非氧化物陶瓷分类和应用

1、 非氧化物陶瓷分类和应用 是由金属的碳化物、氮化物、硅化物、硼化物和硫化物等制造的陶瓷总称。 随着科学技术不断地发展，在结构材料领域，特别是在耐热、耐高温结构材料领域中，希望开发出在氧化物陶瓷和金属材料无法胜任的环境下使用的特种陶瓷。 在非氧化物陶瓷中，碳化物、氮化物作为结构材料备受关注，其原因是这些材料的原子键类型大多是共价键，具有较强的抗高温变形能力。2.5 碳化物陶瓷 SiC陶瓷 B4C陶瓷 TiC陶瓷2.6 氮化物陶瓷 氮化硅（Si3N4）氮化硼（BN）氮化铝（AlN）氮化钛（TiN）2.7 复合材料 一、陶瓷纤维、晶须的制备二、纤维补强陶瓷复合材料三、金属陶瓷陶瓷增强陶瓷碳纤维；硼纤

2、维、碳化硅纤维；晶须绪论第一章 特种陶瓷生产工艺原理第二章 结构陶瓷第三章 功能陶瓷第七章 薄膜材料第八章 生物陶瓷第九章 新能源材料第十章 环境材料第四章 特种玻璃第五章 人工晶体第六章 无机纤维功能陶瓷：在材料应用中，主要利用其非力学性能时，则统称此类陶瓷材料为功能陶瓷材料。所谓非力学性能，包括材料的电、磁、光、热、化学、核性能和生物学等方面的性能。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的应用。（功能陶瓷占整个特种陶瓷制品销售量的80%，而电磁功能陶瓷又要占到功能陶瓷的80%以上。）第三章、功能陶瓷3.1 电介质

3、陶瓷3.2 铁电陶瓷3.3 敏感陶瓷3.4 导电陶瓷3.5 超导陶瓷3.6 磁性陶瓷3.7 陶瓷的金属化和封接第三章、功能陶瓷3.1 电介质陶瓷 电介质材料：从电性能的角度分类，可将固体材料分为超导体、导体、半导体和绝缘体，绝缘体（材料）亦称电介质。电介质陶瓷：指电阻率大于108m的陶瓷材料，能承受较强的电场而不被击穿。A绝缘陶瓷电容器陶瓷B压电陶瓷C热释电陶瓷D铁电陶瓷电介质陶瓷分类示意图3.1.1 电介质陶瓷的一般特性3.1.2 电介质陶瓷的性能及分类3.1.3 电介质陶瓷生产工艺、性能及应用3.1.4 非铁电电容器陶瓷3.1 电介质陶瓷 电介质陶瓷的一般特性 1）电绝缘与极化电介质陶瓷中

4、的分子正负电荷彼此强烈地束缚，在弱电场的作用下，虽然正电荷沿电场方向移动，负电荷逆电场方向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，因而具有较高的体积电阻率，具有绝缘性。由于电荷的移动，造成了正负电荷中心不重合，在电介质陶瓷内部形成偶极距，产生了极化。3.1 电介质陶瓷 电介质陶瓷的一般特性 1）电绝缘与极化3.1 电介质陶瓷 静电场中介质的极化电介质陶瓷的一般特性2）极化的介电损耗电介质陶瓷的另一特性是介电损耗。任何电介质在电场作用下，总会或多或少的把部分电能转变成热能使介质发热，在单位时间内因发热而消耗的能量称为损耗功率或简称介电损耗。3.1 电介质陶瓷 电介质陶瓷的性能及分类 电介质陶

5、瓷在静电场或交变电场中使用，评价其特性主要指标有体积电阻率、介电常数和介电损耗等参数。根据这些参数的不同，可把电介质陶瓷分为： 电绝缘陶瓷（装置陶瓷） 电容器陶瓷按性质分别称为压电陶瓷、热释电陶瓷和铁电陶瓷。3.1 电介质陶瓷 电介质陶瓷分类示意图A绝缘陶瓷电容器陶瓷B压电陶瓷C热释电陶瓷D铁电陶瓷电介质陶瓷的性能及分类1）电绝缘陶瓷电绝缘陶瓷：是主要用于电子设备中作为安装、固定、支撑、保护、绝缘、隔离及连接各种无线电子原件及器件的陶瓷材料。具有以下性质： a 高的体积电阻率， b 介电常数小， c 高频电场下的介电损耗要小， d 机械强度高 ， e 良好的化学稳定性3.1 电介质陶瓷 电介质

6、陶瓷的性能及分类1）电绝缘陶瓷3.1 电介质陶瓷 绝缘陶瓷中应用最广的氧化物是Al2O3，达90%以上，机械强度高、绝缘性好、热导率小，耐腐蚀，常用作电子电路的基片。 半导体元件和电路对材料的要求：高性能、小体积；导热率大、密度高、容易小型化。 电介质陶瓷的性能及分类2) 电容器陶瓷 根据陶瓷电容器所采用陶瓷材料的特点，电容器分为： 温度补偿， 温度稳定， 高介电常数 半导体系 若按制造这些陶瓷电容器的材料性质也可分为四大类。3.1 电介质陶瓷 电介质陶瓷的性能及分类2) 电容器陶瓷 按制造这些陶瓷电容器的材料性质也可分为四大类：第一类为非铁电电容器陶瓷，其特点是高频损耗小，在使用的温度范围内

7、介电常数随温度变化而呈线性变化。因此又称热补偿电容器陶瓷。第二类为铁电电容器陶瓷，其特点是介电常数呈非线性且值高。又称强介电常数电容器陶瓷。第三类为反铁电电容器陶瓷。第四类为半导体电容器陶瓷。3.1 电介质陶瓷 电介质陶瓷的性能及分类2) 电容器陶瓷 用于制造电容器的陶瓷材料在性能上有如下要求： 介电常数应尽可能高。 在高频、高温、高压以及其它恶劣环境下稳定可靠。 介质损耗角正切值小。 比体积电阻高于1010，这样可保证在高温下工作。 高的介电强度，陶瓷电容器在高压和高功率条件下，往往由于击穿而不能工作，因此提高它的耐压性能非常重要。3.1 电介质陶瓷 3.1.2 电介质陶瓷的性能及分类3）压

8、电陶瓷概念： 压电效应 、热释电效应、铁电效应电介质陶瓷中的第三大类即为压电陶瓷： 压电陶瓷 热释电陶瓷 铁电陶瓷3.1 电介质陶瓷 铁电体热释电体压电体介电体3.1.3 电介质陶瓷陶瓷生产工艺、性能及应用1）电绝缘陶瓷的生产特点 电绝缘陶瓷的性能，主要强调三个方面，即高体积电阻率、低介电常数和低介电损耗。除此之外，还要求具有一定的机械强度。 陶瓷材料是晶相、玻璃相及气相组成的多相系统，其电学性能主要取决于晶相和玻璃相的组成和结构，尤其是晶界玻璃相中的杂质浓度较高，且在组织结构形成连续相，所以陶瓷的电绝缘性和介电损耗性主要受玻璃相的影响。3.1 电介质陶瓷 电介质陶瓷陶瓷生产工艺、性能及应用电

9、绝缘陶瓷的生产特点高体积电阻 通常陶瓷材料的导电机制为离子导电。离子导电又可分为本征离子导电、杂质离子导电和玻璃离子导电。要获得高体积电阻率的陶瓷材料，必须在工艺上考虑以下几点； 选择体积电阻率高的晶体材料为主要相。 严格控制配方，避免杂质离子，尤其是碱金属和碱土金属离子的引入，在必须引入金属离子时，充分利用中和效应和压抑效应，以降低材料中玻璃相的电导率。3.1 电介质陶瓷 电介质陶瓷陶瓷生产工艺、性能及应用1) 电绝缘陶瓷的生产特点高体积电阻 由于玻璃的电导活化能小，因此应尽可能控制玻璃相的数量，甚至达到无玻璃相烧结。 避免引入变价金属离子，以免产生自由电子和空穴，引起电子式导电，使电性能恶

10、化。 严格控制温度和气氛，以免产生氧化还原反应而出现自由电子可空穴。 当材料中已引入了产生自由电子或空穴的离子时，可引入另一种产生空穴或自由电子的不等价杂质离子，以消除自由电子和空穴，提高体积电阻率这种方法称作杂质补偿。3.1 电介质陶瓷 电介质陶瓷陶瓷生产工艺、性能及应用1)电绝缘陶瓷的生产特点低介电损耗 降低材料的介电损耗主要从降低漏导损耗和极化损耗入手： 选择合适的主晶相。 在改善主晶相性质时尽量避免产生缺位固溶体或填隙固溶体，最好形成连续固溶体。 尽量减小玻璃相含量。 防止产生多晶转换，因为多晶转变时晶格缺陷多，电性能下降，损耗增加。 注意烧结气氛，尤其对含有变价离子的陶瓷的烧结。 控

11、制好最终烧结温度，使产品“正烧”。3.1 电介质陶瓷 电绝缘陶瓷3.1.3 电介质陶瓷陶瓷生产工艺、性能及应用2）镁质瓷 镁质瓷是以含MgO的铝硅酸盐为主晶相的陶瓷，按照瓷坯的主晶相不同，它可分为以下四类： 滑石瓷 用于一般高频无线电设备中，如雷达、电视机常用它来制造绝缘零件 镁橄榄石瓷 介电损耗低，比体积电阻大，可作为高频绝缘材料。 尖晶石瓷 介电损耗低于滑石瓷，介电常数稍高，化学稳定性良好的介电陶瓷。 董青石瓷 热膨胀系数很低，热稳定性好，用于要求体积不随温度变化、耐热冲击的绝缘材料或电热材料。3.1 电介质陶瓷 电介质陶瓷陶瓷生产工艺、性能及应用2） 镁质瓷 (以滑石瓷为例) 滑石为层状

12、结构，滑石粉为片状，有滑腻感，易挤压成型，烧结后尺寸精度高，制品易进行研磨加工，价格低廉。滑石瓷的配方 主要原料是滑石。为改进生坯加工性能及瓷件质量，常引入一些外加剂。如： 粘土-为增加塑性及降低烧结温度。 碱土金属氧化物-改善滑石瓷的电性能。 硼酸盐-大幅度降低烧结温度。 氧化锆和氧化锌-提高材料机械强度。 3.1 电介质陶瓷 电介质陶瓷陶瓷生产工艺、性能及应用2） 镁质瓷 (以滑石瓷为例) 生产的关键问题及工艺： 滑石的预烧 防止滑石老化 烧结 扩大烧结范围严格控制窑炉温度范围3.1 电介质陶瓷 3.1.4 非铁电电容器陶瓷 非铁电高介电电容器陶瓷的品种繁多。按照材料介电系数和温度系数的大

13、小，可分为： 1）温度补偿电容器陶瓷；2）温度稳定电容器陶瓷 1）温度补偿电容器陶瓷 高频温度补偿电容器陶瓷的介电常数在650以下，介电常数的温度系数较小，而且可通过组成的调整，使介电常数的温度系数灵活地变化。 介电常数的温度系数常为负值，用来补偿回路中电感的正温度系数，使回路的谐振频率保持稳定。3.1 电介质陶瓷 3.1.4 非铁电电容器陶瓷1）温度补偿电容器陶瓷a 金红石瓷 金红石瓷是一种利用较早的高介电材料，其主晶相为金红石（TiO2）。TiO2的活性、晶粒大小及烧结温度都会影响瓷体的性能。另外加入的高岭土、膨润土一方面可增加可塑性，另一方面降低烧结温度。b 钛酸钙陶瓷 钛酸钙陶瓷是目前

14、大量使用的材料，它具有较高的介电常数和负温度系数。可以制成小型高容量的高频陶瓷电容器，用作容量稳定性要求不高的高频电容器，如耦合、旁路、贮能、隔直流电容器等。 在烧结过程中加入少量二氧化锆不仅能降低烧结温度、扩大烧结范围，且能有效阻止钛酸钙高温下晶粒长大。3.1 电介质陶瓷 3.1.5 非铁电电容器陶瓷2）热稳定型电容器陶瓷 热稳定性电容器陶瓷按用途可分为两类： 高频热稳定性电容器陶瓷 主要特点是介电系数的温度系数绝对值很小，有的甚至接近于零。 微波电介质陶瓷 主要用于制作微波滤波器。 A、高频热稳定型电容器陶瓷钛酸镁陶瓷 B、微波电介质陶瓷钛酸钡陶瓷3.1 电介质陶瓷 积层贴片陶瓷电容3.1

15、.1 电介质陶瓷的一般特性3.1.2 电介质陶瓷的性能及分类3.1.3 电介质陶瓷生产工艺、性能及应用3.1.4 非铁电电容器陶瓷3.1 电介质陶瓷 3.2 铁电陶瓷 铁电陶瓷中所含有的永久偶极子彼此相互作用，结果形成许多电畴。在施加足够的电场时，那些取向和电场方向一致的畴生长变大，而其它方向的畴收缩变小，随后产生净极化强度。 铁电陶瓷与其它的电介质陶瓷不同，它的极化强度不与施加电场成线性关系，并具有明显的滞后效应。 铁电体的电滞回线饱和极化强度Ps 剩余极化强度Pr饱和电场强度Esat 矫顽电场强度Ec 电子位移极化, 响应时间10-1410-16s 可见光频段, e a3离子位移极化, 1

16、0-1210-13s, 微波频段，I = a3偶极子取向极化, = 02/3KT空间电荷极化电极化的微观机制电畴结构外电场作用下，180o畴的反转不产生应变，而非180o畴的反转则由于受到相邻畴的约束而产生应变。3.2 铁电陶瓷一、 压电陶瓷二、 热释电陶瓷三、 透明铁电陶瓷四、 铁电电容器陶瓷3.2.1 压电陶瓷3.2 铁电陶瓷力 形变 电压 正压电效应 电压 形变 逆压电效应 (a)不受外力 (b)沿X方向的压力 (c)沿X方向的拉力压电产生原理压电陶瓷的结构与性能压电陶瓷的性能 机电耦合系数Kp ： 机械品质因数： 机械品质因数也是衡量压电陶瓷材料的一个重要参数。它表示在振动转换时，材料

17、内部能量消耗的程度。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生损耗的原因在于内摩擦。3.2 铁电陶瓷KpK33KtK15K313.2.1.2 压电陶瓷的生产工艺 压电陶瓷生产的主要工艺流程：配料球磨过滤、干燥预烧二次球磨过滤、干燥过筛成型排塑烧结精修上电极烧银极化测试 原料处理 首先，根据化学反应式配料。所用的原料大多数是金属氧化物，少数也可用碳酸盐。为使生成压电陶瓷的化学反应顺利进行，要求原料细度一般不超过2m（平均直径）。提高原料纯度，有利于提高产品质量。3.2 铁电陶瓷3.2.1.2 压电陶瓷的生产工艺 预烧中的反应过程 预烧过程一般需经过四个阶段： 线性膨胀（室温-400），固相反应（40

18、0-750）， 收缩（750-850），和晶粒生长（800-900以下）。 成型和排塑 原料经预烧后，就合成了固溶体化合物。再经一次粉碎，便可成型。成型可根据不同的要求采用轧膜、压型或等静压等方式。成型后生坯进行排塑，将粘合剂、水分等加温排去。3.2 铁电陶瓷3.2.1.2 压电陶瓷的生产工艺 上电极 排塑后的生坯重新装炉烧结。烧成的陶瓷经精修、研磨、清洁后，就可以被覆上电极。被覆电极一般采用涂布银浆烘干，然后装炉，加热到750，保温10-20分钟，使银浆中的氧化银还原为银，并烧渗到陶瓷表面，形成牢固结合层。也可采用真空蒸镀或化学沉积等办法来被电极。 影响烧结的因素 影响烧结的因素很多，首先是

19、配方的化学组成，当配方组成中有足够的活动离子时，烧结容易进行。 极化 压电陶瓷必须经过极化后才有压电性。极化就是在直流电场作用下使电畴沿电场方向取向。 3.2 铁电陶瓷3.2.1.3 压电陶瓷的应用 目前，压电陶瓷的应用已日益广泛，但仍可大致分为两大类： 压电振子 主要是利用振子本身的谐振特性，要求压电、介电、弹性等性能稳定，机械品质因数高。 压电换能器 主要是将一种能量形式转换成另一种能量形式，要求机电耦合系数和品质因数高。 典型的压电陶瓷有钛酸钡系、钛酸铅等。3.2 铁电陶瓷压电超声医疗仪中应用最广的是B型超声诊断仪。这种诊断仪中有用压电陶瓷制成的超声波发生探头，它发出的超声波在人体内传输

20、，体内各种不同组织对超声波有不同的反射和透射作用。反射回来的超声波经压电陶瓷接收器转换成电信号，并显示在屏幕上，据此可看出各内脏的位置、大小及有无病变等。B型超声诊断仪通常用来检查内脏病变组织(如肿块等)。压电陶瓷应用压电超声马达世界上最小的马达（电机）：重36mg，长5mm，直径1mm，可作为人造心脏的驱动器。原理：当给定子加上电之后，由于逆压电效应，定子表面就会产生超声振动。由于定子和转子之间的摩擦力的作用，转子也会跟着运动起来。优点：结构简单、启动快、体积小、无电磁干扰。 压电喇叭应用实例N506iV501T压电致动器用于相机镜头压电陶瓷Pachinkom游戏机它是由若干层锆钛酸铅(PZ

21、T)压电陶瓷块构成的，压电块既作为传感器又作为执行器。压电陶瓷Pachinkom游戏机 3.2.2 热释电陶瓷 3.2 铁电陶瓷 热释电效应是指当某些晶体受到温度变化时，由于自发极化的相应变化而在晶体的一定方向上产生表面电荷的现象。 热释电材料可作热释电探测器使用。其中锆钛酸铅（Pb（Zr,Ti）O3）铁电顺电相变陶瓷材料，由于改性减少了热滞，使它显示了良好的热释电性能，已制成了单个探测器和矩阵，在红外探测和热成像系统中得到应用。热释电材料的应用热释电红外检测元件3.2.3 透明铁电陶瓷 3.2 铁电陶瓷 由于气孔相、晶界和杂质相的散射，一般多晶体陶瓷是不透明的，通过适当的工艺，可以控制其显微

22、结构和晶界性质，使之成为透明陶瓷，一般Al2O3、Y2O3、MgO、BeO、ThO等都可制成透明陶瓷。 PLZT既有透明性，又有铁电和压电性，其光学性质与铁电性密切相关（掺镧钛锆酸铅（PLZT） PLZT透明陶瓷是一种重要的电光陶瓷（1）电光效应3.2.3 透明铁电陶瓷 3.2 铁电陶瓷（2）电控光散射效应3.2 铁电陶瓷一、 压电陶瓷二、 热释电陶瓷三、 透明铁电陶瓷四、 铁电电容器陶瓷晶体的介电性：电场作用引起电介质产生极化的现象. P= (1 o)E = o ( r- 1) E正压电效应：电介质材料在小外力作用下，在某些相对应的表面上产生等量异号电荷，由形变产生电极化。P=d （不具有对

23、称中心的晶体）（水晶、罗息盐、闪锌矿）逆压电效应： S=dtE热释电效应：当温度发生变化，由温度变化引起电介质的极化状态的改变不能及时被来自电介质表面上的自由电荷所补偿，使电介质对外显电性。Ps=p T（具有自发极化的晶体）铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，自发极化能重新取向，电位移矢量与电场强度间的关系呈电滞回线特征。 （具有自发极化的晶体）3.3 敏感陶瓷 敏感陶瓷是某些传感器中的关键材料之一，用于制作敏感元件。敏感陶瓷多属半导体陶瓷，是继单晶半导体材料之后，又一类新型多晶半导体电子陶瓷。 3.3 敏感陶瓷3.3.1 敏感陶瓷的分类及应用3.3.2 敏感陶瓷的结构与性能

24、3.3.3 敏感陶瓷的半导体化过程3.3.4 热敏陶瓷3.3.5 气敏陶瓷3.3.6 湿敏陶瓷3.3 敏感陶瓷3.3.1 敏感陶瓷的分类及应用 敏感陶瓷用于制造敏感元件，是根据某些陶瓷的电阻率、电动势等物理量对热、湿、光、电压及某种气体、某种离子的变化特别敏感这一特性，按其相应的特性，可把这些材料分别称作热敏、湿敏、光敏、压敏、气敏及离子敏感陶瓷。3.3 敏感陶瓷3.3.1 敏感陶瓷的分类及应用 此外，还有具有压电效应的压力、位置、速度、声波敏感陶瓷，具有铁氧体性质的磁敏感陶瓷及具有多种敏感特性的多功能敏感陶瓷等。 这些陶瓷已广泛应用于工业检测、控制仪器、交通运输系统、汽车、机器人、防止公害、

25、防灾、公安及家用电器等领域。敏感陶瓷分类物理敏感陶瓷： 光敏陶瓷，如CdS、CdSe等；热敏陶瓷，如PTC陶瓷、NTC和CTR 热敏陶瓷等磁敏陶瓷，如InSb、InAs、GaAs等； 声敏陶瓷，如罗息盐、水晶、BaTiO3、PZT等；压敏陶瓷，如ZnO、SiC等； 力敏陶瓷，如PbTiO3、PZT等。化学敏感陶瓷氧敏陶瓷，如SnO2、ZnO、ZrO2等； 湿敏陶瓷，TiO2MgCr2O4、ZnO-Li2O-V2O5等。 生物敏感陶瓷，也在积极开发之中。 3.3.2 敏感陶瓷的结构与性能 陶瓷是由晶粒、晶界、气孔组成的多相系统，通过人为掺杂，造成晶粒表面的组分偏离，在晶粒表面产生固溶、偏析及晶格

26、缺陷；在晶界处产生异质相的析出、杂质的聚集、晶格缺陷及晶格各向异性等。这种晶粒边界层的组成、结构变化，显著改变了晶界的电性能，从而导致整个陶瓷电气性能的显著变化（产生敏感特性的机理）。3.3 敏感陶瓷3.3.2 敏感陶瓷的结构与性能 目前已获得实用的半导体陶瓷可分为三种类型：（1） 主要利用晶体本身的性质： NTC热敏电阻、高温热敏电阻、氧气传感器。（2） 主要利用晶界性质和晶粒间析出相的性质： PTC热敏电阻、ZnO系压敏电阻。（3） 主要利用表面性质的： 各种气体传感器、温度传感器。3.3 敏感陶瓷3.3.3 敏感陶瓷的半导体化过程 敏感陶瓷绝大部分是由各种氧化物组成的，由于这些氧化物多数具有比较宽的禁带，在常温下它们都是绝缘体，要使它们变为半导体，需要一个半导体化的过程。所谓半导化，就是指在禁带中形成附加能级：施主能级或受主能级。形成附加能级主要有两个途径：1) 不含杂质的氧化物主要通过化学计量比偏离来形成；2) 含杂质的氧化物附加能级的形成还与杂质缺陷有关。3.3 敏感陶瓷热敏陶瓷 thermistor ceramics热敏陶瓷是指对温度变化敏感的陶瓷材料。热敏陶瓷热敏电容热敏电阻热释电材料正温度系数热敏电阻（BaTiO3半导体瓷）负温度系数热敏电阻（MnCoNi半导体瓷）热敏电阻是一种电阻值随温度变化的电阻元件。电阻值随温度