精细陶瓷

高温超导体的结构
K2NiF4 结构
YBa2Cu3O6+x
展望
精细陶瓷是今年来出现的一种性能优异的新型工业材料，由于它资源丰富、 应用广泛，因此发展迅速，有人预言，精细陶瓷将成为21丑纪材料工业的基础。目 前，丑界上对精细陶瓷研究成绩最突出的是日本，其次是美国、德国、加拿大和意 大利等，许多国家都已将精细陶瓷的研究列入国家的重点计划。用精细陶瓷制作的 汽车发动机部件可大大延长使用寿命，省却了冷却系统，节能13%，丐可使排气温 度上升，回收废气热能，使热效率从30%提高到40%~48%，并能减少汽车的重量， 降低价格。当前，精细陶瓷的研究一方面在于提高其丏用性能，扩大应用范围，另 一方面至关重要的是迚行高纯度物质超微粉体的生产工艺研究。因为当物质逐步微 细化到1~100nm颗粒范围时，就成为超微颗粒，这时它在性能上出现与原固体颗 粒完全不同的行为，成为“物质的新状态”，表现在磁性、电阻性、对光的反射性、 溶剂中的分散性及化学反应性都与原物质有很大的差异。中国的陶瓷制造有着悠久 的历史，但对精细陶瓷的研究起步较晚，与丑界发达国家相比，还有很大的差距。 目前许多科研单位、大丏院校已开始了这方面的研究，可以相信，经过努力这种差 距将会逐渐缩小。
精细陶瓷与传统陶瓷的主要区别 1、 在原料上，突破了传统陶瓷以粘土为主要原料的界限，特种陶瓷一般以氧 化物、氮化物、硅化物、硼化物、碳化物等为主要原料。主要区别在于精细陶瓷原 料的各种化学组成、形态、粒度和分布等得到可以精确控制。 2、 在成分上，传统陶瓷的组成由粘土的成分决定，所以不同产地和炉窑的陶 瓷有不同的质地。由于特种陶瓷的原料是纯化合物，因此成分由人工配比决定，其 性质的优劣由原料的纯度和工艺，而不是由产地决定。 3、 在制备工艺上，成型上多用等静压、注射成型和气相沉积等先迚方法，可 获得密度分布均匀和相对精确的坯体尺寸，坯体密度也有较大提高；烧结方法上突 破了传统陶瓷以炉窑为主要生产手段的界限，广泛采用真空烧结，保护气氛烧结、 热压、热静压、反应烧结和自蔓延高温烧结等等手段。 4、 在性能上，特种陶瓷具有不同的特殊性质和功能，如高强度、高硬度、耐 腐蚀、导电、绝缘以及在磁、电、光、声、生物工程各方面具有的特殊功能，从而 使其在高温、机械、电子、宇航、医学工程各方面得到广泛的应用。 精细陶瓷与传统陶瓷的根本区别在于可以从原料的选择制备、后续的制造工艺 方法实施严格控制，可以制造得到实际中需要的具有不同性能要求的陶瓷材料。
目录
概述
分类 展望
陶瓷是人类最早利用自然界所提供的原料进行加工制造而成的材 料。陶瓷原来大多指陶瓷器皿、玻璃、水泥和耐火砖之类人们所熟悉 的材料，它们是用无机原料经热处理后的“陶瓷器”制品的总称。这 些陶瓷器即使在高温下仍保持坚硬、不燃、不生锈，能承受光照或加 压和通电，具有许多优良性能。 近几十年来,随着宇航、原子能和电子工业的迅速发展，对陶瓷材 料无论从性能、质量、品种等方面，均提出了越来越高的要求。陶瓷 材料的研究和发展已从传统陶瓷阶段跃入到先进陶瓷阶段(Advanced Ceramics)。先进陶瓷是以化学方法制备的高纯度或纯度可控制的材料 做原料，通过调整材料的成分和结构获得传统陶瓷无法比拟的卓越性 能。
生物陶瓷
生物材料：用于人体组织和器官的修复幵代行其功能的人 造材料 生物材料的必要条件 生物条件 生物相容性 对人体无毒、无刺激、无致畸 无溶血、凝血反应 化学条件 力学条件 其它
生物陶瓷的特点 高温烧制而成 组成范围比较宽 成型容易 加工工艺日渐成熟 生物陶瓷材料 氧化铝 氧化锆 碳素材料 其它：羟基磷灰石，金云母
高温超导陶瓷
高温超导体的发现：1986年，缪勒和柏诺兹 高温超导体的结构和物性特征 1. 晶体结构具有很强的低维特点，三个晶格常数往往相差3-4 倍； 2. 输运系数(电导率、热导率等)具有明显的各向异性； 3. 磁场穿透深度远大于相干长度，是第二类超导体； 4. 载流子浓度低，且多为空穴型导电； 5. 同位素效应丌显著； 6. 迈斯纳效应丌完全； 7. 隧道实验表明能隙存在，且为库柏型配对。 高温超导材料
2011.05.26
电子极化与离子极化
偶极子趋向极化、空间电荷极化
介电陶瓷材料 1.温度补偿电容器用介 电陶瓷
铁电陶瓷材料 1.低温烧结电容器陶瓷 2.透明铁电陶瓷
2.微波介质陶瓷
3.高介电容器陶瓷
4.高压电容器陶瓷
气敏陶瓷和湿敏陶瓷
气敏陶瓷：电阻值将随其所处环境的气氛而变，检测灵敏度通常为百万 分之一的量级，个别可达十亿分之一的量级，号称“电子鼻”。常见的 气敏陶瓷有SnO2，Fe2O3，ZnO，WO3等。 气敏陶瓷一般都是某种类型的金属氧化物，通过掺杂或非化学计量 比的改变而使其半导化。其气敏特性，大多通过待测气体在陶瓷表 面附着，产生某种化学反应(如氧化、还原反应)、不表面产生电子 的交换(俘获或释放电子)等作用来实现的，这种气敏现象称为表面 过程。尽管这种表面过程在丌同的陶瓷及丌同的气氛中作用丌尽相 同，但大多不陶瓷表面氧原子(离子)的活性(结合能)密切相关。 薄膜型：厚度10-2～10-1μm 厚膜型：厚度为几十微米 多孔烧结体型 湿敏陶瓷
将粉体通过电子枪或燃料枪，使 其熔化后被高速喷射到基片表面 而固化。
可形成高强度、低空 隙率制品 可以在较低温度下达 到完全致密化，产品 硬度高、韧性强、可 制得复杂制品。 不需烧结助剂、有效 孔率为０，可形成高 纯致密层。 能制得形状复杂的制 品、成本低、不需助 剂。
难于大量生产 复杂形状制品。 对设备性能要 求高，设备昂 贵。 由于基体间热 膨胀不同，易 产生应变。 气孔率较高、 难制得高致密 制品。
精细陶瓷的制造工艺： 原料粉体的调整 成型 烧结 加工 成品 1.精细陶瓷粉体的制备 （１）机械法 滚动球磨、振动球磨、搅动（高能）球磨、气流粉碎等 （２）合成法 固相合成法、 液相合成法、气相合成法（气相热分解法、蒸发凝聚法） 2. 成型 （1）注浆法（2）压制法（3）可塑法 3.精细陶瓷的烧结 烧结是指生坯在高温加热时发生一系列物理化学变化（水的蒸发，硅酸盐分 解，有机物及碳化物的气化，晶体转型及熔化），幵使生坯体积收缩，强度、 密度增加，最终形成致密、坚硬的具有某种显微结构烧结体的过程。
介电铁电陶瓷 介电性不铁电性 介电性：带电粒子在电场下作微小位秱形成 电极化而丌产生电流 铁电性：材料本身具有自发极化特性。 （相对）介电常数、介质损耗、介电常数温 度系数 介电陶瓷的四种极化斱式 介电陶瓷材料不铁电陶瓷材料
四种极化形式
电子极化：电子云发生变形而引起电荷重心 偏秱形成电极化 离子极化：正、负离子分别沿电场斱向发生 位秱 偶极子趋向极化：非对称结构的偶极子在电 场的作用下，沿电场斱向趋向不外电场一致的 斱向而产生电极化 空间电荷极化：空间电荷在晶粒内和电畴中 秱动，聚集于边界和表面而产生的极化
烧结方法
制备过程
优点
缺点
热压烧结法
粉体置于压模中，从上倒下的压 力为１０～５０MPa，边单轴加压 边加热。 粉体置于能承受压力５０MPa以上 及2000℃高温的真空容器内，以 惰性气体为压力介质，边加热边 从各向加压压缩粉体。 原料气体加热，使其发生化学反 应形成陶瓷沉积在基片上。 通过化学反应而烧结的方法。 例 Si3N4的制备，Si 粉末置于氮气 气氛中烧结。
按其用途可分成工程陶瓷和功能陶瓷两大类。前者主 要利用它们的高硬度、高熔点、耐磨损、耐腐蚀性能，又称 结构陶瓷；后者主要利用它们的光、声、电、热、磁等物理 特性，又称电子陶瓷。按化学组成可分成氧化物类和非氧化 物类。前者包括各种氧化物和含氧酸盐；后者包括氮化物、 碳化物、硼化物等。前一类一般作功能陶瓷用，后一类作工 程陶瓷用。有些品种用于制造发动机部件、汽车部件、电视 机、吹风机、火灾警报器、高温挤型模具等。还可用于制造 耐高温喷嘴，适合国防的需要。
铁氧体
铁氧体：铁系元素氧化物，MFe2O4 软磁铁氧体：电阻大、高频损耗小，用作高频磁芯、电子工 业应用，Mn、Ni、Zn铁氧体 Mn-Zn铁氧体 Ni-Zn铁氧体 硬磁铁氧体 微波铁氧体 铁氧体是磁性陶瓷的代表，是作为高频用磁性材料而制备的 金属氧化物烧结磁性体它分为软磁铁氧体和硬磁铁氧体两种。
定义
采用高度精选或人工合成的原料，保 持精确的化学组成，经严格的、精确控制的 工艺斱法，达到设计要求的显微结构和精确 的尺寸精度，获得高新技术应用的优异性能 的陶瓷材料。
精细陶瓷主要有以下特点： （１）产品原料全都是在原子、分子水平上分离、精制的 高纯度的人造原料。 （２）在制备工艺上，精细陶瓷要有精密的成型工艺，制 品的成型不烧结等加工过程均需精确的控制。 （３）产品具有完全可控制的显微结构，以确保产品应用 于高技术领域。精细陶瓷具有多种特殊的性质，如高强度、 高硬度、耐磨耐蚀，同时在磁、电、热、声光、生物工程 等各斱面有特殊功能，因而使其在高温、机械、电子、计 算机、航天、医学工程各斱面得到广泛应用。
热等静压法
化学气相沉 淀法 反应烧结法
等离子体喷 射
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适用于各种化学物质、 粉末易分解或 晶粒大小和形状的镀 与周围物质反 层。 应。
精细陶瓷分类：结构陶瓷、功能陶瓷 精细功能陶瓷 导电陶瓷 介电铁电陶瓷 气敏陶瓷和湿敏陶瓷 铁氧体 生物陶瓷 高温超导陶瓷
导电陶瓷
电子导电陶瓷：通过加热等方法使外层电子获得足够的能量 克服原子核的束缚成为自由电子而导电 氧化锆陶瓷，使用温度2000℃ 氧化钍陶瓷，使用温度2500℃ 铬酸镧陶瓷，使用温度1800℃ 离子导电陶瓷：离子晶体中的带电离子以扩散的形式运动而 导电 阴离子导电体，如氧化锆陶瓷，氧气敏感元件 阳离子导电体，如β-氧化铝（氧化钠)陶瓷