功能材料-功能陶瓷

null硕士研究生课程硕士研究生课程功能材料吉林大学材料科学与工程学院 功能陶瓷讲授：孙彦彬null 功能陶瓷材料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，如电学、磁学、光学、热学、化学、生物等；有的还有耦合功能，如压电、压磁、热电、电光、声光、磁光等。随着材料科学的迅速发展，陶瓷材料的各种新性能、新应用不断被人们所认识，并积极加以开发，陶瓷材料在现代科学技术中的地位也随之日益提高。null由功能陶瓷材料制作的电容器、压电元件、磁性元件、热敏电阻、压敏电阻、气敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻等已在能源开发、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。 null因为功能陶瓷应用的范围广、场合多，按材料的功能可以把陶瓷分为许多类。null荧光陶瓷 透光陶瓷 反光陶瓷 偏振光陶瓷热敏陶瓷 气敏陶瓷 湿敏陶瓷 压敏陶瓷 色敏陶瓷生物医学陶瓷 催化陶瓷 耐腐蚀性陶瓷 吸附陶瓷绝缘陶瓷 导电陶瓷 压电陶瓷 超导陶瓷吸收中子陶瓷 中子减速陶瓷磁性陶瓷 磁光陶瓷光学陶瓷光学陶瓷左：硫化锌光学材料 中：氧化镁红外窗口材料 右：高压钠灯用透明氧化铝陶瓷—在光学上透明的功能材料，具有一般铁电陶瓷所有的基本特性和独特优异的电光效应。绝缘陶瓷绝缘陶瓷线轴绝缘子、瓷套及电力系统应用 —在电子设备中作为安装、固定、支撑的保护、绝缘及连接各种无线电元件及器件的高介电常数陶瓷材料超大规模集成电路用基片基板超大规模集成电路用基片基板左：氧化铝基片 中：透明氮化铝微波介质、红外窗口材料 右：氮化铝基片—新一代散热和封装材料 —具有高介电常数和导热系数的材料铁电陶瓷铁电陶瓷左：铁电随机存取存储器 右：光开关、光调制用透明铁电陶瓷—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，而且电位移矢量与电场强度之间的关系呈电滞回线现象的特性压电陶瓷压电陶瓷左：电子点火头（煤气灶、热水器点火） 中：装有压电陶瓷换能器的超声波洁牙器 右：压电陶瓷系列（无绳电话、对讲机）—压电性：在晶体的特定方向上施加压力或拉力，晶体的一些对应的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面上分别出现正负束缚电荷，其电荷密度与外施力的大小成正比例。 微波介质陶瓷微波介质陶瓷左：手机用微波介质陶瓷 中：声表谐振器（家用遥控电器） 右：陶瓷滤波器（无绳电话、机顶盒、BB机）—在微波滤波器中用作介质谐振器的陶瓷磁性陶瓷磁性陶瓷左：磁盘 中：卡通玩具 右：冰箱用封条—具有其它材料难以比拟的磁性强度的陶瓷热敏陶瓷热敏陶瓷左： PTC电烙铁 中：暖风温控淋浴器用PTC陶瓷 右：空调温度传感器（PTC、NTC传感器）—利用热变化引起电阻和电流变化的特异性能制备的陶瓷气敏陶瓷气敏陶瓷左：汽车尾气检测氧传感器 右：装载去除尾气催化剂的蜂窝陶瓷—利用气氛变化引起电阻和电流变化的特异性能制备的陶瓷生物陶瓷生物陶瓷 陶瓷牙齿 生物陶瓷关节 —用于制造人体“骨骼-肌肉”系统和修复或替换人体组织器官的一类陶瓷材料 null 透明陶瓷 一般来说，陶瓷都是不透明的，可是今天人们确实得到了和玻璃一样透明的陶瓷。那末陶瓷是怎样变成透明的呢?这还得从陶瓷材料的内部结构讲起，无论是我们日常生活中使用的陶瓷器皿，还是新技术中应用的各种特种陶瓷如氧化物、碳化物、氮化物等陶瓷材料，尽管它们的化学成份各不相同，以及制品的外形千差万别，可是如果把它们切磨成很薄的片子放在显微镜下进行观察的话，发现它们都有一个共同的特征，即含有无数个很细小的晶粒，在晶粒与晶粒之间是一些玻璃状的物质和气孔，如下图所示。nullnull由于这些杂质和气孔的存在，陶瓷的机械强度变得很差，特别当光线射进陶瓷后，杂质挡住了它的去路，再加气孔很多，使光线产生吸收或散射，这样七折八扣，光线就透不过去了，使陶瓷变成不透明。 人们在分析了陶瓷不透明的原因后，为了得到透明的陶瓷，想方设法在陶瓷制造过程中消除气孔。一般包在气孔中的气体是比较难跑出来的，所以陶瓷的素坏在高温下烧成的时候，高温炉中要通入气体或者抽成真空，这样就能把包在气孔中的气体赶出来，同时还要对素坯加一点压力，使原料颗粒间的接触更加紧密，使陶瓷更致密，透明度更好，这就是所谓的“热压”工艺。热压烧结 热压烧结 用普通烧结法很难烧结成完全致密的烧结体。特别是坯件内存在的气孔对致密度有很大影响。为了获得高密度的烧结体可采用热压烧结。 热压烧结是将粉料或坯件装在热压模具（金属或高强石墨）中，置于热压高温烧结炉内加热，当温度升到预定的温度（一般加热到正常烧结温度或稍低）时，对粉料或坯件施加以一定的压力（一般为金属模压成型压力的1/10一1/3），在短时间内粉末被烧结成致密、均匀、晶粒细小的陶瓷制品。null因此，该方法是成型和烧结同时进行的一种方法。热压方法一般适用于难熔陶瓷粉体，这些粉体的烧结性能很差。由于热压是压制和烧结同时进行的过程，所以致密化程度要比一般烧结高得多，迅速得多。实际上，用热压法可以制取无孔的制品。 null热压烧结的优点：①晶粒的长大得到了有效的控制。降低气孔率、提高烧结密度、晶粒尺寸小，可以制得几乎接近理论密度的制品。②降低烧结温度，缩短烧结时间、成型压力低。③可以防止普通烧结下出现的成分挥发或分解。④可以控制材料的显微结构。通过调整烧结温度、保温时间、外加压力等参数，可以控制材料的晶粒尺寸。null热压烧结的缺点是：①热压烧结的生产率较低，制品形状和尺寸有一定的限制，设备复杂；多适用于有特殊要求的材料；②采用高纯高强石墨压模材料时，模具的损耗大，寿命短；③不适于制造形状过分复杂的制品；④制品表面粗糙，精度低，一般要进行精加工。 等静热压烧结 等静热压烧结 等静热压烧结（HIP）也称热等静压烧结，是一种在高压保护气体下的高温烧结方法，其等静压由高压气体提供。热等静压烧结也是一种成型和烧结同时进行的方法。它是利用常温等静压工艺与高温烧结相结合的新技术，解决了普通热压烧结中缺乏横向压力和产品密度不够均匀的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，并可使瓷体的致密度基本上达100％。这种方法是在炉体内有一个高压容器，要烧结的物体放在里面。粉末或压坯被密封在不透水的韧性金属套中或玻璃套中。温度上升到所需范围时，引入适当压力的中性气体，如N2或Ar。也就是说在一定温度下有效地施加等静压力。 null等静热压工艺有5种不同的方式。 (1) 先升压后升温方式； (2) 先升温后升压方法； (3) 同时升温升压方式； (4) 热装料方式； (5) 冷压加热等静热压烧结null等静热压烧结具有如下优点：①能克服在石墨模中热压的缺点，使制品形状不受限制；②由于制品在加热状况下，各个方向同时受压、所以能制得密度极高（几乎达到理论密度），几乎无气孔的制品（比普通烧结的孔隙度可低20～100倍）；③大幅度提高抗弯强度。 等静热压的缺点是：①设备投资大，不易于操作；②制品成本较高；③难以形成规模化和自动化生产。 null实践证明，当陶瓷中的气孔由3％下降到无气孔时，陶瓷就由几乎不透明一下子变得完全透明，同时它的机械强度和耐电压的本领也大幅度提高，所以透明陶瓷材料常常也是高强度材料。此外为了消除杂质的危害，透明陶瓷所采用的原料，一般都比较纯，同时整个制备过程中环境的清洁也很重要，不允许有杂质的污染。一般Al2O3、Y2O3、MgO、BeO、ThO2、PLZT等均可制成透明陶瓷。null陶瓷一旦透明以后，就能在光学方面开辟很多新的用途，例如半透明Al2O3陶瓷就可用来做特殊光源的灯管，高压钠灯里的金属钠就是封在半透明的氧化铝陶瓷管中的。半透明氧化铝管耐高温，特别耐金属钠蒸气的腐蚀，这是其他透明材料所无能为力的。null高压钠灯null这种灯的发光效率比普通高压汞灯高好几倍，发出的黄光透雾能力强，深受驾驶员同志的欢迎，所以是一种很好的街道、广场、机场等照明用的光源。同样如果在半透明氧化铝管中充入钾便可制成钾灯，它是激光器用的高效激励光源。其它如Y2O3、MgO、BeO等透明陶瓷也可采用上面讲的制备工艺做成，由于它们耐高温、透明、又可制得较大尺寸的制品，所以是很好的高温窗口材料。 null机场上的高压钠灯 高压钠灯null还有一类透明陶瓷是掺镧的锆钛酸铅陶瓷。掺镧的锆钛酸铅（PLZT），既具有透明性，又具有铁电性和压电性，其光学性质与铁电性密切相关。PLZT透明铁电压电陶瓷是十分重要的电光陶瓷，即它的光学性质会随着外加电场而改变，具体说来，在这种陶瓷上加上电场以后，它能表现出两种光学性质上的变化，一种叫电控双折射，一种叫电控光散射。 null 一、PLZT透明铁电压电陶瓷的组成 　 　PLZT陶瓷可用下列通式来表示其化学组成： Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-(x/4)O3 其中X的范围是0.01～0.30，X+Y=1。 La、Zr、Ti的成分可用X／Y／Z来表示，掺镧的锆钛酸铅简写为PLZT，例如9/65/35PLZT陶瓷就是表式化学组成为Pb0.91La0.09(Zr0.65Ti0.35)0.9775O3的PLZT陶瓷。改变La、Zr、Ti的比例，就可得到具有铁电相、顺电相或反铁电相中电光性能不同的任一种透明陶瓷。用于电光领域的透明铁电压电陶瓷，既要具有铁电性又要具有高的透明度，对于PLZT陶瓷，透光率随组成不同而变化，当X=0.08～0.12、y=0.65时，透光率最高。 null 二、PLZT陶瓷的制备 PLZT陶瓷是由氧化锆、氧化钛、氧化铅等原料再掺入少量氧化镧经混合、成型、热压烧结而制成的。PLZT陶瓷的制备，需要高纯原材料（大于99.9%）,同时粒度要小（达0.1μm）,这是为了保证每个晶粒的化学成分尽可能相同。为了获得透明度高的陶瓷，除了要求晶粒本身透明，而且有小的各向异性外，同时必须排除内部气孔，因为残留气孔会成为光的散射中心，使透明度下降。为此，通常采用通氧热压烧结法烧结成品。热压可以控制晶粒大小，细晶结构晶粒内的电畴发展较少，畴壁引起的散射作用也就小。烧结后的制品，再经过研磨、切割、拋光就成透明的PLZT陶瓷片，然后根据不同的应用要求，在PLZT陶瓷片上制成不同的电极，再组装成各种光学器件。 三、PLZT陶瓷的内部结构及电光特性三、PLZT陶瓷的内部结构及电光特性 当PLZT陶瓷的温度低于某一个值时，由于晶粒微细结构中的正负离子电荷中心不重合，结果在晶粒中存在着许多微小区域，这样的微小区域称“电畴”，这种陶瓷片不加电场时，这些电畴是杂乱无章排列的(图a)，这时陶瓷片就和玻璃一样，无论光从那个方向射入，陶瓷片的性质都是相同的，这在光学上称各向同性，即不会随光的入射方向不同而表现出不同的性质。(a) 极化处理前null但当陶瓷片加上电场以后，这些电畴就会在电场的作用下发生极化(图b) ，极化后的电畴排列比较规矩(图c) 。直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a) 极化处理前(b) 极化处理中(c) 极化处理后 null这样，陶瓷片就和某种晶体一样了，能使射入陶瓷片的一束光通过陶瓷片后变成两束光，在光学上这种现象叫做双折射效应，由于它是加了电场以后才产生的。电场去掉后，双折射效应又没有了，所以这种双折射效应又叫做电控双折射效应。 如果再在陶瓷片的前后以一定方式放上一对偏振方向互相垂直的偏振片的话，当陶瓷片上不加电场时，这陶瓷片就是各向同性的，由了两个偏振片互相垂直，因此从第一个偏振片(起偏镜)射出的偏振光经过陶瓷片后就被第二个偏振片(检偏镜)挡住，光强变得最弱，这时系统处于关态。null当陶瓷片上加上电场后，它就有双折射效应，这双折射变化的大小是由电场决定的。调节外加电场可使从检偏镜射出的光变得最强，这时系统处于开态。电场去掉后又回复到关态，这样就成了一个光开关，这种光开关的开关速度极快，它在一秒钟内就能开关上百万次，所以实际上是一种高速电子快门。 从光源发出的自然光通过起偏片变成纵向振动的平面偏振光，如果电光陶瓷没有受外电场作用，这束偏振光通过陶瓷时将不发生振动方向的偏转，即仍是纵向振动的平面偏振光。但检偏片只允许水平振动的偏振光通过，纵向振动的偏振光不能通过，因而此时没有光输出，相当于快门关闭。电光快门的工作原理电光快门的示意图起偏片电光陶瓷检偏片 如果在电光陶瓷上施加一个电压，由于电光效应使光的振动方向发生偏转，于是开始有光输出。随着施加电压大小的改变，光输出的大小也在变化。当所加电压调到某一电压值使光振动方向偏转到水平方向时，光输出达到最大，相当于快门全部打开，这个电压称为半波电压。电光陶瓷在这里起着光开关的作用，而打开这个开关的则是半波电压。起偏片电光陶瓷检偏片null 此外当用白光而不是象上面讲的那样的单色光射入加有电场的陶瓷片时，则它可将白光滤成有色光。如果再对加在陶瓷片上的电场进行调节的话，则从陶瓷片射出的将是五颜六色的光，所以它又是一种电控的可变滤色器。 这种陶瓷的另一个持性是电控光散射，这种效应只是当陶瓷片中的晶粒比较大时才会发生，例如大于3～4个微米。这是由于晶粒内的电畴发育而形成了许多散射中心的缘故，当陶瓷片上外加电场的方式不同，其内部电畴的排列方向也就不一样，同样可起到一个光开关的作用。null 四、PLZT陶瓷的应用 也许你有这样的感受：当眼睛突然受到强烈光线照射后，会暂时看不清周围的东西，要过一段时间才能恢复正常的视觉。这种现象称为闪光盲，即眼睛因强闪光暂时丧失视觉功能。闪光盲会给正在进行的工作带来影响，经常发生闪光盲会损伤视网膜。但在工作和生活中，人们经常会遇到强光的刺激。 null例如，电弧焊时产生的电弧，最高温度达到6000～8000K（K是绝对温度的单位，0℃相当于273.15K），发出强烈的弧光，所以电焊工人都要带上面罩，透过近乎黑色的护目镜才能进行操作。但在电弧尚未产生前，带了面罩根本看不清周围情况，工作起来非常不方便。 原子弹爆炸时，情况就更严重了：一颗梯恩梯当量为20000吨的原子弹爆炸时，火球辐射的光能约30万亿焦耳，几乎全部光能在3秒钟内骤然释放。所以核试验工作人员必须带上很深的墨镜。但是原子弹爆炸前带上墨镜，就看不清东西，变得寸步难行。原子弹爆炸了再戴上，就来不及了。如果能有一种自动调光的护目镜，那该多好。 null锆钛酸铅镧（PLZT）透明铁电陶瓷可以用做护目镜镜片，它是在这种铁电陶瓷表面蒸上透明电极，然后在它两侧分别夹上偏振方向互相垂直的偏振镜构成的一种具有夹层结构的护目镜。这种护目镜带有控制电路、电源和开关，用光敏二极管作为强闪光的接收元件。当接收元件测出周围的光强度超过危险值时，立即发出信号给控制电路，使镜片在几万分之一秒内由透明变成几乎不透明，镜片关闭，护目镜就自动迅速变暗；当危险光消失后，控制电路又自动加压到铁电陶瓷薄片上，使镜片达到最大的开启状态，即又回复到原来的明亮状态，所以护目镜实际上是给人们提供了一双“电子眨眼”，如下图所示。 null核闪光护目镜 航空护目镜带光学快门的眼镜 null透明电光陶瓷还可做立体观察镜。人们知道，从普通电视机的屏上只能看到平面图像，没有立体感，如果要在平面电视屏上看到立体图像，观察者就必须戴上一副能分离左眼和右眼图像的立体观察镜，实际上把透明电光陶瓷片做成的两只电控快门分别装入普通眼镜的左框和右框内就构成了一副立体观察镜，但真正要在平面电视屏上看到立体图像还得下一番功夫，就是还要使电视屏上能交替地产生与左、右两只快门眼镜相对应的图像。null这也并不是困难的事，只要采用左右两只摄像机来摄像，通过电子线路的控制使左摄像机摄得的图像在电视屏上显示时，立体观察镜的左快门眼镜正好处于“开态”，而右快门眼镜处于“关态”。在下一时刻，即当电视屏上显示右摄像机摄得的图像时，立体观察镜的右快门眼镜处于“开态”，而左快门眼镜处于“关态”，尽管两只快门眼镜是交替地工作的，但由于人的眼睛有暂留效应，所以看到的是稳定连续的栩栩如生的立体图像。null立体观察在现代新技术的不少场合都是十分需要的，例如宇宙飞船在太空中的对接就要求人们在地面站的电视屏前进行立体观察遥控；人无法接近的放射性和高温材料的处理也需要操作人员坐在控制室的电视屏前通过机械手进行立体观察遥控来实现。气象图和地貌图的立体观察和描绘，分子结构及建筑结构的分析等也都要用立体观察。null 透明电光陶瓷还可在图像存储显示器中得到应用，如果在透明电光陶瓷片的一面涂上光导膜，两侧再蒸上透明电极，这样就构成了夹层结构，将幻灯片上的画像成像在光导膜上，同时加上直流电压，这个画像就能存储在其中。这种存储的图像可以借助于光学系统进行直接观察或通过投影把它显示在屏幕上。当加上反向电场或用光照射的话，则可将图像擦去。 null有一种用来测量电压的光电压计，它也是用透明电光陶瓷做成的。它的结构与护目镜类似，把它接到要测量电压的线路中，如果一束激光透过透明陶瓷片射向光探测器时，则探测器探测到的激光的强度会随着线路里的电压值而下降，因此根据探测到的光强便可知道电压值的大小。 思考题解释专业名词 1、功能陶瓷材料 2、绝缘陶瓷 3、铁电性 4、热敏陶瓷 5、气敏陶瓷 6、热压烧结 7、等静热压烧结思考题思考题回答问题 1、陶瓷不透明的原因是什么？ 2、热压烧结的优缺点有哪些？ 3、热等静压烧结的优缺点有哪些？ 4、简述PLZT陶瓷用作电光快门的工作 原理。 5、简述PLZT陶瓷的应用。思考题null 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