敏感陶瓷的开发与应用.doc

材料学概论结业小论文 目录材料学概论结业小论文敏感陶瓷的开发和应用 姓 名 余素春 班 级 料119班 学 号 119024500 目录1 敏感陶瓷的简介31.1 敏感陶瓷的定义31.2 敏感陶瓷的分类 3 1.2.1热敏陶瓷31.2.2压敏电阻陶瓷31.2.3磁敏陶瓷41.2.4湿敏陶瓷41.2.5气敏陶瓷41.3敏感陶瓷材料的制备工艺和技术51.3.1超微粉料制备技术51.3.2多层化技术52 敏感陶瓷设计与发展52.1敏感陶瓷的设计程序62.2敏感陶瓷的设计原则62.3敏感陶瓷前景展望671、敏感陶瓷的简介敏感陶瓷是指对信息感受和功能变换具有敏感特性的多晶无机材料，属功能陶瓷的一个重要组成部分。特别是近年来，随着计算技术的迅速发展和对敏感器件的迫切要求，敏感陶瓷及其器件应用等方面的研究开发正不断扩展，将成为当今社会高度机械化、自动化和信息化所必需的重要技术基础。1.1、敏感陶瓷的定义 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。这类陶瓷主要用于遥感测量及自动化控制领域。1.2、敏感陶瓷的分类敏感陶瓷材料主要分三大类：(1)传感器用敏感陶瓷，其中有属于化学传感器的湿敏和各种气敏传感器用陶瓷材料和属物性传感器的温敏、压力敏和声敏等传感器用陶瓷；(2)非线性敏感陶瓷，用于自控加热非线性热敏元件和用于变阻器和避雷器等电压非线性压敏元件；(3)致动敏感陶瓷，主要用于压电和电致伸缩微位移致动器和光致伸缩敏感元件等。1.2.1、热敏陶瓷热敏半导体陶瓷材料就是利用它的电阻、磁性、介电性等性质随温度而变化，用它作成的器件可作为温度的测定、线路温度补偿及稳频等，且具有灵敏度高、稳定性好、制造工艺简单及价格便宜等特点。 按照热敏陶瓷的电阻-温度特性，一般可分为三大类：（1）电阻随温度升高而增大的热敏电阻称为正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电阻；（2）电阻随温度的升高而减少的热敏电阻称为负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏电阻；（3）电阻在某特定温度范围内急剧变化的热敏电阻，简称为CTR临界温度热敏电阻。1.2.2、压敏电阻陶瓷压敏电阻是电阻值对外加电压敏感，电压提高，电阻率下降。小的电压增量可引起很大的电流增量。IV特性不是直线，也称非线性电阻。电阻率在一定电流范围内可变。压敏电阻用作过压保护、高能浪涌吸收和高压稳压等，广泛应用于电力系统、电子线路和家用电器中。近年来发展了以稀土氧化为主要添加剂的ZnO压敏陶瓷。该陶瓷非线性指数大于50，以用作几百千伏电路的电涌放电器，其优点是能量吸收容量高，电流大时非线性好，响应时间短，寿命长。1.2.3、磁敏陶瓷磁敏陶瓷是指能将磁性物理量转化为电信号的陶瓷材料。有利用半导体材料的霍尔效应的陶瓷霍尔器件，有利用磁阻效应的陶瓷磁阻器件，还有利用维根德效应的陶瓷维根德器件。磁敏陶瓷的应用很广泛，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。1.2.5、湿敏陶瓷 湿敏陶瓷元件可以将湿度信号转变为电信号。陶瓷湿度传感器结构如图一。湿敏陶瓷对陶瓷的要求是：可靠性高，一致性好，响应速度快，灵敏度高，抗老化，寿命长，在尘埃烟雾中保持性能稳定和检测精度。湿敏器件一般是电阻型，即由电阻率的改变完成功能转化。 图一 陶瓷湿度传感器结构1.2.4、气敏陶瓷 气敏陶瓷是指能将气体参量转变为电信号的陶瓷材料,它能吸附气体分子，包括物理吸附和化学吸附。常温下物理吸附石主要形式，随温度升高化学吸附增加，到达某一温度达到最大值，随后气体解析几率增加，物理吸附和化学吸附同时减少。 陶瓷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、体积少、价格低等特点而广泛应用于可燃气体和毒气的检测、检漏、报警、监控等方面，在一些国家陶瓷气敏元件检测器占各种气体检测器的半数以上。1.3、敏感陶瓷材料的制备工艺和技术1.3.1、超微粉料制备技术使用超微粉料，不仅可以大大提高产品质量，而且可将烧成温度降150-400，降低产品成本。采用固相法中的机械粉碎法制备的粉粒分布较宽，易引入杂质，不适用来制备超微粉料。但此方法制备的粉粒无团聚，填充性好，成本低，迄今仍有很强的吸引力。此外，还可以采用超微细粉碎机和分级联合使用的边缘粉末工艺，在工艺参数选择、助磨剂的作用研究方面已取得一定进展。固相法中的热分解法仅适合碳酸盐之类的化合物。气相法是通过物质蒸汽的凝聚和气体成份的化学反应而使固体粒子析出的方法。此方法容易控制气氛，不仅对氧化物，而且对氮化物、碳化物等非氧化物也可以制得超微粒子。气相法的生产量小，成本高，多成份制造困难，不适合规模生产，但由于气相法的制备条件容易控制，粉料粒度分布范围窄，凝聚块团小而均匀，所以是一种值得研究的方法。液相法中用金属醇盐加水分解，一般称为凝聚-凝胶法。比较不同粉料制备工艺的相对价值，结果表明若传统陶瓷工艺为100，那么沉淀法为200，溶胶-凝胶法为400-500。由此看出溶胶-凝胶法的实用意义较大，是目前研究和使用较多的一种方法，也是制备超微粉料最有前途的一种方法。1.3.2、多层化技术为促进电子陶瓷元器件的小型化、片式化和多功能化，制造商积极开发多层化技术。而要实现多层化技术，首先需要生产出薄的陶瓷片。目前，超薄型陶瓷片的制造方法有干热法、挤制法、轧膜法和流延法，其中以流延法最佳，可制得5m厚度的陶瓷片。流延工艺首先为陶瓷电容器所采用，现已扩大到整个电子陶产品的制造，包括压电陶瓷和半导体陶瓷，如多层陶瓷板，多层压敏电阻以及多层NTC和PTC热敏电阻器等。2、敏感陶瓷设计与发展当前，在敏感陶瓷材料选择、设计和使用上虽然有很多行之有效的方法，但主要还是凭经验、做试验，很大程度上带有筛选的性质，不仅效率低、消耗大，材料的性能也不够理想。2.1、敏感陶瓷的设计程序敏感陶瓷材料微观结构工程又称分子工程、分子设计或材料设计。它的主要任务在于根据使用要求和实际条件，从原子、离子和分子的尺度，确定材料的组成、结构和生产过程.其设计程序分准备、试验、评价和优选等四个阶段，2.2、敏感陶瓷的设计原则根据基础研究和实际检验，敏感陶瓷材料微观结构工程的设计原则可归纳为以下几个方面:（1）、敏感陶瓷材料应满足敏感技术要求敏感技术是指将观察对象的各种物理(或化学)信息转换成电信号的方法。（2）、从微观和亚微观尺度上进行材料设计敏感陶瓷是一种结构灵敏性的功能材料，从原子、离子和分子尺度研究敏感陶瓷的结构和性能关系具有重要意义，固体中电子态、配位数和化学键，以及杂质分布、缺陷结构、能带结构和晶体结构应作为敏感陶瓷材料试验、评价和优选过程的重要判据.（3）、采用适当的复合方法，精确的控制其不均匀性，为研制出性能优越的敏感陶瓷创造条件。（4）、充分利用形态与形状变化，改善选择性和可靠性，开拓新的应用领域的有效途径。（5）、采用先进技术，要及时检测生产过程中起始相、过渡相(中间相)和最终相的组成、形态和性能和对称性的变化，使最终相具有预期性能。2.3、敏感陶瓷前景展望近年来陶瓷传感器用于食品的质量检测与管理也得到了迅速发展，例如SnO2传感器用于洒类识别、咖啡的识别、豚肉的鲜度鉴定、葡萄酒的识别；(ZnOWO3掺杂的）传感器用于牛肉鲜度鉴定；Ru-WO3传感器用于肉类的鉴别；Al-ZnOMg-In2O3等各种系列的传感器。它们都是90年代研究开发出来的，很有发展前途。功能陶瓷敏感器件的多功能化是今后发展的重要方向，如BaTiO3-BaSbO3系材料可制成气-温-湿多功能敏感器件。此外，功能陶瓷敏感器件薄膜化、厚膜化、叠层化和集成化的研究与开发也十分重要，可