第五章 陶瓷材料

1、121、陶瓷材料陶瓷材料的发展概况的发展概况2、功能陶瓷功能陶瓷的定义、范围和分类的定义、范围和分类3、功能陶瓷功能陶瓷的性能与工艺特征的性能与工艺特征4、功能陶瓷功能陶瓷的应用和展望的应用和展望5、制备、制备陶瓷材料的原料陶瓷材料的原料 3在人类在人类生活和社会建设生活和社会建设中是不中是不可缺少的材料，它和可缺少的材料，它和、并列为当代并列为当代。4我国的我国的历史悠久历史悠久、成就辉煌、成就辉煌，它是中华文明的伟大象征之一，在我国它是中华文明的伟大象征之一，在我国的的文化和发展史上文化和发展史上占有极其重要的地位。占有极其重要的地位。5新石器时代新石器时代先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段纳米陶瓷

2、阶段纳米陶瓷阶段6远在远在几干年前几干年前的的，我们的祖先就，我们的祖先就已经用已经用作原料，塑造成各种器皿，再作原料，塑造成各种器皿，再在在火堆中火堆中烧成坚硬的可重复使用的烧成坚硬的可重复使用的，由于，由于烧成烧成温度较低温度较低，陶瓷仅是一种含有，陶瓷仅是一种含有、的的未完全烧成未完全烧成制品。制品。78以以石英石英、长石长石、硼砂硼砂、黏土黏土等为原料制成等为原料制成的东西，涂在瓷器、陶器外面，烧制后的东西，涂在瓷器、陶器外面，烧制后，可增加陶瓷的，可增加陶瓷的机械强度机械强度和和绝缘性能绝缘性能。9以后大约在以后大约在2000年前的年前的，人们，人们利用利用为原料，加上为原料，加上的

3、的发明，以及发明，以及的不断改进，使陶的不断改进，使陶瓷步入瓷步入瓷器阶段瓷器阶段，这是，这是陶瓷技术发展史上陶瓷技术发展史上意意义重大的里程碑。义重大的里程碑。10烧成温度高烧成温度高，质地致密坚硬质地致密坚硬，表，表面有面有光亮的釉彩光亮的釉彩。随着科学进步与发展，由随着科学进步与发展，由又衍生又衍生出许多种类的出许多种类的。11都是以都是以为主要原料与其他为主要原料与其他天天然矿物原料然矿物原料经经一一等等过程制成的。过程制成的。如常见的如常见的日用陶瓷日用陶瓷、建筑陶瓷建筑陶瓷、电电瓷瓷等传统陶瓷。等传统陶瓷。12由于由于的主要原料取之于自然界的主要原料取之于自然界的的(如如黏土黏土、

4、长石长石、石英石英等等)，所以可归为所以可归为硅酸盐类材料和制品硅酸盐类材料和制品。从从的出现到的出现到，这一阶段持续了四千余年。，这一阶段持续了四千余年。1320世纪以来，随着人类对世纪以来，随着人类对宇宙的探索宇宙的探索、原子原子能工业的兴起能工业的兴起和和电子工业电子工业的迅速发展，从的迅速发展，从、到到等方面，对等方面，对均提出均提出越来越高越来越高的要求的要求。从而，促使。从而，促使发展成为一系列发展成为一系列具具有特殊功能的有特殊功能的。14如如、等各种等各种高温和功能陶瓷高温和功能陶瓷。这时，陶瓷研究进入第二个阶段这时，陶瓷研究进入第二个阶段。15（Advanced cerami

5、cs）又称又称，是为了有别于是为了有别于而言的。而言的。有时也称为有时也称为(Fine Ceramics)、(New Ceramics)、(Special Ceramics)和和(High-Tech. Ceramics)等。等。16在在陶瓷制备技术陶瓷制备技术飞速发展。飞速发展。在在有有成形、成形、成形、成形、成形、成形、成形、成形、成形等成形方法；成形等成形方法；在在则有则有烧结、烧结、烧结、烧结、烧结、烧结、烧结、烧结、烧结、烧结、烧结等。烧结等。17在在采用的采用的已不再使用或已不再使用或很少使用很少使用等传统原料，而已扩大到等传统原料，而已扩大到和和，甚至是，甚至是、原料，原料，组成范

6、围组成范围也延伸到也延伸到范围。范围。18此时可认为，此时可认为，已已是是用陶瓷生产方法用陶瓷生产方法制造的制造的和和的统称。的统称。19但是，但是，无论从，无论从、中所体现的中所体现的晶粒晶粒、晶界晶界、气孔气孔、缺陷缺陷等等在尺度上在尺度上还只是处在还只是处在的水平，故又可称之为的水平，故又可称之为。 20到到20世纪世纪90年代，陶瓷研究已进入第三个阶年代，陶瓷研究已进入第三个阶段段-。所谓所谓，是指，是指显微结构中的物相显微结构中的物相就有就有纳米级尺度纳米级尺度的陶瓷材料。它包括的陶瓷材料。它包括、等均等均在在纳米量级的尺度上纳米量级的尺度上。2122232425是当今是当今陶瓷材料

7、研究中陶瓷材料研究中一个一个十分重要的发展趋向，它将促使十分重要的发展趋向，它将促使从工艺到理论从工艺到理论、从性能到应用从性能到应用都提都提高到一个崭新的阶段。高到一个崭新的阶段。26从性能上从性能上可把可把分为分为(Structral ceramics)和和(Functional Ceramics)两大类。两大类。27是指具有是指具有和和及部及部分分的先进陶瓷的先进陶瓷(现代陶瓷现代陶瓷)，特别特别适于高温下应用的适于高温下应用的则称为则称为。28是指那些利用是指那些利用、等等直接效应直接效应及其及其耦合效应耦合效应所提所提供的供的一种或多种性质一种或多种性质来实现某种来实现某种的先进陶瓷

8、的先进陶瓷(现代陶瓷现代陶瓷)。29品种多品种多、产量大产量大、价格低价格低、应用广应用广、功能全功能全、技术高技术高、更新快更新快。30通过对通过对的的化学、物理及化学、物理及组成、结构、性能和使用效能组成、结构、性能和使用效能间相互关系的研究，间相互关系的研究，已陆续发现了一大批具有已陆续发现了一大批具有，并可借助于，并可借助于离子置换离子置换、掺杂掺杂等方法等方法调调节、优化其性能节、优化其性能，功能陶瓷材料研究已开始从，功能陶瓷材料研究已开始从逐步走向逐步走向。31的实现，主要取决于它所具有的的实现，主要取决于它所具有的，而在，而在范围中，又必须针范围中，又必须针对对，去，去改善、提高

9、某种有效的性能改善、提高某种有效的性能，以获得有以获得有某种功能某种功能的陶瓷材料。的陶瓷材料。32例如，就陶瓷的例如，就陶瓷的而言，要改善而言，要改善在大功率使用下在大功率使用下的功能，就必须首先的功能，就必须首先改改进陶瓷材料的进陶瓷材料的；为改善为改善，则要从，则要从提高材料提高材料的的和和入手；入手；33对于对于，需改善其，需改善其和和；为改善作避雷器使用的为改善作避雷器使用的的功的功能，则需提高其能，则需提高其和和。34一般来说，要一般来说，要来来，需从以下两个方面入手：，需从以下两个方面入手：通过通过，即，即以以改善和提高改善和提高，达到获得优质材，达到获得优质材料的目的。料的目的

10、。35从材料的组成上从材料的组成上直接直接、其内其内在的品质在的品质，包括采用，包括采用、，使不同相在微观级，使不同相在微观级复合，进而形成不同性质的晶界层等。复合，进而形成不同性质的晶界层等。36是指是指原料的原料的和和、和和条件条件、和和烧结状态烧结状态，以及，以及和和等。等。无论是无论是还是还是，最终都，最终都是通过是通过材料材料，才能体现出，才能体现出。37因此，要想达到因此，要想达到，或者进行，或者进行，必须综合考虑，必须综合考虑组成组成、工艺工艺、微观微观结构结构等诸多因素，这是个系统工程。等诸多因素，这是个系统工程。下图表示了下图表示了陶瓷功能陶瓷功能与与组成、工艺、性能和组成、

11、工艺、性能和结构结构的关系。的关系。38陶瓷功能与组成、工艺、性能、结构的关系陶瓷功能与组成、工艺、性能、结构的关系39的不断开发，对的不断开发，对科学技术的科学技术的发展发展起了巨大促进作用，功能陶瓷的起了巨大促进作用，功能陶瓷的应用应用领域领域也随之更为广泛。也随之更为广泛。40目前，目前，主要用于主要用于电、磁、光、电、磁、光、声、热和化学声、热和化学等等、和和等，并已在电子信息、等，并已在电子信息、集成电路集成电路、计算机计算机、能源工程能源工程、超声换能、超声换能、人工智能人工智能、生物工程生物工程等众多等众多近代科技领域近代科技领域显示出广阔的显示出广阔的应用前景。应用前景。41根

12、据功能陶瓷根据功能陶瓷组成结构的组成结构的和和，可以制备，可以制备超高绝缘性超高绝缘性、绝缘性绝缘性、半半导性导性、导电性导电性和和超导电性超导电性陶瓷；陶瓷；42根据功能陶瓷根据功能陶瓷和和，可，可以制备以制备压电压电、光电光电、热电热电、磁电磁电和和铁电铁电等等陶瓷；陶瓷；根据功能陶瓷对根据功能陶瓷对，则可制备则可制备热敏热敏、气敏气敏、湿敏湿敏、压敏压敏、磁敏磁敏和和光敏光敏等敏感陶瓷。等敏感陶瓷。43二十世纪二十世纪90年代，开始的年代，开始的的研究，表明人们已开始深入到的研究，表明人们已开始深入到来研究功能陶瓷来研究功能陶瓷的的性能与结构性能与结构，以期进一步开拓，以期进一步开拓功能

13、陶瓷功能陶瓷新的应用领域。新的应用领域。44无论从无论从，还是，还是来看，在来看，在当前及以后相当一段时间内，当前及以后相当一段时间内，在现代陶瓷在现代陶瓷中中仍将占据主导地位。仍将占据主导地位。因此，因此，今后今后在性能方面在性能方面应向着应向着、以及以及方向发展。方向发展。45在在向着向着、多相多相乃至乃至与与、薄薄膜技术膜技术等方向发展。等方向发展。46在在的的主要研究方向主要研究方向应包括：应包括：及其及其；、的的及其及其；47超高速大容量超高速大容量超导计算机超导计算机用用；多层封装多层封装立体布线立体布线用的用的；量大面广量大面广、低烧低烧、高比容高比容、高稳定性高稳定性的的等。等

14、。48由多相的由多相的所构成，所构成，所用原料大部分是所用原料大部分是或或，其，其中多为中多为。49这些这些或或种类繁多种类繁多，资源蕴藏丰富资源蕴藏丰富，且，且分布极广分布极广。某些某些对原料的要求很高，需对原料的要求很高，需要采用要采用且且的的人工合成原料人工合成原料。50通常，通常，陶瓷原料的分类陶瓷原料的分类是根据是根据、及及等不同角等不同角度进行的。综合起来，可分为以下四类：度进行的。综合起来，可分为以下四类：51 根据根据分为：分为：可塑性可塑性原料原料(也称瘠性原料也称瘠性原料)、熔剂性原料熔剂性原料。根据根据分为：分为：瓷坯原料瓷坯原料、瓷釉原料瓷釉原料、色彩色彩及及彩料原料彩

15、料原料。 52根据根据分为：分为：黏土质原黏土质原料料、硅质原料硅质原料、长石质原料长石质原料、钙质原料钙质原料、镁、镁质原料质原料。 根据根据分为：分为：矿物原料矿物原料、化工原料化工原料。53是决定其是决定其的内因，的内因，而而制品的结构制品的结构是由是由和和来保证的。来保证的。陶瓷制品所选用的陶瓷制品所选用的，首先是保证供给其，首先是保证供给其经经过加工后过加工后能生成能生成和和，其次是保，其次是保证能适应证能适应在加工处理过程中在加工处理过程中。 54综合综合对于对于的两方面要求，的两方面要求，根据原料的根据原料的可以把所需要的可以把所需要的主要归纳为三大类：主要归纳为三大类：具有可塑

16、性的具有可塑性的、具有非可塑、具有非可塑性的性的和和。55一般来说，一般来说，往往是既有往往是既有加工所需加工所需的可塑性的可塑性，也能在烧成后，也能在烧成后形成结构晶相形成结构晶相的原料；的原料；既是既是非可塑性原料非可塑性原料，同时也是，同时也是能能生成晶相的原料生成晶相的原料；也具有也具有非可塑性质非可塑性质。56除上述的除上述的中所需的三大原料外，中所需的三大原料外，陶瓷釉料陶瓷釉料还常常需用各种特殊的还常常需用各种特殊的熔剂原料熔剂原料，包括采用各种化工原料。包括采用各种化工原料。陶瓷工业中需用的陶瓷工业中需用的主要是主要是和和，以及，以及各种外加剂各种外加剂如如、和和等。等。57是

17、是日用陶瓷日用陶瓷和和工业用陶瓷工业用陶瓷的主的主要原料之一。要原料之一。黏土是多种黏土是多种的混合体，其矿物的混合体，其矿物的粒径多数小于的粒径多数小于2um，主要是由主要是由和和组成的并组成的并具有一定持性具有一定持性的的(其中主要是其中主要是具有可塑性具有可塑性)。58我国我国资源丰富，产地遍及全国。资源丰富，产地遍及全国。：高岭石高岭石类、类、蒙脱石蒙脱石类、类、伊利石伊利石类和类和水铝英石水铝英石。：黏土的组成可从几个方面：黏土的组成可从几个方面来分析，一般可从来分析，一般可从矿物组成矿物组成、化学组成化学组成和和颗颗粒组成粒组成三个方面来进行分析。三个方面来进行分析。 59黏土的性

18、质对黏土的性质对陶瓷的生产陶瓷的生产有很大的影有很大的影响。它主要包括响。它主要包括可塑性可塑性、结合性结合性、离子交、离子交换性、换性、触变性触变性、干燥收缩干燥收缩和和烧成收缩烧成收缩、烧烧结温度结温度与与烧结范围烧结范围和和耐火度耐火度等。等。60主要取决于黏土的主要取决于黏土的、与与。其中，。其中，矿物组成矿物组成是基是基本因素。本因素。61：黏土是陶瓷的主要原料，陶：黏土是陶瓷的主要原料，陶瓷瓷在烧成过程中在烧成过程中所发生的一系列所发生的一系列物理和化学变化物理和化学变化，是在是在黏土加热变化的基础上黏土加热变化的基础上进行的，因此进行的，因此是陶瓷制品烧成的基本理论基础。是陶瓷制

19、品烧成的基本理论基础。黏土黏土在加热过程中的变化在加热过程中的变化包括两个阶段：包括两个阶段：与与。62：黏土之所以作为陶：黏土之所以作为陶瓷制品的主要原料，是由于瓷制品的主要原料，是由于其赋予泥料其赋予泥料具有具有和和，这也是在，这也是在发现和发明陶瓷制品的过程中发现和发明陶瓷制品的过程中，充分利用了黏土的这一特性，才创造出多姿多彩的充分利用了黏土的这一特性，才创造出多姿多彩的各类陶瓷制品。各类陶瓷制品。63因此，因此，才有了才有了与人类文明发展有与人类文明发展有重大关系的重大关系的。作为主要原料作为主要原料对对是巨是巨大的，黏土不仅能保证大的，黏土不仅能保证陶瓷制品的成形陶瓷制品的成形，而

20、且，而且能决定能决定烧后制品的性质烧后制品的性质。64概括为五个方面：概括为五个方面：1)是是陶瓷坯泥赖以成形的基础陶瓷坯泥赖以成形的基础。2)黏土使黏土使注浆泥料与釉料注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。具有悬浮性与稳定性。3)黏土一般呈黏土一般呈细分散颗粒细分散颗粒，同时具有，同时具有结合性结合性。654)黏土是黏土是陶瓷坯体烧结时陶瓷坯体烧结时的主体，黏土中的的主体，黏土中的和和是决定是决定陶瓷坯体的烧结程陶瓷坯体的烧结程度度、烧结温度烧结温度和软化温度的主要因素；和软化温度的主要因素；5)黏土是形成黏土是形成陶器主体结构陶器主体结构和和瓷器中莫来石瓷器中莫来石晶体晶体的主要来源。的主要来

21、源。 66石英的种类。石英的种类。自然界中的自然界中的可以统称为石英。可以统称为石英。其中其中最纯的石英晶体最纯的石英晶体统称为统称为。在陶瓷工业中，在陶瓷工业中，常用的石英类原料和材料常用的石英类原料和材料有下有下列几种：列几种：、石英砂石英砂、和和。 67石英原料的性质石英原料的性质石英的外观石英的外观视其种类不同而异，有的呈视其种类不同而异，有的呈，有的，有的状态，表面具有状态，表面具有玻璃光泽玻璃光泽或或脂肪光泽脂肪光泽，莫氏硬度莫氏硬度值为值为7，相对密度相对密度因晶型而因晶型而异，波动于异，波动于2.222.65g/cm3之间。之间。石英的石英的为为，常含有少量杂常含有少量杂质成分

22、，如质成分，如Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2等。等。68石英是具有石英是具有的酸性氧化物，除的酸性氧化物，除氢氟酸氢氟酸外，一般酸类对它都不产生作用。外，一般酸类对它都不产生作用。当石英与当石英与接触时，则能起反应而生接触时，则能起反应而生成成可溶性的硅酸盐可溶性的硅酸盐。在高温中与在高温中与碱金属氧化物碱金属氧化物作用生成作用生成与与。69石英石英在陶瓷生产中的在陶瓷生产中的作用作用石英是作为石英是作为瘠性原料瘠性原料加入到陶瓷坯料中的，加入到陶瓷坯料中的，它是它是，它在陶瓷生产，它在陶瓷生产中的作用不仅中的作用不仅在坯体成形时在坯体成形时，而且，而且在烧成时在烧成时都都有

23、重要的影响。其作用概括如下：有重要的影响。其作用概括如下： 70在烧成前在烧成前是是，可对，可对泥料的可塑性泥料的可塑性起起，能，能降低坯体的干燥收缩降低坯体的干燥收缩，缩短干燥时间缩短干燥时间并防止坯体变形。并防止坯体变形。 在烧成时在烧成时，石英的加热膨胀可，石英的加热膨胀可部分地抵消坯部分地抵消坯体收缩体收缩的影响，的影响，当玻璃质大量出现时当玻璃质大量出现时，在高温下，在高温下石石英能部分熔解于液相中英能部分熔解于液相中，增加熔体的强度增加熔体的强度，而未熔，而未熔解的石英颗粒，则构成坯体的骨架，可防止坯体发解的石英颗粒，则构成坯体的骨架，可防止坯体发生软化变形等缺陷生软化变形等缺陷。

24、 71在瓷器中，石英对在瓷器中，石英对有着很有着很大的影响，大的影响，合理的石英颗粒合理的石英颗粒能大大能大大，否则效果相反。同时，石英也能使，否则效果相反。同时，石英也能使瓷坯瓷坯的透光度和白度的透光度和白度得到改善。得到改善。 在釉料中，二氧化硅是生成玻璃质的主要在釉料中，二氧化硅是生成玻璃质的主要组分，增加釉料中组分，增加釉料中能提高能提高釉的熔融温度釉的熔融温度与黏度与黏度，并减少，并减少釉的线胀系数釉的线胀系数。同时它是赋予釉。同时它是赋予釉以以高的力学强度高的力学强度、硬度、耐磨性和耐化学侵蚀性硬度、耐磨性和耐化学侵蚀性的主要因素。的主要因素。72是陶瓷原料中最常用的是陶瓷原料中最

25、常用的，在，在陶瓷生产中用作陶瓷生产中用作坯料坯料、釉料釉料、色料色料、熔剂熔剂等的基等的基本组分，其用量较大，是本组分，其用量较大，是陶瓷三大原料陶瓷三大原料之一。之一。长石的长石的和和：长石是地壳上分布：长石是地壳上分布广泛的广泛的造岩矿物造岩矿物。73呈呈架状硅酸盐架状硅酸盐结构，化学成分结构，化学成分为不含水的碱金属与碱土金属为不含水的碱金属与碱土金属，主要是钾、钠、钙和少量钡的铝硅酸盐，主要是钾、钠、钙和少量钡的铝硅酸盐，有时含有微量的铯、锶等金属离子。有时含有微量的铯、锶等金属离子。 74根据根据的结构特点，的结构特点，可分为可分为：钠长石、钾长石、钙长石和钡长石。钠长石、钾长石、

26、钙长石和钡长石。 75生产中的生产中的，实际上是，实际上是含钾为主含钾为主的的；而所谓的而所谓的，实际上是，实际上是含钠为主含钠为主的的。与与一般呈一般呈或或，相对密度为相对密度为2.62 gcm3，其他一般物理性质其他一般物理性质与与近似近似。76在在钾钠长石钾钠长石中，含中，含钾长石钾长石较多的长石较多的长石一般呈一般呈或或，个别的可呈，个别的可呈、等，等，相对密度相对密度为为2.562.59 g / cm3，莫氏硬度莫氏硬度值为值为6-6.5，断口断口呈玻璃呈玻璃光泽，解理清楚。光泽，解理清楚。77在陶瓷原料中在陶瓷原料中是作为熔剂使用是作为熔剂使用的，因而长石的，因而长石在陶资生产中的

27、作用在陶资生产中的作用主要主要表现为它的表现为它的和和的性质。的性质。长石长石在陶瓷生产中的作用在陶瓷生产中的作用如下：如下： 78 在高温下在高温下熔融，形成熔融，形成黏稠的玻黏稠的玻璃熔体璃熔体，是坯料中碱金属氧化物，是坯料中碱金属氧化物(K2O、Na2O)的主要来源，能的主要来源，能，。 79熔融后的熔融后的熔解部分熔解部分高高岭土分解产物岭土分解产物和和石英颗粒石英颗粒。液相中。液相中Al2O3和和SiO2互相作用，促进互相作用，促进的形的形成和长大，赋予了坯体的成和长大，赋予了坯体的力学性能力学性能和和化化学稳定性学稳定性。 80能填充于能填充于各结晶颗粒之间各结晶颗粒之间，有助于有

28、助于和和。冷却后的冷却后的，构成了，构成了瓷的玻璃瓷的玻璃基质基质，增加了透明度增加了透明度，并，并有助于瓷坯的力有助于瓷坯的力学性能学性能和和电气性能电气性能的提高的提高。81在釉料中在釉料中长石是主要长石是主要。长石作为长石作为瘠性原料瘠性原料，在生坯中还，在生坯中还可以可以，等。等。82类；包括类；包括伟晶花岗岩伟晶花岗岩、霞石正长岩霞石正长岩、酸性玻璃熔岩酸性玻璃熔岩（包括（包括珍珠岩珍珠岩、松脂岩松脂岩、浮岩浮岩等等)和和锂质矿物原料锂质矿物原料(常见的有常见的有锂辉石锂辉石和和锂云母锂云母两种两种)。83：包括：包括滑石滑石与与蛇纹石蛇纹石、硅灰石硅灰石、透辉石透辉石和和透闪石透闪

29、石。：包括：包括方解石方解石与与石灰石石灰石、白云石白云石和和菱菱镁矿镁矿。：包括：包括骨灰骨灰和和磷灰石磷灰石。：包括：包括高铝矾土高铝矾土、硅线石硅线石。：包括：包括磷矿渣磷矿渣、高炉矿渣高炉矿渣、萤石矿萤石矿渣渣、辉绿岩辉绿岩、粉煤灰粉煤灰、煤歼石煤歼石和和高岭土高岭土和和瓷石尾砂瓷石尾砂。84：锆英石的化学通式为：锆英石的化学通式为ZrSiO4，理理论上含论上含ZrO2 67.2，SiO2 32.8。由于含有微由于含有微量量U、Th等放射性元素，因而带有微量放射性。等放射性元素，因而带有微量放射性。属属正方晶系正方晶系，相对密度相对密度为为3.9-4.9 g / cm3。莫氏硬度莫氏硬

30、度值为值为7-8。由于。由于含有杂质含有杂质而呈现而呈现不同颜色，有不同颜色，有的，亦有的，亦有、和和。 8586在在电气电路电气电路或或电子电路电子电路中所起中所起的作用主要是的作用主要是根据电路设计要求根据电路设计要求将导体物理将导体物理隔离，以防隔离，以防电流在它们之间流动电流在它们之间流动而破坏电路而破坏电路的正常运行。的正常运行。87即，即，电子技术中电子技术中首先要求首先要求绝缘材料不导电绝缘材料不导电，即要求即要求尽量高，尽量高，也尽量高。也尽量高。此外，此外，还起着导体的还起着导体的、及及等作用。等作用。一般将一般将能起上述作用的陶瓷能起上述作用的陶瓷称为称为。88可分为可分为

31、和和两大系列；无论是哪种系列的绝缘两大系列；无论是哪种系列的绝缘陶瓷，要成为一种陶瓷，要成为一种优异的绝缘陶瓷优异的绝缘陶瓷，它必须具，它必须具备如下性能：备如下性能：( ) = 1012 cm( r)=30(tg )=5.0kV/mm89 除上述性能外，除上述性能外，还应具还应具有有、与、与导体材料导体材料尽可能一尽可能一致的致的热膨胀热膨胀性、性、及及等。等。90作为一种作为一种传统的绝缘传统的绝缘陶瓷陶瓷已有已有100多年的历史。多年的历史。而而与与相相比，则是后起之秀，它在比，则是后起之秀，它在近代电子技术中近代电子技术中所起的作用是前者无法比拟的。所起的作用是前者无法比拟的。9192

32、93比如，在众多的比如，在众多的，如收录机、彩色，如收录机、彩色电视机和录像机中，在电视机和录像机中，在(IC)，(LSI)和和(VLSI)中，在中，在等高技术产品中，甚至在等高技术产品中，甚至在航空、航天等航空、航天等中，中，已已较大量使用。较大量使用。94在当今世界上，每年要制造数百亿件在当今世界上，每年要制造数百亿件质量相当质量相当高的集成电路高的集成电路，其中约，其中约20要采用要采用。在在计算机集成电路计算机集成电路中采用中采用与与可以使高速计算机的工作效率翻番，其价可以使高速计算机的工作效率翻番，其价值超过了陶瓷自身所具价值的成千上万倍。值超过了陶瓷自身所具价值的成千上万倍。正因为

33、正因为对各种对各种电子装置运行性能电子装置运行性能的改善的改善有如此巨大的功效，所以对它们的研究开发有如此巨大的功效，所以对它们的研究开发尤为必要。尤为必要。95 96应用应用固体能带理论固体能带理论，可以成功地解释固体，可以成功地解释固体的的、和和。固体能带中那些固体能带中那些被电子完全占满被电子完全占满的叫的叫，未被电子占据未被电子占据的叫的叫，满带和导带之间的距满带和导带之间的距离离称之为称之为。97如果如果(在几个电子伏特在几个电子伏特以上以上)，满带的电子满带的电子就难以被激发而就难以被激发而超越禁超越禁带带进入导带，也即认为电子几乎无法迁移，进入导带，也即认为电子几乎无法迁移，那么

34、固体便成为那么固体便成为。实际上，这种实际上，这种只有只有时才能获得。时才能获得。98如果外界条件有所变化，例如如果外界条件有所变化，例如或者受到或者受到时，由于时，由于热激发热激发，满带中的部，满带中的部分电子就可能被激发而跃迁到导带，从而使分电子就可能被激发而跃迁到导带，从而使导电成为可能。导电成为可能。因此，在高温时因此，在高温时相似于相似于，只不过，只不过比比半导体半导体(绝缘体的禁带宽度约绝缘体的禁带宽度约4-5ev,而半导而半导体约为体约为1ev左右左右)。99由于由于有有，而激发，而激发电子需电子需；因此，；因此，在室温附近在室温附近，实，实际上可认为电子几乎不迁移。际上可认为电

35、子几乎不迁移。100很多很多是典型的是典型的或或。在这种情况下，对具有在这种情况下，对具有足够宽度禁带区足够宽度禁带区的的而言，固体中的另一种导电机理而言，固体中的另一种导电机理-就变得十分重要了。它主要是就变得十分重要了。它主要是而发生的电导行为。而发生的电导行为。101随随的升高呈的升高呈指数增加。指数增加。102和和影响影响离子导电离子导电，扩散扩散系数系数又与又与及及穿越缺陷的穿越缺陷的有关。有关。通常情况下，通常情况下，越易越易扩散扩散，其，其激活能的数值激活能的数值也越小。也越小。103因此，因此，在绝缘陶瓷中在绝缘陶瓷中应尽可能应尽可能的存在的存在(尤其是钠离子尤其是钠离子)，因

36、，因为这些离子可形成相当强烈的电导，使为这些离子可形成相当强烈的电导，使材料的材料的。104一般而言，一般而言，是是粉体原料粉体原料经过经过而得到的多相多晶材料。而得到的多相多晶材料。陶瓷的微观结构陶瓷的微观结构主要可分为主要可分为、和和三部分。三部分。105通常通常和和的的绝缘性能绝缘性能好，而好，而往往往往在高温下在高温下显示显示。由于由于基质部分基质部分杂质杂质浓度较高浓度较高，在组织，在组织上又是上又是连续相连续相，所以，所以陶瓷的绝缘性陶瓷的绝缘性容易受容易受基质相的影响基质相的影响。106设设部分的电导率为部分的电导率为 m，的电导率的电导率为为 c ，则则总的电导率总的电导率(

37、)可用下式表示：可用下式表示：)()(mcmccmccmccmkkk式中，式中，-晶粒的晶粒的； kc-晶粒的晶粒的。107若在考虑若在考虑的两种的两种极端情况极端情况下，下，则如下式所示：则如下式所示：当当 c m时，则时，则10811cmk由上面两式可知，由上面两式可知，支支配着整个体系的电导率。配着整个体系的电导率。ccmkk)1 (109固体内部存在的固体内部存在的对对绝缘性能的破坏绝缘性能的破坏不大，但当不大，但当表面存在气孔时表面存在气孔时，因，因和和将将使表面绝缘性显著劣化使表面绝缘性显著劣化。因此，原则上绝缘陶瓷应选择因此，原则上绝缘陶瓷应选择、的致密材料，并根据的致密材料，并

38、根据使用情况的使用情况的不同不同在其表面在其表面以以防止污染和吸潮防止污染和吸潮。 110通常情况下，通常情况下，与材料的与材料的、材料中材料中的多少有关。的多少有关。材料材料，杂质含量越少，则它们的，杂质含量越少，则它们的。这是因为这是因为绝缘陶瓷中若有杂质引入绝缘陶瓷中若有杂质引入，则会像，则会像掺杂半导体掺杂半导体那样，在禁带中产生那样，在禁带中产生，从而，从而使使，电阻率下降，结果使，电阻率下降，结果使绝缘强绝缘强度下降度下降。111按按可分为可分为和和两大类。两大类。绝缘陶瓷绝缘陶瓷已得到广泛应用，而已得到广泛应用，而绝缘陶瓷是绝缘陶瓷是70年代才发展起来的，年代才发展起来的，112

39、目前应用的主要有目前应用的主要有，如，如Si3N4、BN、AlN等。等。除除外，近年来又发展了外，近年来又发展了，如人工合成，如人工合成云母云母、人造、人造蓝宝石蓝宝石、尖尖晶石晶石、氧化铍氧化铍及及石英石英等。等。若按若按要求，则某些重要求，则某些重要的要的物理性能物理性能应满足下列关系式：应满足下列关系式：113tg10式中，式中， -总电导率总电导率(1 cm)； -体积电阻率体积电阻率( cm)； -角频率角频率; 其值为其值为2 f, f为频率；为频率； 0-真空中的介电常数（真空中的介电常数（8.8510-12 F/m） -相对介电常数；相对介电常数；tg -损耗因子。损耗因子。1

40、14某些重要的绝缘陶瓷材料的某些重要的绝缘陶瓷材料的列于下表列于下表绝缘陶瓷的介电性能绝缘陶瓷的介电性能115，不论是具有几干年历史的，不论是具有几干年历史的以粘土为以粘土为代表的代表的，还是最近几年才达到实用化，还是最近几年才达到实用化的各种的各种，均共存于当今的人类生活中。，均共存于当今的人类生活中。绝缘陶瓷的工业应用绝缘陶瓷的工业应用历史较早，在历史较早，在1850年左右，年左右，作为作为电绝缘器材电绝缘器材，使用于铁路通信线路。，使用于铁路通信线路。1161880年美国年美国在电力输电线路中在电力输电线路中开始使用开始使用，目前，已能制造出耐压，目前，已能制造出耐压500kV以上的以上的超超高压输电用高压输电用。随之，汽车随之，汽车付诸应用，这是一种付诸应用，这是一种需求量极大的需求量极大的绝缘陶瓷绝缘陶瓷。117随着随着的发展，集成电路、大规模集成的发展，集成电路、大规模集成电路以及超大规模集成电路相继问世，这类电路需电路以及超大规模集成电路相继问世，这类电路需要要、及及等一系列等一系列性能优良的绝缘陶瓷性能优良的绝缘陶瓷作作为电路的为电路的。于是，高性能的于是，高性能的A12O3瓷和瓷和BeO瓷作为瓷作为而被大量使用在这类电路中，且而被大量使用在这类电路中，且性能与生产性能与生产工艺工艺不断得以改进。不断得以改进。118由于电路设计者一直致力于由于电路设计者一直致力