陶瓷材料的微波烧结特性及应用
第24卷 第5期
2002年5月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNAL OF W UHAN UN I VERSI T Y OF TECHNOLOG Y V o l .24 N o.5 M ay .2002文章编号:167124431(2002)0520043204
陶瓷材料的微波烧结特性及应用3
王 念 周 健(武汉理工大学)
摘 要: 介绍了微波烧结陶瓷材料的应用历史、基本原理,分析了陶瓷材料的微波烧结特性和微波烧结在氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷及透明陶瓷方面的应用,指出了应用中存在的一些亟待解决的问题,展望了微波烧结陶瓷材料的应用前景。
关键词: 微波加热; 微波烧结; 陶瓷材料
中图分类号: TQ 17012文献标识码: A
收稿日期:2001212208.
作者简介:王 念(19772),男,硕士生;武汉,武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室(430070).3武汉市晨光计划(20005004034)1
微波是一种电磁波,它遵循光的有关定律,可以被物质传递、吸收或反射,同时还能透过各种气体,很方便地实现在各种气氛保护下的微波加热及有气相参与的合成反应[1]。材料在微波场中可简要地分为下列三种类型[2]:(1)微波透明型材料:主要是低损耗绝缘体,如大多数高分子材料及部分非金属材料,可使微波部分反射及部分穿透,很少吸收微波。这类材料可以长期处于微波场中而不发热,可用作加热腔体内的透波材料。(2)全反射微波材料:主要是导电性能良好的金属材料,这些材料对微波的反射系数接近于1,仅极少数
入射的微波能量能透入,可用作微波加热设备中的波导、微波腔体、搅拌器等。
(3)微波吸收型材料:主要是一些介于金属与绝缘体之间的电介质材料,包括纺织纤维材料、纸张、木材、陶瓷、水、石蜡等。
微波加热技术早在20世纪40年代末期就已产生,50年代美国的V on H i ppel 在材料介质特性方面的开创性研究为微波加热的应用奠定了基础[3]。微波烧结就是利用微波加热原理来对材料进行的烧结。作为一种新型的陶瓷加工技术,微波烧结的应用时间并不长。加拿大的W .R .T inga 等人在60年代末期最早尝试了用微波加热及烧结陶瓷材料,并获得了初步成功[2]。进入80年代以后,人们对微波烧结技术进行了广泛而深
入的研究,并成功的制备出了A l 2O 3、B 4C 、Y 2O 32Zr O 2、Si O 2、T i O 2、ZnO 等陶瓷材料[3]。
1 微波烧结陶瓷材料的基本原理
1.1 微波烧结的微观机理
陶瓷材料在微波电磁场的作用下,会产生如电子极化、原子极化、偶极子转向极化和界面极化等介质极化[4],参加极化的微观粒子种类不同,建立或消除极化的时间周期也不一样。由于微波电磁场的频率很高,使材料内部的介质极化过程无法跟随外电场的变化,极化强度矢量P 会滞后于电场强度矢量E 一个角度,导致与电场同相的电流产生,这就构成了材料内部的耗散。在微波波段,主要是偶极子转向极化和界面极化产生的吸收电流构成材料的功率耗散。
微波烧结的成功与否,关键取决于材料自身的特性,如介电性能、磁性能以及导电性能等。当微波穿透和传播到介电材料中时,内部电磁场使电子、离子等产生运动,而弹性惯性和摩擦力使这些运动受到阻碍,从而引起了损耗,这就产生了体加热[5]。从满足微波烧结的角度出发,陶瓷材料应具有的最重要特性是损耗正切
tg ?[6],它表征了材料将所吸收的微波能转化为热能的能力;同时为达到材料与微波的最佳耦合状态,一个
适中的相对介电常数Ε 和较高的介电损耗因子Ε 是必须的,因为Ε 表征了微波通过材料的能力,而Ε 则表
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征了材料吸收及储存微波的能力。一些具有低损耗正切的材料允许微波透过,基本上不吸收,也就是说这些材料对微波是透明的;而另一些具有极高损耗正切的材料,如金属块体材料,能反射微波,也就是说对微波是不透明的。
当电介质材料在微波场中加热时,对于每单位体积的功率耗散P,则可用P=ΞΕ0Ε E2来表示[7],其中Ξ为微波角频率,E为电介质材料内部电场。可见能量耗散的速率和材料的加热能力决定了升温速率。
1.2 陶瓷材料的微波烧结设备及工艺参数
典型的微波烧结设备主要由微波发生器、波导管和加热腔体等组成,如图1所示[4]。
微波源产生的微波能量由传输系统
导入加热腔中,对放置在腔体中的试样进
行加热和烧结。由于传输系统并不总是与
加热腔完全匹配,因此会有一部分微波能
被反射回来,而环行器的作用就是将反射
回来的微波导向水负载,以保护微波源。
微波烧结的工艺参数主要有微波源
功率、微波频率、烧结时间和烧结速度[3]。
微波源功率的大小影响着烧结腔中电场
的强度,从而也影响着试样的升温速度。
微波频率影响着微波烧结过程中试样吸收微波能的功率密度。频率越高则试样在单位时间、单位体积内吸收的微波能量就越多。烧结时间和加热速度对烧结体的组织性能有很大的影响。高温快烧和低温慢烧均会造成组织晶粒尺寸不均匀、孔隙尺寸过大等现象,这些都是材料性能恶化的主要原因。
2 陶瓷材料的微波烧结特点
2.1 整体加热
微波加热是将材料自身吸收的微波能转化为材料内部分子的动能和势能,热量从材料内部产生,而不是来自于其它发热体[6],这种内部的体加热所产生的热力学梯度和热传导方式和传统加热不同。在这种体加热过程中,电磁能以波的形式渗透到介质内部引起介质损耗而发热,这样材料就被整体同时均匀加热,而材料内部温度梯度很小或者没有,因此材料内部热应力可以减小到最低程度,即使在很高的升温速率(500～600℃ m in)情况下,一般也不会造成材料的开裂。
2.2 降低烧结温度
在微波电磁能的作用下,材料内部分子或离子动能增加,降低了烧结活化能,从而加速了陶瓷材料的致密化速度,缩短了烧结时间,同时由于扩散系数的提高,使得材料晶界扩散加强,提高了陶瓷材料的致密度,从而实现了材料的低温快速烧结。因此,采用微波烧结,烧结温度可以低于常规烧结且材料性能会更优,并能实现一些常规烧结方法难以做到的新型陶瓷烧结工艺,有可能部分取代目前使用的极为复杂和昂贵的热压法和热等静压法,为高技术新陶瓷的大规模工业化生产开辟新的途径。例如,在1100℃微波烧结A l2O3陶瓷1h,材料密度可达96%以上,而常规烧结仅为60%[8]。
2.3 改善材料性能
材料的自身吸热[8],提高了加热效率,易获得2000℃以上的高温,不仅缩短了烧结时间,而且可以改善烧结体的显微结构,提高材料性能[8]。例如,陶瓷材料的韧性是一个重要指标,提高陶瓷材料韧性的有效途径之一无疑就是降低晶粒尺寸,即形成细晶粒或超细晶粒结构,由于微波烧结速度快、时间短、温度低,因而这无疑是形成细晶或超细晶陶瓷的有效手段[9]。
2.4 选择性加热
对于多相混合材料,由于不同材料的损耗不同,因而材料中不同成分对微波的吸收耦合程度不同,热效应不同,产生的耗散功率也不同,可以利用这点来实现微波能的聚焦或试样的局部加热从而实现对复合材料的选择性烧结,以获得微观结构新颖和性能优良的材料,并可以满足某些陶瓷特殊工艺的要求,如陶瓷密封和焊接等等。
2.5 瞬时性和无污染
微波加热过程中无须经过热传导,因而没有热惯性,即具有瞬时性,这就意味着热源可以瞬时被切断和及时发热,体现了节能和易于控制的特点。同时,微波热源纯净,不会污染所烧结的材料,能够方便地实现在真空和各种气氛及压力下的烧结。
3 微波烧结在陶瓷材料中的应用
3.1 氧化物陶瓷
至今,国内外研究者几乎对所有的氧化物陶瓷材料进行了微波烧结研究[10]。瑞典微波技术研究所用微波能把超纯硅石加热到2000℃以上来制造光纤,与传统热源相比,不仅降低能耗,而且减低了石英表面的升华率。美国、加拿大等国用微波烧结来批量制造火花塞瓷、Zr O 2、Si 3N 4、Si C 、B aT i O 3、SrT i O 3、PZT 、T i O 2、
A l 2O 32T i C 和A l 2O 32Si C 晶须、
铁氧体、超导材料、氢化锂等陶瓷材料[10]。对于大多数的氧化物陶瓷材料来说,如Si O 2,它们在室温时对微波是透明的,几乎不吸收微波,只有达到某一临界温度之后,它们的损耗正切值才变得很大。对于这些材料的微波烧结,常加入一些微波吸收材料,如Si C 作为助烧剂,使它们在常温时也有很强的微波耦合能力,以达到快速烧结的目的[3]。
Janney 和K i m rey [11]研究了添加M gO 的A l 2O 3陶瓷的微波烧结及其晶粒长大的机理。试验观察到纯的
A l 2O 3微波烧结密度随温度提高的速度,比常规烧结随温度提高的快,比较两组初始密度同为55%的试样,
升温速率为50℃ m in ,压力102～103Pa ,950℃微波烧成1h 样品的密度与1200℃常规烧结2h 样品的密
度相同,1200℃下保温1h 微波烧结密度可达98.2%,同样条件下常规烧结密度只能达到71.4%,他们计算出微波烧结的活化能为常规烧结的1 3,两者烧结速度的不同可能是由于两种烧结方法的离子扩散速率不同,微波中的离子扩散速率高。
3.2 非氧化物陶瓷
B 4
C 、Si C 、Si 3N 4和T i B 2等是用微波成功烧结的为数不多的非氧化物陶瓷材料。Ho lcom be 发现[7],在用
微波烧结非氧化物陶瓷材料的过程中,可加入各种烧结助剂,如C 、M o 、T i B 2、C r B 2和M oSi 2等。
例如,在烧结B 4C 时加入2.5%的C ,在2150℃烧结30m in ,能够比传统烧结提高致密度达17%。
绝大多数氮化物陶瓷,如纯Si 3N 4,损耗低,很难用微波加热,一般要加入A l 2O 3和Y 2O 3作为烧结助剂。
T iegs [7]等人经研究证实,添加这些氧化物能够促进微波烧结的进行。Si 3N 4的加热被认为是微波耦合于晶界液相而产生的,晶界上发生的所有过程都被加速了。而用微波在氮气气氛中烧结Si C ,升温速度为250～300℃ m in ,烧结温度为2050℃,保温时间为5m in 的条件下,可得到致密度为88%的Si C 陶瓷材料;同样,在氮气气氛中用微波烧结A l N ,在升温速度为200～250℃ m in ,烧结温度为1900℃,保温10m in 的条件下,可得到致密度为89%的A l N 陶瓷材料[10]。
3.3 透明陶瓷
Cab le [12]在19世纪60年代首先制备出了透明氧化铝陶瓷。
但是用传统方法烧结出来的多晶陶瓷由于存在着晶界、第二相和气孔等结构而极大地影响了其光学性能。而在微波烧结中,样品自身吸收微波能并将之转化为自身内部的热能,从而实现了快速烧结。并且,在微波电磁能的作用下,材料内部分子或离子的动能增加,使烧结活化能降低,扩散系数提高,这样就使得低温快速烧结得以实现,从而获得了致密度高、晶粒结构均匀的多晶材料,使得由于气孔和晶界造成的对光线的散射得以大幅度降低,这就提高了多晶陶瓷的透光性,因此采用微波烧结的方法比常规烧结更容易制备出透明陶瓷[13]。
目前,已经采用微波烧结的方法成功地制备出了一些透明度很高的陶瓷,如A l 2O 3、M gA l 2O 4以及A l N 、
A l ON 等。J P Cheng [12]等人在制备氧化铝透明陶瓷的过程中,采用高纯氧化铝粉末做原料,并添加适当的烧
结助剂,置于2.45GH z 、1.5k W 的单模腔中,升温速率为150℃ m in ,在1700℃条件下烧结10m in 就能得到致密而透明的A l 2O 3,如果适当延长烧结时间(不超过30m in ),在其它条件相同的情况下,A l 2O 3的透明度就更高了。而且,若添加适量的透光元素,还能制得透明的彩色A l 2O 3,如添加w (C r 2O 3)=0125%,样品呈红色;添加w (V 2O 5)=0125%,样品呈绿色。
4 微波烧结存在的问题
尽管至今已对几乎所有陶瓷材料的微波烧结的可行性进行了研究,但可成功烧结的材料种类并不是很
5
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多,一个重要原因就是烧结材料的介质损耗过小或过大,使之不能进行有效的微波加热[14]。对于介质损耗过低的材料,主要采取添加介质损耗较高的第二相作为微波耦合剂,或者采取混合加热的方法。对于介质损耗过高的材料,如T i B2、B4C等,一般要对这些材料的表面进行涂层处理后再来微波烧结。
微波烧结中存在的另外一个问题是,对于大尺寸、复杂形状的陶瓷材料在烧结过程中还是很容易出现非均匀加热现象的,严重时,还会导致陶瓷材料开裂[15]。其原因主要有:(1)微波场分布不均匀;(2)特有的微波加热现象,如热失控、热点、选择加热等;(3)陶瓷材料本身的原因,如热膨胀系数大、导热率低、形状复杂、尺寸过大等。解决这些问题主要是采用混合加热、对原材料进行预处理以及能量分配等方法。
5 结 论
微波烧结与常规烧结相比,尽管烧结过程中的显微结构变化遵循相同的规律,但是烧结机理还是有着本质的区别,由于微波烧结的速度很快,微波烧结过程中的扩散过程、烧结过程动力学、传热机制都与常规加热不同,导致这些不同的内在机理等许多问题目前还不十分清楚,有待进一步更细致的研究。总的说来,微波烧结技术离大规模产业化还有较大距离,必须集中力量解决现有阻碍产业化的关键技术问题,相信在不久的将来即可实现大规模应用。
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The Character istics and Appl ica tion of M icrowave Si n ter i ng
i n Ceram ics
W ang N ian Z hou J ian
Abstract: It introduced the h isto ry and fundam entals of m icrow ave sintering ceram ics,analysed its characteristics,and m icrow ave sintering app lying in oxide ceram ics,nonoxide ceram ics and transparent ceram ics,by the w ay,gave som e p rob2 lem s that exist and need to be so lved urgently fo r the app licati on of m icrow ave sintering ceram ics.A t last,it fo recasted the future of m icrow ave sintering ceram ics.
Key words: m icrow ave heating; m icrow ave sintering; ceram ics
W ang N i an: M1S.,State Key L abo rato ry of A dvanced T echno logy fo r M aterials Synthesis and P rocessing,WU T, W uhan430070,Ch ina.
微波介质陶瓷的介电特性数值计算
HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Wuhan 430074, Hubei, P. R. China 中国·武汉 Tel(027)
《计算材料学》课程设计
指导老师：江建军
教授
电子科学与技术系 2004 年 6 月
电子 0102B3 组
1
HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Wuhan 430074, Hubei, P. R. China 中国·武汉 Tel(027)
微波介质陶瓷的介电特性数值计算
万文涛 洪毅 黄文佳 陈婷 杨伟伟 王旭曦 袁大双 黄钏 饶伟 贺策林 李树平 （华中科技大学电子科学与技术系，武汉 430074）
摘要：对于微波介质陶瓷,建立数学模型,
讨论了介电常数与组分，温度，频率的关系。对于组分，重
点讨论运用蒙特卡罗有限元法计算出波介质陶瓷的宏观介电常数 ε m ，结果显示由二维模型和三维模型计 算得出的介电常数 ε m 大小位于串并联模型之间,而且由二维模型计算得出的介电常数 ε m 比由三维模型得 出的结果小，因为实际的一个由两相构成的微波介质陶瓷的相都是以三维形式分布的,所以由三维模型计 算出的介电常数 ε m 比用二维计算的结果要精确；对于频率，介电常数随它的变化不明显；由于温度的变 化灰引起结构以及组成物质的相的变化，只讨论了BaTiO3一类MWDC和温度的变化关系。
关键词：微波介质陶瓷；蒙特卡罗有限元法；介电常数；二相化合物
Dielectric Properties Culculated of MicroWave Dielectric Ceremoes(MWDC) ( Department of Electronics Science & Technology,Huazhong university,Wuhan 430074,China)
Abstract: As to the MicroWave Dielectric Ceremoes, the mathematics model is established,and the relations between dielectric constant and many factors is discussed,such as component,temperature and frequency.In the aspect of component, great importance is taken to using monte carlo and finite element method to culculate the macro dielectric constant of MWDC 。 The results are displayed in curves ,which use two-dimension and three-dimension models and are manifested between the results of serial model and parallel
model.Furthermore,the values which are simulated in two-dimension model are smaller than the ones in three-dimension,for the two-phase MWDC are distributed in three dimensions actually.So it’s preciser to use the three-dimemsion model.In the frequency of microwave,the dielectric constant doesn’t vary obviously.Besides, the changes of temperature can lead to the varieties of the construction and phases of materials,so we only discuss the changes with temperature of BaTiO3。 Keywords:MWDC,Monte Carlo method,finite element method,two-phased materies
电子 0102B3 组
2
高性能陶瓷材料的研究与应用
高性能陶瓷材料的研究与应用 李 婷 (湖北武汉风神汽车修理厂 武汉 430055) 摘 要 高性能陶瓷材料是具有特殊优越性能的新型材料,各国在基础与应用研究以及工程化方面,均给予了特殊重视,特别是在信息、国防、现代交通与能源产业中均将其置于重要地位。根据高性能陶瓷材料的应用前景,笔者介绍了高性能陶瓷新材料的性能、应用范围,市场的开发应用现状和开发应用新领域,以及正在研发的高性能陶瓷材料;同时介绍了高性能陶瓷材料的发展趋势。 关键词 陶瓷材料 应用范围 发展趋势 1 高性能陶瓷材料的应用前景 高性能陶瓷是新材料的一个组成部分,它在国民经济中的能源、电子、航空航天、机械、汽车、冶金、石油化工和生物等各方面都有广阔的应用前景,成为各工业技术特别是尖端技术中不可缺少的关键材料,在国防现代化建设中,武器装备的发展也离不开特种陶瓷材料。随着我国国民经济的高速发展,工业技术水平的不断提高,人民生活的不断改善以及国防现代化的需要,迫切地需要大量的特种陶瓷产品,市场前景十分广阔。石油化工行业需要大量的耐磨耐腐蚀的陶瓷部件,如球阀、缸套等。纺织行业需要大量的耐磨陶瓷件,如陶瓷剪刀、导丝轮等。国防工业需要的具有特殊性能的陶瓷材料,如防弹装甲陶瓷,耐射照高温轻质隔热材料,航空航天用的反射镜陶瓷材料,激光器用的聚光腔陶瓷材料,红外吸收、红外发射。 高性能陶瓷一般分为结构陶瓷和功能陶瓷,有的还分为陶瓷涂层及陶瓷复合材料等。结构陶瓷主要是利用其耐高温、高强度、耐磨的性能,应用于热机部件、耐磨部件,如刀具、轴承、密封环、阀门等热交换器,防弹材料及生物陶瓷等。主要材料有Si3N4、SiC、ZrO2、Al2O3、SiALON等。 高性能陶瓷材料已经在很多领域,特别是诸多高技术领域获得关键性的应用,在航空航天、国防及民用等高技术领域具有广泛且不可替代的作用,高性能陶瓷材料每年以7%～10%的速度发展。功能陶瓷主要是利用其上述功能特性,广泛应用于国防、航空航天、机械、化工、建筑等领域的绝缘子,集成电路的基片、电容器、压电和铁电及敏感元件等,已成为四大类材料(金属、陶瓷、高分子和复合材料)之一。主要的材料有Ba TiO3、ZnO、Ph)O3、A IN、ZrO2等。陶瓷粉料是发展高性能陶瓷的基础材料,是高性能陶瓷的重要组成部分,对特种陶瓷的发展起着十分重要的作用。 2 高性能陶瓷材料的性能特点 一般高温陶瓷材料的预期使用温度在1400℃～1500℃,而超高温材料是指能在1800℃以上使用的材料,主要包括过渡金属(Ti、Zr、Ta等)的硼化物、碳化物以及近年出现的Si-B-C-N超高温陶瓷材料等,还包括碳(石墨)和氮化硼等。这类材料的主要特点是超高温熔点、超高温稳定、超高温耐腐蚀性,应用于国防、航天、超高温电极、超高温耐腐蚀容器或保护器(与熔融金属接触),超高温涂层等。近年来,对Si -B-C-N超高温陶瓷材料的研究发展很快,制备工艺主要是采用有机前驱体法,对超高温稳定化机理的研究主要集中在硼的作用上。目前正在探索其作为超高温涂层材料方面的应用,有机前驱体法工艺复杂,操作严格,成本高,对超高温稳定化机理还缺乏深层的理解。因此,探索和开发新的制备技术,深入探讨超高温稳定化机理,探索和设计其他超高温材料系统(包括化
微波介质陶瓷的应用
螂微波介质陶瓷（MWDC）是应用于微波频段(主要是UHF、SHF频段，300MHz～300GHz)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，是近年来国内外对微波介质材料研究领域的一个热点方向。近年来，移动通讯、卫星通信、军用雷达、全球卫星定位系统（GPS）、蓝牙技术、无线局域网等现代通信技术得到了快速发展。这些通信装置中使用的微波电路一般由谐振器、滤波器、振荡器、衰减器、介质天线、微波集成电路基片等元件组成，微波介质陶瓷（MWDC）是其制备的关键基础材料。用微波介质陶瓷制作的元器件具有体积小、质量轻、性能稳定、价格便宜等优点。目前微波陶瓷材料和器件的生产水平以日Murata公司、德EPCOS公司、美Trans-Tech公司、Narda MICROW A VE-WEST公司、英Morgan Electro Ceramics、Filtronic等公司为最高。其产品的应用范围已在300MHz～40GHz系列化，年产值均达十亿美元以上。国外介质陶瓷材料发展具有综合领先水平的是日本、美国等发达国家。日本在介质陶瓷材料领域中一直以全列化、产量最大、应用领域最广、综合性能最优，占据了世界电子陶瓷市场50％的份额。美国在电子陶瓷的技术研发方面走在世界前列，但是产业化应用落后于日本，大部分技术停留在实验室阶段。目前，美国电子陶瓷产品约占世界市场份额的30%，居全球第二位。目前世界电子陶瓷的市场规模达到1300亿美元左右。未来几年需求量每年将以15～20%的速度增长，到2015年需求量将突破2100亿美元。 我国特陶企业集中分布在北京、上海、天津、江苏、山东、浙江、福建、广东等沿海城市和地区以及华中部分城市地区，西南西北等偏远地区以原军工三线企业为主。在我国电子陶瓷行业中，股份制和三资企业具有最强的竞争力。国内微波介质陶瓷材料及器件的生产，在技术水平、产品品种和生产规模上与国外相比有较大差距。我国特种陶瓷产业目前主要存在产业规模小、技术创新弱、研发投入少、品牌知名度不高、工艺和装备水平低、能耗高、融资困难、无序竞争等问题，特别是企业缺乏创新能力，产业缺乏创新平台，严重制约了特种陶瓷产业由量向质的飞跃提升。我国从事特种陶瓷开发研制的高校、科研院所和生产企业已超过300家，其中研发生产功能陶瓷的单位占63.6%，研发生产结构陶瓷的单位占36.4%。中国科学院、上海硅酸盐研究所、清华大学等对我国特种材料研究起到了重要的推动作用。目前微波介质陶瓷已在便携式移动电话、汽车电话、无绳电话、电视卫星接收器、军事雷达等方面被用来广泛制造微波介质滤波器和谐振器，在现代通信工具的小型化、集成化过程中正发挥着越来越大的作用。2009年国内通信设备市场投资达1743亿人民币，增速14.6%；预计2010年和2011年的电信设备市场投资为1850亿元和1880亿元，无疑会给微波介质陶瓷行业带来巨大需求。预计到2015年，我国电子陶瓷产品需求量将突破280亿元。 本研究咨询报告在大量周密的市场调研基础上，主要依据了国家统计局、国家商务部、国家海关总署、国家发改委、国务院发展研究中心、国家信息中心、中国通信企业协会、中国陶瓷工业协会、国内外相关刊物的基础信息以及各产业研究单位等公布和提供的大量资料。本报告对我国微波介质陶瓷行业发展现状、发展趋势、竞争格局、投资前景等进行了分析，是微波介质陶瓷制造企业、研究单位、销售企业以及相关企业和单位、计划投资于微波介质陶瓷行业的企业等准确了解目前中国微波介质陶瓷市场发展动态，把握行业发展趋势，制定市 场策略的必备的精品。 滤波器的用途 羂[日期：2010-01-04] 聿来源：深圳市西凯士电气有限公司作者：a dmin 蚆[字体：大中小]
新型陶瓷材料的应用与发展
新型陶瓷材料的应用与 发展 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
新型陶瓷材料的应用与发展摘要：本文首先简单介绍了传统陶瓷材料向现代新型陶瓷材料转变的过程，新型陶瓷材料克服了传统陶瓷本身内部的缺陷，故使其性能大大提高，扩大了应用领域。然后论述了新型陶瓷材料分为结构陶瓷和功能陶瓷，以及它们耐高温、生物相容性能、电磁性、质量轻等特性及各自的应用领域，重点讨论了新型陶瓷材料在航空航天、军事、生物工程、电子工业等的应用，最后简单说明了新型陶瓷材料的近况和发展趋势。 关键字：新型陶瓷材料应用发展 引言：在当今科技高度发展的工业社会,每一项工业化的成就都与材料科学、材料的制造及实际使用有着密不可分的关联,它使得某些新的科学设想、构思及生产过程得以实现。离开了材料科学与材料工业,世界上的许多科学创造和发明都是难以实现或达到的。陶瓷材料是继金属材料,非金属高分子材料之后人们所关注的无机非金属材料中最重要的一种，因为它同时兼有金属和高分子材料两者的共同优点,此外在不断的改性过程中,已使它的易碎裂的性能有了很大的改善。因此,它的应用领域和各类产品都有一个十分明显的提高。 1.传统陶瓷材料到新型陶瓷材料的演变 陶瓷一词(Ceramics) 来源于古希腊Keramos 一词,意为地球之神。传统的陶瓷材料含意很广泛,它主要指铝、硅的氮化物,碳化物,玻璃及硅酸盐类。虽然传统陶瓷具有一定的耐化学腐蚀特性和较高的电阻率、熔点高,可耐高温,硬度高,耐磨损,化学稳定性高,不腐蚀等优点。但它也存在着塑料变形能力差,易发生脆性破坏和不易加工成型等缺点,这些原因大大地限制了在工业的应用范围，特别是在机械工业上的应用。而在电器上的应用也主要局限在高压电瓷瓶及其绝缘体部件等少数几个方面。 为此人们开展对传统的陶瓷材料进行改性研究和有关材料的人工合成开发,现代合成技术已经能够通过物理蒸发溅射(Vapor processing) 溶液法(Aqueous precipitation) 溶胶—凝胶技术(Solgel-technology) 及其它先进技术改造传统陶瓷或人工合成极少缺陷的陶瓷材料,其中较为重要的有Si3N4 ,A12O3 等。合成的陶瓷材料与传统陶瓷材料相比，它的性能大大提高,与其它材料相比,在同样强度下这些材料具有良好的化学、热、机械及摩擦学(tribology)特性。它质轻,可以耐高温,硬度高,抗压强度有时超过金属及合金,具有较强的抗磨性和化学隋性、电及热的绝缘性都相当好,特别是由于采用纯净材料,消除了缺陷( eliminate-defects) , 它的易脆性( brittleness) 得到了极大的改善,因此其应用,特在现代机械业的应用日益广泛。目前巳有大量的新型陶瓷材料被用于工业高温抗磨器件、机械基础元器件,除此之外,电子及电信行业,生物医疗器件乃至于陶瓷记忆材料,超导陶瓷等应用都与新型陶瓷材料的研制与开发有关。 2.新型陶瓷材料特性与分类 新型陶瓷材料按照人们目前的习惯可分为两大类，即结构陶瓷（Structural ceramics）（或工程陶 瓷）和功能陶瓷（ Functional ceramics），将具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷列为结构陶瓷， 而将具有电、光、磁、化学和生物体特性，且具有相互转换功能的陶瓷列为功能陶瓷。随着科学技术的发展， 各种超为基数和符合技术的运用，材料性能和功能相互交叉渗透，确切分类已经逐渐模糊和淡化。根据现代科 学技术发展的需要，通过对材料结构性能的设计，新型陶瓷材料的各种特性得到了充分的体现。 3.新型陶瓷的应用与发展 新型陶瓷是新型无机非金属材料, 也称先进陶瓷、高性能陶瓷、高技术陶瓷、精细陶瓷, 为什么能得到高 速发展, 归纳起来有四方面原因：①具有优良的物理力学性能、高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗热震 而且在热、光、声、电、磁、化学、生物等方面具有卓越的功能, 某些性能远远超过现代优质合金和高分子材料, 因而登上新材料革命的主角地位, 满足现代科学技术和经济建设的需要。②其原料取于矿土或经合成而得, 蕴藏量十分丰富。③产品附加值相当高, 而且未来市场仍将持续扩展。④应用十分广泛, 几乎可以渗透到各 行各业。 应用领域 功能陶瓷主要在绝缘、电磁、介电以经济光学等方面得到广泛应用；结构陶瓷除了耐低膨胀、耐磨、耐腐 蚀外，还有重量轻、高弹性、低膨胀、电绝缘性等特性。因而在很多领域得到应用应该是以陶瓷燃气轮机为代 表的耐高温陶瓷部件陶瓷广泛用于道具及模具等耐磨零件，这方面的应用主要是利用陶瓷的高硬度、低磨耗 性、低摩擦系数等特性。另一方面，陶瓷材料具有其他材料所没有的高刚性、重量轻、耐蚀性等特性，从而被 有效地应用在精密测量仪器和精密机床等上面。另外，因为陶瓷材料具有很好的化学稳定性和耐腐蚀性，在生 物工程以及医疗等方面也得到广泛的应用。下面将分几方面来介绍新型陶瓷材料的应用领域。 1)航空航天材料:陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites） 当前耐高温材料已经成为航天先进材料中的由此岸优先发展方向，材料在高温下的应用对航天技术特别 是固体火箭等领域具有极其重要的推动作用。随着航空技术的发展气体涡轮机燃烧室中燃气的温度要求越来越高，并更紧密地依赖于高温材料的研究开发，而先进陶瓷及其陶瓷基复合材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀质 量轻等优异性能，是最具有希望代替金属材料用于热端部件的候选材料[4]。为此世界各国开展对陶瓷发动机的 研究工作。美、欧、日等越来越多的人体涡轮机设计者们开始用陶瓷基复合材料来制作旋转件和固定件。当前 对高温结构陶瓷的研究主要集中于Sic、Si3N4、Al2O3和ZrO2等，尤其以Si3N4高温结构陶瓷最引人注目。这类 陶瓷的综合性能较突出，它们有良好的高温强度，已经在航空涡轮发动机等方面得到了应用，非常适用于制作
功能陶瓷材料总复习讲解学习
功能陶瓷材料总复习
功能陶瓷材料总复习 绪论 什么是功能陶瓷？常见的功能陶瓷的分类、特性与用途。 1、定义：指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷。 2、分类：电容器陶瓷、压电、铁电陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、导电、超导陶瓷、生物与抗菌陶瓷、发光与红外辐射陶瓷、多孔陶瓷。 3、特性：性能稳定性高、可靠性好、资源丰富、成本低、易于多功能转化和集成化等 4用途：在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作用。举例：电容器陶瓷、谐振器元器件基材料、压电式动态力传感器、压电式振动加速度传感器。 介电陶瓷 以感应的方式对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质 各种极化机制以及频率范围。 极化机制：电子极化、离子极化、偶极子极化、空间电荷极化 松弛极化 频率范围：
铁电体， 晶体在某温度范围内具有自发极化Ps,且自发极化Ps的方向能随外电场而取向，称为铁电体。材料的这种性质称为铁电性。 电畴:铁电体中自发极化方向一致的微小区域 铁电体的特性:铁电体特性包括电滞回线Hysteresis loop、电畴Domains、居里点Tc及居里点附近的临界特性。 电滞回线: 铁电体的P 滞后于外电场E而变化的轨迹（如图
居里点Tc:顺电相→铁电相的转变温度 T>Tc 顺电相 T
微波介质陶瓷材料体系研究综述.doc
微波介质陶瓷材料体系研究综述 （桂林理工大学） 摘要：介绍了微波介质陶瓷的应用及其性能要求,按照应用频域的不同,对微波介质 陶瓷的材料体系进行分类讨论,将其划分为低频端、中频端以及高频端等三大类,指明了微波介质陶瓷的发展展望。 关键词: 微波陶瓷;介质陶瓷 引言 微波介质陶瓷是近十多年来发展起来的一种新型的功能陶瓷材料。它是指应用于微波频率（主要是300MHz-30GHz频段）电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷材料，是制造微波介质滤波器和谐振器的关键材料。它具有高介电常数、低介电损耗、温度系数小等优良性能,适于制造多种微波元器件,能满足微波电路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。用微波介质陶瓷材料做成的各类高性能器件,已被广泛应用于卫星电视、雷达、移动通讯、电子计算机及现代医学等众多领域[1]。随着移动通信的发展,微波介质陶瓷已成为高技术陶瓷研究的重点项目之一[2]。 1 微波介质陶瓷的应用及性能要求 1．1微波介质陶瓷的应用 微波介质陶瓷应用范围广泛,在微波电路中的应用主要有如下几个方面[ 3, 4]: (1)用作微波电路的介质基片,起着电路元器件及线路的承载、支撑、绝缘的作用;(2)用作为微波电路的电容器,起着电路或元件之间的耦合及储能作用;(3)用作微波电路的介质天线, 起着集中吸收储存电磁波能量的作用;(4)用作微波电路的介质波导,起着引导电磁波沿一定方向传播的作用；(5)用作微波电路的介质谐振器件,起着类似一般电子电路中LC谐振电路的作用。其中,最后一项的应用是最主要
的。因为实现微波设备的小型化、高稳定性和廉价的途径是微波电路的集成化,早期金属谐振腔和金属波导体积和重量过大,大大限制了微波集成电路的发展, 由微波介质陶瓷做成的介质谐振器,可按设计要求将若干谐振器耦合在一起, 制成一系列为满足微波电路各方面需要的腔体块状微波器件,如:滤波器、稳频震荡器及放大器等介质谐振式选频器件,体积小、重量轻介质谐振器件的出现能排除微波电路小型化与集成化方向上的最大障碍。陶瓷介质微波器件体积小、损耗低、稳定好、承受功率高、可在恶劣条件下工作, 最高应用频率可达90GHz,不仅在民用中广泛应用,而且在军用通信中受到重视。腔体块状陶瓷介质微波器件有分体和联体两种结构,前者是由几个谐振器耦合而成; 后者是在一个陶瓷块体上制作几个谐振器及其间的耦合结构,使器件体积大大减小,但小型化有限,不能满足移动通信市场日益发展的要求。利用低温烧结微波介质陶瓷与导体浆料的共烧技术和精细叠层工艺,制成片式多层微波频率器件具有小型化、可表面贴装、性能优良、可靠性高、可承受波峰焊和再流焊等诸多优点。LTCC技术的出现,微波器件小型化得到迅速发展,如天线、双工器、滤波器、平衡--不平衡转换等叠层微波器件获得广泛应用[5]。 1.2微波介质陶瓷的性能要求[6~8] 评价微波介质陶瓷介电性能的参数主要有三个：相对介电常数εr、品质因数Q·f、谐振频率τf。应用于微波电路的介质陶瓷,除了必备的机械强度、化学稳定性及经时稳定性外,还应满足如下介电特性的要求: (1)在微波频率下材料相对介电常数εr应大,以便于器件小型化。由微波传输理论可知: 微波在介质体内传输,无论采用何种模式,谐振器的尺寸都大约在λ/2~λ/4的整数倍间。微波在介质体内传输时的波长λ与它在自由空间传输时的波长λ0有如下关系:λ=λ0/ε0.5。所以,相同的谐振频率下,εr 越大,介质谐振器的尺寸就越小,电磁能量越能集中于介质体内,受周围环境的影响也小。这既有利于介质谐振器件的小型化,也有利于其高品质化。另一方面,谐振频率越高,波长越短,介质谐振器的尺寸在相对介电常数不是很大的情况下也可以很小,不同的应用领域,对εr的要求不同,通常要求εr>10。 (2)在微波频率下的介电损耗tanδ应很小,即介质的品质因子Q(=1/tanδu )要高,
高性能陶瓷材料
高性能陶瓷材料刘陈哲、王亚洲、李蠢、郭晨辉、谷琦琦、朱海旭 摘要：本文着重评述了高性能陶瓷的力学性能、性能检测方法、研究应用现状，并对纳米陶瓷及未来高性能陶瓷的设计、发展前景做了展望。 关键词：陶瓷，性能，检测方法，发展趋势 陶瓷材料力学性能 一、陶瓷材料的弹性变形、塑性变形与断裂 1、弹性 （1）弹性模量大 E值大，是金属材料的2倍以上。∵共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。晶体结构复杂，滑移系很少，位错 运动困难。 （2）弹性模量呈方向性；压缩模量高于拉伸弹性模量。结构不均匀性；缺陷。 （3）气孔率↑，弹性模量↓
2、塑性变形 （1）室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。 （2）1000℃以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移系运动）。 （3）陶瓷的超塑性 是微晶超塑性。∵晶界滑动，晶界液相流动。 存在条件：超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在液相或无定形相。 如含化学共沉淀法制备的含Y2O3的ZrO2粉体，在1250℃烧结后，3.5×10-2 S-1应变速率ε =400%。 利用陶瓷的超塑性，可以对陶瓷进行超塑加工。 超塑加工＋扩散焊接：新的复合加工方法。 3、断裂 以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源，从最薄弱处裂纹扩展，瞬时脆断。 缺陷的存在是概率性的。用韦伯分布函数表示材料断裂的概率 ] dv F m v m )'()(e xp 1)(0σσ?σ σ????--=
F(ζ)—断裂概率；m—韦伯模数 ζ0—特征应力，该应力下断裂概率为0.632 ζ’、ζ—试样内部的应力及它们的最大值 若两种陶瓷材料的平均强度相同，在一定的断裂应力下，m值大的材料比m值小的材料发生断裂的几率小。 陶瓷的主要断裂机制：解理。且容易从穿晶变为沿晶断裂。 二、陶瓷材料强度和硬度 陶瓷的实际强度比其理论值小1~2个数量级。只有晶须、纤维的实际强度才比较接近理论值 （1）弯曲强度 可采用三点弯曲、四点弯曲方法测出。 四点弯曲试样工作部分缺陷存在的几率较大。 ∴强度比三点弯曲的低。 （2）抗拉强度 测试时，夹持部位易断裂（可采用加橡胶垫） ∴常用弯曲强度代之，高20%~40%。 （3）抗压强度 比抗拉强度高得多，10倍左右。 （4）硬度高 HRA，AT45N小负荷的维氏硬度或努氏硬度。 三：陶瓷材料的断裂韧度 工程陶瓷的KIC比金属的低1~2个数量级。 测定方法单边切口法、山形切口法、压痕法、双扭法、双悬臂梁法。 ∵KIC值受切口宽度的影响。金属材料：ζ↑、δ↓、KIC↓； 陶瓷材料：∵尖端塑性区很小。ζ↑、KIC↑。 四：陶瓷材料的疲劳强度
功能陶瓷材料概述
功能陶瓷材料概述 功能陶瓷由于其在电、磁、声、光、热、力等方面优异的性能，广泛应用于电子电力、汽车、计算机、通讯等领域，在科学技术发展和实际生产生活中发挥着越来越重要的作用。主要阐述了功能陶瓷电学、光学、磁学、声学、力学等基本性质，并介绍了功能陶瓷的种类和应用以及未来发展趋势。 标签： 功能陶瓷；性质;应用 1 前言 功能陶瓷是具有电、磁、声、光、热、力、化学或生物功能等的介质材料。它有别于我们所熟知的日用陶瓷、艺术陶瓷、建筑陶瓷等，而是指在电子、微电子、光电子信息和自动化技术以及能源、环保和生物医学领域中所使用的陶瓷材料。功能陶瓷以其独特的声、光、热、电、磁等物理特性和生物、化学以及适当的力学等特性，在相应的工程和技术中发挥着关键作用，如制造电子线路中电容器用的电介质瓷，制造集成电路基片和管壳用的高频绝缘瓷等。 2 功能陶瓷基本性质 功能陶瓷是利用其对电、光、磁、声、热等物理性质所具有的特殊功能而制造出的陶瓷材料。其电学、光学、磁学、声学、热学、力学等性质是研究和运用的重点。功能陶瓷的这些性质与其组成、结构和工艺等有着密切关系。 功能陶瓷电学性质可以用电导率、介电常数、击穿电场强度和介质损耗来表示，是功能陶瓷材料很重要的基本性质之一。光学性质指其在可见光、红外光、紫外光及各种射线作用时表现出的一些性质。表征磁学性质的参数有磁导率、磁化率、磁化强度、磁感应强度等。材料在外力作用下都会发生相应的形变甚至破坏，有必要研究材料的力学性能，功能陶瓷材料也具有弹性模量、机械强度、断裂韧度等表征力学性能的参数。 3 功能陶瓷种类及其应用 功能陶瓷的发展始于20世纪30年代，经历从电介质陶瓷→压电铁电陶瓷→半导体陶瓷→快离子导体陶瓷→高温超导陶瓷的发展过程，目前已发展成为性能多样、品种繁多、使用广泛、市场占有份额很高的一大类先进陶瓷材料。目前已经研究比较深入并大量使用的功能陶瓷有绝缘陶瓷、介电陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷和结构陶瓷等，下面将介绍几种主要的功能陶瓷及其应用。 3.1 绝缘陶瓷
高性能结构陶瓷的应用
TECHNOLOGY AND MARKET Vol.17,No.6,2010 金属拉丝模用材质主要有三种：硬质金属（WC-Co）、聚晶（PCD）、钻石（ND）。硬质合金和钻石是传统的模具材质。长期以来，硬质合金模一直在拉丝用模中占主导地位，它的特点是强度、韧性好、耐磨性优良、修模方便、相对成本较低。绝大部分规格的模具至今仍是采用这类材质。钻石模则由于成本昂贵，加工困难，仅在部分生产细丝的成品模上应用。 材质性能比较 聚晶（PCD）是70年代发展起来的一种新型耐磨材料，它是由金刚石微晶体掺粘接金属，经过高温高压制成，用聚晶制的拉丝模机械强度良好，同时因为金刚石微晶体在成型过程中的随机取向克服了单晶体各向异性引起的偏磨性，所以聚晶模的使用效果甚至优于钻石模，但是聚晶生产成本高，设备复杂，投资大。 硬质合金是由WC和Co经高温烧结而成。Co含量一般为3—18左右。拉丝过程中，金属钴易于与被拉线材在某些区域发生“微观热焊合”产生粘着磨损或者发生塑性形变，而使“网状碳化钨”或“孤岛状碳化钨”断裂损坏，导致模具磨损失效。 陶瓷模则采用陶瓷微粉经高温烧结而成，耐磨晶体通过固相结合方式紧密结合。选择适当的烧结助剂，可以使陶瓷晶界接合强度大大增加，致密程度大为提高，线材与模具的磨擦磨损，除了润滑和变形角度等因素影响之外，模具本身硬度，晶相与粘接相的比例晶界结合强度是关键因素。由于陶瓷固相烧结，避免了金属粘接相的存在。使单位行程耐磨晶相比硬质合金明显增多，提高了体硬度。采取适当的工艺，可使陶瓷晶界强度和韧性能抵抗住拉丝压应力和剪切的破坏，改变拉丝模的磨损机制，从而有效地提高模具使用寿命。 陶瓷模与硬质合金模相比具有较低的磨擦系数，同时陶瓷与金属没有亲合性，在拉丝过程也不存在类似硬质合金一样的“微观热焊合”从而减少了拉丝阻力。对提高拉丝速度有利，一定程度上适应了拉丝机械发展的要求，陶瓷的微晶化技术使陶瓷制品具有更理想的表面光洁度，这对改善线材表面质量有利。 聚晶模耐磨性极好，是硬质合金模的20—200倍，但是聚晶模硬度高给修模带来了很大困难，修模时间及费用大大高于硬质合金模。一般聚晶模的修理费用约为其价格的三分之一。陶瓷模的硬度虽略高于硬质合金，但大大低于聚晶模。试验证实，利用原硬质合金修模手段修模，质量完全符合要求，而使用陶瓷模无需添置设备和增加修模成本，这也是使用单位乐于接受陶瓷模的一个有利因素。 成果特点 本成果是以三相复合陶瓷材料ZTA为原料，研制生产的陶瓷拉制模具和陶瓷塔轮及其工业应用产品。实验证明，ZTA材料所制成的陶瓷拉制模具和陶瓷塔轮，完全可以替代工业上常用的硬质合金拉制模具和金属塔轮在生产线上使用。 陶瓷材料在应用于制造拉丝模方面比硬质合金具有很多优良的特点，并且，原料成本远低于硬质合金、聚晶和天然钻石。目前国内企业至今没有普遍使用的原因就在于虽然制作陶瓷拉丝模的原料成本较低，延用硬质合金模的制作工艺（即烧成后进行打孔、研磨等工序）来制作陶瓷拉丝模的成本却很高。对陶瓷材料来讲，烧成后材料硬度很高，研磨很困难。因此，传统的制作方法样品加工成本太高，难以推广使用。本项目采用成型时就将陶瓷拉丝模的模孔和各部工作区一次成型出来的办法，烧结完毕后只需将表面抛光即可使用，避免了烧结后的研磨加工工序，从而大大降低了陶瓷拉丝模的制作成本，另外，采用先进的微波烧结方法，提高了材料的性能指标和使用寿 高性能结构陶瓷的应用院校成果 122
陶瓷材料的结构与特性
陶瓷材料的結構與特性 【摘要】一般稱為陶瓷的材料是泛指「非金屬的無機固相物質」，它通常是一種化合物，由兩種或兩種以上的帶電離子鍵結所構成。由於離子種類不同，合成的物質具有與金屬材料截然不同的機械、電、磁、光等特性。 英文ceramic（陶瓷）一字源自希臘字"keramikos"，意指「燒過的東西」。在中國的工藝辭彙裡，「陶」與「瓷」卻指不同的燒成品：前者是指燒結後的物品，例如瓦罐，它仍具有表面孔隙，在潮濕的環境中會吸收水分；「瓷」一字指的是表面燒結緻密，不會滲水的日用器皿，其表面常覆蓋著一層玻璃質的釉料，在高溫的燒成後，表層可以隔離水氣的入侵。 陶瓷材料與人類文明的發展息息相關 建築業採用大量的水泥材料，外牆及室內裝飾的壁磚、地磚，以及有利採光與美觀的多色玻璃門窗或幕帷，隨處可見。日常電器用品或資訊產品中，做為個人電腦386／486中央處理器多層電路隔板的氧化鋁基板、電阻材料、多層電容器，都是由高純度的陶瓷所製成。由於某些陶瓷具有優異的抗腐蝕性，這種材料又可用來製作強酸、強鹼的容器，或是製成人工關節，來取代人體內不堪使用的關節。陶瓷的高硬度，使得許多容易磨蝕的組件漸漸採用陶瓷，而且它的熔點比一般的金屬與高分子材料來得高，所以高溫的隔熱材料或是廢熱的熱交換器，都可使用陶瓷材料。其他在國防工業或航太工業，精密陶瓷都有其特定的用途。 如果了解陶瓷材料的原子結構與金屬及高分子材料的不同後，大家一定不會對陶瓷性質的多樣性感到懷疑。一次世界大戰以前，陶瓷產品只限於日常的器物如磚瓦、混凝土或是玻璃器皿。但1940年以後，陶瓷領域已擴展到微電子、電腦、資訊、國防、航太的範圍之中。由於對陶瓷的物、化性質的了解，改善純化與合成的技術，並發展出新的陶瓷製造工程，才使得簡單的建築與日常使用的陶瓷材料，擴展為特定用途的精密陶瓷組件。 最常見的陶瓷原料是天然風化的礦石，像是黏土或石英砂，主要的成分是氧化矽，其次是氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂，或是鹼金屬的氧化物。由於大自然長年風化作用的結果，將火山岩漿形成的花崗岩分解，經雨水及二氧化碳作用將其中的長石（含鉀鋁矽的氧化物）部分溶解，殘留的鋁矽酸物轉成高嶺土（一種常見的陶瓷黏土）。這種黏土的基本成分是Al2O3.2SiO2.2H2O，因為含有氧化鐵的雜質，常呈棕褐色，又在自然環境的分離作用下，細小的晶粒（小至1mm的1/1000）沈積成黏土礦，其中混雜著有機質，成為傳統陶瓷原料的主要來源。由於含有有機質（像木質素或藻膠），細緻的黏土很容易與水混合，形成的泥漿也有適當的黏性，由泥漿注模成形的坯體也有相當的強度，可以移入窯爐裡，燒出精緻、美觀的瓷器。 細小的陶瓷顆粒，有些呈圓形，有些呈鬚晶或板片狀，但都有其固定的結晶構造。因為顆粒夠小的關係，燒陶瓷生坯時，不必達到它的熔點就能將陶瓷燒結緻密。緻密的陶瓷器不僅不易吸水，其他的強度、硬度、透明度等性質都能提高不少。 此外，利用燒瓷溫度與時間的調整，細小的陶瓷顆粒在燒結時會逐漸靠近，達到緻密化的目的；晶粒也會逐漸長大，或是長成「柱晶」狀，例如許多白色瓷器的坯體都有的「富鋁紅柱石」（mullite，又稱「莫來石」）。不同的熱處理方法，包括改變加熱的溫度、時間、氣氛，可造成晶粒與孔隙的變化。不同的晶粒大小、分布與晶界間的現象，我們統稱「微結構」，這種結構的尺度就比原子的結構或是晶體結構大上數百倍，乃至數千倍以上。陶瓷材料的性質即決定於陶瓷化合物的「原子結構」、「晶體結構」，以及不同製程產生的「微結構」。 以下按陶瓷的基本分子結構、結晶結構與微結構，由小而大，分階段舉例說明與陶瓷特性間的關係。 陶瓷的分子結構 前面提及最常見的陶瓷材料是以黏土為主的氧化物，包括氧化矽、氧化鋁或氧化鉀的分子，這些分子都含有一定量的陰及陽離子。兩個異性的離子由於游離或吸引電子的能力不同的關係，當它們接近時，除了可藉由共同擁有原子軌道上的電子達到穩定的效果外，這種對價電子親和能力（又稱「陰電性」）也會影響兩個相吸的異性離子的鍵結特性，我們常以「游離率」或「陰電性差值」來表示。 當陰陽離子的陰電性相差愈多，它們形成的化合物的「離子鍵性」愈高，反之則「共價鍵性」高。所以除了少數的例外，大部分的陶瓷材料的分子鍵結形態多屬兩種鍵性的混成。完全的共價鍵材料極少，結晶形的鑽石（碳）即是一例；而接近完全離子鍵的化合物，像食鹽（氯化鈉）則只有非常微弱的共價鍵性。稍後，我們將介紹共價與離子鍵性比例的高低，將直接影響陶瓷材料的熔點、基本分子結構、導電性及其他許多物理性質。
功能陶瓷材料的分类及发展前景
功能陶瓷材料的分类及发展前景 功能陶瓷是指在应用时主要利用其非力学性能的材料，这类材料通常具有一种或多种功能。如电、磁、光、热、化学、生物等功能，以及耦合功能，如压电、压磁、热电、电光、声光、磁光等功能。功能陶瓷已在能源开发、空间技术、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等领域得到广泛应用。 1.电子陶瓷 电子陶瓷包括绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷、敏感陶瓷、磁性材料及导电、超导陶瓷。根据电容器陶瓷的介电特性将其分为６类：高频温度补偿型介电陶瓷、高频温度稳定型介电陶瓷、低频高介电系数型介电陶瓷、半导体型介电陶瓷、叠层电容器陶瓷、微波介电陶瓷。其中微波介电陶瓷具有高介电常数、低介电损耗、谐振频率系数小等特点，广泛应用于微波通信、移动通信、卫星通信、广播电视、雷达等领域。 2.热、光学功能陶瓷 耐热陶瓷、隔热陶瓷、导热陶瓷是陶瓷在热学方面的主要应用。其中，耐热陶瓷主要有Al2O3、MgO、SiC等，由于它们具有高温稳定性好，可作为耐火材料应用到冶金行业及其他行业。隔热陶瓷具有很好的隔热效果，被广泛应用于各个领域。 陶瓷材料在光学方面包括吸收陶瓷、陶瓷光信号发生器和光导纤维，利用陶瓷光系数特性在生活中随处可见，如涂料、陶瓷釉。核工业中，利用含铅、钡等重离子陶瓷吸收和固定核辐射波在核废料处理方面广泛应用。陶瓷还是固体激光发生器的重要材料，有红宝石激光器和钇榴石激光器。光导纤维是现代通信信号的主要传输媒介，具有信号损耗低、高保真性、容量大等特性优于金属信号运输线。 透明氧化铝陶瓷是光学陶瓷的典型代表，在透明氧化铝的制造过程中，关键是氧化铝的体积扩散为烧结机制的晶粒长大过程，在原料中加入适当的添加剂如氧化镁，可抑制晶粒的长大。其可用作熔制玻璃的坩埚，红外检测窗材料，照明灯具，还可用于制造电子工业中的集成电路基片等。 3.生物、抗菌陶瓷 生物陶瓷材料可分为生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷，生物陶瓷除了用于测量、诊断、治疗外，主要是用作生物硬质组织的代用品，可应用于骨科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼科及普通外科等方面。抗菌材料主要应用于家庭用品、家用电器、玩具及其他领域，
陶瓷材料的分类及性能
陶瓷材料的力学性能 高分子091 项淼学号17 陶瓷材料 陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料 之间的主要区别在于化学键不同。 金属：金属键 高分子：共价键（主价键）+范德瓦尔键（次价键） 陶瓷：离子键和共价键。 普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。 工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。 工程陶瓷的性能： 耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。 硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。 常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。 一、陶瓷材料的结构和显微组织 1、结构特点 陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。 可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。 如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬材料” 2、显微组织 晶体相，玻璃相，气相 晶界、夹杂 （种类、数量、尺寸、形态、分布、影响材料的力学性能。 （可通过热处理改善材料的力学性能） 陶瓷的分类 ※玻璃—工业玻璃(光学，电工，仪表，实验室用)；建筑玻璃；日用玻璃 ※陶瓷—普通陶瓷--日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工，多孔…… 特种陶瓷--电容器，压电，磁性，电光，高温…… 金属陶瓷--结构陶瓷，工具（硬质合金），耐热，电工…… ※玻璃陶瓷—耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷… 2. 陶瓷的生产 (1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合） 普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料） 特种陶瓷（人工的化学或化工原料--- 各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物） (2)坯料的成形（可塑成形，注浆成形，压制成形） (3)烧成或烧结 3. 陶瓷的性能 (1)硬度是各类材料中最高的。 （高聚物<20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV） (2)刚度是各类材料中最高的（塑料1380MN/m2，钢207000MN/m2) (3)强度理论强度很高（E/10--E/5）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。
功能陶瓷材料总复习题
功能陶瓷材料总复习 绪论 什么是功能陶瓷？常见的功能陶瓷的分类、特性与用途。 1定义：指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷。 2、分类：电容器陶瓷、压电、铁电陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、导电、超导陶瓷、生物与抗菌陶瓷、发光与红外辐射陶瓷、多孔陶瓷。 3、特性：性能稳定性高、可靠性好、资源丰富、成本低、易于多功能转化和集成化等 4用途：在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作用。举例：电容器陶瓷、谐振器元器件基材料、压电式动态力传感器、压电式振动加速度传感器。 介电陶瓷 以感应的方式对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质 各种极化机制以及频率围。 极化机制：电子极化、离子极化、偶极子极化、空间电荷极化 频率围： 铁电体， 晶体在某温度围具有自发极化Ps,且自发极化Ps的方向能随外电场而取向，称为铁电体。 材料的这种性质称为铁电性。 电畴：铁电体中自发极化方向一致的微小区域 铁电体的特性:铁电体特性包括电滞回线Hysteresis loop、电畴Domains、居里点Tc及居 里点附近的临界特性。 电滞回线：铁电体的P滞后于外电场E而变化的轨迹（如图
居里点Tc:顺电相T铁电相的转变温度 T>Tc 顺电相T
生活中的陶瓷材料及其应用
生活中的陶瓷材料及其应用 【摘要】陶瓷材料在我们的生活中早已应用到了各个方面，比如塑料、木材、水泥三大传统基本材料，陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。随着社会的进步，人们对材料的要求也越来越高，这种表现不仅表现在对科学研究领域，也表现在人们的日常生活当中。材料的进步很大程度上推动了社会的进步，而社会的需求反过来也有力的推进了材料科学的发展。拿陶瓷材料来说，陶瓷材料已经贯穿了人类的历史，并且随着历史不停的发展，在材料科学领域崭露头角。 【关键字】陶瓷材料应用发展 陶瓷材料分为普通陶瓷材料和特种陶瓷材料，普通陶瓷材料采用天然原料如长石、粘土和石英等烧结而成，是典型的硅酸盐材料，主要组成元素是硅、铝、氧，这三种元素占地壳元素总量的90%，普通陶瓷来源丰富、成本低、工艺成熟。这类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等。特种陶瓷材料采用高纯度人工合成的原料，利用精密控制工艺成形烧结制成，一般具有某些特殊性能，以适应各种需要。根据其主要成分，有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等；特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能。其特点有力学性能、热性能、电性能、化学性能、光学性能，根据用途不同，特种陶瓷材料可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷。 而我们专业是地理信息系统与其陶瓷材料的联系真的不多，所以在这里就不详细的指出了。陶瓷材料在工程上的应用要数工程塑料了目前，主要的工程塑料制品已有10多种，其中聚酸胺、聚甲醛、聚磷酸酯、改性聚苯酸和热塑性聚酯被称为五大工程塑料．它们的产量较大．价格一般为传统通用塑料的2—6倍．而聚摧硫酸等特种工程塑料的价格为通用塑料的5一10倍。以塑料代替钢铁、木材、水泥三大传统基本材料，可以节省大量能源、人力和物力。陶瓷材料也可合成橡胶的开发利用，由于生产合成橡胶的原料丰富，其良好的性能又可以满足当代科技发展对材料提出的某些特殊要求，所以合成橡胶出现几十年来，品种已很丰富，一般可将其分为通用合成橡胶和特种合成橡胶两类。通用合成橡胶性能与天然橡胶相似，用于制造一般的橡胶制品，如各种轮胎、传动带、胶管等工业用品和雨衣、胶鞋等生活用品。特种合成橡胶具有耐高温、耐低温耐酸碱等优点，多用于特殊环境和高科技领域，如航空、航天、军事等方面。陶瓷材料在合成纤维的开发利用方面合成纤维的品种有几十种，但最常见的是六大种：聚酸胺纤维、涤纶、腈纶、丙纶、维纶、氨纶。高分子合成材料具有质量小、绝缘性能好等特点，所以发展很快，但又都有先天不足，即它们都在不同程度上对氧、热和光有敏感性。但是，随着高技术的迅速发展，高分子合成材料的大军必将在经济生活中扮演举足轻重的角色。陶瓷材料中已崛