先进陶瓷材料-功能陶瓷

期末考试安排1考试方式：闭卷2考试时间：2011年1月6日

晚7:00-9:303考试地点：

材料080137人东九B102材料080236人东九B103材料080337人东九B201先进陶瓷材料二.功能陶瓷

功能陶瓷是指那些利用电、磁、声、光、热、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(现代陶瓷)。二功能陶瓷电功能陶瓷1磁功能陶瓷2光功能陶瓷3生物与化学功能陶瓷4二功能陶瓷功能陶瓷电功能陶瓷绝缘陶瓷,介电陶瓷,铁电陶瓷,压电陶瓷,半导体陶瓷磁功能陶瓷铁氧体光功能陶瓷透明陶瓷、透明铁电陶瓷生物与化学功能陶瓷湿敏陶瓷,气敏陶瓷,载体用陶瓷,生物陶瓷2.1电功能陶瓷2.1.1导电陶瓷一般氧化物陶瓷是不导电的，但如果把某些氧化物加热，或者用其它的方法激发，使外层电子获得足够的能量，足以克服原子核对它的吸引力而成为自由电子，这种氧化物陶瓷就成为电子导体或半导体。导电陶瓷陶瓷加热器2.1电功能陶瓷2.1.1导电陶瓷氧化锆陶瓷、氧化钍陶瓷及由复合氧化物组成的铬酸镧陶瓷都是新型电子导电材料，可作为高温设备电热材料。其最大的优点是更耐高温和良好的抗氧化能力.稳定氧化锆陶瓷的最高使用温度2000℃，氧化钍陶瓷可达2500℃，但它们低温时的导电性能需进一步改进.铬酸镧导电陶瓷是新型电热材料，其使用温度可达1800℃，空气中的使用寿命在1700小时以上，用于1500~1800℃的高温电炉，是最好的电热材料。导电陶瓷2.1电功能陶瓷2.1.2介电陶瓷介电陶瓷主要用于制造电容器，要求具有电阻率高、介电常数大、介质损耗小等特点。金红石(TiO2)、钛酸钙瓷(CaTiO3)、钛酸镁瓷(2MgO-TiO2)、钛锶铋瓷(Bi2O3

nTiO2溶于SrTiO3的固溶体)用于高频电容器。钛酸钡(BaTiO3)用于铁电电容器、半导体电容器等。BaTiO3结构多层BaTiO3陶瓷电容器2.1电功能陶瓷2.1.2介电陶瓷晶体中具有相同自发极化方向的小区称为电畴，BaTiO3是具有电畴结构的铁电晶体，通过加入物可使其居里温度(使电畴结构消失的温度，BaTiO3的居里温度为120℃)调整至室温附近，介电常数可由单成分的1700提高到30000以上。由以上材料制成的电容器已广泛用于收音机、电视机、无线电收发报机等方面。2.1电功能陶瓷2.1.2介电陶瓷未加电场电场E方向电场E方向电畴2.1电功能陶瓷2.1.3压电陶瓷当晶体受到外力作用产生变形时，其两端面出现正负电荷，显示极化现象，反之，在晶体上施加电场引起极化时，晶体产生变形，这种现象称作压电效应。具有压电效应的陶瓷即压电陶瓷。利用压电效应可把机械能转变为电能，或把电能转变为机械能。压电效应2.1电功能陶瓷2.1.3压电陶瓷压电效应压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。电致伸缩2.1电功能陶瓷2.1.3压电陶瓷压电陶瓷种类很多，且多为ABO3型化合物或多种ABO3型化合物的固溶体，应用最广的有钛酸钡系、钛酸铅系和锆钛酸铅系。目前压电陶瓷已成为压电材料中产量最大和用途最广的一种。锆钛酸铅压电陶瓷压电变压器压电马达高温压电陶瓷压电马达芯片2.1电功能陶瓷2.1.3压电陶瓷压电陶瓷主要用于动力装置和信息处理器件。例如，利用压电效应产生的高电压可以爆发火花，制成各种点火栓。利用压电体在交流电压作用下伸缩的原理，可制成压电振子，用于超声和水声换能器。利用压电陶瓷的谐振特性还可制作滤波器和电声器件等。压力转换器超声探头压力传感器2.1电功能陶瓷2.1.4气敏陶瓷和湿敏陶瓷1)气敏陶瓷在现代社会，人们在生活和工作中使用和接触的气体越来越多，其中某些易燃、易爆、有毒气体及其混合物一旦泄露到大气中，会造成大气污染，甚至引起爆炸和火灾。

气敏陶瓷是一种对气体敏感的陶瓷材料，陶瓷气敏元件(或称陶瓷气敏传感器)由于其具有灵敏度高、性能稳定、结构简单、体积小、价格低廉、使用方便等优点，得到迅速发展。2.1电功能陶瓷2.1.4气敏陶瓷和湿敏陶瓷1)气敏陶瓷①气敏陶瓷的定义：吸收某种气体后电阻率发生变化的一种功能陶瓷。②气敏陶瓷的分类：气敏陶瓷大致可分为半导体式、固体电解质式及接触燃烧式三种。2.1电功能陶瓷2.1.4气敏陶瓷和湿敏陶瓷1)气敏陶瓷半导体式气敏陶瓷：按照主要原料成分来分类，如SnO2型、ZnO型、

-Fe2O3型、-Fe2O3型、钙钛矿化合物型、TiO2型等。固体电解质：是一类介于固体和液体之间的奇特固体材料，其主要特征是它的离子具有类似于液体电解质的快速迁移特性，如ZrO2氧敏陶瓷，K2SO4、Na2SO4等碱金属硫酸盐等。接触燃烧式气敏陶瓷元件系：用铂金丝作母线，表面用陶瓷涂层、触媒材料、防晶粒生长材料以及防触媒中毒材料等涂层所制成。2.1电功能陶瓷2.1.4气敏陶瓷和湿敏陶瓷1)气敏陶瓷③气敏陶瓷的性能：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种类的不同而变化。吸附气体一般分为物理吸附和化学吸附两大类。被吸附的气体一般也可分为两类。

A:具有阴离子吸附性质的气体称为氧化性(或电子受容性)气体，如O2、NOx等。

B:具有阳离子吸附性质的气体称为还原性(或电子供出性)气体，如H2、CO、乙醇等。2.1电功能陶瓷2.1.4气敏陶瓷和湿敏陶瓷1)气敏陶瓷④典型的气敏陶瓷：SnO2系气敏陶瓷：SnO2系气敏陶瓷是最常用的气敏半导体陶瓷，是以SnO2为基材，加入催化剂、黏结剂等，按照常规的陶瓷工艺方法制成的。SnO2气敏陶瓷SnO2气敏元件2.1电功能陶瓷2.1.4气敏陶瓷和湿敏陶瓷1)气敏陶瓷④典型的气敏陶瓷：SnO2气敏陶瓷以超细SnO2粉料为基本原料，粉料越细，比表面积越大，对被测气体越敏感。制造高分散的SnO2超细粉料的方法有锡酸盐分解法、金属锡燃烧法、等离子体反应法及化学共沉淀物热分解法等。2.1电功能陶瓷2.1.4气敏陶瓷和湿敏陶瓷SnO2系气敏陶瓷制造的气敏元件有如下特点：A: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，这种变化十分明显，非常适用于对低浓度气体的检测；C:对气体的检测是可逆的，而且吸附、解吸时间短；D:气体检测不需复杂设备，待测气体可通过气敏元件电阻值的变化直接转化为信号，且阻值变化大，可用简单电路实现自动测量；E:物理化学稳定性好，耐腐蚀，寿命长；F:结构简单，成本低，可靠性高，耐振动和抗冲击性能好。2.1电功能陶瓷2.1.4气敏陶瓷和湿敏陶瓷SnO2系气敏陶瓷的应用：

利用SnO2烧结体吸附还原气体时电阻减少的特性来检测还原气体，已广泛应用于家用石油液化气的漏气报警、生产用探测报警器和自动排风扇等。

SnO2系气敏元件对酒精和CO特别敏感，广泛用于CO报警和工作环境的空气监测等。已进入实用的SnO2系气敏元件对于可燃性气体，例如H2、CO、甲烷、丙烷、乙醇、酮或芳香族气体等，具有同样程度的灵敏度，因而SnO2气敏元件对不同气体的选择性就较差。2.1电功能陶瓷2.1.4气敏陶瓷和湿敏陶瓷1)气敏陶瓷ZnO系气敏陶瓷：氧化锌系气敏陶瓷元件最突出的优点是气体选择性强，一般加入适量的贵金属催化剂来提高陶瓷元件的灵敏度。氧化锌气敏元件对异丁烷、丙烷、乙烷等碳氢化合物有较高灵敏度，碳氢化合物中碳元素数目越大灵敏度越高。掺Pd的氧化锌气敏陶瓷元件对H2、CO灵敏度较高，对碳氢化合物灵敏度较差。掺Ag的氧化锌气敏陶瓷元件对乙醇、苯和煤气较灵敏，且成本也较低。2.1电功能陶瓷2.1.4气敏陶瓷和湿敏陶瓷1)气敏陶瓷Fe2O3系气敏陶瓷：常见的铁的氧化物有三种基本形式：FeO、Fe2O3和Fe3O4；其中，Fe2O3有两种陶瓷制品：

－Fe2O3和－Fe2O3均被发现具有气敏特性。

－Fe2O3具有刚玉型晶体结构。从热稳定性来看－Fe2O3较优，但从灵敏度而言则比－Fe2O3差。Fe2O3系气敏陶瓷最大的特点是不用贵金属做催化剂也能得到较高的催化性，高温下热稳定性好。

－Fe2O3对丙烷气体较灵敏，但对甲烷就不灵敏。2.1电功能陶瓷2.1.4气敏陶瓷和湿敏陶瓷电子鼻郑州机场“电鼻子”检测物品⑤气敏陶瓷的应用：IQ-1000万用气体检测仪ENOSE便携式多气体检测仪（电子鼻）2.1电功能陶瓷2.1.4气敏陶瓷和湿敏陶瓷2)湿敏陶瓷①气敏陶瓷的定义：其电阻值随所处环境的湿度而变。②常见的湿敏陶瓷：湿敏陶瓷目前主要有氧化物涂覆膜型、多孔烧结体型、厚膜型、薄膜型等。MgCr2O4为高温烧结型湿敏陶瓷，MnWO4和NiWO4是厚膜型湿敏陶瓷，Al2O3、Ta2O3则是薄膜型湿敏陶瓷。湿敏探头2.1电功能陶瓷2.1.5热敏陶瓷热敏陶瓷是一类电阻率、磁性、介电性等性质随温度发生明显变化的材料，主要用于制造温度传感器、线路温度补偿及稳频的元件--热敏电阻(thermistor)。

热敏陶瓷具有灵敏度高、稳定性好、制造工艺简单及价格便宜等特点。2.1电功能陶瓷2.1.5热敏陶瓷1）热敏陶瓷的特性分类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(positivetemperaturecoefficient)；②电阻随温度的升高而减小的热敏电阻称为负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏电阻(negativetemperaturecoefficient)；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(criticaltemperatureresistor)。2.1电功能陶瓷2.1.5热敏陶瓷正电阻温度系数负电阻温度系数2.1电功能陶瓷2.1.5热敏陶瓷2）陶瓷热敏电阻材料①BaTiO3PTC陶瓷；BaTiO3陶瓷是否具有PTC效应，完全由其晶粒和晶界的电性能所决定。纯BaTiO3具有较宽的禁带，常温下电子激发很少，其室温下的电阻率为1012

cm,已接近绝缘体，不具有PTC电阻特性。化学计量比偏离掺杂使得晶粒具有优良的导电性，而晶界具有高的势垒层，形成绝缘体。2.1电功能陶瓷2.1.5热敏陶瓷2）陶瓷热敏电阻材料①BaTiO3PTC陶瓷；化学计量比偏离BaTiO3的化学计量比偏离半导化采用在真空、惰性气体或还原性气体中加热BaTiO3。由于失氧，BaTiO3内产生氧缺位，为了保持电中性，部分Ti4+将俘获电子成为Ti3+。在强制还原以后，需要在氧化气氛下重新热处理，才能得到较好的PTC特性，电阻率为1--103

cm。2.1电功能陶瓷2.1.5热敏陶瓷2）陶瓷热敏电阻材料①BaTiO3PTC陶瓷；掺杂如果用离子半径与Ba2+相近的三价离子(如La3+、Ce3+、Nd3+、Ga3+、Sm3+、Dy3+、Y3+、Bi3+、Sb3+等)置换Ba2+，或者用离子半径与Ti4+相近的五价离子(如Ta5+、Nb5+、Sb5+等)置换Ti4+，采用普通陶瓷工艺，即能获得电阻率为103--105

cm的n型BaTiO3半导体。一般情况下，电阻率随掺杂浓度的增加而降低，达到某一浓度时，电阻率降至最低值，继续增加浓度，电阻率则迅速提高，甚至变成绝缘体。2.1电功能陶瓷2.1.5热敏陶瓷这种电阻主要用于无触点开关、稳流稳压、温度调节器及火灾探测器等。PTC陶瓷元件的电阻温度特性

热敏电阻2.1电功能陶瓷2.1.5热敏陶瓷2）陶瓷热敏电阻材料②负温度系数热敏电阻(NTC热敏电阻)一般陶瓷材料都有负的电阻温度系数，但温度系数的绝对值小，稳定性差，不能应用于高温和低温场合。

NTC热敏电阻材料是用特定组分合成，其电阻率随温度升高按指数关系减小的一类材料，分低温型、中温型和高温型三大类。2.1电功能陶瓷2.1.5热敏陶瓷2）陶瓷热敏电阻材料②负温度系数热敏电阻(NTC热敏电阻)NTC热敏电阻材料绝大多数是具有尖晶石型结构的过渡金属固熔体。其中，二元系主要有：Cu-Mn、Co-Mn、Ni-Mn等系。其中，最有实用意义的为Co-Mn系材料。它在20℃时的电阻率为103

cm，主晶相为立方尖晶石MnCo2O4。

随着Mn含量的增大，则形成MnCo2O4立方尖晶和MnCo2O4四方尖晶的固溶体，电阻率逐渐增大。2.1电功能陶瓷2.1.5热敏陶瓷2）陶瓷热敏电阻材料②负温度系数热敏电阻(NTC热敏电阻)工作温度在300℃以上的热敏电阻(NTC)常称为高温热敏电阻。

高温热敏电阻有广泛的应用前景，尤其在汽车空气／燃料比传感器方面，有很大的实用价值。2.1电功能陶瓷2.1.5热敏陶瓷2）陶瓷热敏电阻材料②负温度系数热敏电阻(NTC热敏电阻)其中，主要使用的两种较典型材料为：稀土氧化物材料

Pr、Er、Tb、Nd、Sm等氧化物，加入适量其他过渡金属氧化物，在1600~1700

℃烧结后，可在300--1500

℃工作。MgAl2O4--MgCr2O4--LaCrO3[或(LaSr)CrO3]三元系材料

该系材料适用于1000℃以下温区。2.1电功能陶瓷2.1.5热敏陶瓷2）陶瓷热敏电阻材料②负温度系数热敏电阻(NTC热敏电阻)工作温度在－60℃以下的热敏电阻材料(NTC)称为低温热敏电阻材料。

低温热敏电阻材料以过渡金属氧化物为主，加入La、Nd、Pd等的