陶瓷 14 根据室温电阻率 的大小 材料可分为超导体 0 cm 导体 10 2 cm半导体 10 2 cm 109 cm和绝缘体 109 cm 15 绝缘陶瓷 它必须具备如下性能 体积电阻率 1012 cm相对介电常数 30损耗因子 0 001介电强度 5 0KV mm 16 陶瓷存在电子式载流子和离子式载流子 其中离子式载流子占主要影响 离子电导率受离子的荷电量和扩散系数的影响 荷电量和体积越小越容易扩散 因此碱离子影响比较大 另外绝缘性还受显微组织的影响 晶粒和气孔影响不大 主要晶界相 17 绝缘陶瓷材料的分类方法很多 若按化学组成分类测可分为氧化物系和非氧化物系两大类 氧化物系绝缘陶瓷已得到广泛应用 而非氧化物系绝缘陶瓷是70年代才发展起来的 目前应用的主要有氮化物陶瓷 如Si3N4 BN AlN等 除多晶陶瓷外 近年来又发展了单晶绝缘陶瓷 如人工合成云母 人造蓝宝石 尖晶石及石英等 常用绝缘陶瓷材料及其性能 18 1 普通电瓷天然黏土 长石 石英1250 1320C烧结用于高压 电阻 等的绝缘 2 氧化铝瓷 镁质瓷电子元器件和电路中基体 外壳 固定件 又称为装置瓷 Al2O3MgO Al2O3 SiO2 绝缘子 19 3 氮化硅瓷基片集成电路基片材料的要求是 高电阻率 导热性好 热膨胀系数小 耐热处理和化学处理 氮化硅瓷基片具有高强度 热膨胀系数与硅材料匹配 介电常数小 热导率高 烧结温度1700C4 氮化硼瓷基片 BN 最突出的优点是高热导率与低电导率 5 金刚石薄膜金刚石是自然界中硬度最高的材料 同时又具有极高的弹性模量 金刚石的热导率是所有已知物质中最高的 室温下 300K 金刚石的热导率是铜的5倍 液氮温度下 77K 金刚石的热导率则是铜的25倍 金刚石是一种禁带很宽的材料 因而非掺杂的本征金刚石是极好的电绝缘体 20 2 导电陶瓷传统陶瓷是良好的绝缘体 这是人所共知的 在现今社会 凡是有电的地方 都可以看到各种用传统陶瓷制成的绝缘器件 由此给人们留下了一个错觉 陶瓷材料都是绝缘体 其实不然 在精细陶瓷中 不仅有良好的绝缘体 也有电子导电体 离子导电体 半导体及其他导电材料 可用于燃料电池 陶瓷高温发热体 钠硫电池等 21 氧化锆陶瓷是一种耐高温 抗氧化的复合氧化物 是在纯氧化锆中加进 的氧化镱制成的导电陶瓷 它能象金属那样把电能转变成热能 并能发光 把导电陶瓷做成圆棒 作为在高温氧化中的发热元件 是再好不过的材料了 导电陶瓷在空气中十分稳定 不与氧发生反应 最高的发热温度高达2000 以上 而且可以长时间使用 寿命超过1000小时以上 因此 导电陶瓷已成为现代冶金 陶瓷 玻璃工业中广泛采用的高温发热体 22 钠 硫电池的金属电极容易发生腐蚀 尤其在高温条件下更是如此 腐蚀作用是多种多样的 除因电极腐蚀而减少导电能力外 还可能在电极表面形成一种增加接触电阻的表面层 最终导致电池工作性能变坏 寿命缩短 为了解决这个问题 人们在电极表面涂覆各种导电材料 如铝 钼 镍 铬及其各种合金 但是 所有这些金属材料 在钠 硫电池中都缺乏足够的稳定性 后来将发明的这种导电陶瓷材料 涂覆于电极表面 因为这种材料不仅具有良好的抗腐蚀性能 而且具有足够的导电性能 所以较好地解决了上述的问题 23 3超导陶瓷 24 一 超导发展简史 1 低温的获得气体的液化氢气的液化1898年杜瓦 英 氦的液化1908年昂尼斯 荷兰 2 超导的发现1911年昂尼斯 荷兰 1913年获诺贝尔物理学奖转变温度临界磁场临界电流 3 迈斯纳效应1933年迈斯纳和奥森菲尔德 德 25 金属的电阻率与温度的关系 1911年Onnes在研究极低温度下金属导电性时发现 当温度降到4 2K时 汞的电阻率突然降低到接近于零 这种现象称为汞的超导现象 从此 超导材料的研究引起了广泛的关注 现已发现了上千种超导材料 定义 超导现象 材料的电阻随温度降低而减小并最终出现零电阻的现象 超导体 低于某一温度出现超导电性的物质 26 超导电性的基本特征 完全导电性 零电阻 完全抗磁性 迈斯纳 Meissner 效应处于超导状态的金属 不管其经历如何 磁感应强度B始终为零 磁力线不能进入超导体内部 27 观察迈斯纳效应的磁悬浮试验在锡盘上放一条永久磁铁 当温度低于锡的转变温度时 小磁铁会离开锡盘飘然升起 升至一定距离后 便悬空不动了 这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体 在锡盘感应出持续电流的磁场 与磁铁之间产生了排斥力 磁体越远离锡盘 斥力越小 当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时 就悬浮不动了 28 超导材料 元素超导体合金超导体金属间化合物超导体陶瓷超导体高分子超导体 29 在低温常压下 具有超导特性的化学元素共有26种 由于临界温度太低 无太大实用价值 Nb的Tc最高 仅为9 26K a 元素超导体 30 合金超导体合金超导体是机械强度最高 应力应变较小 磁场强度低 临界电流密度高的超导体 在早期得到实际应用 超导合金主要有Ti V Nb Zr Mo Zr Nb Ti等合金系 其中Ge Nb3的临界温度最高 23 2K 金属间化合物超导体金属间化合物超导体的临界温度与临界磁场一般比合金超导体的高 但此类超导体的脆性大 不易直接加工成带材或线材 31 32 1986年发现了陶瓷超导体 使超导材料获得了更高的临界温度 如YBaCuO Tc 90K TiBaCaCuO Tc 120K 等 最大缺点为脆性大 加工困难 高温超导材料 Tc 77K 液N温度 陶瓷金超导体 33 高分子超导体 高分子材料通常为绝缘体 但在数亿帕气压作用下也可以转变成为超导体 如 四硫富瓦稀四腈代对苯醌二甲烷目前高分子超导体的最高临界温度仅仅达到10K 34 电力输送与储存目前有大约30 的电能损耗在输电线路上 采用超导体输电 可大大减少损耗 且省去了变压器和变电所 使用巨大的超导线圈 经供电励磁产生磁场而储存能量 超导磁储能系统所存能量几乎可以无损耗的储存下去 其转换率可高达95 磁悬浮列车时速400 500km 超导材料的应用实例 35 电力输送与储存目前有大约30 的电能损耗在输电线路上 采用超导体输电 可大大减少损耗 且省去了变压器和变电所 使用巨大的超导线圈 经