新型陶瓷材料ppt課件

新型陶瓷材料 SpecialCeramicMaterials 陶瓷材料是除金屬和高聚物以外的無機非金屬材料的通稱 工業(yè)上應(yīng)用的典型傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品有陶瓷器 玻璃 水泥和耐火材料等 隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展 涌現(xiàn)出許多性能優(yōu)良的新型陶瓷 新型陶瓷又稱精細(xì)陶瓷 是40年代以來逐漸發(fā)展起來的新型無機材料 近年來由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和新技術(shù)的出現(xiàn) 新型陶瓷材料有了飛速的發(fā)展 國外發(fā)展現(xiàn)狀狀國際上從20世紀(jì)60年代開始重視研究先進(jìn)陶瓷材料 結(jié)構(gòu)陶瓷略早于功能陶瓷 60 70年代伴隨著陶瓷學(xué)研究的新進(jìn)展 一大批具有優(yōu)良性能的結(jié)構(gòu)和功能陶瓷材料被發(fā)現(xiàn)和合成 80年代以陶瓷發(fā)動機為背景 各國競相加大了對陶瓷材料研究與開發(fā)的投入 陶瓷材料已經(jīng)能夠基本滿足各種苛刻條件下 包括陶瓷發(fā)動機部件在內(nèi) 使用的耍求 但材料的穩(wěn)定性 可靠性和高成本等問題仍阻礙了先進(jìn)陶瓷材料的應(yīng)用 90年代中后期 對陶瓷材料的研究轉(zhuǎn)向材料性能穩(wěn)定性 結(jié)構(gòu)與功能性能一體化 低成本制備工藝等方面 各國仍在繼續(xù)增加對陶瓷材料的研究與投入 在國際學(xué)術(shù)界 無機非金屬材料的重耍性日益突出 很多國際上著名的原金屬類雜志易名為材料類雜志 大量刊登先進(jìn)陶瓷方面的研究論文 從材料產(chǎn)業(yè)上講 目前全球各類先進(jìn)陶瓷材料及其產(chǎn)品的市湯銷售總額每年達(dá)數(shù)百億美元 年增長率達(dá) 結(jié)構(gòu)陶瓷占銷售額的30 左右 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r我國在20世紀(jì)70年代開始重視先進(jìn)陶瓷材料研究 取得了一系列創(chuàng)新性成果 纖維增強陶瓷基復(fù)合材料在我國獨創(chuàng)性地應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈上 被列入定型產(chǎn)品 這是國際上纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的首次實際應(yīng)用 近十年來 我國以發(fā)動機用陶瓷零部件的研制為契機 研制成功一系列新的陶瓷材料 氮化硅與碳化硅基陶瓷材料應(yīng)用于機械密封 金屬加工切削和金屬冶煉工業(yè)中 已投人了批量生產(chǎn) 年產(chǎn)值達(dá)千萬元 氧化鋁 氧化鉻基增韌陶瓷部件應(yīng)用于集成電路基片 光纖連接器關(guān)鍵部件 汽車工業(yè)和石油工業(yè)等許多領(lǐng)域 我國在諸多新的研究領(lǐng)域也取得了令人矚目的進(jìn)展 如多元氮陶瓷相圖的研究在國際上有很高的知名度和相當(dāng)?shù)挠绊?多相復(fù)合陶瓷概念的提出促成了一大批具有優(yōu)異綜合性能的新材料誕生 不斷取得的研究進(jìn)展又對陶瓷材料制備起到了關(guān)鍵性的推動作用 我國在納米陶瓷粉體制備與團聚問題研究 以 我國先進(jìn)陶瓷材料的開發(fā)大都是結(jié)合我國國防和國民經(jīng)濟上的需要 有自己的技術(shù)特色 然而 縱觀我國先進(jìn)陶瓷領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀 我們的先進(jìn)陶瓷材料在各領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用總的來說還僅僅是一個開始 與發(fā)達(dá)國家相比 我國在研究 技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化 水平等方面都存在明顯差距 滿足不了國民經(jīng)濟迅速發(fā)展的要求 例如在全球數(shù)百億美元的先進(jìn)陶瓷年銷售額中 我國的銷售額僅占1 2 我國研制的膠態(tài)原位凝固成型的各種陶瓷部件 一 陶瓷材料的特點及分類 陶瓷材料的特點1 陶瓷材料的相組成特點陶瓷材料的基本相及其結(jié)構(gòu)要比金屬復(fù)雜得多 它通常由三種不同的相組成 即晶相 1 玻璃相 2 和氣相 氣孔3 晶相是陶瓷材料中主要的組成相 決定陶瓷材料物理化學(xué)性質(zhì)的主要是晶相 玻璃相是非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的低熔點固體 其作用是充填晶粒間隙 粘結(jié)晶粒 提高材料致密程度 降低燒結(jié)溫度和抑制晶粒長大 氣相是在工藝過程中形成并保留下來的 它對陶瓷電及熱性能的影響很大 2 陶瓷材料的結(jié)合鍵陶瓷材料的結(jié)合鍵為離子鍵 如MgO Al2O3 共價鍵 如Si3N4 BN 及離子鍵和共價鍵的混合鍵 形成離子鍵或共價鍵主要取決于兩原子間的負(fù)電性 3 陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特點陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)比金屬材料要復(fù)雜得多 但仍以立方 四方 六方晶系為主 離子鍵晶體的配位數(shù)取決于離子半徑的大小 對于共價鍵結(jié)合晶體 配位數(shù)符合8 N規(guī)則 N是族數(shù) 4 陶瓷材料的性能特點由于其結(jié)合鍵為共價鍵或離子鍵 因而陶瓷材料具有高熔點 高硬度 高化學(xué)穩(wěn)定性 耐高溫 耐氧化 耐腐蝕 還具有密度小 彈性模量大 耐磨損 強度高等特點 對于功能陶瓷還具有電 磁 光等特性 35 HCl40 陶瓷的拉伸曲線 5 陶瓷材料的工藝特點陶瓷是脆性材料 所以大部分陶瓷是通過粉體成型 燒結(jié)而得到所需要的形狀 即燒結(jié)體 燒結(jié)體也是晶粒的聚集體 有晶粒和晶界 存在的問題是有一定的氣孔率 粉末燒結(jié)法制備陶瓷材料 其制備原理為 粉末原料經(jīng)過成型后 在高溫非液相 主晶相為固態(tài) 溫度下長時間保溫 通過原子擴散而粘結(jié) 從而形成具有一定密度和強度的制品 成型方法 模壓成型 粉料裝入模具內(nèi) 采用單向或雙向加壓來壓實成粉胚 單向加壓底部的密度最小 雙向加壓可以使密度更均勻些 但工件的中部密度仍然較低 成型方法 等靜壓成型 裝入密閉容器 包套 內(nèi)的粉料在壓力缸中承受流態(tài)介質(zhì)的高壓 整個包套基本上受到均等的壓力 加壓過程中不加熱 稱為冷等靜壓 加壓過程中同時加熱使工件燒結(jié)則稱之為熱等靜壓 通常用高純氬氣作為加壓介質(zhì) 經(jīng)熱等靜壓的工件密度可達(dá)到98 以上 燒結(jié) 燒結(jié) 是指將陶瓷坯體加熱到高溫 使其發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng) 然后冷卻至室溫 使坯體具有足夠的密度 強度和物理化學(xué)性能的過程 決定粉體能否致密化 制品能否燒成的關(guān)鍵是溫度和保溫時間的選擇 溫度過高 保溫時間過長 導(dǎo)致坯體變形或晶粒粗大 溫度過低 保溫時間太短 制品密度和強度不足 陶瓷材料的分類1 按使用的原材料分分為傳統(tǒng)陶瓷材料和新型陶瓷材料 傳統(tǒng)陶瓷材料主要用天 碳化硅陶瓷密封件 然的巖石 礦石 黏土等含有較多雜質(zhì) 或雜質(zhì)不定 的材料作原料 新型陶瓷材料采用化學(xué)方法人工合成高純度或純度可控的材料作原料 2 按性能和應(yīng)用分分為工程結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩類 在工程結(jié)構(gòu)上使用的陶瓷稱工程陶瓷 因其主要在高溫下使用 又稱高溫結(jié)構(gòu)陶瓷 工程結(jié)構(gòu)陶瓷有許多種 但目前研究最多 并認(rèn)為最有發(fā)展前途的是氮化硅 碳化硅和增韌氧化物三類材料 利用陶瓷特有的物理性能制造的陶瓷材料稱功能陶瓷 由于它們具有的物理性能差異往往很大 所以用途很廣泛 二 新型陶瓷材料的特點 與傳統(tǒng)陶瓷材料相比 新型陶瓷材料除原料來源不同外 還具有以下特點 1 材料的組成新型陶瓷材料的組成已超出傳統(tǒng)陶瓷材料的以硅酸鹽為主的范圍 除氧化物 復(fù)合氧化物和含氧酸鹽外 還有碳化物 氮化物 硼化物 硫化物及其他鹽類和單質(zhì) 2 用途上由原來主要利用材料所固有的靜態(tài)物理性狀發(fā)展到利用各種物理效應(yīng)和微觀現(xiàn)象的功能性 并能在各種極端條件下使用 3 制備工藝和制品形態(tài)在制備工藝和方法上有了重大革新與改革 制品形態(tài)也有很大變化 由過去以塊狀和粉狀 為主向著單晶化 薄膜化 纖維化和復(fù)合化方向發(fā)展 三 新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷以Al2O3為主要成分 含有少量SiO2的陶瓷 又稱高鋁陶瓷 根據(jù)Al2O3含量不同分為75瓷 含75 Al2O3 又稱剛玉 莫來石瓷 95瓷和99瓷 后兩者又稱剛玉瓷 氧化鋁陶瓷耐高溫性能好 可使用到1950 具有良好的電絕緣性能及耐磨 性 微晶剛玉的硬度極高 僅次于金剛石 氮化硅 Si3N4 陶瓷1 氮化硅的結(jié)構(gòu)氮化硅是由SiN4四面體組成的共價鍵固體 它有 和 兩種結(jié)構(gòu) 都是六方晶格 兩者不同之處是原子層的垛堆順序不同 但它們不是同素異構(gòu)體 兩者可在一個很寬的溫度區(qū)間內(nèi)同時合成 2 制備工藝 合成制造高強和高韌氮化硅制品要求粉末原料的 Si3N4相含量高 粒度細(xì) 為避免制品有過多的晶界相而損害高溫性能 要求粉末有很高的純度 氮化硅粉末主要合成方法有 工業(yè)硅直接氮化 3Si 2N2 Si3N4 二氧化硅還原和氮化 3SiO2 6C 2N2 Si3N4 6CO 亞胺硅和氨基硅的熱分解 3Si NH 2 Si3N4 2NH33Si NH2 4 Si3N4 8NH3 鹵化硅或硅烷與氨的氣相反應(yīng) 3SiH4 4NH3 Si3N4 12H23SiCl4 16NH3 Si3N4 12NH4Cl方法 是大多數(shù)工業(yè)上使用氮化硅粉的制備方法 此法獲得的粉末價格昂貴且純度低 方法 反應(yīng)速度比方法 快得多 純度可控 生產(chǎn)工藝不貴 已用于生產(chǎn)高強度氮化硅陶瓷 方法 和 通常是在需要有相當(dāng)高純度的氮化硅薄膜時使用 不能用于大量生產(chǎn) 燒結(jié)工藝 氮化硅的燒結(jié)工藝及特點 氮化硅必須完全致密才能作為優(yōu)質(zhì)工程材料使用 因此必須進(jìn)行燒結(jié)才能致密化 為達(dá)到致密 常加入一定量燒結(jié)助劑起充填作用 常用助劑為MgO和Y2O3 燒結(jié)壓力低 所需燒結(jié)助劑量大 Si3N4燒結(jié)組織 3 性能特點 強度 比強度 比模量 彈性模量 密度 高反應(yīng)燒結(jié)Si3N4室溫抗彎強度為200MPa 并可一直保持到1200 1350 Si3N4軸承 熱壓氮化硅氣孔率接近于零 其室溫抗彎強度可達(dá)800 1000MPa 其比模量為11 9 104MPa 而鋼僅為2 8 104MPa 硬度與耐磨性氮化硅硬度很高 僅次于金剛石 碳化硼等幾種物質(zhì) 氮化硅的摩擦系數(shù)僅為0 1 0 2 相當(dāng)于加油潤滑的金屬表面 抗熱震性能所謂抗熱震性能是指材料承受溫度急劇變化 即熱沖擊 而不失效的能力 抗熱震性R常用式R K E表示 式中 為抗拉強度 K為導(dǎo)熱率 為熱膨脹系數(shù) E為彈性模量 反應(yīng)燒結(jié)氮化硅熱膨脹系數(shù)僅為2 53 10 6 其抗熱震性大大高于其他陶瓷材料 化學(xué)穩(wěn)定性高除熔融NaOH和HF外 能耐所有無機酸及某些堿溶液腐蝕 抗氧化溫度達(dá)1000 分解溫度約1900 H2SO460 良好的電絕緣體室溫電阻率為1 1 1014 cm 反應(yīng)燒結(jié)氮化硅制品精度極高燒結(jié)時尺寸變化僅為0 1 0 3 用于軸承材料的Si3N4和鋼 4 主要用途熱壓燒結(jié)氮化硅用于制造形狀簡單 精度要求不高的零件 如切削刀具 高溫軸承等 反應(yīng)燒結(jié)氮化硅強度 韌性低于熱壓燒結(jié)氮化硅 多用于制造形狀復(fù)雜 尺寸精度要求高的零件 如泵的機械密封環(huán) 比其他陶瓷壽命高6 7倍 熱電偶套管 泥沙泵零件等 氮化硅還用于制造 1200 的渦輪發(fā)動機葉片 內(nèi)燃發(fā)動機零件 坩堝 火箭噴嘴 核材料的支架和隔板等 氮化硅陶瓷轉(zhuǎn)子 碳化硅 SiC 陶瓷1891年美國人阿奇遜偶然發(fā)現(xiàn)了SiC材料 1 碳化硅的結(jié)構(gòu)碳化硅有 SiC和 SiC兩 種 是由SiC四面體以不同方式堆垛而成 一種是平行堆積 一種是反平行堆積 SiC為高溫穩(wěn)定相 呈六方結(jié)構(gòu) SiC為低溫穩(wěn)定相 呈立方結(jié)構(gòu) SiC結(jié)構(gòu) 1000 面 2 生產(chǎn)工藝SiC是用石英沙 SiO2 加焦碳直接加熱至高溫還原而成 SiO2 3C SiC 2CO 顏色有綠色和黑色 SiC含量愈高顏色愈淺 高純?yōu)闊o色 其他還有氣凝SiO2碳還原法 氣相合成法等 由于晶界能和表面能比值很高 加上SiC表面有一層薄氧化膜 因此碳化硅很難燒結(jié) 通常采取一些特殊工藝手段和添加燒結(jié)助劑來促進(jìn)燒結(jié) 常加助劑有B C Al等 添加B和C可降低晶界能 用常壓燒結(jié)或熱壓燒結(jié)即可獲得高密度制 品 Al對致密化過程的作用類似于B 但加B容易使晶粒反常長大 而Al卻有抑制晶粒長大的作用 常壓燒結(jié)碳化硅陶瓷件 除常壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)外 SiC還可用反應(yīng)燒結(jié)法制造 這一方法的特點是燒結(jié)溫度比較低 收縮率幾乎為零 反應(yīng)燒結(jié)是用 SiC粉末與石墨粉混合成型后放入盛有硅粉的爐中加熱到1600 1700 使硅蒸汽滲入坯體與碳反應(yīng)生成 SiC并將坯體中原有的 SiC緊密結(jié)合在一起 2 性能特點碳化硅的最大特點是高溫強度高 在1400 時抗彎強度仍保持在500 600MPa的較高水平 碳化硅有很好的耐磨損 耐腐蝕 抗蠕變性能 熱傳導(dǎo)能力很強 在陶瓷中僅次于氧化鈹陶瓷 3 主要用途由于碳化硅陶瓷具有高溫高強度的特點 可用于制造火箭噴嘴 澆注金屬用的喉管 熱電偶套管 爐管 燃?xì)廨啓C葉片及軸承等 因其良好的耐磨性 可用于制造各種泵的密封圈 拉絲成型模具等 作為陶瓷發(fā)動機材料的研究也在進(jìn)行 耐磨耐熱及半導(dǎo)體工業(yè)用SiC件 SiC制品及組織 SiC密封件 增韌氧化物陶瓷為了提高陶瓷材料的韌性 進(jìn)行了大量研究 近十幾年在增韌氧化物陶瓷方面有了突破性進(jìn)展 ZrO2 增韌氧化物是一類高溫結(jié)構(gòu)陶瓷 這類陶瓷中含有一定數(shù)量彌散分布的亞穩(wěn)狀態(tài)物質(zhì) 當(dāng)受到外力作用時 這些物質(zhì)發(fā)生相變而吸收能量 使裂紋尖端的應(yīng)力場松弛 增加裂紋擴展阻力 從而大幅度提高韌性 目前常用的相變物質(zhì)是四方相的氧化鋯 原則上講 許多氧化物甚至非氧化物陶瓷都可用氧化鋯來增韌 但實驗結(jié)果表明 只有兩個系統(tǒng)效果最好 即氧化鋯增韌氧化鋁和氧化鋯增韌氧化鋯 后者又稱部分穩(wěn)定氧化鋯 PSZ 部分穩(wěn)定氧化鋯的導(dǎo)熱率低 比Si3N4低4 5 絕熱性好 熱膨脹系數(shù)大 接近于發(fā)動機中使用的金屬 因而與金屬部件連接比較容易 抗彎強度與斷裂韌性高 除在常溫下使用外 已成為絕熱柴油機的主要侯選材料 ZrO2韌化Al2O3的組織 白色為ZrO2 由于由四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆?并引起很大的體積變化 5 熱縮 冷脹 因而易使制品開裂 單斜結(jié)構(gòu) 立方相 在氧化鋯中加入與其結(jié)構(gòu)近似的氧化物 如CaO MgO Y2O3 CeO Se2O3和其他稀土氧化物 在高溫下形成立方固溶體 快冷保持到室溫 這種固溶體不 再發(fā)生相變 具有這種結(jié)構(gòu)的氧化鋯稱完全穩(wěn)定氧化鋯 FSZ 其力學(xué)性能低 抗熱沖擊性很差 可用作電介質(zhì)器件或耐火材料 完全穩(wěn)定氧化鋯耐火件 如果減少加入的氧化物數(shù)量 不使全部氧化物都呈穩(wěn)定的立方相 而使一部分以四方相的形式存在 由于這種 含有四方相的材料只使一部分氧化鋯穩(wěn)定 所以稱部分穩(wěn)定氧化鋯 PSZ PartiallyStabilisedZirconia 根據(jù)添加的氧化物不同 分別稱為Ca PSZ Mg PSZ Y PSZ等 PSZ的顯微組織是在穩(wěn)定立方氧化鋯固溶體基體上彌散分布著細(xì)小的四方結(jié)構(gòu)的氧化鋯粒子 這種組織是通過淬火 時效處理獲得的 時效后冷卻時四方相能否保持到室溫 取決于四方相的尺寸 尺寸過大 在時效冷卻時四方相將轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?從而失去強韌化效果 四方相能保持到室溫的最大尺寸為臨界尺寸 部分穩(wěn)定氧化鋯組織 臨界尺寸與材料的成分及相變溫度有關(guān) 隨相變溫度升高和添加氧化物量增加 臨界尺寸增大 2 應(yīng)力誘發(fā)相變對斷裂韌性的貢獻(xiàn)氧化鋯中的四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕嘞嘧兪邱R氏體相變 金屬的馬氏體相變特征可直接用于氧化鋯 這種相變可通過應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生 應(yīng)力誘發(fā)相變對脆性材料斷裂韌性的貢獻(xiàn)可用Griffith方法確定 下圖表示在拉伸載荷下開裂物體的截面 該物體含有體積分?jǐn)?shù)Vi的均勻彌散的未相變的四方氧化鋯 當(dāng)裂紋擴展時 在裂紋新表面和靠近表面的粒子因解脫束縛而發(fā)生相變 并在裂紋周圍形成相變區(qū) 由于 裂紋尖端區(qū)的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變時要吸收能量 即需要外力作功 從而增加裂紋擴展阻力 提高斷裂韌性 其中 R為裂紋前沿相變區(qū)的尺寸 約等于粒子尺寸D Vi為物體含有未相變四方氧化鋯的體積分?jǐn)?shù) EC為基體材料的彈性模量 C為基體材料的泊松比 GC為四方氧化鋯 單斜氧化鋯的化學(xué)自由能變化 Use為相變應(yīng)變能的變化 1 f為裂紋擴展時因粒子解除約束而減少的應(yīng)變能分?jǐn)?shù) 由上式可見 增大Vi EC GC Usef 及R都可增大KC 設(shè)無相變時的臨界強度因子為K0 則有相變時的臨界強度因子為 3 幾種部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷 Mg PSZMg PSZ是將含MgO的ZrO2粉料成型后 在1700 1850 立方相單相區(qū) 燒結(jié) 控制冷卻速度冷至四方 立方兩相區(qū)后等溫時效 或直接冷至室溫再進(jìn)行時效處理 使四方相從過飽和立方相中析出 Mg PSZ分為兩類 一類是1400 1500 處理后得到的高強型Mg PSZ 抗彎強度為800MPa 斷裂韌性為10MPa m1 2 Mg PSZ制品 另一類是在1100 處理得到的抗熱震型Mg PSZ 強度為600MPa 斷裂韌性為8 15MPa m1 2 Y TZP四方多晶氧化鋯 TZP 是PSZ的一個分支 它在四方單相區(qū)燒結(jié) 冷卻過程中不發(fā)生相變 室溫下保持全部或大部分四方相 Y TZP的強度最高可達(dá)1200MPa 斷裂韌性可達(dá)10MPa m1 2以上 Y TZP存在的主要問題是低溫長期時效后性能下降 如在230 時效后強度由819MPa降到556MPa 這可能與表面受到化學(xué)腐蝕 使基體應(yīng)力松弛 導(dǎo)致四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕嘤嘘P(guān) Y TZP醫(yī)用件 TZP Al2O3復(fù)合陶瓷利用Al2O3的高彈性模量 可使Y TZP晶粒細(xì)化 硬度提高 四方相含量增加 強度與韌性大大提高 Al2O3含量對Y TZP抗彎強度影響 用熱壓燒結(jié)制得的ZrO2 Al2O3復(fù)合陶瓷的強度達(dá)2400MPa 斷裂韌性達(dá)17MPa m1 2 TZP醫(yī)用制品 增韌氧化物陶瓷在高溫長時間作用下 或在腐蝕 溫度 應(yīng)力梯度聯(lián)合作用下的穩(wěn)定性是一個重要問題 將其用于熱機還有許多技術(shù)問題需待解決 部分穩(wěn)定氧化鋯的導(dǎo)熱率低 絕熱性好 熱膨脹系數(shù)大 接近于發(fā)動機中使用的金屬 抗彎強度與斷裂韌性高 除在常溫下使用外 已成為絕熱柴油機的主要侯選材料 如發(fā)動機的汽缸內(nèi)襯 推桿 活塞帽 閥座 凸輪 軸承等 氧化鋯制品 陶瓷材料的增韌 陶瓷的脆性是由于內(nèi)部微裂紋的擴展 見右面裂紋擴展動畫 所致 提高陶瓷材料韌性的有效途徑就是增加裂紋擴展的阻力 除部分穩(wěn)定氧化鋯增韌外 利用顆粒物或纖維阻止裂紋擴展或增長裂紋擴展路徑也是有效的方法 在 定向纖維增強的陶瓷中 裂紋擴展時使纖維在界面上脫粘和纖維拔出都要消耗能量 延緩材料的斷裂 達(dá)到增韌的目的 短纖維或晶須增強的陶瓷中 裂紋擴展路徑轉(zhuǎn)折和增長 可以達(dá)到同樣到效果 四 新型功能陶瓷材料 新型功能陶瓷材料具有特殊的物理化學(xué)性能 種類繁多 這里只能介紹幾種 1 電子陶瓷材料 作為電子材料應(yīng)用的陶瓷稱電子陶瓷 主要分裝置瓷 介電陶瓷 敏感性陶瓷幾大類 裝置瓷主要用作絕緣子 電子器件支架等 這里不作介紹 導(dǎo)電陶瓷一般氧化物陶瓷是不導(dǎo)電的 但如果把某些氧化物加熱 或者用其它的方法激發(fā) 使外層電子獲得足夠的能量 足以克服原子核對它的吸引力而成為自由電子 這種氧化物陶瓷就成為電子導(dǎo)體或半導(dǎo)體 氧化鋯陶瓷 氧化釷陶瓷及由復(fù)合氧化物組成的鉻酸鑭陶瓷都是新型電子導(dǎo)電材料 可作為高溫設(shè)備電熱材料 其最大的優(yōu)點是更耐高溫和良好的抗氧化能力 穩(wěn)定氧化鋯陶瓷的最高使用溫度2000 氧化釷陶瓷可達(dá)2500 但它們低溫時的導(dǎo)電性能需進(jìn)一步改進(jìn) 導(dǎo)電陶瓷 鉻酸鑭導(dǎo)電陶瓷是新型電熱材料 其使用溫度可達(dá)1800 空氣中的使用壽命在1700小時以上 用于1500 1800 的高溫電爐 是最好的電熱材料 介電陶瓷介電陶瓷主要用于制造電容器 要求具有電阻率高 介電常數(shù)大 介質(zhì)損耗小等特點 金紅石 TiO2 鈦酸鈣瓷 CaTiO3 鈦酸鎂瓷 2MgO TiO2 鈦鍶鉍瓷 Bi2O3 nTiO2溶于SrTiO3的固溶體 用于高頻電容器 鈦酸鋇 BaTiO3 用于鐵電電容器 半導(dǎo)體電容器等 晶體中具有相同自發(fā)極化方向的小區(qū)稱為電疇 BaTiO3是具有電疇結(jié)構(gòu)的鐵電晶體 通過加入物可使其居里溫度 使電疇結(jié)構(gòu)消失的溫度 BaTiO3的居里溫度為120 調(diào)整至室溫附近 介電常數(shù)可由 單成分的1700提高到30000以上 由以上材料制成的電容器已廣泛用于收音機 電視機 無線電收發(fā)報機等方面 電疇 壓電陶瓷當(dāng)晶體受到外力作用產(chǎn)生變形時 其兩端面出現(xiàn)正負(fù)電荷 顯示極化現(xiàn)象 反之 在晶體上施加電場引起極化時 晶體產(chǎn)生變形 這種現(xiàn)象稱作壓電效應(yīng) 具有壓電效應(yīng)的陶瓷即壓電陶瓷 利用壓電效應(yīng)可把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?或把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能 壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng) 壓電陶瓷種類很多 且多為ABO3型化合物或多種ABO3型化合物的固溶體 應(yīng)用最廣的有鈦酸鋇系 鈦酸鉛系和鋯鈦酸鉛系 目前壓電陶瓷已成為壓電材料中產(chǎn)量最大和用途最廣的一種 壓電陶瓷主要用于動力裝置和信息處理器件 例如 利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生的高電壓可以爆發(fā)火花 制成各種點火栓 利用壓電體在交流電壓作用下伸縮的原理 可制成壓電振子 用于超聲和水聲換能器 利用壓電陶瓷的諧振特性還可制作濾波器和電聲器件等 氣敏陶瓷和濕敏陶瓷 氣敏陶瓷其電阻值隨所處環(huán)境的氣氛而變 俗稱 電子鼻 常見的氣敏陶瓷很多 已廣泛應(yīng)用的有SnO2 Fe2O3 Fe2O3 ZnO WO3復(fù)合氧化物系統(tǒng)及ZrO2 TiO2等 SnO2氣敏陶瓷對可燃性氣體 如氫 甲烷 丙烷 乙醇 丙酮 CO 城市煤氣 天然氣等 有較高靈敏度 摻Pt的ZnO對丁烷和丙烷等靈敏度高 而摻Pd的ZnO對氫和CO的靈敏度高 Fe2O3氣敏陶瓷主要用于檢測異丁烷和石油液化氣 而ZrO2氣敏陶瓷主要用于氧氣的檢測 氣敏裝置 濕敏陶瓷其電阻值隨所處環(huán)境的濕度而變 具有測試范圍寬 響應(yīng)速度快 工作溫度高 耐污染能力強的特點 濕敏陶瓷目前主要有氧化物涂覆膜型 多孔燒結(jié)體型 厚膜型 薄膜型等 濕敏探頭 MgCr2O4為高溫?zé)Y(jié)型濕敏陶瓷 MnWO4和NiWO4是厚膜型濕敏陶瓷 Al2O3 Ta2O3則是薄膜型濕敏陶瓷 熱敏陶瓷熱敏陶瓷是制造熱敏電阻的材料 熱敏電阻是一種電阻隨溫度變化的元件 阻值隨溫度升高而增加的稱正溫度系數(shù)熱敏電阻 PTC 反之 則稱為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 NTC B3 Y3 Nb5 Ta5 等 離子以置換Ba2 和Ti4 所形成的原子價控制型半導(dǎo)體 一般認(rèn)為 PTC特性與晶界性質(zhì)有關(guān) 由于晶界缺陷存在 成為電子俘獲中心和阻礙電子運動的勢壘 并與溫度有關(guān) PTC熱敏電阻是在BaTiO3中摻入適當(dāng)?shù)碾s質(zhì) 如La3 由電阻溫度特性可看出在居里點附近電阻發(fā)生突變 這種電阻主要用于無觸點開關(guān) 穩(wěn)流穩(wěn)壓 溫度調(diào)節(jié)器及火災(zāi)探測器等 光電陶瓷半導(dǎo)體陶瓷受光照射后使導(dǎo)電率增加的現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng) 利用光電導(dǎo)效應(yīng)檢測光強度的元件叫光電導(dǎo)探測器或光敏電阻 常用光電陶瓷有CdS SnO2 In2O3 PbO Al2O3 SiO2等 可制作光電二極管 太陽能電池 等用于光的探測器 傳感器及將太陽能轉(zhuǎn)換成電能 光電導(dǎo)效應(yīng) 2 磁性陶瓷材料有代表性的磁性陶瓷是鐵氧體 它是將鐵的氧化物與其他某些金屬氧化物用制造陶瓷的方法制成的非金屬磁性材料 軟磁鐵氧體如Mn鐵氧體 Ni鐵氧體和Zn鐵氧體等 主要用作電感元件如天線 變壓器 錄音錄象磁頭的磁芯等 硬磁鐵氧體如Co鐵氧體和Ba鐵氧體等 主要用于電聲器件 電子儀表等 矩形磁滯回線鐵氧體如Mg Mn鐵氧體 Li Ni Zn鐵氧體及Mn Zn Mn Cu Mn Ca鐵氧體等 可用于計算機的高速存貯器 邏輯元件 開關(guān)元件等 3 光學(xué)陶瓷材料光學(xué)陶瓷材料種類很多 如激光 光導(dǎo)纖維 光色 熒光 透光等 光導(dǎo)纖維 900 下工作的光纖 用光導(dǎo)纖維進(jìn)行光通訊起始于七十