功能陶瓷材料.ppt

,2,*,1,第五章 功能陶瓷材料,材料学院 王琳,2,2,5.1,陶瓷材料与功能陶瓷,5.1.1,、,陶瓷材料,的发展概况,5.1.,2、,功能陶瓷,的定义、范围和分类,5.1.,3、,功能陶瓷,的性能与工艺特征,5.1.,4、,功能陶瓷,的应用和展望,5.1.,5、制备,陶瓷材料的原料,2025/6/19 周四,3,5.1.1,陶瓷材料的发展概况,陶瓷,在人类,生活和社会建设,中是不可缺少的材料，它和,金属材料,、,高分子材料,并列为当代,三大固体材料,。,我国的,陶瓷研究,历史悠久,、成就辉煌,，,它是中华文明的伟大象征之一，在我国的,文化和发展史上,占有极其重要的地位。,2025/6/19 周四,4,陶瓷的研究进程分为三个阶段,新石器时代,先进陶瓷阶段,纳米陶瓷阶段,2025/6/19 周四,5,新石器时代,远在,几干年前,的,新石器时代,，我们的祖先就已经用,天然黏土,作原料，塑造成各种器皿，再,在火堆中,烧成坚硬的可重复使用的,陶器,，由于,烧成温度较低,，陶器仅是一种含有,较多气孔,、,质地疏松,的,未完全烧成,制品。,2025/6/19 周四,6,以后大约在2000年前的,东汉晚期,，人们利用,含铝较高的天然瓷土,为原料，加上,釉,的发明，以及,高温合成技术,的不断改进，使陶瓷步入,瓷器阶段,，这是,陶瓷技术发展史上,意义重大的里程碑。,釉：,以,石英、长石、硼砂黏土,等为原料制成的东西，涂在瓷器、陶器外面，烧制后,发出玻璃光泽,，可增加陶瓷的,机械强度,和,绝缘性能,。,2025/6/19 周四,7,陶瓷,都是以,黏土,为主要原料与其他,天然矿物原料,经,粉碎混炼,成形,一,煅烧,等过程制成的。,如常见的,日用陶瓷,、,建筑陶瓷,、,电瓷,等传统陶瓷。,由于,陶瓷,的主要原料取之于自然界的,硅酸盐矿物,(如,黏土,、,长石,、,石英,等)，所以可归为,硅酸盐类材料和制品,。,从,原始瓷器,的出现到,近代的传统陶瓷,，这一阶段持续了四千余年。,2025/6/19 周四,8,先进陶瓷阶段,20世纪以来，随着人类对,宇宙的探索,、,原子能工业的兴起,和,电子工业,的迅速发展，从,性质,、,品种,到,质量,等方面，对,陶瓷材料,均提出,越来越高的要求,。从而，促使,陶瓷材料,发展成为一系列,具有特殊功能的,无机非金属材料,。,2025/6/19 周四,9,如,氧化物陶瓷,、,压电陶瓷,、,金属陶瓷,等各种,高温和功能陶瓷,。,这时，陶瓷研究进入第二个阶段,先进陶瓷阶段,。,2025/6/19 周四,10,先进陶瓷,（,Advanced ceramics）,又称,现代陶瓷,，是为了有别于,传统陶瓷,而言的。,先进陶瓷,有时也称为,精细陶瓷,(,Fine Ceramics)、,新型陶瓷,(,New Ceramics)、,特种陶瓷,(,Special Ceramics),和,高技术陶瓷,(,High-Tech.Ceramics),等。,2025/6/19 周四,11,在,先进陶瓷阶段,，,陶瓷制备技术,飞速发展。,在,成形方面，,有,等静压,成形、,热压注,成形、,注射,成形、,离心注浆,成形、,压力注浆,成形等成形方法；,在,烧结方面，,则有,热压,烧结、,热等静压,烧结、,反应,烧结、,快速,烧结、,微波,烧结、,自蔓延,烧结等。,2025/6/19 周四,12,在,先进陶瓷阶段,，,采用的,原料,已不再使用或很少使用,黏土,等传统原料，而已扩大到,化工原料,和,合成矿物,，甚至是,非硅酸盐,、,非氧化物,原料，,组成范围,也延伸到,无机非金属材料,范围。,此时可认为，,广义的陶瓷概念,已是,用陶瓷生产方法,制造的,无机非金属固体材料,和,制品,的统称。,2025/6/19 周四,13,纳米陶瓷阶段,到20世纪90年代，陶瓷研究已进入第三个阶段-,纳米陶瓷阶段,。,所谓,纳米陶瓷,，是指,显微结构中的物相,就有,纳米级尺度,的陶瓷材料。它包括,晶粒尺寸,、,晶界宽度,、,第二相分布,、,气孔尺寸,、,缺陷尺寸,等均,在纳米量级的尺度上,。,2025/6/19 周四,14,5.1.2,功能陶瓷的定义、范围和分类,从性能上,可把,先进陶瓷,分为,结构陶瓷,(,Structral ceramics),和,功能陶瓷,(,Functional Ceramics),两大类。,2025/6/19 周四,15,结构陶瓷,是指具有,力学,和,机械性能,及部分,热学,和,化学功能,的先进陶瓷(现代陶瓷)，特别,适于高温下应用的,则称为,高温结构陶瓷,。,功能陶瓷,是指那些利用,电,、,磁,、,声,、,光,、,热,、,力,等,直接效应,及其,耦合效应,所提供的,一种或多种性质,来实现某种,使用功能,的先进陶瓷(现代陶瓷)。,功能陶瓷的特点,品种多,、,产量大,、,价格低,、,应用广,、,功能全,、,技术高,、,更新快,。,2025/6/19 周四,16,通过对,复杂多元氧化物系统,的,化学、物理及组成、结构、性能和使用效能,间相互关系的研究，已陆续发现了一大批具有,优异性能或特殊功能的功能陶瓷,，并可借助于,离子置换,、,掺杂,等方法,调节、优化其性能,，功能陶瓷材料研究已开始从,经验式的探索,逐步走向,按所需性能来进行材料设计,。,2025/6/19 周四,17,5.1.3,、功能陶瓷的性能与工艺特征,陶瓷功能,的实现，主要取决于它所具有的,各种性能,，而在,某一类性能,范围中，又必须针对,具体应用,，去,改善、提高某种有效的性能,，以获得有,某种功能,的陶瓷材料。,2025/6/19 周四,18,一般来说，要,从性能的改进,来,改善陶瓷材料的功能,，需从以下两个方面入手：,通过,改变外界条件,，即,改变工艺条件,以改善和提高,陶瓷材料的性能,，达到获得优质材料的目的。,从材料的组成上,直接,调节,、,优化,其内在的品质,，包括采用,非化学式计量,、,离子置换,、,添加不同类型杂质,，使不同相在微观级复合，进而形成不同性质的晶界层等。,2025/6/19 周四,19,一般工艺条件,是指,原料的,物理化学性质,和,状态,、,加工成型方法,和,条件、,烧成制度,和,烧结状态,，以及,成品的加工方法,和,条件,等。,无论是,改变组成,还是,改变工艺,，最终都是通过,材料,微观结构的变化,，才能体现出,宏观的功能变化,。,2025/6/19 周四,20,因此，要想达到,自控设计材料,，或者进行,局部的性能改善,，必须综合考虑,组成,、,工艺,、,微观结构,等诸多因素，这是个系统工程。,下图表示了,陶瓷功能,与,组成、工艺、性能和结构,的关系。,2025/6/19 周四,21,陶瓷功能与组成、工艺、性能、结构的关系,2025/6/19 周四,22,5.1.4,、功能陶瓷的应用和展望,功能陶瓷,的不断开发，对,科学技术的发展,起了巨大促进作用，功能陶瓷的,应用领域,也随之更为广泛。,目前，,功能陶瓷,主要用于,电、磁、光、声、热和化学,等,信息的检测,、,转换,、,传输,、,处理,和,存储,等，并已在电子信息、,集成电路,、,计算机,、,能源工程,、超声换能、,人工智能,、,生物工程,等众多,近代科技领域,显示出广阔的应用前景。,2025/6/19 周四,23,根据功能陶瓷,组成结构的,易调性,和,可控性,，可以制备,超高绝缘性,、,绝缘性,、,半导性,、,导电性,和,超导电性,陶瓷；,根据功能陶瓷,能量转换,和,耦合特性,，可以制备,压电,、,光电,、,热电,、,磁电,和,铁电,等陶瓷；,根据功能陶瓷对,外场条件的敏感效应,，则可制备,热敏,、,气敏,、,湿敏,、,压敏,、,磁敏,和,光敏,等敏感陶瓷。,2025/6/19 周四,24,在,设备技术方面,向着,多层,、多相,乃至,超微细结构的调控,与,复合,、,低温活化烧结,、,立体布线,、,超细超纯,、薄膜技术,等方向发展。,在,材料及应用方面,的,主要研究方向,应包括：,智能化敏感陶瓷,及其,传感器,；,高转换率,、,高可靠性,、,低损耗,、,大功率,的,压电陶瓷,及其,换能器,；,超高速大容量,超导计算机,用,光纤陶瓷材料,；,多层封装,立体布线,用的,高导热低介电常数陶瓷基板材料,；,量大面广,、,低烧,、,高比容,、,高稳定性,的,多层陶瓷电容器材料,等。,2025/6/19 周四,25,5.1.5,、制备陶瓷材料的原料,陶瓷材料制品,由多相的,无机非金属材料,所构成，所用原料大部分是,天然的矿物原料,或,岩石原料,，其中多为,硅酸盐矿物,。,这些,天然的矿物原料,或,岩石原料,种类繁多,，,资源蕴藏丰富,，且,分布极广,某些,陶瓷材料制品,对原料的要求很高，需要采用,均一,且,高纯度,的,人工合成原料,。,2025/6/19 周四,26,(一)原料分类,根据,原料工艺特性,分为：,可塑性原料,(也称瘠性原料)、,熔剂性原料,。,根据,原料的用途,分为：,瓷坯原料,、,瓷釉原料,、,色彩,及,彩料原料,。,根据,原料的矿物组成,分为：,黏土质原料,、,硅质原料,、,长石质原料,、,钙质原料,、镁质原料,。,根据,原料获得的方式,分为：,矿物原料,、,化工原料,。,2025/6/19 周四,27,综合,陶瓷制品,对于,原料,的两方面要求，根据原料的,工艺特性,可以把所需要的,陶瓷原料,主要归纳为三大类：,具有可塑性的,黏土类原料,具有非可塑性的,石英类原料,熔剂原料,2025/6/19 周四,28,除上述的,陶瓷坯体,中所需的三大原料外，,陶瓷釉料,还常常需用各种特殊的,熔剂原料,，包括采用各种化工原料。,陶瓷工业中需用的,辅助材料,主要是,石膏,和,耐火材料,，以及,各种外加剂,如,助磨剂,、,助滤剂,、,解凝剂,、,增塑剂,和,增强剂,等。,2025/6/19 周四,29,(二)黏土类原料,黏土类原料,是,日用陶瓷,和,工业用陶瓷,的主要原料之一。,黏土是多种,微细的矿物,的混合体，其矿物的粒径多数小于2,um，,主要是由,黏土矿物,和,其他矿物,组成的并,具有一定特性,的(其中主要是具有可塑性),土状岩石,。,我国,黏土原料,资源丰富，产地遍及全国。,黏土的主要矿物,：,高岭石,类、,蒙脱石,类、,伊利石,类和,水铝英石,。,黏土的组成,：黏土的组成可从几个方面来分析，一般可从,矿物组成,、,化学组成,和,颗粒组成,三个方面来进行分析。,2025/6/19 周四,30,黏土的性质,黏土的性质对,陶瓷的生产,有很大的影响。它主要包括,可塑性,、,结合性,、离子交换性、,触变性,、,干燥收缩,和,烧成收缩,、,烧结温度,与,烧结范围,和,耐火度,等。,黏土的工艺性质,主要取决于黏土的,矿物组成,、,化学组成,与,颗粒组成,。其中，,矿物组成,是基本因素。,黏土,在加热过程中的变化,包括两个阶段：,脱水阶段,与,脱水后产物的继续转化阶段,。,2025/6/19 周四,31,黏土作用,概括为五个方面：,1),黏土的可塑性,是,陶瓷坯泥赖以成形的基础,。,2)黏土使,注浆泥料与釉料,具有悬浮性与稳定性。,3)黏土一般呈,细分散颗粒,，同时具有,结合性,。,4)黏土是,陶瓷坯体烧结时,的主体，黏土中的,Al,2,O,3,含量,和,杂质含,量,是决定,陶瓷坯体的烧结程度,、,烧结温度,和软化温度的主要,因素；,5)黏土是形成,陶器主体结构,和,瓷器中莫来石晶体,的主要来源。,2025/6/19 周四,32,(三)石英类原料,石英的种类,。,自然界中的,二氧化硅结晶矿物,可以统称为石英。其中,最纯的石英晶体,统称为,水晶,。,在陶瓷工业中，,常用的石英类原料和材料,有下列几种：,脉石英,、,砂岩,、,石英岩,、石英砂、,隧石,和,硅藻土,。,2025/6/19 周四,33,石英原料的性质,石英的,主要化学成分,为,SiO,2,，,常含有少量杂质成分，如,Al,2,O,3,、Fe,2,O,3,、CaO、MgO、TiO,2,等。,石英是具有,强耐酸侵蚀力,的酸性氧化物，除,氢氟酸,外，一般酸类对它都不产生作用。,当石英与,碱性物质,接触时，则能起反应而生成,可溶性的硅酸盐,。,在高温中与,碱金属氧化物,作用生成,硅酸盐,与,玻璃态物质,。,2025/6/19 周四,34,石英在陶瓷生产中的,作用,1),在烧成前,是,瘠性原料,，可对,泥料的可塑性,起,调节作用,，能,降低坯体的干燥收缩,，,缩短干燥时间,并防止坯体变形。,2),在烧成时,，石英的加热膨胀可,部分地抵消坯体收缩,的影响，,当玻璃质大量出现时,，在高温下,石英能部分熔解于液相中,，,增加熔体的强度,，而未熔解的石英颗粒，则构成坯体的骨架，可防止坯体发生软化变形等缺陷,。,3),在瓷器中，石英对,坯体的力学强度,有着很大的影响，,合理的石英颗粒,能大大,提高瓷器坯体的强度,，否则效果相反。同时，石英也能使,瓷坯的透光度和白度,得到改善。,4),在釉料中，二氧化硅是生成玻璃质的主要组分，增加釉料中,石英含量,能提高,釉的熔融温度与黏度,，并减少,釉的线胀系数,。同时它是赋予釉以,高的力学强度,、,硬度、耐磨性和耐化学侵蚀性,的主要因素。,2025/6/19 周四,35,(四,),长石类原料,长石,是陶瓷原料中最常用的,熔剂性原料,，在陶瓷生产中用作,坯料,、,釉料,、,色料,、,熔剂,等的基本组分，其用量较大，是,陶瓷三大原料,之一。,长石的,种类,和,一般性质,：长石是地壳上分布广泛的,造岩矿物,。,根据,架状硅酸盐,的结构特点，,长石,可分为,四种基本类型,：钠长石、钾长石、钙长石和钡长石。,2025/6/19 周四,36,长石,在陶瓷生产中的作用,如下：,长石,在高温下,熔融，形成,黏稠的玻璃熔体,，是坯料中碱金属氧,化物(,K,2,O、Na,2,O),的主要来源，能,降低陶瓷坯体组分的熔化温,度,，,有利于成瓷和降低烧成温度,。,熔融后的,长石熔体能,熔解部分,高岭土分解产物,和,石英颗粒,。液,相中,Al,2,O,3,和,SiO,2,互相作用，促进,莫来石晶体,的形成和长大，赋,予了坯体的,力学性能,和,化学稳定性,。,长石熔体,能填充于,各结晶颗粒之间,，有助于,坯体致密,和,减少空,隙,。,在釉料中,长石是主要,熔剂,。,长石作为,瘠性原料,，在生坯中还可以,缩短坯体干燥时间,，,减少,坯体的干燥收缩和变形,等。,2025/6/19 周四,37,(五)其他矿物原料,含碱硅酸铝,类,碱土硅酸盐类,碳酸盐类,钙的磷酸盐类,高铝质矿物类,工业废渣类,锆英石,2025/6/19 周四,38,5.2,、绝缘陶瓷,5.,2.1,精密绝缘陶瓷,在近代电子技术,中的作用,5.2.2,绝缘陶瓷的,性能与特征,5.2.3,常用绝缘陶瓷材料及其性能,5.2.4,绝缘陶瓷的应用,2025/6/19 周四,39,5.2.1,精密绝缘陶瓷在近代电子技术中的作用,绝缘材料,在,电气电路,或,电子电路,中所起的作用主要是,根据电路设计要求,将导体物理隔离，以防,电流在它们之间流动,而破坏电路的正常运行。,2025/6/19 周四,40,即，,电子技术中,首先要求,绝缘材料不导电,，即要求,电阻率,尽量高，,绝缘强度,也尽量高。,此外，,绝缘材料,还起着导体的,机械支持,、,散热,及,电路环境保护,等作用。,一般将,能起上述作用的陶瓷,称为,绝缘陶瓷,。,2025/6/19 周四,41,绝缘陶瓷,可分为,氧化物绝缘陶瓷,和,非氧化物绝缘陶瓷,两大系列；无论是哪种系列的绝缘陶瓷，要成为一种,优异的绝缘陶瓷,，它必须具备如下性能：,体积电阻率,(,)=1012,cm,相对介电常数,(,r,)=30,损耗因子,(,tg,)=5.0kV/mm,2025/6/19 周四,42,高压陶瓷绝缘子,作为一种,传统的绝缘陶瓷,已有100多年的历史。,而,精密绝缘陶瓷,与,高压陶瓷绝缘子,相比，则是后起之秀，它在,近代电子技术中,所起的作用是前者无法比拟的。,比如,，在众多的,家用电器,，如收录机、彩色电视机和录像机中，在,一般的集成电路,(,IC)，,大规模集成电路,(,LSI),和,超大规模集成电路,(,VLSI),中，在,大型电子计算机,等高技术产品中，甚至在航空、航天等,尖端科技领域,中，,精密绝缘陶瓷,已较大量使用。,2025/6/19 周四,43,5.2.2,绝缘陶瓷的性能与特征,一、,离子导电,和,绝缘性,二、陶瓷的,微观结构,和,绝缘性,2025/6/19 周四,44,一、,离子导电和绝缘性,应用,固体能带理论,，可以成功地解释固体的,绝缘性,、,半导性,和,导电性,固体能带中那些,被电子完全占满,的叫,满带,，,未被电子占据,的叫,导带,，,满带和导带之间的距离,称之为,禁带宽度,。,2025/6/19 周四,45,如果,禁带宽度足够大,(在几个电子伏特以上)，,满带的电子,就难以被激发而,超越禁带,进入导带，也即认为电子几乎无法迁移，那么固体便成为,典型的绝缘体,。,实际上，这种,理想的绝缘体,只有,在绝对零度,时才能获得。,2025/6/19 周四,46,很多,绝缘陶瓷,是典型的,离子晶体,或,共价晶体,。,在这种情况下，对具有,足够宽度禁带区,的,绝缘陶瓷,而言，固体中的另一种导电机理-,离子导电,就变得十分重要了。它主要是,通过离子扩散,而发生的电导行为。,2025/6/19 周四,47,一般情况下，,离子电导率,i,表示如下:,i,=n.q.,i,式中，,n-,单位体积中,可迁移的离子数,；,q-,离子的电荷；,i,-离子的迁移率。,2025/6/19 周四,48,下式给出了,i,的具体表达式：,i,=,q D,i,/kT,式中，,D,i,离子的扩散系数,k,玻耳兹曼常数，,T,绝对温度(,K)。,而,D,i,可由下式给出：,D,i,=,A exp(-E/kT),式中，,E-,激活能,A-,频率系数。,2025/6/19 周四,49,i,=n q,i,i,=,q D,i,/kT,D,i,=,A exp(-E/kT),ln,i,常数,E/kT,i,=n q,q A exp(-E/kT)/kT,=(,Anq,2,/kT)exp(-E/kT),2025/6/19 周四,50,可知，,离子电导率,随,温度,的升高呈指数增加。,ln,i,常数,E/kT,由下式,2025/6/19 周四,51,离子电荷,和,扩散系数,影响,离子导电,，,扩散系数,又与,晶格缺陷,及,穿越缺陷的,离子的电荷及其大小,有关。,通常情况下，,电荷及体积越小的离子,越易扩散,，其,激活能的数值,也越小。,i,=n q,q A exp(-E/kT)/kT,2025/6/19 周四,52,因此，,在绝缘陶瓷中,应尽可能,避免碱金属离子,的存在(尤其是钠离子)，因为这些离子可形成相当强烈的电导，使材料的,绝缘性能劣化,。,2025/6/19 周四,53,二、陶瓷的微观结构与绝缘性,一般而言，,绝缘陶瓷,是,粉体原料,经过,成型和烧结,而得到的多相多晶材料。,陶瓷的微观结构,主要可分为,基质,、,晶粒,和,气孔,三部分。,通常,气孔,和,晶粒,的,绝缘性能,好，而,基质,往往,在高温下,显示,较大的导电性,。,由于,基质部分,杂质,浓度较高,，在组织上又是,连续相,，所以,陶瓷的绝缘性,容易受,基质相的影响,。,2025/6/19 周四,54,固体内部存在的,气孔,对,绝缘性能的破坏,不大，但当,表面存在气孔时,，因,易吸水,和,被污染,将,使表面绝缘性显著劣化,。,因此，原则上绝缘陶瓷应选择,气孔少,、,没有吸水性,的致密材料，并根据,使用情况的不同,在其表面,上釉,以,防止污染和吸潮,。,2025/6/19 周四,55,通常情况下，,材料的绝缘性,与材料的,纯度,、材料中,杂质含量,的多少有关。,材料,纯度越高,，杂质含量越少，则它们的,绝缘性能就越好,。,这是因为,绝缘陶瓷中若有杂质引入,，则会像,掺杂半导体,那样，在禁带中产生,杂质能级,，从而使,电荷载流子增加,，电阻率下降，结果使,绝缘强度下降,。,2025/6/19 周四,56,5.2.3,常用绝缘陶瓷材料及其性能,绝缘陶瓷材料,按,化学组成,可分为,氧化物系,和,非氧化物系,两大类。,氧化物系,绝缘陶瓷,已得到广泛应用，而,非氧化物系,绝缘陶瓷是70年代才发展起来的，,2025/6/19 周四,57,目前应用的主要有,氮化物陶瓷,，如,Si,3,N,4,、BN、AlN,等。,除,多晶陶瓷,外，近年来又发展了,单晶绝缘陶瓷,，如人工合成,云母,、人造,蓝宝石,、,尖晶石,、,氧化铍,及,石英,等。,2025/6/19 周四,58,5.2.4,绝缘陶瓷的应用,绝缘陶瓷的工业应用,历史较早，在1850年左右，,陶瓷绝缘子,作为,电绝缘器材,，使用于铁路通信线路。,1880年美国,在电力输电线路中,开始使用,陶瓷绝缘子,，目前，已能制造出耐压500,kV,以上的,超高压输电用,高性能陶瓷绝缘子,。,随之，汽车,陶瓷火花塞,付诸应用，这是一种需求量极大的,绝缘陶瓷,。,2025/6/19 周四,59,随着,电子工业,的发展，集成电路、大规模集成电路以及超大规模集成电路相继问世，这类电路需要,绝缘性能,、,导热性能,、,热膨胀匹配性能,、,高频性能,及,快速响应性能,等一系列,性能优良的绝缘陶瓷,作为电路的,基片与封装材料,。,于是，高性能的,A1,2,O,3,瓷和,BeO,瓷作为,精密绝缘陶瓷,而被大量使用在这类电路中，且,性能与生产工艺,不断得以改进。,2025/6/19 周四,60,由于电路设计者一直致力于,高集成度,、,高信号速度,的,电路设计与制造,例如在一块小小的硅片上安放37,000,000个晶体管。对于如此,高密度的集成电路,，其,散热,及,热控制,势必成为确保此类电路可靠性的重要因素。,于是，近10年来，,高绝缘、高热导,的,SiC,瓷与,AlN,瓷被研究与开发。,2025/6/19 周四,61,集成电路,是一种把,大量微型晶体管电路元件,组装在一块基片上所构成的,超小型,、,高密度,的电路，这类电路通常要,封装在集成电路的管壳,之内。,这种高质量的,基片和管壳,一般是由,精密绝缘陶瓷,制成的。,目前，应用较成熟的,基片材料,和,管壳材料,是氧化铝陶瓷。,2025/6/19 周四,62,由于,氧化铝陶瓷,具有良好的,电绝缘性,、化学耐久性,及较高的,机械强度,与较好的,导热性,，而且,价格较低,，,易于制造,，表面均匀平整，因此，氧化铝陶瓷还是目前主要的,电路基片材料,。,2025/6/19 周四,63,5.3,多孔陶瓷,5.3.1,、概 述,5.3.,2、表征多孔陶瓷材料,特性参数,5.3.,3、多孔陶瓷的,制备,5.3.4,、多孔陶瓷的,应用,2025/6/19 周四,64,5.3.1,、概 述,多孔陶瓷,是一种经,高温烧成,、体内具有大量,彼此相通,并与材料表面也相贯通的,孔道结构的,陶瓷材料。,多孔陶瓷的种类很多，几乎目前研制及生产的,所有陶瓷,均可以,通过适当的工艺,制成多孔体。,2025/6/19 周四65,根据,成孔方法,和,孔隙结构,，多孔陶瓷可分为三类：,粒状陶瓷,；,泡沫陶瓷,；,蜂窝陶瓷,。,陶瓷的,气孔率,列于下表,。,多孔陶瓷,泡沫陶瓷,蜂窝陶瓷,粒状陶瓷结体,气孔率/%,8090,70,3050,2025/6/19 周四,66,根据,孔径大小,，陶瓷可分为,1000,um,到几十微米的,粗孔制品,0.2 20,um,的,微孔制品,0.2,um,到几纳米的,超微孔制品,2025/6/19 周四,67,多孔陶瓷材料的特性,化学稳定性好,；,具有,良好的机械强度和刚度,；,耐热性好,；,具有高度开口、内连的,气孔,；,几何,表面积与体积比,高；,孔道分布较均匀,，,气孔尺寸可控,2025/6/19 周四,68,5.3.2、,表征多孔陶瓷材料特性参数,一般可用下述,三个参数,来表征多孔陶瓷材料特性：,气孔率,；,平均,孔径,、最大孔径和,孔道长度,；,渗透能力,。,2025/6/19 周四,69,气孔率,把,开口孔道体积,占,材料总体积,的百分率定义为,气孔率,。,最常用的,多孔陶瓷的制备方法,是依靠,骨料粒子堆积,而形成孔道。,2025/6/19 周四,70,多孔陶瓷的,平均孔径,可以用,水银压入法,、,气泡法,等方法来进行测试。,测试的基本原理,是假设,材料孔道,均为,理想毛细管,，流体在外力作用下，通过毛细管时，将遵循下式：,平均孔径、最大孔径和孔道长度,2025/6/19 周四,71,式中，,D-,毛细管直径；,-流体的表面张力；,P-,使流体通过毛细管所需之压力;,-流体的材料的浸润角。,2025/6/19 周四,72,一般认为，多孔材料用于,液体过滤,时，被滤阻的粒子尺寸为,最大孔径,的1/10,多孔材料用于,气体过滤,时，被滤阻的粒子尺寸为,最大孔径,的120。,2025/6/19 周四,73,渗透能力,在多孔陶瓷材料两侧,存在一定压力差的条件下,，,材料的渗透能力,指材料透过流体的能力，一般用,透气度,或,渗透率,来表征。,2025/6/19 周四,74,5.3.3,、多孔陶瓷的制备,1,粒状,陶瓷的制备,2,蜂窝,陶瓷的制备,3,泡沫,陶瓷的制备,2025/6/19 周四,75,1.,粒状陶瓷,一般是将粒状,陶瓷骨料,和,玻璃质,、,粘土质粘结剂,与,成孔剂,混合、成型、干燥、烧成。,其中，,骨料,包括,Al,2,O,3,、SiC,和玻璃等。,2025/6/19 周四,76,成孔剂,分为,可燃性物质,(如碳粒)和,高温时分解产生气体的物质,(如碳酸钙)。,在烧结时,成孔剂分解,，逸出气体起,发泡作用,，形成连通开孔。,2025/6/19 周四,77,粘结剂,在烧结时,熔融,，形成液相烧结，将骨料颗粒结合起来；同时，在骨料之间形成孔隙。,粒状多孔陶瓷,除,气孔率较大,外，同一般陶瓷烧结体无大差别。,2025/6/19 周四,78,2,.,蜂窝陶瓷,蜂窝陶瓷,是采用,机械加工方法,制成许多,平行直线开孔,，孔径110,mm,的薄壁多孔结构。,2025/6/19 周四,79,3,.,泡沫陶瓷,泡沫陶瓷的结构是,在三维空间,重复的十二面体,复杂图形。,泡沫陶瓷,气孔尺寸范围,可从1.2孔/,cm,的最大孔到39.37孔/,cm,的极细孔。,2025/6/19 周四,80,泡沫陶瓷的,制造方法,略有别于,一般陶瓷工艺,，它采用特别严密的,软质泡沫塑料,(如聚氨酯)为载体，进而加工成所需形状、尺寸等,。,2025/6/19 周四,81,陶瓷粉末,必须混合成,触变性料浆,，即,流动时比静态时粘度较低,。,这种,触变性,有利于,泡沫纤维的适宜涂覆,，而且没有,过量的排液,。,陶瓷料浆组成,，通常为,固体粉末,(重量)1040,水,。,为了获得更好的性能，可分别添加15的,莫来石,、,二氧化锆,、,氧化镁,。,一种陶瓷料浆的组成，见下表所示：,2025/6/19 周四,82,陶瓷料浆的组成,原料,一般含量/%,较好含量/%,Al,2,O,3,Cr,2,O,3,AlPO,4,膨润土,高岭土,4095,125,0.112,0.112,2.125,4555,1017,0.52,25,1217,2025/6/19 周四,83,组成原料的作用,Al,2,O,3,-,基体材料,，它与铜、铝熔体不起化学反应；,Cr,2,O,3,-,与,Al,2,O,3,配合，有很好的,耐高温,性能和,抗金属熔体腐蚀,性能；,膨润土,-泡沫结构材料的,粘结剂,，烧结时,产生玻璃相,，,增加流动性,；,高岭土,-与膨润土有相似作用；,AlPO,4,-,是一种,空气固化剂,或,粘结剂,，,无需加热,即可使陶瓷浆硬化(但最好还是经烘干)，它与,金属熔体,不起化学反应。,AlPO,4,最好配成,50水溶液,使用。,2025/6/19 周四,84,5,.3.4,多孔陶瓷的应用,1 在金属熔体过滤净化技术中的应用,2 精过滤技术在其他领域的应用,3 作催化剂载体,4 作敏感元件,5 作为隔膜材料,6 降低噪声,7 用于布气,2025/6/19 周四,85,因为,泡沫陶瓷,和,蜂窝陶瓷,等多孔陶瓷材料具有,过滤面积大,、,过滤效率高,的特点，因此，在金属熔体,过滤净化技术,中，泡沫陶瓷作为一种新型,高效过滤器,，得到人们的重视。近年来，国内外对于利用,泡沫陶瓷过滤器,对,合金铸件,或,铸锭,的,过滤净化技术,进行了大量研究，取得明显的效果。,1,.,在金属熔体,过滤净化技术,中的应用,2025/6/19 周四,86,一些,金属熔体,在浇注过程中,，会产生大量的,夹杂物,，而且,部分微小夹杂物,呈,悬浮状,分布于,液态合金,中；,另外，原料本身也存在部分杂质。,利用传统,精炼技术,难以去除上面的这些,夹杂物,和,杂质,，直接影响合金质量。,2025/6/19 周四,87,因为这些微小,夹杂物或杂质,给合金的,力学性能,、耐腐蚀性、,铸造性能,以及,加工性能,带来极为不良的影响。,采用,泡沫陶瓷,进行,过滤净化,，不仅能有效去除,合金中的夹杂物和杂质,，消除,铸造缺陷,，而且可大幅度,提高合金的力学性能,。,2025/6/19 周四,88,2精过滤技术在其他领域的应用,用,泡沫陶瓷,或,蜂窝陶瓷,有效地捕获,柴油机尾气中,小于,lum,的,炭粒,；,精密气动装置或液压装置中,利用孔径约为20,um,的陶瓷过滤器，可,去除对装置有害的微粒,；,2025/6/19 周四,89,用,陶瓷多孔管,作,尘埃阻滤元件,可测定1000高温烟气中05,um,以上的,尘埃,；,利用,碳化硅,制成的孔径约40,um,的多孔陶瓷可用于,核电站中低放射性废弃物燃烧处理时的过滤,；,以最大孔径为0.9,um,的多孔陶瓷过滤管可,除去饮料及药液中所含的大肠杆菌,。,2025/6/19 周四,90,3,.,作催化剂载体,由于,多孔陶瓷,具有良好的,吸附能力和活性,，被覆催化剂后，反应流体,通过多孔陶瓷孔道后,，将大大提高,转换效率,和,反应速度,。,2025/6/19 周四,91,4,.,作敏感元件,利用,多孔陶瓷探头,制成的,土壤水分测定装置,，可快速测出土壤中的水分变化，其,探头的灵敏度,取决于,材料的气孔率及孔径,。,多孔陶瓷片两侧,镀覆电极后，插入土壤中，,土壤含盐率的高低,将由陶瓷片的,电阻值变化,而反映出来。,2025/6/19 周四,92,5,.,作为隔膜材料,在电解法生产双氧水工艺中，用多孔陶瓷作为,阳极隔膜,，控制其孔径小于0.5,um,及渗透性指标，可大大,降低电解槽电压,，,提高电解效率,，,节约电能,和,贵金属电极材料铑的消耗,，效率可提高50以上。,2025/6/19 周四,93,6,.,降低噪声,利用多孔陶瓷的,孔道阻尼作用,可使,高速排气管的排气速度降低,。如排气速度降低1/2，则噪声衰减24,dB。,中国在实际应用中,取得了降低噪声2535,dB,的效果。,2025/6/19 周四,94,7,.,用于布气,孔径为10 600,um,的多孔陶瓷用于化工、冶炼等过程，可,增大气液反应接触面,而加速反应。,目前城市废水处理的,活性污泥法,中，已使用了大量,多孔陶瓷管,或,多孔陶瓷板,进行布气。,2025/6/19 周四,