第五章功能陶瓷的合成与制备
材料化学之陶瓷
光学陶瓷
பைடு நூலகம்
荧光性
红外透过性
Al2O3
CaAs
激光
红外线窗口
高透明性
电发色效应
SiO2
WO3 ZnFe2O SrO CdS VO2 BaO 多种金属氧化物 PZT
光导纤维
显示器 磁带 电声器件 太阳电池 温度传感器 热阴极 催化剂 超声成像
磁性陶瓷 半导体陶瓷
软磁性 硬磁性 光电效应 阻抗温度变化效应 热电子放射效应
陶瓷一般结构
形成：加工过程中形成。 含量：0—90% 气孔包括开孔和闭孔
合理控制气孔数量、 形态和分布对保证陶 瓷成品诸多性能十分 重要。
陶瓷的基本性质
具有金属光泽，如WC、TaC等。
导电性接近金属，如金属锆的电阻率为
0.41×10-4 Ώ〃cm 间隙相陶瓷在保持与原金属相近的导电性 同时，却表现出比金属更高的硬度。如金属 钨、WC、TiC
多功能化
低维化
化学响应陶瓷 生物陶瓷
化学反应性 生物活性 生物物理响应
结构 陶瓷
特种陶瓷 光声电 磁热、 生物、 化学等 性能陶 瓷
功能陶瓷
我们是“压 电陶瓷点火 器”
传统陶瓷的大观
功能陶瓷研究进展与发展趋势 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
功能陶瓷 发展的趋 势特点
复合化
06
功能陶瓷
功能陶瓷是指其自身具有 某方面的物理化学特性，表 现出对点、光、磁、化学和 生物环境产生响应的特征性 陶瓷。
功能陶瓷的分类
种类 电子陶瓷
性能特征 绝缘性 热电学 压电性 强介电性 主要组成 Al2O3、Mg2SiO4 PbTiO3、BaTiO3 PbTiO3、LiNbO3 BaTiO3 用途 集成电路基板 热敏电阻 振荡器 电容器
陶瓷制备实验报告
一．实习目的掌握陶瓷主要工艺实验的原理、方法与一定的操作技能，通过陶瓷工艺综合实验了解陶瓷产品的设计程序与工艺过程，培养综合设计实验的能力，提高分析问题、解决问题和动手能力。
二．实习时间2013年11月22日三．实习地点南信大尚贤实验室及江都金刚机械厂四实习过程 1.陶瓷材料a概念：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。
b 分类：普通材料：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。
c性能：（1）力学特性：陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1500hv 以上。
陶瓷的抗压强度较高，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差。
（2）热特性：陶瓷材料一般具有高的熔点（大多在2000℃以上），且在高温下具有极好的化学稳定性；陶瓷的导热性低于金属材料，陶瓷还是良好的隔热材料。
同时陶瓷的线膨胀系数比金属低，当温度发生变化时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性。
（3）电特性：大多数陶瓷具有良好的电绝缘性，因此大量用于制作各种电压（1kv~110kv）的绝缘器件。
铁电陶瓷（钛酸钡batio3）具有较高的介电常数，可用于制作电容器，铁电陶瓷在外电场的作用下，还能改变形状，将电能转换为机械能（具有压电材料的特性），可用作扩音机、电唱机、超声波仪、声纳、医疗用声谱仪等。
生物陶瓷的合成与制备
生物陶瓷的合成与制备生物陶瓷的合成与制备摘要：生物陶瓷是一种具有与生物体或生物化学有关的区别于传统陶瓷材料的新型材料，生物陶瓷有着传统陶瓷所不具备的特殊功能。
本文从生物陶瓷的发展过程、生物陶瓷的优良性能、生物陶瓷的分类、应用举例和目前存在的问题等多方面，简单的介绍生物陶瓷材料。
关键词：生物陶瓷性能分类应用前景展望 1. 生物陶瓷材料的特性及介绍 1.1 生物陶瓷材料的概念 1.1.1 生物材料生物材料学是生命科学与材料科学的交叉学科，在医学和工程学中得到广泛应用。
研究的主要目的是在分析天然生物材料的组装，生物功能及形成机理的基础上，发展新型医用材料及仿生高性能材料. 按照研究对象和使用目的的不同，生物材料可分为：（1）天然生物材料：生物生命过程中形成的材料，如麻，棉，蚕丝和贝壳等（2）生物医用材料：植入活体内能起某种生物学功能的材料，如制作各种人工器官的材料（3）仿生和组织工程材料：模仿生物功能的人工合成的材料 1.1.2 生物陶瓷在各种生物材料中，目前应用比较广泛且生产工艺比较成熟的是生物陶瓷。
陶瓷作为人体材料应用早在古代就已开始，陶瓷不生绣、不燃烧，而且抗腐蚀性和强度也比较好，可以大大弥补金属材料和有机材料的缺陷。
象目前经常在外科手术中使用的维塔利姆的钴铬钼合金材料，虽然长期植入体内很少产生特异变化，但并不能认为它是完全稳定的，有时也会引起身体异物反映和合金腐蚀现象，尤其是酵母系的酶很容易使人体产生预料不到的剧烈变化。
而陶瓷不仅可以制成具有优良生物惰性的材料，而且可以制成具有优良生物活性的材料。
所谓生物惰性材料，就是在人体内基本不会发生变化的材料，也不会同人体组织发生相互作用。
所谓生物活性材料，就是在人体内会发生分解、吸收、反应、析出等变化的材料。
var cpro_psid ="u2572954"; var cpro_pswidth =966; var cpro_psheight =120;这种材料能同人体骨骼起生物化学作用，导致成骨过程，使移植体或骨骼修补物能于人体组织长合在一起。
《材料制备技术》课程教学大纲
《材料制备技术》课程教学大纲Fabricating Technologies of Materials课程代码：适用专业：材料科学与工程学时数：48 学分数：3执笔者：编写日期：2004年3月一、课程性质和目的材料制备技术是高等工科院校材料科学与工程专业必修的技术基础课。
通过本课程的学习，使学生获得有关材料合成与制备方法的基本理论和基本知识，掌握现代材料常用的制备方法、技术、工艺及应用。
二、课程教学的基本要求通过本课程的学习，学生应达到下列要求：1．掌握各类材料合成与制备原理、常用方法、加工工艺及特点；2．初步掌握一些新材料的制备技术；3．初步具有对一般材料进行选定合理的制备方法、成形工艺的能力。
三、课程教学内容与学时分配1．单晶材料的制备（6学时）(1)固相－固相平衡的晶体生长的形变再结晶理论及应变退火和工艺设备；(2)单组分液相－固相平衡的晶体生长的理论基础、制备工艺。
2．薄膜的制备（6学时）(1)物理气相沉积——真空蒸镀；(2)溅射成膜；化学气相沉积（CVD）。
3．非晶态材料的制备（6学时）(1)非晶态材料的基本概念和基本性质；(2)非晶态材料的形成理论；(3)非晶态材料的制备原理与方法。
4．复合材料的制备（6学时）(1)复合材料的基本概念和性能；(2)树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料的制备原理、方法、技术。
5．功能陶瓷的合成与制备（6学时）(1)功能陶瓷概论；(2)高温超导陶瓷、敏感陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、磁性陶瓷的制备原理及方法。
6．结构陶瓷的制备（6学时）(1)结构陶瓷概论；(2)结构陶瓷的制备方法、技术、工艺；(3)高性能结构陶瓷的应用。
7．功能高分子材料制备（6学时）(1)功能高分子材料概述；(2)医用生物材料——聚乳酸、磁性高分子微球、高分子—无机夹层化合物、极化聚合物电光材料、高分子液晶的合成。
8．实验教学（6学时）实验教学内容见材料科学与工程专业实验教学大纲。
陶瓷材料的制备
4、凝胶注模成型 、 原位凝固成型 坯体固化过程中没有收缩且原位固化保证陶瓷坯体的均匀 性
（三）干燥与排塑
热空气干燥 电热干燥 辐射干燥 （高频、微波、红外）
干燥
排除粘合剂，为烧成创造条件 排塑 是坯体获得一定的机械强度 避免粘合剂在烧成时的还原作用
（四）烧成 • 陶瓷生坯在高温下的致密化过程和现象的总和 • 减少成型体中气孔，增强颗粒间结合，提高机械 强度
固相反应法 溶出法
（二）成型
成型
干法成型
干压成型
等静压成型
湿法成型
注浆成型
热铸压成型
挤压成型
轧膜成型
注射成型
原位凝固成型
快速无模成型
1、等静压成型 、 • 利用液体或气体能够均匀的向各个方向传递压力的特性来 实现均匀受压成型
粉料装入弹性模具
放入具有液体或气体的高压容器中
用泵加压
压制成与模具相像的坯体
陶瓷
传统（普通）陶瓷
现代（先进）陶瓷
建筑砖瓦、日 用器皿、卫生 用具、美术装 饰制品等
结构陶瓷
功能陶瓷
高强度、硬度、弹性模量 耐高温、磨损 抗氧化、腐蚀
具有电磁、 光、声、超 导、化学、 生物学特性
传统陶瓷与现代陶瓷的主要区别
区别点 原料 成分 成型 烧成 传统陶瓷
天然矿物原料 主要有粘土、长石、石英的产地决 定 注浆、可塑成型为主 温度一般1350以下，燃料以煤、油、 气为主
1、烧成步骤
保温阶段
升温阶段
冷却阶段
2、烧成过程影响因素
3、烧成方法
烧 成 方 法
常 压 烧 成
热 压 烧 结
热 等 静 压 烧 结
反 应 热 压 烧 结
第五章 溶胶-凝胶合成法
M OH2
z
M OH
z 1
M O
z 2
2H
在水溶液中，金属离子可能有三种配体：水、羟基和氧基
若N以共价键方式与阳离子Mz+键合，其分子式粗略记为： ［MONH2N-h］(z-h)+，h定义为水解摩尔比
h
0
母体
[M(OH2)N]z+
2N
N<h<2N
[MON](2N-z)[MOx(OH)N-x](N+x-z)-
h<N
h=N
[M (OH)h.(OH2)N-h](z-h)+
[M(OH)](N-z)-
聚合
在不同条件下，配合物可通过不同的方式 进行聚合形成二聚体或多聚体，有些可 聚合形成骨架结构． 如羟基－水母体配合物之间的反应按亲核 取代方式(SN1)形成羟桥M-OH-M。带电 荷的母体不能无限聚合形成固体，其原 因是在缩合期间羟基的亲核强度是变化 的。
干燥 勃姆石溶胶膜
温度、湿度
干燥控制化学填加剂的作用
溶胶-凝胶法制备-Al2O3陶瓷膜
水解
无机盐或醇盐
温度、水量
溶胶 勃姆石沉淀 酸种类、量 勃姆石溶胶 浸 渍
烧成 -Al2O3陶瓷膜 温度、时间 勃姆石凝胶膜
干燥 勃姆石溶胶膜
温度、湿度
例：醇盐水解的溶胶-凝胶法制备YSZ膜
以正丙醇锆、四水硝酸钇为前驱物 正丙醇为溶剂 冰醋酸或其它螯合剂调制水解与缩合反 应
Zr(C3H7OH)3 C3H7OH Zr(C3H7OH)3 溶液 Zr, Y溶胶
Y2O3 HNO3 Y(NO3)3 CH3COOH C3H7OH H2O Y(NO3)3 混合溶液
钛酸钡功能陶瓷制备及应用
纳米钛酸钡制备工艺的研究进展摘要：综述了目前国内外制备纳米陶瓷材料BaTiO 粉体的主要方法，包括固相烧结法、化学沉淀法和水热合成法等多种工艺，分析了各种合成方法制备工艺的特点与不足，并提出了其发展方向。
关键词：纳米钛酸钡；电子陶瓷；制备工艺；研究进展Abstract：Barium titanate(BaTiO3)is an important functional dielectric materials．A number of recent advancementpreparation technology of BaTiO3 were reviewed in this paper．The most important method such as the sol—gel，hydrothermal and chemical precipitation are introduced．The merit and drawback of these techniques were discussed．The developments of the preparation technology of nm-sized barium titanate is presented．Key words：nano-barium titanate；electronic ceramic；preparation technology ；advance1前言钛酸钡是电子陶瓷材料的基础原料，被称为电子陶瓷业的支柱。
它具有高介电常数、低介电损耗、优良的铁电、压电、耐压和绝缘性能，被广泛的应用于制造陶瓷敏感元件，尤其是正温度系数热敏电阻( ptc)、多层陶瓷电容器(MLccs)、热电元件、压电陶瓷、声纳、红外辐射探测元件、晶体陶瓷电容器、电光显示板、记忆材料、聚合物基复合材料以及涂层等。
钛酸钡具有钙钛矿晶体结构，用于制造电子陶瓷材料的粉体粒径一般要求在100nm以内。
第二章功能陶瓷的制备与工艺学
第二章功能陶瓷的制备与工艺学功能陶瓷是一类具有特殊功能或特殊性能的陶瓷材料，广泛应用于各个领域，如电子、光电、医疗、冶金等。
功能陶瓷的制备与工艺学对于开发新型功能陶瓷材料具有重要意义。
下面将介绍功能陶瓷的制备与工艺学的关键内容。
首先，功能陶瓷的制备过程包括粉体制备、成型、烧结和表面改性等步骤。
粉体制备是功能陶瓷制备的第一步，它直接影响到最终陶瓷材料的性能。
常见的粉体制备方法包括机械混合法、溶胶-凝胶法、等离子体喷雾法等。
成型是将粉体转化为所需形状的过程，常见的成型方法有挤压成型、注射成型、压接成型等。
烧结是将成型件加热使其致密化的过程，常见的烧结方法有热压烧结、微波烧结、等离子体烧结等。
表面改性是对已烧结的陶瓷进行必要的表面处理，如涂层、镀膜等。
其次，功能陶瓷的制备与工艺学需要考虑到材料的性能要求和应用环境。
不同的功能陶瓷材料有不同的性能要求，如陶瓷电容器需要具有高介电常数和低介质损耗，氧化锆陶瓷需要具有高硬度和低断裂韧性等。
此外，应用环境的要求也需要考虑，如高温环境下的陶瓷材料需要具有高的热稳定性和耐腐蚀性。
最后，功能陶瓷的制备与工艺学还需要关注材料的微观结构和相态转变。
微观结构的调控对于陶瓷材料的性能有着重要影响，如通过控制晶粒尺寸和晶粒分布来改善材料的力学性能和导电性能。
相态转变是功能陶瓷制备过程中的重要现象，通过了解相态转变的机制，可以提高材料的制备效率和性能。
总之，功能陶瓷的制备与工艺学是开发新型功能陶瓷材料的基础。
它涉及到粉体制备、成型、烧结和表面改性等技术，并需要考虑材料的性能要求和应用环境。
通过研究材料的微观结构和相态转变，可以进一步改善材料的性能。
功能陶瓷的制备与工艺学的研究将为功能陶瓷材料的应用提供更多的可能性，并推动相关领域的发展。
第五章(功能转换材料)
第五章 功能转换材料 －§5.2 热释电材料
第二节 热释电材料
一、热释电效应
热释电效应是晶体因温度变化而引起电极化的变化，即晶体表面产生等量异号 电荷的现象。
热释电效应反映了晶体的电量与温度之间的关系： ⊿Ps＝p⊿T 式中，Ps—自发极化强度；p —热释电系数；T —温度。 热释电效应产生的前提条件
5
第五章 功能转换材料 －§5.1 压电材料
3.介电常数
介电常数反映了材料的介电性质（或极化性质）。
当压电材料的电行为用电场强度和电位移作变量来描述时，有：
例如：对于压电陶瓷片，其介电常数 为：
D ＝ E
＝Cd/A
式中，C—电容(F)；d—电极距离(m)；A—电极面积(m2) 。
4.机电耦合系数
7
第五章 功能转换材料 －§5.1 压电材料
钙钛矿（CaTiO3）晶体结构模型
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第五章 功能转换材料 －§5.1 压电材料
2.压电半导体
晶体结构：闪锌矿或纤锌矿结构。 特点：K 值大，并兼有光电导性。 应用：换能器。 水声换能器：通过发射声波或接受声波(分别对应于正、逆压电效应) 来完成水下观察、通讯和探测工作。 典型材料：①Ⅱ-Ⅵ族化合物：CdS、CdSe、ZnO、ZnS、ZnTe、CdTe。 ②Ⅲ-Ⅴ族化合物：GaAs、GaSb、InAs、InSb、AlN。
注：①SBN-50是Sr0.5Ba0.5NbO6；②PZ-FN陶瓷是改性的PbZrO3-PbFe1/3Nb2/3O3； ③PT陶瓷是改性的PbTiO3。
18
第五章 功能转换材料 －§5.2 热释电材料
1.热释电晶体
特点： ①p 值高，性能稳定。 ②自发极化在外电场作用下不发生转向。 典型材料： 电气石、CaS、CaSe、Li2SO4· H2O、ZnO等。
陶瓷工艺及功能
四、新型陶瓷材料的特点及分类
精陶材料将成为名副其实的耐高温的高 强度材料，从而可用作包括飞机发动机 在内的各种热机材料、燃料电池发电部 件材料、核聚变反应堆护壁材料、无公 害的外燃式发动机材料等。精细陶瓷与 高性能分子材料、新金属材料、复合材 料并列为四大新材料。有些科学家预言 ．由于精细陶瓷的出现，人类将从钢铁 时代重新进入陶瓷时代。
温度(喷枪出口处火焰平均温度可以高达10000K以上)
，足以熔化任何一种难熔材料；②等离子流速度较高
，使得喷涂粒子以较大速度撞击到基体上，形成的涂
层与基体间结合强度较大；③对基体热影响小，可以
对已加工成形的工件进行表面喷涂；④易于实现自动
化，且成本适中。
五、金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状
等离子喷涂依据环境介质和压力的不同 可以细分为大气等离子喷涂(APS)、高能 等离子喷涂(HPPS)、真空等离子喷涂 (VPS)、低压等离子喷涂(LPPS)、保护气 氛等离子喷涂(IPS)、水下等离子喷涂 (UPS)和感应电偶等离子喷涂等［15，16 ］。按喷涂时送粉方式或喷枪数目可以 分为单枪等离子喷涂法和双枪等离子喷 涂法。
积涂层，而CVD法可以在形状复杂的零件表面
制备出梯度涂层，而且沉积层表面光滑致密，
沉积率较高。
五、金属／陶瓷功能梯度涂层工艺的应用现状
近年来，CVD和PVD技术已广泛应用于航空航 天、汽车、化工、能源和生物工程等领域制备 功能梯度涂层，同时不断与其它表面涂层技术 相结合，开发出了一些改进型表面涂层技术制 备梯度涂层，如电子束物理气相沉积法(EBPVD)、离子束增强物理气相沉积法(IBEB)、燃 烧化学气相沉积法(CCVD)、物理化学沉积法 (PCVD)、反应溅射及阴极磁控溅射等。而且， 随着科学技术的发展，CVD和PVD梯度涂层技 术在材料制备及改善零部件表面性能等方面的 应用不断增加，有着美好的应用前景。
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第五章功能陶瓷的合成与制备
功能陶瓷是一类具有特殊功能的陶瓷材料，具有特殊的物理、化学、
电磁或光学性能，在各个领域具有广泛的应用。
本章将介绍功能陶瓷的合
成与制备方法。
一、功能陶瓷的合成方法
功能陶瓷的合成方法主要包括传统的烧结法和新型的凝胶法、溶胶-
凝胶法、物理方法等。
1.烧结法
烧结法是最传统的功能陶瓷制备方法之一、其主要步骤包括粉体制备、成型和烧结。
首先需要选择合适的陶瓷原料，通过球磨、干燥等步骤制备
成适当大小的粉体。
然后将粉体按照需求进行成型，如压制、注射成型等。
最后，通过高温烧结过程使粉体颗粒结合成陶瓷制品。
2.凝胶法
凝胶法是一种较新的功能陶瓷制备方法，主要通过溶液中的凝胶形成
陶瓷材料。
凝胶形成主要有溶胶-凝胶法、共沉淀法等。
其中，溶胶-凝胶
法是最常用的凝胶方法之一、该方法首先将金属盐或金属有机化合物溶解
在有机溶剂中，形成溶胶。
然后，在溶胶中加入适量的凝胶剂，通过搅拌
或调整pH值等控制凝胶的形成。
最后，将凝胶进行热处理，形成陶瓷材料。
3.物理方法
物理方法是一类特殊的功能陶瓷制备方法，主要包括等离子体喷涂、
激光制备和电沉积等。
等离子体喷涂是一种将陶瓷颗粒喷涂到基体上形成
陶瓷涂层的方法。
激光制备是通过激光加工方法制备功能陶瓷器件的一种
途径。
电沉积是一种通过电解物质的方法在电极上制备陶瓷的方法。
二、功能陶瓷的制备方法
功能陶瓷的制备方法主要包括充填法、浸渍法和溶胶-凝胶法等。
1.充填法
充填法是一种将陶瓷颗粒填充在基体孔隙中的方法，主要适用于多孔
基体的制备。
该方法首先将陶瓷粉体与适量的粘结剂混合均匀，然后将混
合物充填到基体孔隙中。
最后，通过烧结等处理，固化陶瓷颗粒，形成功
能陶瓷材料。
2.浸渍法
浸渍法是一种利用溶液浸渍基体材料并在其表面形成陶瓷薄层的方法。
该方法首先将陶瓷粉体悬浮于适量的溶液中，然后将基体浸渍于该溶液中，使陶瓷颗粒被吸附在基体表面。
最后，通过热处理等方法，将陶瓷薄层固
化在基体上。
3.溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法在陶瓷材料的制备中也起到了重要作用。
该方法首先将
金属盐或金属有机化合物溶解在有机溶剂中，形成溶胶。
然后，在溶胶中
加入适量的凝胶剂，通过搅拌或调整pH值等控制凝胶的形成。
最后，将
凝胶进行热处理，形成陶瓷薄层或器件。
综上所述，功能陶瓷的合成与制备既可以通过传统的烧结法，也可以
通过新型的凝胶法、充填法、浸渍法等物理方法实现。
不同的合成与制备
方法可根据陶瓷材料的特性和应用需求进行选择和优化。
相信通过不断研究和创新，功能陶瓷的合成与制备方法会得到更多的发展和应用。