Lecture_陶瓷材料

1、功能陶瓷材料功能陶瓷材料Ceramic Materials 1台州学院讲稿台州学院讲稿 2013.102345w先进陶瓷（先进陶瓷（Advanced ceramicsAdvanced ceramics）w精细陶瓷（精细陶瓷（Fine ceramicsFine ceramics）w工程陶瓷（工程陶瓷（Engineering ceramicsEngineering ceramics）w新型陶瓷（新型陶瓷（New ceramicsNew ceramics）w近代陶瓷（近代陶瓷（Modern ceramicsModern ceramics）w高技术陶瓷（高技术陶瓷（High Technology ce

2、ramicsHigh Technology ceramics）w高性能陶瓷（高性能陶瓷（High Performance ceramicsHigh Performance ceramics）w特种陶瓷（特种陶瓷（Special ceramicsSpecial ceramics）67特种陶瓷的分类特种陶瓷的分类 w结构陶瓷结构陶瓷主要利用其热、机械、化学功能，主要利用其热、机械、化学功能，有耐磨损材料、高强度材料、耐热材料，硬质材有耐磨损材料、高强度材料、耐热材料，硬质材料、耐冲击材料、低膨胀材料、隔热材料等结构料、耐冲击材料、低膨胀材料、隔热材料等结构材料。材料。w功能陶瓷功能陶瓷利用其电、磁

3、、声、光、催化、生利用其电、磁、声、光、催化、生物化学等功能，其中最主要的是绝缘材料、电介物化学等功能，其中最主要的是绝缘材料、电介质材料、压电材料、磁性材料、半导体材料和透质材料、压电材料、磁性材料、半导体材料和透光性陶瓷等电子材料、具有生物化学功能的生物光性陶瓷等电子材料、具有生物化学功能的生物医用材料、抗菌陶瓷材料等。医用材料、抗菌陶瓷材料等。891011 功能陶瓷是指利用电、磁、声、光、热、力学功能陶瓷是指利用电、磁、声、光、热、力学直接效应及其耦合效应所提供的一种或多种性质来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应用功能的陶瓷。广泛应用于电子技术、实现某种应用功能的陶瓷

4、。广泛应用于电子技术、能源开发、传感技术和生物技术等各个领域。能源开发、传感技术和生物技术等各个领域。 功能陶瓷通常根据其本征的功能及其主要用途功能陶瓷通常根据其本征的功能及其主要用途进行分类：进行分类： 机械材料；热学材料；电学材料；机械材料；热学材料；电学材料； 光学材料；化学材料；生物材料。光学材料；化学材料；生物材料。功能陶瓷及其分类功能陶瓷及其分类12陶瓷功能材料的改进方法陶瓷功能材料的改进方法a.从材料的组成上直接调节，优化其内在品质，包从材料的组成上直接调节，优化其内在品质，包括采用非化学式计量、离子置换、加入不同类型括采用非化学式计量、离子置换、加入不同类型杂质，使不同相在微观

5、级复合，形成不同性质的杂质，使不同相在微观级复合，形成不同性质的晶界层等。晶界层等。b.通过改变外界条件，即改变工艺条件和提高陶瓷通过改变外界条件，即改变工艺条件和提高陶瓷材料的性能，达到获得优质材料的目的。材料的性能，达到获得优质材料的目的。13生物陶瓷生物陶瓷概念：概念：具有特殊生理行为的陶瓷材料，可以作为具有特殊生理行为的陶瓷材料，可以作为生物体部分功能或形态修复材料。生物体部分功能或形态修复材料。性能要求：性能要求：1、无毒性，生物兼容性、无毒性，生物兼容性2、物理和化学稳定性、物理和化学稳定性3、生物亲和性、生物亲和性4、易消毒、易消毒5、抗血栓性、抗血栓性14生物陶瓷分类生物陶瓷分

6、类1.生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷2. 生物活性陶瓷生物活性陶瓷3. 生物复合材料生物复合材料15生物惰性材料生物惰性材料 特点：结构稳定，化学键合力强，具有高机特点：结构稳定，化学键合力强，具有高机械强度、耐磨性及化学稳定性。械强度、耐磨性及化学稳定性。 主要材料包括：氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等主要材料包括：氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等 主要用途：外科手术中的生物假体，如人工主要用途：外科手术中的生物假体，如人工关节等关节等16生物活性陶瓷生物活性陶瓷 表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷（生物降解表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷（生物降解陶瓷）陶瓷） 表面生物活性陶瓷特点：通常含有羟基，可做成表面生物活

7、性陶瓷特点：通常含有羟基，可做成多孔性，生物组织可长入并同其表面发生牢固的多孔性，生物组织可长入并同其表面发生牢固的键合键合 生物吸收性陶瓷特点：能部分吸收或者全部吸收，生物吸收性陶瓷特点：能部分吸收或者全部吸收，在生物体内能诱发新生组织的生长。在生物体内能诱发新生组织的生长。17敏感陶瓷敏感陶瓷 定义：定义：当作用于材料元件上的某一外界条件当作用于材料元件上的某一外界条件如温度、压力、湿度、气氛、电场、磁场、如温度、压力、湿度、气氛、电场、磁场、光及射线等改变时，能引起该材料某种物理光及射线等改变时，能引起该材料某种物理性能的变化，从而能从这些元件上准确迅速性能的变化，从而能从这些元件上准确

8、迅速地获得某种有用的信号。地获得某种有用的信号。 分类：分类：热敏、压敏、湿敏、气敏、声波敏感热敏、压敏、湿敏、气敏、声波敏感陶瓷、磁敏和多敏性陶瓷陶瓷、磁敏和多敏性陶瓷18热敏陶瓷热敏陶瓷 热敏陶瓷是一类热敏陶瓷是一类其电阻率随温度发生明显其电阻率随温度发生明显变化的材料变化的材料。 分类：分类：PTC、NTC、CTR19 PTC热敏电阻陶瓷热敏电阻陶瓷PTC: Positive Temperature Coefficient1）居里温度）居里温度TC2）PTC热敏陶瓷材料热敏陶瓷材料3）PTC热敏陶瓷的应用热敏陶瓷的应用20居里温度居里温度T Tc c 在小于在小于TC温度区域，电温度区域

9、，电阻随温度升高而下降，服阻随温度升高而下降，服从从eE/2KT规律规律 在在TC附近时，发生相变，附近时，发生相变，随温度升高，电阻急剧升随温度升高，电阻急剧升高，称为高，称为PTC温度区域温度区域 在大于在大于TC的温度区域，的温度区域，有呈负温度特征，服从有呈负温度特征，服从 eE/2KT规律规律05010015020010-1100101102103104105mt/CTRPTCNTC21PTC热敏陶瓷种类热敏陶瓷种类两个系列：两个系列：BaTiO3基基PTC材料材料特点：具有优良特点：具有优良PTC效应，效应，TC温度区域电阻率跃变达温度区域电阻率跃变达103-107V2O3基基PT

10、C材料材料 特点：在常温下电阻率很小，其特点：在常温下电阻率很小，其PTC属于金属绝缘属于金属绝缘体型相变，没有电压效应和频率效应，可用于大电体型相变，没有电压效应和频率效应，可用于大电流领域的过流保护流领域的过流保护22PTC热敏陶瓷的应用热敏陶瓷的应用实用价值特性：实用价值特性： 电阻率电阻率- -温度、电流温度、电流- -电压、电流电压、电流- -时间、等时间、等温发热电阻、收缩振荡、发热。温发热电阻、收缩振荡、发热。23应用方面：应用方面：a.对温度敏感，如马达的过热保护、液面深度对温度敏感，如马达的过热保护、液面深度探测、温度控制和报警、非破坏性保险丝、探测、温度控制和报警、非破坏性

11、保险丝、晶体管过热保护、温度电流控制器等；晶体管过热保护、温度电流控制器等；b.延迟，如彩色电视机自动消磁、马达启动器、延迟，如彩色电视机自动消磁、马达启动器、延迟开关等；延迟开关等；c.加热器，如等温发热件、空调加热器等。加热器，如等温发热件、空调加热器等。24NTC热敏电阻陶瓷热敏电阻陶瓷NTC: Negative Temperature Coefficient 定义：指随温度升高而其电阻率定义：指随温度升高而其电阻率按指数关系减小的一类陶瓷材按指数关系减小的一类陶瓷材料。料。负温度系数的温度负温度系数的温度- -电阻特性：电阻特性： 0011exp()RRBTT式中，式中，R，R0分别为

12、在分别为在T和和T0（K）时的电阻；）时的电阻；B为热敏电阻常数。由此为热敏电阻常数。由此可得到电阻温度系数：可得到电阻温度系数：21tdRBR dTT 25 热敏电阻材料的要求：热敏电阻材料的要求：1. 高温物理、化学、电气特性稳定，尤其电阻对高温高温物理、化学、电气特性稳定，尤其电阻对高温直流负荷随时间变化小；直流负荷随时间变化小；2. 在使用湿度范围内无相变；在使用湿度范围内无相变；3. B值可根据需要进行调整；值可根据需要进行调整；4. 陶瓷烧结体与电极的膨胀系数接近。陶瓷烧结体与电极的膨胀系数接近。26CTR热敏电阻陶瓷热敏电阻陶瓷 定义：一种具有开关特性的负温度系数的热敏电阻。定义

13、：一种具有开关特性的负温度系数的热敏电阻。当达到临界温度时，引起半导体陶瓷当达到临界温度时，引起半导体陶瓷- -金属相变。金属相变。 CTR热敏电阻主要是以热敏电阻主要是以VO2为基本成分的半导体陶瓷，为基本成分的半导体陶瓷，在在68附近具有很大的负温度系数，故称为剧变温度附近具有很大的负温度系数，故称为剧变温度热敏电阻。热敏电阻。 应用方面：应用方面： CTR热敏电阻陶瓷的应用主要是利用其在特定温度热敏电阻陶瓷的应用主要是利用其在特定温度附近电阻剧变的特性，用于电路的过热保护和火灾报附近电阻剧变的特性，用于电路的过热保护和火灾报警等方面。警等方面。27CTR热敏电阻陶瓷的制备热敏电阻陶瓷的制

14、备CTR热敏电阻陶瓷主要是指以热敏电阻陶瓷主要是指以VO2为基本成分的半导为基本成分的半导体陶瓷，其制备方法是将体陶瓷，其制备方法是将V2O5和和V或或V2O3粉末混合，粉末混合，放入石英管中，抽真空后加热至熔点以上。另一方放入石英管中，抽真空后加热至熔点以上。另一方法是将上述粉末的混合物在可控制氧分压的气氛中法是将上述粉末的混合物在可控制氧分压的气氛中烧结。烧结。 VO2热敏陶瓷的热敏原理：热敏陶瓷的热敏原理： 金红石结构金红石结构 单斜结构单斜结构 （导体）（导体） （半导体）（半导体）67 28压敏陶瓷压敏陶瓷 定义：是指具有非线性伏安特定义：是指具有非线性伏安特性、对电压变化敏感的半导

15、性、对电压变化敏感的半导体陶瓷。体陶瓷。 特点：它在某一临界电压以下特点：它在某一临界电压以下电阻值非常高，几乎没有电电阻值非常高，几乎没有电流，但当超过这一临界电压流，但当超过这一临界电压时，电阻将急剧变化，并且时，电阻将急剧变化，并且有电流通过。随着电压的少有电流通过。随着电压的少许增加，电流会很快增大。许增加，电流会很快增大。其其I-V特性曲线如图。特性曲线如图。氧化锌压敏陶瓷的伏安特性氧化锌压敏陶瓷的伏安特性29伏安特性及非线性指数伏安特性及非线性指数 压敏电阻又称为非线性电阻，一般其压敏电阻又称为非线性电阻，一般其I-V特性可以特性可以用下列共事近似表示用下列共事近似表示VIC（）式

16、中：式中：I压敏电阻电流，压敏电阻电流，A； V施加电压，施加电压，V； C，常数，常数， 其中其中 为非线性指数。当为非线性指数。当 1时是欧姆器件；当时是欧姆器件；当 时是时是非线性最强的变阻器。非线性最强的变阻器。/dIdVIV30压敏陶瓷电阻器种类：压敏陶瓷电阻器种类：ZnO压敏电阻压敏电阻SiC压敏电阻压敏电阻BaSiO3压敏电阻压敏电阻釉釉- -ZnO压敏电阻压敏电阻Si和和Se压敏电阻压敏电阻31（1）ZnO压敏电阻陶瓷压敏电阻陶瓷 ZnO压敏电阻陶瓷是压敏陶瓷中性能最压敏电阻陶瓷是压敏陶瓷中性能最优的一种材料，具有高非线性，大电流和优的一种材料，具有高非线性，大电流和高能量承受

17、能力。高能量承受能力。 利用利用ZnO的弱电场高电阻和达到一定电的弱电场高电阻和达到一定电场时电流急剧上升的特性，广泛应用于弱场时电流急剧上升的特性，广泛应用于弱电和强电领域。电和强电领域。32（2）SiC系压敏电阻陶瓷系压敏电阻陶瓷 SiC也是一种压敏陶瓷材料。是应用也是一种压敏陶瓷材料。是应用SiC颗粒接颗粒接触的电压非线性特性的压敏电阻，其非线性指数触的电压非线性特性的压敏电阻，其非线性指数a值约为值约为37，压敏电阻，压敏电阻Vc值可达值可达10V以上。以上。SiC压压敏电阻的电压非线性，可以认为是由组成电阻元件敏电阻的电压非线性，可以认为是由组成电阻元件的的SiC颗粒本身的表面氧化膜

18、产生的接触电阻所引颗粒本身的表面氧化膜产生的接触电阻所引起的，元件的厚度不同可改变起的，元件的厚度不同可改变Vc的大小。的大小。 由于由于SiC压敏电阻的热稳定性好，能耐较高电压，压敏电阻的热稳定性好，能耐较高电压，因此首先应用于电话交换机继电器接点的消弧，在因此首先应用于电话交换机继电器接点的消弧，在电子电路的稳压和异电压控制元件也得到广泛应用。电子电路的稳压和异电压控制元件也得到广泛应用。33气敏陶瓷气敏陶瓷定义：能对气体的成分进行有效的分析、检测定义：能对气体的成分进行有效的分析、检测的陶瓷的陶瓷分类：分类：1、半导体式，又可分为表面效应和体效应、半导体式，又可分为表面效应和体效应2、固

19、体电解质式、固体电解质式34（1）气敏陶瓷的性能）气敏陶瓷的性能 1、物理吸附和化学吸附、物理吸附和化学吸附 2、阴离子吸附和阳离子吸附、阴离子吸附和阳离子吸附351.物理和化学的稳定性物理和化学的稳定性2.气体选择性气体选择性3.初始稳定，气敏响应和复原特性初始稳定，气敏响应和复原特性4.灵敏度及长期稳定性灵敏度及长期稳定性气敏半导体陶瓷的特性要求气敏半导体陶瓷的特性要求36（2）典型的气敏陶瓷）典型的气敏陶瓷 1）SnO2系气敏陶瓷系气敏陶瓷 特点：特点： a. 灵敏度高，出现最高灵敏度的温度较低，约在灵敏度高，出现最高灵敏度的温度较低，约在300 b. 元件阻值变化与气体浓度成指数关系，在低浓度范围，这元件阻值变化与气体浓度成指数关系，在低浓度范围，这种变化十分明显，因此适用于检测微量低浓度气体种变化十分明显，因此适用于检测微量低浓度气体 c. 对气体的检测是可逆的，而且吸附、解吸时间短对气体的检测是可