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第四章无机非金属材料李松霞Tel 83033844E sxli8896 陶瓷概论普通陶瓷材料结构陶瓷材料功能陶瓷材料无机建筑材料 讲授提要 无机非金属材料 有机高分子材料和金属材料以外的固体材料都属于无机非金属材料 包括陶瓷 水泥 玻璃等 无机非金属材料大都具有熔点高 硬度高 化学稳定性高 耐高温 耐磨损 耐氧化 耐腐蚀 弹性模量大 强度高等优良性能 因此应用广泛 一 陶瓷材料的分类陶瓷材料可分为 传统陶瓷和特种陶瓷 传统陶瓷 普通陶瓷 主要指黏土制品 以天然的硅酸盐矿物为主要原料经粉碎 成形 烧结制成的产品 包括日用陶瓷 建筑陶瓷 卫生陶瓷等 特种陶瓷 以高纯化工原料和合成矿物为原料 沿用传统陶瓷的工艺流程或现代制粉和烧结工艺制备的陶瓷 具有各种特种力学 物理或化学性能的陶瓷 又称为现代陶瓷 高技术陶瓷 精细陶瓷等 特种陶瓷又分为两大类 即结构陶瓷 工程陶瓷 和功能陶瓷 结构陶瓷是指具有机械性能 热功能和部分化学功能的陶瓷 功能陶瓷是指具有电 光 磁 化学和生物体特性 且具有相互转换功能的陶瓷 第一节陶瓷概论 1 陶瓷材料的结合键 陶瓷材料组成相的结合键为离子键 共价键以及离子键和共价键的混合键 离子键 氧化铝 是以正 负离子间的静电作用力为结合力 没有方向性和饱和性 所以正负离子排列紧密 而且离子键的键强度高 离子晶体强度高 硬度高 熔点高 但是脆性大 无延展性 受热膨胀小 熔融导电 固态绝缘 金属氧化物主要以离子键结合 共价键 BN SiC 是以共用电子对为作用而形成的化学键 具有方向性和饱和性 故原子密堆程度低 共价键强度高 共价晶体结构稳定 熔点高 硬度高 强度高 但脆性大 无延展性 受热膨胀很小 一般不导电 陶瓷材料多以混合键结合 既有离子键又有共价键结合 二 陶瓷材料的物质结构 在显微镜下观察 可看到陶瓷材料的显微结构由3种基本相组成 晶体相 玻璃相和气相 晶体相 是陶瓷材料最主要组成相 为某些固溶体或化合物 其结构 形态 数量及分布决定了陶瓷材料的特性及应用 晶体相又可分为主晶相 次晶相及第三晶相 其力学 物理 化学性能主要取决于主晶相 例如 刚玉瓷的主晶相是 Al2O3 由于结构致密 离子键强度很大 因而具有机械强度高 耐高温 耐磨蚀等特性 2 陶瓷材料的相组成 玻璃相 是陶瓷烧结时各组成物及杂质产生一系列物理 化学变化后形成的原子不规则排列的组成部分 影响 将分散的晶体相黏接起来 填充晶体之间的空隙 提高材料的致密度 降低烧成温度 加快烧结过程 阻止晶体转变 抑制晶体长大并填充气孔间隙 获得一定程度的玻璃特性 但玻璃相对陶瓷的强度 介电性能 耐热耐火性能是不利的 形成条件 冷却速度快和黏度大气相 是指陶瓷中的气体 主要是坯料各成分在加热过程中单独或相互发生物理 化学作用所生成的孔隙 分类 根据气孔数量和分布 陶瓷分致密陶瓷 无开口陶瓷和多孔陶瓷 影响 除多孔陶瓷外 气孔存在降低陶瓷强度 是造成裂纹的根源 它还会使介电损耗增大 3 晶相结构 1 硅酸盐结构 硅酸盐结构特点 结合键为离子键和共价键的混合键 习惯称为离子键 基本单元是 SiO4 四面体 4个氧原子紧密排列成四面体 硅离子位于四面体心间隙 SiO4 四面体通过共用顶点的氧而相互联结 每个氧原子只能为2个 SiO4 四面体所共用 根据四面体的连接方式分为五种 岛状结构组群状结构 绿宝石属于六节环组成的结构 链状结构层状结构 滑石是复网层结构 高岭石是单网层结构 架状结构 2 简单氧化物晶体结构 氧化物的结构特点 以大直径氧离子密堆排列的骨架 组成面心立方点阵或六方点阵 小直径的阳离子排入点阵的间隙 在密排结构中一般有2种间隙 即八面体间隙和四面体间隙 分为四种 NaCl型结构 同型结构的有MgO CaO等 CsCl型结构 同型结构的有CsBr CsI等 闪锌矿和纤锌矿结构 同型结构的有BeO ZnO等 萤石结构 同型结构的有BaF2 PbF2等 3 复杂氧化物晶体结构 金红石型结构 同型结构的有PbO2 MnO2 钙钛矿型结构 同型结构的有CaTiO3 PbTiO3等 尖晶石型结构 同型结构的有MgAl2O4 MnAl2O4等 4 非氧化物晶体结构 非氧化物是指不含氧的碳 氮 硼和硅化物等 主要以共价键结合 也有一定的金属键和离子键 金刚石结构 石墨结构 4 陶瓷材料的晶体缺陷陶瓷中的晶体缺陷分为3种 点缺陷 线缺陷和面缺陷 点缺陷 陶瓷中存在置换原子 间隙原子及空位等点缺陷 并形成置换固溶体与间隙固溶体 点缺陷影响金属晶体导电性 但提高陶瓷晶体导电性 烧结 扩散等物理化学过程也与点缺陷的运动有关 线缺陷 位错在陶瓷材料中的作用远不如在金属材料中那么重要 其原因有二 首先 形成位错的能量大 因而不易形成位错 其次 离子键或共价键结合造成位错的可动性极低 面缺陷 陶瓷材料一般都是多晶体 存在晶界 亚晶界等面缺陷 晶界原子的不规则排列为杂质原子的渗入创造了条件 利用晶界两侧晶粒取向不同来阻止裂纹的扩展 此外 晶界能量较高 而且晶界两侧的晶粒取向不同 会导致加热冷却过程时热效应的不同 从而引起极大的内应力 1 力学性能硬度 电子云重叠程度或离子堆积密度愈高 硬度越高 陶瓷 1000 5000HV 淬火钢 500 800HV 高聚物不超过20HV 刚度 由弹性模量衡量 弹性模量反映其化学键的键能 陶瓷具有很高的弹性模量 比金属的高数倍 比高聚物的高2 3个数量级 强度 键合力强 理论强度很高 因不纯 有气孔等各种缺陷 致密度低 实际强度低得多 晶粒尺寸越小 强度越高 抗拉强度虽低 但抗弯强度较高 抗压强度更高 高温抗蠕变能力优于金属 抗氧化性强 因此 提高陶瓷强度的关键是控制其裂纹和位错 三 陶瓷材料的性能特点 塑性和韧性 很低 是陶瓷最大的弱点 晶态陶瓷缺乏塑性是由于其离子键和共价键造成的 共价键具有方向性 当位错水平移动时 必须破坏共价键 而共价键的结合力是很强的 位错运动有很高的点阵阻力 因此 以共价键结合的陶瓷 无论是单晶体还是多晶体 都是脆的 离子键的单晶 在室温受压应力作用时可进行相当多的塑性变形 但是离子键的多晶陶瓷是脆的 并在晶界形成裂纹 这是因为可以进行变形的离子晶体 当位错运动一个原子间距时 同号离子的巨大压力 使位错难以运动 但位错若沿45 运动 位错运动比较容易 但是多晶陶瓷变形时 相邻晶粒必须协调地改变形状 由于滑移系统较少而难以实现 结果在晶界产生开裂 最终导致脆性断裂 发展方向 消除陶瓷的各种缺陷 制造微晶 高密度 高纯度的陶瓷 其次 在陶瓷表面引入压应力 可提高其强度 再次 复合强化是发挥材料优势的重要途径 例如用碳纤维 SiC纤维制成的陶瓷基复合材料 2 热性能 熔点 陶瓷材料由离子键和共价键有力键合 熔点很高 有极好的化学稳定性 热容 绝大多数陶瓷低温下热容小 高温下热容大 达到一定温度后 热容与温度无关 热膨胀 热膨胀的本质在于质点间平均距离随温度升高而增大 键能高的材料 线膨胀系数较小 结构致密的材料线膨胀系数较大 导热性 陶瓷的主要通过原子的热振动来进行 由于没有自由电子的传热作用 陶瓷中的气孔对热传导不利 所以陶瓷一般为绝热材料 但是BeO的导热很好 抗热震性 它是指材料承受温度急剧变化而不发生失效的能力 多数陶瓷的导热性和韧度低 所以抗热震性差 但是SiC具有很高的抗热震性 3 电性能 导电性 大多数陶瓷是良好的绝缘体 由于陶瓷的绝缘性能好 机械强度高 化学稳定性好 尺寸稳定等特点 因而大量用于隔电的瓷质绝缘器件 介电性 陶瓷具有介电特性 可大量用于电器的介质 同时介电损耗很小 大量用于制造高频 高温下工作的器件 4 光学性能陶瓷材料因晶界 气孔的存在一般不透明 由于烧结机制研究和控制晶粒直径技术的进展 可烧结成透明陶瓷 有些陶瓷具有透光性 导光性 光反射 5 化学性能结构非常稳定 难与介质中的氧作用 对酸 碱 盐的腐蚀有较强的抗力 也能抵抗熔融非铁金属的侵蚀 但高温熔盐和氧化渣等会使某些陶瓷材料受到腐蚀破坏 6 磁性能磁性来源于电子的运动以及原子 电子内部的永久磁矩 磁性陶瓷主要指铁氧体陶瓷 它们是以氧化铁和其它铁族或稀土族氧化物为主要成分的复合氧化物 铁氧体包括软磁 硬磁 旋磁 矩磁等 用途非常广泛 软磁铁氧体 它容易磁化 也易退磁 主要用作各种电感元件 天线的磁芯等 和磁记录元件等 硬磁铁氧体 又称永磁铁氧体 是一种磁化后不易退磁能长期保留磁性的铁氧体 一般用作恒稳磁场源 旋磁铁氧体 又称微波铁氧体 在高频电场作用下 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一种铁氧体 微波铁氧体广泛用于制作雷达系统方面的微波器件 如振荡器 衰减器 调制器等 此外 还有用于磁盘 磁带上的矩磁铁氧体等等 作业 1 了解镁 钛及其合金的特性及其分类特点 2 陶瓷材料的晶体相有哪几种主要结构 举例说明 3 陶瓷材料的性能有哪些优缺点 分析其原因 并指出改进方法 一 普通陶瓷的生产工艺过程陶瓷生产基本工艺 原料配制 坯料成形和制品烧成 1 原料配制 1 黏土 是自然界中硅酸盐岩石经过长期风化作用而形成的一种土状矿物混合体 为细颗粒的含水铝硅酸盐矿物 具有层状结构 主要组成为SiO2 Al2O3 H2O Fe2O3 TiO2 特性及作用 加水混合后 可塑性好 起塑化和粘合作用 并使坯体保持其形状 在干燥和烧成过程中保持其形状和强度 SiO2和Al2O3高温下生成莫来石 是日用陶瓷的主晶相 使陶瓷具有良好的耐热稳定性和机械强度 第二节普通陶瓷材料 2 石英 是结晶状SiO2矿石 有多种晶形 不受HF酸以外的其它酸的腐蚀 常温下与碱不发生反应 硬度较高 是瘠性料 可降低可塑性 减少收缩变形 加快干燥 SiO2和Al2O3高温下生成莫来石 未熔石英与莫来石一起可构成坯体骨架 增加强度 在釉料中增加石英含量可提高釉的熔融温度和粘度 提高釉的耐磨性和抗化学腐蚀性 3 长石 是碱金属或碱土金属的铝硅酸盐 具有架状结构 根据架状结构特点分为 钠长石 钾长石 钙长石 和钡长石 是陶瓷材料的助熔材料 熔融的长石 形成粘稠的玻璃体 在高温下溶解部分高岭土分解物和石英颗粒 促进成瓷反应 降低产品的烧成温度 促进莫来石晶体的生长发育 长石熔体冷却后 形成了瓷的玻璃基质 增加了透明度 用作釉料 提高釉面的光泽和使用性能 黏土提供了可塑性 以保证成形工艺的要求 石英是耐熔的骨架成分 长石则是助熔剂 促使烧结时玻璃相的存在 当然 在传统陶瓷生产中 除要用到上述的三种基本组分外 还常会用到其它天然原料 如霞石 滑石等 原料经过拣选 破碎等工序后 进行配料 经过混合 磨细等加工 得到规定要求的坯料 根据成形方法的不同 坯料通常分为三类 浆料 含水率为28 35 如生产卫生陶瓷用的浆料 可塑泥料 含水率为18 25 生产日用陶瓷用的泥团 粉料 含水率为3 7 的为干压坯料 含水率为8 15 的为半干压坯料 生产建筑陶瓷用的粉料 2 坯料成形 目的是将坯料加工成一定形状和尺寸的半成品 使坯料具有一定的致密度和必要的强度 方法有 1 注浆成形法 将制备好的浆料注入多孔性模型内 多孔性模型的吸水性使泥浆贴近模壁的形成一层均匀的泥层 该泥层随时间的延长逐渐加厚 泥层达到一定厚度时 倒掉多余泥浆 泥层脱水后与模型脱离 形成毛坯 这种成形方法称为空心注浆法 为了缩短注浆过程的进行 提高注件质量 可采用真空注浆 离心注浆 压力注浆等 此法适用于形状复杂 不规则 薄而体积大且尺寸要求不严的制品 如花瓶 茶壶 手柄等 而且这类产品一般不能或很难用其他方法来成形 2 可塑成形法 在坯料中加入水或塑化剂 捏练成可塑泥料 经手工 挤压或机械加工成形 可塑成形是一种古老的成形方法 但至今仍为常用的成形方法 主要有挤压法 车坯法 湿压法 轧膜法等 3 模压成形法 利用压力将干粉体在模型中压成致密坯体 模压成形的坯料水分少 压力大 坯体收缩小 致密度高 产品尺寸精确 且对坯料的可塑性要求不高 适用于形状简单的小型坯体 坯体仅为半成品 要经过干燥 上釉等才可进行烧结 3 样品的烧成 目的是通过高温处理 使坯体发生一系列物理化学变化 去除坯内所含溶剂 黏结剂 塑化剂等 形成预期的矿物组成和显微结构 从而获得固定外形和所要求的性能 1 蒸发阶段 室温 300 排除坯体干燥后的残余水分 此阶段发生以下变化 水分排除后导致质量减轻 气相增加 固体颗粒紧密靠拢 体积收缩 强度增大 物理现象 2 氧化分解和晶型转化阶段 300 950 发生如下的物理化学变化 黏土等矿物中结构水的排除 如高岭土 碳酸盐 硫化物的分解 有机物 无机物的氧化 石英的晶型转变 573 时 石英 石英 876 时 石英 鳞石英 此阶段坯体质量急速减小 气孔增加 密度减小 后期由于少量熔体的胶结作用 使坯体强度提高 3 玻化成瓷期 950 烧成温度 上述氧化分解反应继续进行 熔融长石与低共熔物构成瓷坯中的玻璃相 黏土颗粒及石英部分地熔解在玻璃相中 未熔的颗粒及石英之间的空隙 逐渐被玻璃相所填充 体积收缩 密度增加 高温下作用下发生如下反应 4 冷却阶段 烧成温度 室温 温度的降低 液相析晶 玻璃相物质凝固 游离石英晶型转变 573 时 石英 石英 270 时 方石英 方石英 陶瓷在室温下的组织为 点状一次莫来石 针状二次莫来石 块状残留石英 气孔 陶瓷的质量取决于原料的纯度 细度 坯料的均匀性 成形密度 烧结温度和窑内气氛 冷却速度等 二 普通陶瓷品种 改变原料成分的配比 细度和致密度 可获得特性不同的陶瓷 其主晶相为莫来石 并含有相当数量的玻璃相和少量气孔 这类陶瓷质地坚硬 不氧化生锈 耐腐蚀 不导电 能耐一定高温 加工成形性好 但因玻璃相数量多 强度降低 乃高温性能不及其他陶瓷 另外 玻璃相中的碱金属氧化物和杂质还会降低介电性能 普通陶瓷广泛用于电气 化工 建筑 纺织等行业 根据其使用范围分为日用陶瓷和普通工业陶瓷 1 日用陶瓷日用陶瓷一般应有良好的白度 光泽度 透光度 热稳定性和强度 主要为瓷器 按采用的瓷质分为长石质瓷 绢云母质瓷 骨灰质瓷和日用质瓷等4类 长石质瓷是目前国内外普遍采用的瓷质 绢云母质瓷是我国的传统陶瓷 南方一些地方如景德镇生产该陶瓷 骨灰质瓷是较少采用的高级日用陶瓷 英国 日用质瓷可用于制造茶具 餐具 艺术品等 2 普通工业陶瓷 普通工业陶瓷主要分为炻瓷 又称半瓷 和精瓷 按用途分为建筑陶瓷 卫生陶瓷 电器绝缘陶瓷和化工陶瓷等 建筑陶瓷 这是以黏土为主要原料而制得的用于建筑物的陶瓷 根据所用原料可分为粗陶瓷 精陶瓷 炻瓷 卫生陶瓷 用于卫生设施的带釉陶瓷制品 主要以高岭土为主要原料 用于洗面器 浴盆 卫生器具等 电器绝缘陶瓷 又名电瓷 是作为隔电 机械支持及连接用瓷质绝缘器件 分低压 1KV 高压 1 110kV 和超高压电瓷 化工陶瓷 是指用于化学 化工 医药 食品等工业和试验中的陶瓷 可制作实验器皿 耐蚀容器 管道 设备等 性能上要求耐酸 耐高温 具有一定的强度和热稳定性 一 结构陶瓷的生产工艺结构陶瓷与普通陶瓷的主要区别如下 在原料上 突破了传统陶瓷以硅酸盐矿物为原料的局限 一般以纯度较高的氧化物 氮化物等为主要原料 成分由人工配比决定 性质优劣不是产地决定的 在制备上 突破了传统陶瓷以炉窑为主要烧结设备的界限 广泛采用真空烧结 保护气氛烧结 以上两点使得结构陶瓷具有不同的化学组成和显微结构 因此 在性质上 特种陶瓷有不同的特殊性质和功能 第三节结构陶瓷材料 1 粉末制备对原料的要求是 纯度非常高 杂质的质量分数在万分之几范围内 粒度均匀细小 1 m以下 制备粉末的特殊方法可概括为以下几种 1 固相法 包括化合和还原法 热分解法 自蔓延高温合成法等 化合和还原法常用于合成金属或金属氧化物微粉 如硅可先氧化成四氯化硅 然后在锌蒸汽中还原成硅微粉 热分解法是利用晶体的热分解反应来制备微粉 2 气相法 包括化学气相沉积法 气相合成法 气相热分解法 先用Mg g 将SiCl4还原成Si s 再被氨气氮化成Si3N4 s 这就是化学气相沉积法 这种方法的优点是反应时间短 粉末细 3 液相法 包括直接沉淀法 均匀沉淀法 共沉淀法 醇盐水解法 溶胶 凝胶法 共沉淀法 在含有多种可溶性阳离子的盐溶液中 通过加入沉淀剂形成沉淀 然后将溶剂或溶液中的阳离子滤出 沉淀物经过分解后即可制成高纯度超细粉料 如Al2O3 BaTiO3 溶胶 凝胶法 将醇盐溶解于有机溶剂中 通过加入蒸馏水使醇盐水解 聚合 形成溶胶 溶胶形成后随着水的加入转变为凝胶 凝胶在真空状态下低温干燥得到疏松的干凝胶 再将干凝胶作高温煅烧处理 4 机械法 包括球磨 振动球磨 搅动球磨 气流粉碎等 5 溶剂蒸发法 有酒精干燥法 冷冻干燥法 热石油干燥法和喷雾干燥法等 2 成形 为了提高坯体的致密度 均匀性 采用以下方法 1 冷等静压成形 将粉末充填入橡胶制的容器内 密封后理论静水压力通过介质从各个方向向橡胶模均匀加压成形 适用于大型 小批量生产的制品 2 注射成形法 在陶瓷粉末内加入热塑性树脂 石蜡 增塑剂与溶剂等 把经预热混匀的坯料放在成形机内加热熔融 然后再从喷嘴压入金属模具内冷却固化 可用于形状复杂 尺寸精度即表面粗糙度要求较高 需要批量生产的制品 如某些纺织机械零件 3 爆炸成形 利用炸药爆炸后在极短的时间内产生的巨大压力作用在粉末上 使坯体获得接近理论密度和很高的强度 可成形形状复杂 轮廓清晰的坯体 成本较低 3 烧结 特种陶瓷的烧结温度很高 有时还需要保护气氛 要求烧结体是紧密堆积的多晶体聚集体 玻璃相和空隙很少或没有 1 常压烧结 用于普通陶瓷和氧化物陶瓷 机理是固相烧结 2 气氛压力烧结 空气中很难烧结的制品 可在炉堂内通入一定量的某种气体 如氮 氩 在这种特定气氛下进行烧结 制备透光性陶瓷 在真空或氢气中烧结 气孔内的气体才能很快地进行扩散而消除 使得烧结体中的气孔率尽量降低 防止非氧化物陶瓷的氧化 如Si3N4 SiC等 对易挥发成分进行气体控制 在陶瓷的基本成分中 如含有某种挥发性高的物质 在烧结中 将不断向大气扩散 从而使基质中失去准确的化学计量比 如含PbO等陶瓷的烧结 为了保持必要的成分比 应注意烧结时的气氛保护 3 热压烧结 是对较难烧结的粉料或生坯在模具内施加压力 同时升温的烧结工艺 是一种成形与烧结同时进行的工艺方法 其烧结机理由以扩散为主变为塑性流动为主 从而可在较低温度下进行烧结 同时可减少烧结助剂的量 热压烧结获得的强度很高 但是这种方法受到模具的限制 压力不能太高 该法只能用于制造形状极为简单的制品 工艺周期长 效率低 通常用于共价键非氧化物陶瓷的烧结 4 热等静压烧结 HIP 将粉末装入密封高压容器中 在高温很均衡压力下进行烧结 HIP可制造高质量的工件 其晶粒细匀 晶界致密 各向同性 气孔率接近零 密度接近理论密度 已用于介电 铁电陶瓷的生产 但是此法的工艺复杂 成本高 应用受到一定限制 5 反应烧结法 通过多孔坯体同气相或液相发生化学反应 使坯体质量增加 孔隙减小 并烧结成具有一定强度和尺寸的成品的烧结工艺 此法用于碳化硅等非氧化物陶瓷的烧结 6 电火花烧结 又称电活化压力烧结 利用粉末间火花放电产生高温同时施加压力 通过电极板和模腔内的粉末直接通入电流 使粉料产生火花放电而发热 同时跟踪施加轻压 提高粉末内能 增加晶体缺陷 活化过程 使粉料进入热塑性状态 烧结时间短 已用于碳化物 氮化物 金刚石制品的生产 7 自扩散高温合成 自蔓延高温合成或固体火花工艺 利用元素内部潜在的化学能将原始粉末在极短时间内转化成化合物或致密烧结体 优点是不需要高温炉 过程简单 能耗低 制得的产品纯净 能获得复杂相 应用范围广 缺点是不易获得高密度制品 不易严格控制成品性能 所用原料可燃 易燃或有毒 此外 还有微波烧结 溅射法等新颖的烧结方法 二 常用结构陶瓷材料 1 氧化物陶瓷氧化物陶瓷化学稳定性高 抗氧化性强 熔融温度高 高温强度高 典型的氧化物结构陶瓷如下 1 Al2O3陶瓷又叫高铝瓷 主成分是Al2O3和SiO2 根据Al2O3的质量分数 分为75瓷 92瓷 95瓷 97瓷和99瓷 主要晶相为刚玉 Al2O3 由于刚玉在机 热 电等方面性能都很好 所以瓷坯内刚玉晶体的增加 瓷体机 电 热性能也提高 介指损耗随Al2O3含量的增加而降低 机械强度随Al2O3含量的增加而提高 Al2O3瓷的显微结构 应用 强度高 用于机械构件 硬度高 用于磨料 磨具和轴承 化学稳定性 用于坩埚 人造关节 人造骨骼等等 2 BeO陶瓷 BeO原料主要有绿柱石 Be3Al2SiO16 经碱法提取 BeO瓷的主晶相为BeO 属于六方晶系 因此 常呈柱状晶形 晶体发育粗大 结构特点 BeO瓷的显微结构中最常见的缺陷是气孔 气孔对透光陶瓷不利 也有碍于热的传导 性能 导热系数远大于其他氧化物的 线膨胀系数不大 抗热震性高 电绝缘性好 电导率很低 介电常数很高 高温时抗压强度高 硬度高 化学性质稳定 抗渣性也很好 同时还具有消散高能辐射的能力和热中子阻尼系数大等特点 应用 真空陶瓷 高频电炉的坩埚 吸热设备 绝缘电子元件 以及核反应堆的减速器和反射器中的材料等 3 ZrO2陶瓷 结构特点 由于但斜系与四方型之间的可逆转变有体积效应 使陶瓷烧结过程中容易开裂 因此需加入稳定剂 性能特点 加入稳定剂后 稳定剂的金属离子会与Zr离子进行不等价置换 形成氧离子空位 使其导电性能明显加强 同时氧化锆增韧陶瓷的硬度高 强度高 韧性好 应用 绝热材料 特种耐火材料 切削工具 鱼具等 气敏元件 电解质隔膜 钢液氧探头 发动机构件等 4 MgO CaO陶瓷 耐高温 抗熔渣腐蚀 可制成坩埚冶炼铸模 高温热电偶保护套及高温炉衬材料 2 非氧化物陶瓷 1 SiC陶瓷结构特点 SiC是强共价键晶体 其晶体结构的基本单元是相互穿插的SiC4和CSi4四面体 由于四面体的堆积次序不同 可形成不同的结构 常见的有立方晶体的 SiC和六方晶系 SiC 性能 高硬度和高温强度 高的热传导能力 抗蠕变性好 对金属和酸性熔体有很强的抵抗力 但不抗强碱 应用 高温结构材料 如火箭尾管的喷嘴 热电偶套等高温零件 高温下热交换器 核燃料的包装材料等 生产方法 反应烧结 热压烧结和常压烧结 HIP烧结 2 Si3N4陶瓷结构特征 Si3N4陶瓷是强共价键材料 原子结合强度很高 晶体属六方晶系 有 Si3N4和 Si3N4两种晶形 性能 硬度大 强度高 热膨胀系数小 高温蠕变小 抗氧化性能好 耐腐蚀性好 能耐大多数酸腐蚀 应用 刀具 高温轴承 用于制造形状复杂 尺寸精度高的零件等等 制备方法 由于氮化硅的共价性强 原子的自扩散系数小 很难烧结 常压的烧结方法有反应烧结 热压烧结 无压烧结和热等静压烧结等 3 BN陶瓷结构特点 BN晶体属六方晶系 其结构与石墨相似 只是BN结构中没有自由电子 是绝缘体 六方BN在高温高压下转变为立方BN 硬度增加 性能 BN陶瓷是一种软性材料 机械强度较低 导热性好 线膨胀系数小 抗热震性好 是优良的耐热材料 具有高温电绝缘性 硬度低 有自润滑性 可进行机械加工 化学稳定性好 能抵抗许多熔融金属和玻璃熔体的侵蚀 应用 磨料 制造精密磨轮和金属切削工具 生产方法 冷压法 热压法 气相反应法 4 B4C陶瓷结构特点 B4C为六方晶系 是一系列菱形晶系的混合体组成的一个边缘晶体 B4C为强共价键化合物 因此碳化硼陶瓷的突出特点是非常坚硬 性能特点 B C之间的强共价键性 使得硬度非常高 仅次于金刚石和立方BN 具有很高的耐磨性 碳化硼的热膨胀系数低 导热性也较好 与一般酸碱都不起作用 因此 具有较好的热稳定性 应用 主要用作磨料 加工硬质陶瓷 碳化硼高度脆性和小的密度 可用于制造防弹背心 三 耐火陶瓷 耐火材料是指耐火度不低于1580 的材料 广泛用于冶金及化工等用的窖炉 锅炉加热设备 高温容器 1 耐火材料的性能指标 1 耐火度 指材料在高温下而不熔化的性质 用材料在规定试验条件下达到软化程度时的温度来衡量 2 荷重软化温度 指材料的高温结构强度 是耐火材料在温度和负荷同时作用下抵抗变形的能力 以试样在一定荷重加热到开始变形的温度 3 高温体积稳定性 高温下外形体积和线度不变的性能 4 抗热震性 工作温度急剧变化的耐火材料 须具有高的抗热震性 5 抗渣性 指材料在高温下而不熔化的性质 用材料在规定试验条件下达到软化程度时的温度来衡量 6 耐真空性 在真空和高温下的耐久性 2 常见耐火砖 1 黏土砖 主要成分是Al2O3 SiO2 还有少量杂质 NaCl等 属于中性耐火材料 荷重软化温度为1350 使用温度不超过1000 有很好的抗热震性 2 轻质砖 含有较多的气孔 不仅耐火而且隔热 主要用作炉子的保温层 但抗热震性很差 抗渣性和耐压强度很低 3 半硅砖 属于半酸性耐火材料 由SiO2和耐火黏土混合烧制而成 其特点是重烧线收缩很小 抗渣性也好用于转炉 电炉和化铁炉等 4 硅砖 w SiO2 93 是由SiO2加入石灰和黏土烧制而成 属酸性耐火材料 高温强度好 荷重软化温度几乎接近耐火度 加热时体积膨胀 主要用于炼钢炉 焦炉等 5 高铝砖 w Al2O3 48 的硅铝酸质耐火材料 耐火度和荷重软化温度都比黏土砖高 抗渣性也好 耐火强度大 抗热震性很好 主要缺点是重烧收缩很大 而且价格较高 用于炼钢炉 电阻炉等 6 镁质耐火砖 主要是镁转 也有镁铅转和镁铬转等 镁转中w MgO 85 是碱性耐火材料 耐火度很高 但抗热震性很差 主要用于碱性平炉 电炉以及非铁金属冶炼炉 7 碳砖 以无烟煤焦炭为原料 加入沥青等结合剂 加热混炼 成形 在还原性气氛中烧成 w C 85 90 特点是耐火度高 抗渣性强 抗热震性好 高温结构强度高 耐磨 可用于高炉缸和炉底 铁合金电炉炉衬以及炼铝电解槽等 3 耐火纤维 是纤维状耐火材料 是一种高效绝热材料 具有一般纤维的特性 可加工成各种纸 带 线绳 毡和毯等 有具有普通纤维所设有的耐高温 耐腐蚀和抗氧化的性能 克服了一般耐火材料的脆性 同时 有非常显著的节能效果 硅酸铝耐火纤维是以焦宝石或矾土为原料 在电弧炉中加热熔化 熔流向外倾倒时 用压缩空气或蒸汽吹成纤维 其主要成分为氧化铝和氧化硅 此外 还有少量MgO CaO等 硅酸铝纤维制品有 松散棉 纤维毡 湿纤维毡 硅酸铝纤维及其制品的耐火度多数可达1700 以上 具有弹性好 热导率低 热膨胀小 质量轻 抗热震性好 安装容易等特点 主要用于加热炉以及窑炉 管道隔热和密封大件 4 耐火混凝土 一般由骨料 胶结料 掺和料三部分按一定比例制成混合料直接浇注而成 有时还要加促凝剂 根据胶结料的不同 耐火混凝土可分为 铝酸盐耐火混凝土 水玻璃耐火混凝土 磷酸盐耐火混凝土和硫酸铝耐火混凝土等 耐火混凝土虽然耐火度和荷重软化温度比耐火转稍低 但制造工艺简单 不用复杂的烧成工序 使用方便 可塑性好 便于制成形状复杂的整体制品 可以机械化施工 成本低 寿命与耐火转不相上下 所以使用越来越广泛 用于加热炉 均热炉的炉衬 炉门 炉墙以及电炉出钢槽等 结构陶瓷是以高温 高强 超硬 耐磨 抗腐等机械力学性能为主要特征 功能陶瓷是指具有电 光 磁及部分化学功能的多晶无机固体材料 其功能主要来自于它所具有的特定电绝缘性 半导体性 导电性 压电性 铁电性 磁性 生物适应性 第四节功能陶瓷材料 一 电子陶瓷 1 陶瓷固体电解质 1 定义 指电导率可以和液体电解质或熔盐相比拟的固态离子导体陶瓷 又称陶瓷快离子导体 2 导电机理 按照导电机理分为以下4类 氧离子导体 以氧离子为主要载流子的陶瓷固体电解质 以萤石型结构的氧离子导体为例 比如ZrO2 纯氧化锆没有离子导电性 当为了防止相变引起的开裂 加入稳定剂如CaO后 每加一个产生一个氧空位 在电场或外压力下 氧离子可通过氧空位扩散而导电 这类陶瓷称为氧离子导电陶瓷 其它还有氧化铈基 氧化铋基固溶体 在萤石结构中阳离子位于阴离子构成的简立方点阵的体心 由于体心部位只有一半被阳离子占据 存在空位 有利于离子迁移 钠离子导体氢离子导体锂离子导体 3 陶瓷固体电解质的应用前景 低能电池 锂碘电池用作心脏起博器 1972年意大利首次使用 高能电池 钠硫电池是20世纪60年代中期发展起来的 理论比能量是铅酸蓄电池的10倍 目前正在积极研究用于电动汽车动力源 火车辅助电源以及电站储能装置 2 压电陶瓷 1 压电效应是1880年居里兄弟在石英晶体上发现的 它的含义就是对石英晶体在一定方向上施加机械应力时 在其两端表面上会出现数量相等 符号相反的束缚电荷 反之 石英晶体在一定方向的电场作用下 则会产生外形尺寸的变化 在一定范围内 其形变与电场强度成正比 前者称为正压电效应 后者称为逆压电效应 a 表示压电晶体在质点在某方向的投影 b 为压缩时的荷电情况 c 为拉伸时的荷电情况 2 压电陶瓷的结构压电陶瓷的晶体结构随温度而变化 如BaTiO3 当温度高于Tc时 晶格为立方晶体 低于Tc时 变为四方结构 无压电效应 四方晶格为非对称结构 存在压电效应 3 压电陶瓷具有压电效应的陶瓷 主要有钛酸钡 钛酸铅 锆钛酸铅 PZT 目前应用最多的是PZT和改性PZT 表征压电材料性能的参数是机电耦合系数K 它表示压电材料的机械能和电能的耦合效应 其定义为K 通过压电效应转化的电能 输入的机械能压电陶瓷可用作超声波发生源的振子或在水下测声频仪器上的振子 压电效应产生的电能可用于煤气灶点火器 打火机等 压电陶瓷还可以用作滤波器 3 光电陶瓷 1 光电陶瓷是能产生光电导效应的陶瓷 2 光电效应材料受到光的照射后 由于能带间的迁移和能带与能级间的迁移而引起光吸收现象时 能带内产生自由载流子 而使电导率增加 这种现象称为光电导效应 3 光敏元件利用光电导效应检测光强度的元件叫做光敏元件 作为光传感器时也称为光电导 PC 模元件 例如光检测器 红外探测器等都是光电导元件制成的 能带结构图 4 电光陶瓷 1 电光效应给各向异性的电解质施加电场后 压电效应使晶格产生畸变 介质的折射率产生变化 其中随电场成线性变化的现象称普克而效应 对电场的平方变化的现象称为克而效应 这两者总称为电光效应 2 电光陶瓷具有电光效应的陶瓷材料 典型的是PLZT 它是用La置换PbTiO3 PbZrO3中部分Pb的固溶体 3 应用用于光信息处理用的功能元件 如光调制元件 光闸 光开关 图像显示元件和图像转换元件等 电光陶瓷的各种性质及其实用元件在激光技术 计算技术 全息存储和光电子科学中有重要意义 二 超导陶瓷 1 超导陶瓷在液氦甚至液氮的低温下 物质的电阻变为零 同时内部失去磁通成为完全抗磁性的物质 超导陶瓷即氧化物超导体 2 超导陶瓷的结构有两种结构 四方结构是半导体 正交结构是超导体 两种结构都是由ABO3钙钛矿演变而来 3 超导陶瓷的制备制备超导陶瓷的方法有高温烧结法和熔融生长法 现在主要用的是超导薄膜 制造薄膜的方法有 蒸发法 溅射法 化学气相沉积法 溶胶 凝胶法等 垂直于c方向有3种基本的原子面 Y面 无氧 Ba O面和Cu O面 高温超导体可以从晶格上划分为载流子层和电荷库层 载流子层出现在Cu O面上 即超导电性发生在Cu O层上 而Ba Sr Ca主要起稳定晶体结构的作用 4 超导陶瓷的应用在信息领域中 超导材料可用作高速转换元件 通信元件和连接电路 在生物医学领域 超导材料实用化程度最高 目前已开始用于核磁共振断层摄像仪 量子干涉仪 介子医疗器等 在交通运输领域 利用完全抗磁性制造的磁悬浮列车 车速超过500km h 还具有无噪声 无摩擦 平稳的特点 三 磁性陶瓷 磁性陶瓷分为含铁的铁氧体陶瓷和不含铁的磁性陶瓷 磁性陶瓷主要指铁氧体 它们分为软磁铁氧体和硬磁铁氧体 1 铁氧体磁性陶瓷主要指铁氧体 铁氧体是铁和其它金属的复合氧化物 分子式为MO Fe2O3 M代表一价或二价金属 或者是三价稀土金属 结构 尖晶石型 磁铅石型和石榴石型3类 制备 粉体制备 成形和烧结 其中在烧结过程中 有几个要素 完全形成尖晶石结构 达到化学均匀性 获得均匀的显微结构 但是根据不同的应用目标 对烧结过程中的参数要求也不一样 特性 铁氧体属半导体 电阻高 涡流损失小 介质损耗低 故广泛应用于高频或微波领域 但是饱和磁化强度低 距离温度不高 不适合高温或低频大功率条件下工作 分类 软磁 硬磁 旋磁 矩磁和压磁等 1 软磁铁氧体 容易磁化 也易退磁 其特性是起始磁导率高 矫顽力小 电阻率高 常用的软磁铁氧体有尖晶石型Mn Zn Ni Zn铁氧体 主要用作各种电感元件 如天线的磁芯 变压器磁芯等 同时大量用于制作磁记录元件等 2 硬磁铁氧体 永磁材料 剩磁高 这样保存的磁能就多 而且矫顽力要大 才不容易退磁 硬磁材料主要用于磁路系统中作永磁以产生恒稳磁场 如扬声器 微音器以及各种控制设备等 3 矩磁铁氧体 磁致回线近似矩形的磁性材料 除少数几种石榴石型以外 都具有尖晶石结构 这类材料可制成记忆元件 逻辑元件等 4 旋磁铁氧体 有些铁氧体会对作用于它的电磁波发生一定角度的偏转 这就是旋磁现象 如平面偏振的电磁波投射到磁性物质表面上时 反射波发生一定角度旋转的现象 称为克尔效应 而平面偏振的电磁波透过磁性物质时其偏振面发生一定程度的旋转的现象 称为法拉第效应 制成微波器件 如振荡器 放大器 调制器等 5 压磁铁氧体 压磁性是指由应力引起材料磁性的变化或由磁场引起的应变 压磁材料可用于超声发声器 接收器 水声器件方面作声纳等 2 磁光材料磁光材料主要用于制作磁光存储器 是利用磁光效应使磁性材料进行存储的一种磁性器件 兼有磁存储和光存储的优点 可反复擦除可再写入 存储密度高达1 8 108bit cm2 非接触的快速随机存储 稀土石榴石薄膜具有高的矫顽力 良好的热 化学稳定性及强的磁光效应等特点 所以被认为是最具有应用前景的下一代磁光记录材料 日本Fujisu公司于1991年已推出 3 高轿顽力材料高矫顽力材料是指矫顽力在 105 4 A m以上的材料 也称硬磁材料会永磁材料 通常根据磁滞回线的第二象限特性鉴定永磁材料优劣 最初主要是合金磁铁 随着铁氧体的出现 硬磁铁氧体作为烧结磁铁被广泛采用 微粒能使轿顽力增加的现象在MnBi中可以看到 但是由于性质不稳定 一直没有实际应用 现在由于其薄膜材料具有适合于高密度光存储的性能 开始受到重视 4 磁泡材料磁泡 磁泡即铁氧体中的圆形磁畴从垂直膜面的方向看上去就象是气泡 故称磁泡 应用 在磁泡材料上加以控制电路或磁路 能控制磁泡的产生 传输 相互作用 分裂 消灭 因而能完成信息的存储 记录 运算和开关等功能 相应地能完成计算机存储器等器件 种类 磁泡磁路有钙钛石型正铁氧体 磁铅石型铁氧体 石榴石型铁氧体和非晶态材料等4类 其中石榴石型铁氧体泡径小 迁移率高 是已实用化的磁泡材料 四 敏感陶瓷 敏感陶瓷指某些性能随外界条件 温度 电压 湿度 气氛 的变化而发生改变的陶瓷 1 热敏电阻陶瓷 1 定义及分类 电阻随温度发生明显变化的陶瓷 可用于温度测量 线路温度补偿和稳频等 按温度系数分为电阻随温度升高而增大的正温度系数 PTC 热敏陶瓷 电阻随温度升高而减小的负温度系数 NTC 热敏陶瓷 电阻在特定温度范围内急剧变化的临界温度系数 CTR 热敏陶瓷 2 PTC陶瓷应用温度敏感方面 如马达的过热保护 液面深度探测和报警等 延迟方面 如彩色电视机自动消磁 延迟开关等 加热器方面 如温度发热件 空调加热器等 3 NTC热敏陶瓷常温NTC热敏陶瓷大多是尖晶石型氧化物 有些是二元 三元或四元等 这类氧化物按一定比例混合 经成形烧结后 性能稳定 可在空气中直接使用 广泛用于测量 控温 补偿 稳压 遥控及时间延迟等 低温NTC热敏陶瓷大都是用2种以上的过渡金属的氧化物在低于1300 的温度下烧结而成 常温NTC热敏陶瓷主要用于测量 温控 稳压等 低温NTC热敏陶瓷主要用于液氢 液氮等的测量 液面控制及低温阀门直流磁铁线圈的补差等 3 NTC热敏陶瓷氧化钒陶瓷是最主要的临界负温热敏材料 广泛用于电路的过热保护和火灾报警 2 压敏电阻陶瓷 1 定义 压敏效应是指对电压变化敏感的非线性电阻效应 即在某一临界电压以下 电阻值非常高 超过该临界电压 电阻迅速降低 I V特性不是直线 也称非线性电阻 2 导电机理 纯ZnO陶瓷的伏安特性是线性的 在ZnO中加入Bi Mn等氧化物改性 这些氧化物大都不是固溶于ZnO中 而是偏析在晶界上形成阻挡层 3 应用 压敏电阻用作过压保护 高能浪桶吸收和高压稳定等 广泛用于电力系统 电子线路和家用电器中 ZnO压敏电阻器的电压 电流特性曲线 主晶相ZnO形成n型半导体晶粒 晶粒表面形成的Zn耗尽的内边界层以及添加物所形成的绝缘晶界层 所以电阻率很低的ZnO晶粒被电阻率很高的边界层所包围 因此 当对整个瓷体加压时 电压集中在边界层上 当外加电压达到击穿电压时 界面电子穿过势垒层 引起电流急剧上升 3 磁敏陶瓷 1 定义 是指能将磁性物理量转变为电信号的陶瓷材料 2 种类 除了普通的磁敏陶瓷以外 还有一类既是磁敏陶瓷又是热敏陶瓷 其磁性与温度有密切关系 即在居里温度附近磁性明显下降 基本上失去了磁性 3 应用磁敏陶瓷在科研和工业中用来检测磁场 电流 角度 转速 相位等 在汽车工业中用于无触点汽车点火器 在计算机工业中用于霍尔键盘 在家用电器和工业上用于无刷电机和无触点开关等 热敏磁性元件具有可靠性高 热传感性强 体积小等优点 在低温 控温 监视 报警等自控领域中的应用越来越广泛 4 气敏陶瓷 1 定义 指将气体参量转变为电信号的陶瓷材料 它是指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的种类的不同而变化 2 工作原理 气敏陶瓷的种类很多 有氧化锡系气敏陶瓷 氧化锌系气敏陶瓷等 氧化锡气敏陶瓷是n型半导体颗粒的集合体 根据半导体能带模型 当它放到空气中时 吸附氧 氧与电子亲和力大 从半导体表面夺取电子 使载流子减少 电导率降低 在吸附还原性气体时 还原性气体与氧结合 氧放出电子 使载流子增加 电导率增大 3 应用 气敏元件以其独有的灵敏度高 对被测气体以外的气体不敏感 性能稳定 结构简单等特点广泛用于可燃气体和毒气的检测 检漏 报警等方面 2020 1 30 79 可编辑 5 湿敏陶瓷 1 定义 湿敏陶瓷可将湿度信号转变为电信号 湿敏元件一般是电阻型 即由电阻率的改变完成功能转换 2 分类 MgCr2O4 TiO2系陶瓷 ZnO Cr2O3系陶瓷 Zn Cr2O3 Fe2O3系半导体陶瓷 3 应用 湿敏器件广泛用于湿度指示 记录 预报 控制和自动化 在纤维 食品 粮食 制药 弹药 建筑 医疗 气象 电子等工业中对过程进行控制 在空调设备中进行湿度控制 在家电中用于干燥设备 电子灶 磁带录像机等 五 生物陶瓷 公元前3500年 古埃及人用棉花纤维 马鬃缝合伤口 公元前2500 中国 埃及的墓葬中就发现有假牙 假鼻 进入20世纪高分子材料开始用于制备人工器官 20世纪50年代以来 生物医用材料相继用于人工心脏瓣膜 人工心肺 近20年来 生物医用材料飞跃发展并形成规模产业 生物陶瓷是一类正在飞速发展的生物医用材料 它是用于医学并具有生理功能的高技术陶瓷材料 由于生物陶瓷无毒 与活体有良好的生物相容性和生物耐腐蚀性 化学稳定性高 耐高温 因此受到越来越多的重视 但是陶瓷韧性很差 因此陶瓷的破坏很难预测 1 生物惰性陶瓷该种陶瓷的物理 化学性能很稳定 在生物体内完全呈惰性状态 在临床上广泛应用 1 氧化铝陶瓷 传统生物材料 Al2O3是最稳定的一种 可制成单晶 多晶和多孔 有卓越的抗腐蚀性 强度 硬度都很高 高的耐磨性及优异的压缩强度 良好的生物相容性 2 氧化锆陶瓷 部分稳定化ZrO2和Al2O3一样 生物相容性好 稳定性高 比Al2O3断裂韧度 耐磨性更高 用于制造牙根 骨等 3 碳素类陶瓷 包括碳素 玻璃碳 碳纤维等 其成分是碳元素 与血液相容性 抗血栓性好 弹性模量接近天然骨 对组织力学刺激小 与人体组织的亲和性好 耐蚀 轻 耐疲劳 润滑 与人体组织无反应 不溶解 能黏附在其他材料表面 已用于人工心瓣膜 血管 支气管等 但由于游离碳粒会进入血液和淋巴 使皮肤染色 因而使它的广泛应用受到限制 2 生物活性陶瓷能在界面上诱发出特殊生物反应的材料 这种反应导致组织与材料之间形成键合 包括表面活性生物陶瓷和可生物降解陶瓷 它们的表面同人体组织间可通过形成强的化学键达到完全亲和 1 磷酸钙陶瓷 主要特征是具有生物降解性 并能被人体吸收 羟基磷石灰与聚合物复合用于人造骨 效果更好 2 生物活性玻璃陶瓷 首先由日本制成生物活性陶瓷 又称微晶玻璃 简称A W 它是磷石灰和硅灰石的高强度陶瓷 3 Na2O K2O MgO SiO2 B2O Al2O3系陶瓷 能与骨直接结合 在人体内强度不够大 4 BGC人工骨 由中科院电子技术研究所和华西医科大学合作研制的 具有生物相容性好 与骨结合强度大 成骨过程快 可润滑良好等特点 还可根据使用目的选择不同空隙度的材料 六 陶瓷分离膜 分离膜 以压力差 浓度差等作动力 使气体和液体的混合物或无机物 有机物的溶液分离成各种组分的功能膜叫分离膜 陶瓷分离膜性能 在酸性和弱碱性条件下稳定 并能耐有机试剂及氯气 适用于高温和高压状态 使用温度高 强度高 抗生物侵蚀能力强 不污染环境 便于清洗 种类 目前 陶瓷分离膜主要是氧化铝膜 此外有氧化硅膜 氧化锆膜和硅掺硼膜等多孔陶瓷膜 应用 工业用水及废水处理 药品行业的液体除菌 酒类 果汁饮料的澄清 浓缩和除菌 生物发醇器和反应器等 七 光学陶瓷 过去常用的光学材料大多是玻璃 透镜 棱镜 滤光片等大多单纯是光的通路 随着电子学和光电子学的发展 要求用作光学功能的陶瓷需具备优良的耐热性 耐风化性 耐膨胀性等 传统的光学材料已不能满足这些需要 因为这些材料不仅要求是光的通路 而且要具备光的单色性 调制 偏转 或要求在光 电 磁 声等作用下能发生某些物理效应 具有特殊功能 1 透明陶瓷 1 氧化物透明多晶体在各向同性晶体构成的多晶体中 晶界不产生光散射 若没有气孔 是透明的 但存在微量就会发生明显的散射 在各向异性的晶体中 光从一个晶粒向临近的晶粒入射时 由于双折射现象产生散射 因此为得到透明多晶体 双折射必须很小 2 非氧化物透明多晶体有些非氧化物多晶体也可作为电子材料或通过特定波长光的窗口 如斯托拉 Stollar 等将GaAs粉末方在温度为900 1000 的真空中 在6 33 30 37Mpa的压强下进行热压 制成了透明多晶体 2 红外光学陶瓷红外技术的发展使光学材料研究变得很活跃 这些材料除滤光材料主要是各类红外接受材料和红外探测材料 以往主要用单晶和玻璃 最近已开始使用多晶体陶瓷 另一类滤光材料是粉末滤光材料 它可以滤去可见光及近红外辐射 材料通常有钾盐作为衬底再用真空蒸发的方法在上面镀一层金属半导体粉末 基本原理是基于近红外辐射能被与其波长相当的微粒散射 氧化铱是优良的高温红外材料和电子材料 主要用于红外导弹的窗口和整体罩 天线罩 微波基板 绝缘支架等 它是以高纯度氧化铱为原料 添加ThO2 在氢氧焰中高温烧成的透明多晶聚结体 3 激光陶瓷激光是通过光的受激发射放大而获得相位一致的高功率单色光而被人们利用