无机非金属材料工学 特种陶瓷

1、无机非金属材料工学无机非金属材料工学 特种陶瓷特种陶瓷 特种陶瓷特种陶瓷 v特种陶瓷是指采用高度精选的材料。具特种陶瓷是指采用高度精选的材料。具 有能精准控制的化学组成，按照便于控制有能精准控制的化学组成，按照便于控制 的制造加工技术，便于进行结构设计，并的制造加工技术，便于进行结构设计，并 具有优异特性的陶瓷具有优异特性的陶瓷 v 原料以氧化物，氮化物， 硅化物，硼化物，碳化物为 主要原料 v 成分由人工配比，纯化物 较多，性质优劣与原料产地 无关 v 以黏土为主要原料 v 相同类型的普通陶瓷由于 黏土的产地不同在结构和质 有较大差异 特种陶瓷与普通陶瓷的区别特种陶瓷与普通陶瓷的区别 特种陶

2、瓷特种陶瓷普通陶瓷普通陶瓷 v 制备工艺上广泛采用超微 细粉制备，等静压成型，热 压烧结等现代化工艺 v 在高温，机械，电子，航 天，医学工程等方面有综合 应用 v 以传统陶瓷工艺为主：胚 料制备，制模成型，干燥施 釉，装烧装饰，包装 v 传统陶瓷质地脆，易碎， 一般作为装饰品和器物 特种陶瓷与普通陶瓷的区别特种陶瓷与普通陶瓷的区别 特种陶瓷特种陶瓷普通陶瓷普通陶瓷 特种陶瓷的其他称呼 v 特种陶瓷有一系列的称呼，如先进陶瓷（Advanced Ceramics）、精细陶瓷（Engineering Ceramics)、新型陶瓷 （New Ceramics ）、近代陶瓷（Modern Cerami

3、cs ）、高技术 陶瓷（High Technology Ceramics ）、高性能陶瓷（High Performance Ceramics）等 特种陶瓷的分类特种陶瓷的分类 v结构陶瓷 v功能陶瓷 结构陶瓷结构陶瓷 又称工程陶瓷。具有耐高温、高硬度,耐磨损， 耐腐蚀，低膨胀系数、高导热性和质轻等优点。 广泛应用于能源、空间技术石油化工等领域。 主要包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶 瓷、硼化物陶瓷和硅化物陶瓷。 高温结构陶瓷 v 高温结构陶瓷：高温结构陶瓷： 1.高熔点氧化物陶瓷：高熔点氧化物陶瓷：Al2O3、ZrO2、MgO、VO2等，熔点一般在等，熔点一般在2000以以 上上 2.碳化

4、物陶瓷：碳化物陶瓷：SiC、WC、TiC、NbC等等 3.硼化物陶瓷：硼化物陶瓷：HfB2、ZrB2等等 4.氮化物陶瓷氮化物陶瓷:SiN4、BN、以及由、以及由Si3N4和和Al2O3复合而成的赛隆陶瓷。氮化复合而成的赛隆陶瓷。氮化 物常具有很高的硬度物常具有很高的硬度 5.硅化物陶瓷：硅化物陶瓷：MoSi2、ZrSi等，他们在使用中表面会生成等，他们在使用中表面会生成SiO2或硅酸盐保或硅酸盐保 护层，抗氧化能力强护层，抗氧化能力强 氧化物陶瓷之一 v 氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷通常是指-Al2O3含量为70%以上的氧化铝陶瓷。氧 化铝陶瓷的主晶相是刚玉（-Al2O3）晶相。 氧化铝含量高，陶

5、瓷的烧成温度也高。随着氧化铝的含量增加， 陶瓷具有的机械强度也提高；介电常数和比电阻提高，介电损 耗降低，而且介电常数和介电损耗随频率的增加而减少。导热 系数随着氧化铝含量的增加而提高。 氧化物陶瓷之二 v 氧化锆陶瓷 氧化锆有三种晶型，低温时为单斜晶系，高温时为四方晶系， 更高温度时转变为立方晶系。由于晶型转变会引起体积效应， 因此纯氧化锆很难制出产品，必须加入稳定剂进行晶型稳定化 处理，主要有CaO、MgO和其他稀土氧化物等。 氧化锆陶瓷密度大，硬度高，抗弯强度和断裂韧性较高（是所 有陶瓷中做高的），具有半导性、抗腐蚀性及敏感性等 氧化物陶瓷之三 v 氧化铍陶瓷 氧化铍属于纤锌矿结构，其结

6、构很稳定且无晶型转变。添加1%以 下的MgO、TiO2或Fe2O3可促进BeO烧结，加入MgO形成固溶体， 加入TiO2或Fe2O3出现第二相。 氧化铍陶瓷具有和金属相近的导热系数，约为209.34W/(mK)。膨 胀系数不大，高温绝缘性能良好，还能抵抗碱性物质侵蚀（除苛 型碱外），除此之外还具有良好的核性能，可用作中子减速剂核 抗辐射材料。 氧化物陶瓷之四 复合氧化物陶瓷之一 v 莫来石陶瓷 莫来石陶瓷是一种传统且典型的陶瓷材料。在1847年，Oschatz发 现这是一种富铝的硅酸盐相并将其称为硅线石。直到1956年，英 国地理学家在苏格兰西海岸的“Mull”岛，并发现该岛具有非常丰 富的富

7、铝的硅酸盐，因此，此类物质被定义为莫来石。莫来石 （3Al2O32SiO2）是Al2O3-SiO2系中唯一稳定的二元化合物。 莫来石陶瓷具有高熔点、抗蠕变性、抗热震性、及抗腐蚀性等优 良性能，可用于耐火材料 复合氧化物陶瓷之二 v 镁铝尖晶石陶瓷 镁铝尖晶石属等轴晶系，呈八面体型。是MgO-Al2O3二元系统 中唯一的化合物。正尖晶石型的镁铝尖晶石的晶格常数为 0.8060.808nm，折射率为1.7181.719，莫氏硬度为89，密 度为3.58g/cm3，熔点为2135，耐火度为1900，热膨胀系数 为58106/，热导率（800）为23.865kJ/(hm) 复合氧化物陶瓷之二 v 镁铝

8、尖晶石陶瓷 镁铝尖晶石陶瓷材料的性质可以和氧化物陶瓷相媲美，它除了 有熔点高、热膨胀系数、绝缘性好等优点外，还有很高的化学 稳定性，不与浓酸反应，抵抗碱作用能力比刚玉还高，大多数 盐和熔渣都不与尖晶石反应，对碳、金属、金属熔体也很稳定， 因而广泛应用于金属熔炼，炉（窑）衬、电绝缘材料等 氮化物陶瓷之一 v 氮化硅陶瓷 氮化硅结构中氮与硅的原子之间的键力很强，因此氮化硅具有 高温下稳定，分解前仍能保持较高的强度，以及高硬度，良好 的耐磨性和耐化学腐蚀性等特性。在空气中开始氧化的温度是 13001400，热膨胀系数很小。 氮化物陶瓷之二 v 塞隆陶瓷 1970年代，日本和英国的学者发现，在Si3N

9、4-Al2O3系统中，加 入多量的Al2O3时，变构成Si-Al-O-N系统，Al,O部分的置换了 Si,N原子，从而促进了Si3N4的烧结，也就形成了塞隆陶瓷。 塞隆陶瓷在常温和高温下强度很大，化学稳定性优异，耐磨 性很高，热膨胀系数低，抗热冲击性好，抗氧化性强，密度不 大等 碳化物陶瓷之一 v 碳化硼陶瓷 碳化硼（B4C）的晶体结构除了立方结构外，通常以斜方六面 结构为主。碳化硼陶瓷的显著特点是硬度高，仅次于金刚石和 立方晶体BN。导热性好膨胀系数低，能吸收热中子，耐酸碱 性好。 碳化物陶瓷之二 v 碳化硅陶瓷 碳化硅(SiC)为共价键化合物。晶体结构中的单位晶胞是由相同 的四面体构成的，

10、硅原子处于中心。周围为碳原子。 碳化硅熔点高且具有良好的抗氧化性，纯SiC是电绝缘体，但 含有杂志时，电阻率大幅下降，再加上它有负的电阻温度系数， 因此可作为发热元件和非线性压敏电阻材料。SiC耐高温。可 以做耐火材料，硬度高，可作磨料。 碳化物陶瓷之三 v 碳化钛陶瓷 碳化钛陶瓷(TiC)属于面心立方晶系，熔点高，强度较高，导热 性较好，硬度大，化学稳定性好。不水解，高温抗氧化性好 （仅次于碳化硅）。在常温下不与酸起反应，但在硝酸和氢氟 酸的混合酸中能溶解，于1000在氮气氛中能行成氮化物。 其他结构陶瓷之一 v二硼化锆陶瓷(ZrB2)具有很高的硬度， 良好的 导电性导热性和化学稳定性，是

11、优良的耐火材料，可做热电偶保护套， 熔炼金属用的坩埚、铸模。 其他结构陶瓷之二 v 二硅化钼陶瓷 MoSi2可以通过Mo和Si粉直接反应获得，或者利用Mo的氧化还原反 应合成。 MoSi2晶体为四方结构，灰色，有金属光泽，熔点为2030。 MoSi2能抵抗熔融金属和炉渣的侵蚀，于氢氟酸、王水及其他无机 酸不起作用，但容易溶于硝酸和氢氟酸的混合液中，也溶于熔融 的碱中。MoSi2的抗氧化性好，这是由于在其表面形成了一薄层 SiO2或者一层耐氧化和难融的硅酸盐组成的保护膜。 二硅化钼陶瓷发热体 功能陶瓷功能陶瓷 v 功能陶瓷（FunctionalCeramaics）是指在应用中侧重其非力 学性能（

12、如电磁、光、热、化学、和生物等方面的性能以及核 性能，对气体的敏感性等）的陶瓷材料 磁性陶瓷磁性陶瓷 v 磁性陶瓷（Magnetic Ceramics）是铁和其它一种或多种金属 元素的复合氧化物，通常称为铁氧体，其导电性与半导体材料 类似，因制备工艺和外观类似陶瓷而得名，但严格来讲，磁性 陶瓷还包括不含铁的磁性瓷。 磁性陶瓷之一 v 软磁铁氧体 软磁铁氧体是目前各种铁氧体中品种最多、应 用最广泛的一种磁性陶瓷材料，软磁铁氧体的 种类有尖晶石型的Mn-Zn,Ni-Zn,Mg-Zn,Li-Zn铁 氧体及磁石型的甚高频铁氧体，如 Ba3Co2Fe24O41等 磁性陶瓷之二 v 硬磁铁氧体 v 硬磁铁

13、氧体是指矫顽力Hc大，磁化后不易退磁而能长期保 留磁性的铁氧体，又称为永磁材料。硬磁铁氧体化学式为 Mo6Fe2O3（M=Ba2+,Sr2+） 磁性陶瓷之三 v 旋磁铁氧体 旋磁铁氧体是指在高频磁场作用下，平面偏振的电磁波在磁介 质中按一定方向传播的过程中，偏振面不断绕传播方向旋转的 一种铁氧体。旋磁铁氧体主要用作微波器件，故又称为微波铁 氧体。 磁性陶瓷之四 v 矩磁铁氧体 矩磁铁氧体是指磁滞回线呈矩形的，剩余磁感强度Br和工作时 最大磁感应强度Bm的比值。且此比值都尽可能接近1，并根据 实际应用情况调整具有适当大小的矫顽力的铁氧体。 矩磁铁氧体材料大都具有尖晶石结构，少数几种是石榴石型。

14、磁性陶瓷之四 v 压磁铁氧体 处于退磁状态下的铁氧体材料，当外界磁场磁化时，其长度或 体积均会发生极小的变形，这种现象称为磁致伸缩，具有这种 性能的铁氧体称为压磁铁氧体。 目前应用的压磁铁氧体材料都是含Ni的铁氧体系统，最主要的 是Ni-Zn铁氧体 磁性陶瓷之五 v 新兴铁氧体材料 主要有超高密度记录垂直磁化薄膜材料，可擦除磁光信息储存 薄膜材料，磁泡材料，吸波和防电磁信息泄露材料，非晶态磁 性材料等等 导电陶瓷和超导陶瓷 v 导电陶瓷 绝大部分陶瓷属于绝缘体，但具有间隙结构的碳化物等硬质化 合物具有良好的导电性，这类间隙相属于电子电导。除间隙相 以外，还有为数不多的几种陶瓷，它们在适当的条件

15、下具有与 液体强电解质相似的离子电导，如Na-Al2O3、PSZ等 导电陶瓷和超导陶瓷 v 超导陶瓷超导陶瓷 超导陶瓷目前仍在发现之中，由于它具有完全的导电性和完全的抗磁性，超导陶瓷目前仍在发现之中，由于它具有完全的导电性和完全的抗磁性， 因此获得了广泛的应用。因此获得了广泛的应用。 1.在电力系统方面，可以用于输送配电，由于电阻为零，因此完全没有在电力系统方面，可以用于输送配电，由于电阻为零，因此完全没有能能 量损耗量损耗。 2.在交通方面，可以制造磁悬浮列车在交通方面，可以制造磁悬浮列车 3.利用超导陶瓷的约瑟夫逊效应可望制成超小型、高性能的第五代计算机利用超导陶瓷的约瑟夫逊效应可望制成超

16、小型、高性能的第五代计算机 4.利用其抗磁性，在环保方面可以进行废水净化和去除毒物，在医药方面利用其抗磁性，在环保方面可以进行废水净化和去除毒物，在医药方面 可以从血浆中分离红细胞并正在研究利用其抑制和杀死癌细胞。可以从血浆中分离红细胞并正在研究利用其抑制和杀死癌细胞。 热释电陶瓷 v 热释电现象是一种自然现象，也是晶体的一种物理效应。晶体 受热温度升高，由于温度的变化，导致自发极化的变化，在晶体 的一定方向上产生表面电荷，这种现象称为热释电效应。 v 晶体中存在热释电效应的前提是：首先具有自发极化，即晶体 结构的某些方向的正、负电荷重心不重合（存在固有电矩）。二 是有温度的变化，即热释电效应

17、是反映材料在温度变化的状态下 的性能。经过改性的PZT陶瓷，有良好的热释电性能，目前已制 成单个探测矩阵，在红外探测和热成像系统中得到应用。 压电陶瓷 v 在给无对称中心的晶体施加一应力时，晶体发生与应力成比例 的极化，导致晶体表面两端出现符号相反的电荷；反之，当对这 类晶体施加一电场时，晶体将产生与电场强度成比例的应变。这 两种效应都称为压电效应，前者称为正压电效应。后者称为逆压 电效应。 v 从晶体结构来看，压电陶瓷属于钙钛矿型，钨青铜型，焦绿石 型，含铋层结构的陶瓷都具有压电性。但目前广泛应用的压电陶 瓷都属于钙钛矿型晶体。 敏感陶瓷 v材料的电学性能随热，湿，气，光，力等外 界条件的变

18、化而产生敏感效应的陶瓷，统称为 敏感陶瓷（Sensitive Ceramics） 敏感陶瓷之一 v 热敏陶瓷 利用半导体陶瓷的电阻值对温度的敏感特性制成的一种对温度 敏感的器件，区热敏电阻器或热敏元件，它是温度传感器的一 种。根据热敏电阻器的电阻温度特性，热敏半导体陶瓷可 分为负温度系数（NTC）热敏陶瓷、正温度系数（PTC）热敏 陶瓷和临界温度热敏陶瓷（CTR）。 敏感陶瓷之二 v 压敏陶瓷 压敏陶瓷是指具有非线性伏安特性，对电压变化敏感的半导体 陶瓷，它在某一临界电压下电阻值非常高，几乎没有电流，但 当超过这一临界电压时，电阻将急剧变化，并且有电流通过， 随着电压的少许增加，电流会很快增大

19、。用这种材料制成的电 阻称为压敏电阻器。也称为非线性电阻。 压敏陶瓷主要可以用在两个方面：过压保护和稳定电压。 敏感陶瓷之三 v 光敏陶瓷 光敏陶瓷也称为光敏电阻陶瓷，属于半导体陶瓷，它在光的照 射下，吸收光能，产生光电导或产生光伏特效应。利用光电阻 效应来制造光敏电阻，可用于各种自动控制系统，利用其光伏 特效应也可以制造光电池（也称太阳能电池） 敏感陶瓷之四 v 气敏陶瓷 气敏陶瓷主要分为以下三种： 1.半导体式气敏陶瓷 2.半触燃烧式气敏陶瓷 3.固体电解质型气敏陶瓷 敏感陶瓷之五 v 湿敏陶瓷 湿敏陶瓷的主要成分一般以氧化物半导体构成。导电形式一般 认为是电子导电和质子导电，或两者共存。湿敏陶瓷根据湿敏 特性可分为当湿度增加时，电阻率减小的负特性湿敏陶瓷和电 阻率增加的正特性湿敏陶瓷。 透明陶瓷和光学陶瓷 v 透明陶瓷种类比较多。一般有氧化铝系陶瓷、氧化镁系陶瓷、 氧化钇系陶瓷、非