現代工業(yè)上陶瓷材料的應用與發(fā)展

1、現代工業(yè)上陶瓷材料的應用與發(fā)展摘要：闡述陶瓷材料的結構相、分類和陶瓷基復合材料的特性,以及陶瓷材料在車輛上的應用。簡要介紹手機電池中正溫度系數熱敏電阻（PTC）和負溫度系數熱敏電阻（NTC）和它們所起的不同作用。關鍵詞：傳統(tǒng)陶瓷 新型陶瓷 傳感器 PTC熱敏電阻 NTC熱敏電阻 特性 應用引言：本文主要介紹陶瓷材料在汽車和手機這兩個在當今社會中最具代表性的工業(yè)中的應用與發(fā)展。陶瓷是古老而又新型的材料，它是用天然或人工合成的無機粉狀物料，經過成型和高溫燒結而制成的一種多相固體材料。利用天然硅酸鹽礦物(如粘土、長石、石英等)為原料制成的陶瓷叫普通陶瓷，也叫傳統(tǒng)陶瓷。這類陶瓷原料來源廣，成本低，用量

2、大。天然原料中的雜質對陶瓷的性能不利，人們用純度高的人工合成原料(如氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化物等)，用傳統(tǒng)陶瓷工藝方法制造的新型陶瓷，也叫現代陶瓷或特種陶瓷。新型陶瓷材料在現代工業(yè)的許多方面都已經發(fā)揮了巨大作用，現代工業(yè)應用多屬精細陶瓷。比如在汽車上很早以前就有火花塞、窗玻璃、水泵的機械式密封使用了陶瓷。而且作為排放對策，觸媒載體、氧傳感器、爆震傳感器等功能陶瓷相繼出現。目前，已有許多發(fā)動機零件采用結構陶瓷制造，不久將來，陶瓷發(fā)動機將會出現。而在當今社會不可或缺的通訊工具手機中，也可以看到精細陶瓷材料的身影。1.陶瓷的結構相陶瓷一般由晶相、玻璃相和氣相組成。(1)晶相 晶相

3、是體現陶瓷材料性質的主要組成相。大多數陶瓷材料是由離子鍵(如Mg、Ca、Al203等)和共價鍵(如金剛石、SiC等)為主要結合鍵。晶體中非金屬元素的原子直徑大，可排列成不同的晶系，形成晶體"骨架"，金屬原子的直徑小，處于骨架的間隙中。陶瓷晶體中主要的兩類結構是硅酸鹽結構和氧化物結構。陶瓷材料是多相多晶體材料，其物理化學性能主要由晶相決定。晶相中晶粒的大小對陶瓷的性能影響很大。晶粒越細，晶界越多，裂紋擴展越不容易，材料的強度越高。這一點和金屬材料很相似。(2)玻璃相 玻璃是非晶態(tài)材料，由熔融的液體凝固得到。陶瓷中玻璃相的作用是將分散的晶相粘結在一起;降低燒成溫度;抑制晶體長大

4、以及填充氣孔空隙。但玻璃相的機械強度比晶相低，熱穩(wěn)定性差，在較低的溫度下就開始軟化。而且往往因帶有一些金屬離子而降低陶瓷的絕緣性能。工業(yè)陶瓷要控制玻璃相的數量，一般約為20%40%。(3)氣相 陶瓷材料中往往存在許多氣孔，體積約占5%10%，這主要是由于原材料和生產工藝方面的原因造成的。較大的氣孔往往是裂紋形成的原因;因此會降低材料的機械性能。另外，陶瓷材料的介電損耗也因之增大，并造成擊穿強度下降。故一般應盡量降低材料的孔隙率。但在某些情況下，如用作保溫的陶瓷材料和化工用的過濾陶瓷等，則需要有控制的增加氣孔量。2. 汽車用陶瓷的類型、性能和用途陶瓷產品的種類繁多，性能各異，總體上可分為普通陶瓷

5、和特種陶瓷。從組成上可分為氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷?，F代陶瓷又稱精細陶瓷，可分為結構陶瓷和功能陶瓷兩類。結構陶瓷因具有良好的綜合性能：高溫強度、高耐蝕性、高耐磨性、低膨脹系數、隔熱性好及低密度，用它來替代耐熱合金能大幅度地提高熱機效率、降低能耗、節(jié)約貴重金屬、達到輕量化效果。目前，已廣泛用于制造發(fā)動機和熱交換器零件。此外，結構陶瓷還被用來制造切削工具、軸承、泵的機械密封環(huán)等，實用效果也很好。結構陶瓷的優(yōu)良機械性能要得以充分發(fā)揮，并用于大量生產的汽車零件，要解決性能的穩(wěn)定性和再現性及不斷完善加工技術、評價技術、接合技術等。功能陶瓷主要用于傳感器，此外，還可用于各種執(zhí)行元件、陶瓷加熱器、導電材料、

6、顯示裝置等。陶瓷傳感器在溫度傳感器、位置傳感器、速度傳感器、氣體傳感器、濕度傳感器、離子傳感器、倉儲等得到非常廣泛的應用。用于汽車的傳感器應具有的特性：要能長久適用汽車特有的惡劣環(huán)境(高溫、低溫、振動、加速、潮濕、噪聲、廢氣);要小型輕量;重復使用性要好(精度達±0.5%1%)、輸出范圍要廣。汽車用溫度傳感器以熱敏系為主;發(fā)動機冷卻水溫度調節(jié)也有采用感溫鐵氧體的。(1)熱敏電阻。過渡族金屬氧化物系陶瓷半導體有隨溫度升高電阻下降的性能，把具有這種特性的半導體稱為熱敏電阻。熱敏電阻的使用溫度可達1000，被廣泛用于防止排氣凈化觸媒的過熱。上述這種隨溫度升高電阻下降的熱敏電阻稱為NTC(負

7、電阻溫度系數)熱敏電阻。 BaTi3系半導體，在居里點以上電阻急劇增加，把這種具有正電阻溫度系數的熱敏電阻稱為PTC熱敏電阻。通過改變化學成分(更換Sr或Pb)來控制電阻急劇增加而產生的溫度變化。可作為自行控制溫度加熱器或溫度補償用熱敏電阻。這種PTC加熱器被用于自動阻風門、各種傳感器內加熱體、進氣加熱器等。(2)感溫鐵氧體。它由于利用了在居里點導磁率急劇變化的特性，被利用于溫度轉換。當溫度上升時, 熱運動劇烈, 其感溫鐵氧體的固有特性即自發(fā)極化消除。為使三元觸媒工作, 必須使排氣空燃比保持在理論空燃比, 即氧為零的狀態(tài), 為此采用氧化鋯氧傳感器。氧化鋯管的內側通入大氣，外側引入排氣。溫度升高

8、，氧就離子化，由于離子濃度差在固體電解質中將產生自大氣側向排氣側的擴散，構成一種濃淡電池，從而產生電勢。排氣側，白金觸媒的作用，使氧與一氧化碳、碳化氫、氫分子等發(fā)生反應，達到平衡濃度。氧濃度以理論空燃比為界產生急劇變化。其結果，氧傳感器在理論空燃比上下會發(fā)生階躍性變化的信號。利用該信號，可反饋控制空燃比。 在氧分壓低的保護氣中，Ti2晶體中形成晶格缺陷，使電阻下降，利用這一現象制成氧傳感器。已實用化的稀薄燃燒空燃比傳感器,是利用氧化鋯固體電解質的電化學泵作用的氧化鋯傳感器。將氧化鋯固體電解質通以電流，會產生陰極吸氧，陽極放氧現象。當外加電壓保持一定時，輸出電流與空燃比呈正比，據此測定該電流即可

9、求出空燃比。此外還有其它的氣體傳感器,如金屬氧化物半導體傳感器，是利用了表面吸附氣體成分變化電阻也隨之變化這一性質制成。利用濺射法形成Zn及Sn2薄膜，由于N2在膜表面上吸附負電荷，在N2濃度增加的同時，元件電阻增大。另外薄膜元件顯示了很高的靈敏度。這些傳感器不受共存的H2、C或02氣的影響，在數秒鐘內即可檢測出數ppm的N,這是用于柴油機檢測N的理想傳感器。還有溫度傳感器在汽車行業(yè)不僅用于空調，還能防止玻璃結露的作用。陶瓷濕度傳感器的類型： 一是半導體型。它是利用水的電子給予性化學吸附所產生的半導體電阻變化的原理; 二是容量型。利用水的吸附產生容量變化的原理。采用的氧化物有Al22、Ta23

10、等; 三是質子傳導型。它是利用多孔質陶瓷表面上水的物理吸附及毛細管凝結而引起電阻變化的原理。目前主要采用在室溫附近的質子傳導型。爆震傳感器可預知高負荷下易產生的爆震防止點火延遲。特別適用于裝有渦輪充電機的發(fā)動機。檢測爆震主要根據汽缸部件的振動 (一旦產生爆震，機械振動就加劇)，間接地察覺爆震。利用壓電性的傳感器：所謂壓電性是指一旦加力，就產生電壓，反之，一加上電壓，就會產生位移或力這一性質。具有壓電體的陶瓷已在許多領城廣泛應用。這種被稱作PZT的材料除在傳感器上得到利用外，還被用在倒車報警器上，作為超聲波的接收器和發(fā)射器而被利用。 陶瓷促動器：陶瓷壓電體一旦沿電極化方向施加電壓，就會因壓電效應

11、沿極化方伸張。利用這一性質，開發(fā)了陶瓷促動器。發(fā)動機控制用的陶瓷促動器，把多個薄板狀壓電陶瓷疊層，通過對其施加電壓得到位移。利用外加電壓得到的位移量，是很微小的，但發(fā)生力大，動作也迅速。3.車用新型陶瓷材料汽車的陶瓷材料是采用高純超細的氧化物、氮化物、硼化物、碳化物等原料，經過預處理、破碎、磨粉、混合、成形、干燥、燒結等特殊工藝而得到的結構精細的無機非金屬材料。它具有高強度、高耐熱性、抗蝕性、高硬度、高耐磨性、密度小、變形小、抗熱沖擊等一系列優(yōu)點,特別是抗拉強度和彎曲強度可與金屬相比。陶瓷大體上可以分為結構陶瓷和功能陶瓷，用結構陶瓷代替高強度合金制造渦輪增壓發(fā)動機、燃氣輪機、絕熱發(fā)動機，可以將

12、現在發(fā)動機的燃燒溫度從700800提高到1000以上，熱效率提高1倍以上。結構陶瓷的質量為鐵的一半，節(jié)能效果非常顯著，同時還能減少環(huán)境污染，節(jié)約鋼材等金屬材料。但由于陶瓷材料性能的再現性和可靠性差，不能確保大量生產的穩(wěn)定性,同時陶瓷加工困難、質脆、稍有缺陷就容易破裂，以及成本高等缺點，所以目前還沒廣泛使用。 新型陶瓷是碳化硅和氮化硅等無機非金屬燒結而成。與以往使用的氧化鋁陶瓷相比，強度是其三倍以上，能耐l000以上高溫，新材料推進了汽車上新用途的開發(fā)。例如：要將柴油機的燃耗費降低30%以上，可以說新型陶瓷是不可缺少的材料?，F在汽油機中，燃燒能量中的78%左右是在熱能和熱傳遞中損失掉的!柴油機熱

13、效率為33%，與汽油機相比已十分優(yōu)越，然而仍有60%以上的熱能量損失掉!因此，為減少這部分損失，用隔熱性能好的陶瓷材料圍住燃燒室進行隔熱，進而用廢氣渦輪增壓器和動力渦輪,來回收排氣能量，有試驗證實，可把熱效率提高到48%。4. 內燃機上陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料不是傳統(tǒng)意義上的陶瓷，它的主要基體有玻璃陶瓷、氧化鋁、氮化硅等。它具有高溫強度好、高耐磨性、高耐腐蝕性、低膨脹系數、隔熱性好及低密度等特性，而且資源也比較豐富，有廣泛的應用前景。在內燃機上陶瓷基復合材料尤其有著廣泛的應用。如活塞部分采用陶瓷材料后，可使燃燒室中實現部分隔熱，從而減少冷卻系統(tǒng)的容量和尺寸。在高強度柴油機中可有效降低活塞環(huán)

14、槽區(qū)的溫度，有時可取消對活塞的專門冷卻。陶瓷材料的質量較輕,配氣機構中的氣門、挺柱、搖臂及彈簧座改用陶瓷后，允許發(fā)動機以提高轉速來提高功率，或者在轉速不變的情況下降低氣門彈簧的彈力而降低功率損耗。氣門座、搖臂頭等易磨損部件用陶瓷材料后，可以減少磨損，延長使用壽命。在柴油機的渦流室安裝陶瓷鑲塊后，改善了發(fā)動機低負荷時的燃燒及低溫啟動性能，降低了燃燒噪聲和HC的排放量。渦輪增壓器零件中使用陶瓷最普遍的是增壓器渦輪，與金屬渦輪相比，陶瓷渦輪質量輕，轉動慣量僅為金屬渦輪的31%，"渦輪滯后"現象得以改善，使增壓器的動態(tài)性能提高了36%，能在金屬渦輪不能承受的高溫下工作，并且由于熱膨

15、脹系數小，預先減小渦殼與蝸輪之間的間隙以提高效率。此外，氣缸蓋、活塞銷以及排氣管等皆可用陶瓷來制造。5.陶瓷材料在車輛上的應用陶瓷的性能由兩種因素決定。首先是物質結構，主要是化學鍵的性質和晶體結構。它們決定陶瓷材料的性能，如耐高溫性、半導體性及絕緣性等;其次是顯微組織，包括相分布、晶粒大小和形狀、氣孔大小和分布、雜質、缺陷等。這對材料的力學性能影響比較大，而顯微組織又受制備過程中各種因素的影響，在使用時必須嚴加注意。陶瓷的性能及應用：(1)普通陶瓷 普通陶瓷是用粘土、長石、石英為原料，經配制、燒結制成。這類陶瓷質地堅硬，不氧化生銹，耐腐蝕，不導電，能耐一定高溫，加工成型性好，成本低。但強度較低

16、。一般比較高使用溫度不超過1200。這類陶瓷產量大種類多，廣泛用于電氣、化工等行業(yè)。(2)氧化鋁陶瓷 氧化鋁瓷的原料是工業(yè)氧化鋁，性能好，但工藝復雜，成本高。氧化鋁瓷強度大、硬度高，耐熱溫度可達1600，耐腐蝕、絕緣性好。但脆性大，抗震性差。主要用在噴砂用的噴嘴、火箭用導流罩。還可作化工泵用密封滑環(huán)、軸承及切削刀具等。(3)碳化硅陶瓷 碳化硅陶瓷是用碳化硅粉，用粉末冶金法經反應燒結或熱壓燒結工藝制成。碳化硅瓷最大特點是高溫強度高，傳熱能力強，熱穩(wěn)定性好，并耐磨、抗蠕變性好。用作火箭尾部噴管噴嘴、軸承、高溫熱交換器材料以及各種泵的密封圈。(4)氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷是新型工程陶瓷，它原料豐富、加

17、工性能好、用途廣泛。制備方法有反應燒結法和熱壓燒結法。前者是用硅粉加入少量Si3N4粉，成型后在氮氣下1210氮化1.5h，然后再進行機械加工，最后在1450氮化直至硅都變成氮化硅,所得制品致密。氮化硅耐高溫、抗熱震性好，可制作高溫軸承、輸送鋁液的電磁泵管道、煉鋼用鐵水流量計。制成燃氣輪機零件，提高效率30%，并可減輕自重;制成切削刀具可加工淬火鋼、冷硬鑄鐵等。從材料來看，比較好的發(fā)動機材料應是，在1400情況下，每分鐘旋轉數千數萬次而不損壞的性質。為把發(fā)動機熱效率提高，則發(fā)動機的工作溫度必提高到11001500，此時金屬材料就不行了，故Si3N4陶瓷材料，可以滿足要求。用Si3N4陶瓷材料制

18、造發(fā)動機，由于工作溫度提高到1370，發(fā)動機效率可提高30%。同時由于溫度提高，可使燃料充分燃燒，排出的廢氣中污染成分大幅度下降，不僅降低能耗，并且減少了環(huán)境污染。(5)其它陶瓷材料。陶瓷材料種類繁多，各有特色，可制成各種功能元件。氧化鋰瓷為高溫材料?；蔀楦哳l絕緣材料。氧化釷瓷為介電材料。鈦酸鋇瓷為光電材料。硼化物、氮化物、硅化物等金屬陶瓷為超高溫材料。鐵氧體瓷為永久磁鐵、記憶磁鐵、磁頭等材料。稀土鈷瓷為存貯器材料。半導體瓷為亞敏元件、太陽電池等材料。 6.手機電池內的PTC熱敏電阻介紹通常意義上的PTC是指一種以鈦酸鋇為主要成分的高技術半導體功能陶瓷材料，具有電阻值隨著溫度變化而變化的特

19、性，特別是在居里溫度點附近電阻值躍升有37個數量級。此種PTC利用其最基本的電阻溫度特性及電壓電流特性與電流時間特性，已廣泛應用于工業(yè)電子設備，汽車及家用電器等產品中，以達到自動消磁、過熱過流保護，馬達啟動，恒溫加熱，溫度補償、延時等作用。電池內的PTC與上述PTC并不相同，通常被稱之為“自恢復保險絲”，英文名稱為“Plyswitch”，其含義為高分子聚合物開關，它是近幾年出現的新型正溫度系數過流過溫保護元件，它的特點是當溫度達到某定值時，其電阻值會顯著增加，呈高阻狀態(tài)，相當于斷開回路，而當使溫度降低后，它便自動復位導通，恢復至低阻狀態(tài)，并且這種斷開-自動恢復過程可重復數千次，目前主要用于小功率電子設備的短路及過載保護。自恢復保險絲在手機電池中被廣泛應用于過流和短路保護，使