功能陶瓷材料的应用研究综述

学年论文`题目：功能陶瓷材料学院：化学学院专业年级：材料化学2012级学生姓名：廖彦学号：20120512263指导教师：周健职称：教授2015年4月17日第-1-页（共6页）成绩功能陶瓷材料材料化学专业2012级廖彦指导教师周健摘要：随着现代新技术的发展，功能陶瓷及其应用正向着高微型化、薄膜化、精细化、多功能集成化、高性能和复合结构方向发展。根据功能陶瓷材料的应用前景，本文介绍了几种重要功能陶瓷材料的性能、应用范围，同时介绍了功能陶瓷材料今后的发展趋势。关键词：功能陶瓷；功能陶瓷材料；应用；发展趋势Abstract：withthedevelopmentofthemodernnewtechnology,highfunctionalceramicsanditsapplicationistowardminiaturization,thinfilms,therefinement,multifunctionalintegration,highperformanceandcomplexstructure.Accordingtotheapplicationprospectoffunctionalceramicmaterial,thispaperintroducesseveralkindsofimportantfunctionalceramicsmaterialperformance,applicationrange,andintroducesthedevelopmenttrendoffunctionalceramicmaterialsinthefuture.Keywords：functionalceramics;Functionalceramicsmaterials;Application;Thedevelopmenttrend1功能陶瓷材料概述利用陶瓷对声、光、电、磁、热等物理性能所具有的特殊功能而制造的陶瓷材料称为功能陶瓷。功能陶瓷是具有电、磁、声、光、热、力、化学或生物功能等的介质材料。功能陶瓷材料具有微波介电性能、气敏性能、超导性能、电阻梯度性能、铁电性能及其相变行为、多层驱动性、弛豫性能等多种优良的功能，应用十分广泛。功能陶瓷材料种类繁多，用途广泛，主要包括铁电、压电、介电、第-2-页（共6页）热释电、半导体、电光和磁性等功能各异的新型陶瓷材料，它与传统的陶瓷相比在原料及工艺等方面有很大的区别，是知识和技术密集型产品。2四类功能陶瓷材料及其研究进展2.1导电陶瓷通常陶瓷不导电，是良好的绝缘体。例如在氧化物陶瓷中，原子的外层电子通常受到原子核的吸引力，被束缚在各自原子的周围，不能自由运动。所以氧化物陶瓷通常是不导电的绝缘体。然而，某些氧化物陶瓷加热时，处于原子外层的电子可以获得足够的能量，以便克服原子核对它的吸引力，而成为可以自由运动的自由电子，这种陶瓷就变成了导电陶瓷，它具有良好的导电性能，而且能耐高温，是磁流体发电装置中集电极的关键材料。石康源[1]认为ZnO导电陶瓷在室温下就具有较高的导电性，这与晶格是纤维锌矿型、能带结构以及微观结构密切相关。目前，已经研制出多种可在高温环境下应用的高温电子导电陶瓷材料：碳化硅陶瓷的最高使用温度为1450℃，二硅化钼陶瓷的最高使用温度为1650℃，氧化锆陶瓷的最高使用温度为2000℃，氧化钍陶瓷的最高使用温度高达2500℃。他们应用也是十分广泛，例如碳化硅陶瓷是从20世纪60年代开始发展起来的，之前只要用于机械磨削材料和耐火材料。[2]现在已经不仅仅满足与制备传统碳化硅陶瓷，近几年以碳化硅为基的复相陶瓷相继出现，改善了单体材料的韧性和强度，这将有助于我国陶瓷产品的发展。此外，还有离子导电陶瓷和半导体陶瓷，与单晶半导体不同的是，半导体陶瓷存在大量晶界，晶粒的半导体化是在烧结工艺过程中完成的。因此具有丰富的材料微结构状态多样的工艺条件，特别适用于作为敏感材料。[3]如PTC(positivetemperaturecoemcient的缩写)材料在国内无论是基础理论研究还是工业生产规模都有长足进步，其应用范围已渗透到航天、航空、航海、无线通讯、有线通讯、电子工业和民用电器等各个领域。[4]而第-3-页（共6页）铬酸镧(La—CrO)是一种钙钛矿型复合氧化物，具有很高的熔点(2490℃)，它在掺杂Ca、sr和Mg等二价碱土金属后具有很多特殊的性质。在高温发热材料、固体氧化物燃料电池连接材料、催化剂、NTC热敏电阻等方面都得到广泛的应用。从20世纪8O年代对超导陶瓷的研究有重大突破以来，对高温超导陶瓷材料的研究及应用就倍受关注。目前高温超导材料的应用正朝着大电流应用、电子学应用、抗磁性等方面发展。2.2压电陶瓷一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。压电陶瓷的晶体结构上没有对称中心，因而具有压电效应，即具有机械与电能之间的转换和逆转换的功能。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性。压电陶瓷除具有压电性性、介电性、弹性等，已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等[5]。压电材料由于其成份和结构的不同，故其压电性能各有特点，根据器件应用性能参数的要求,实际应用领域也各有侧重。例如铋层状结构无铅压电陶瓷体系压电性能稳定、谐振频率的时间和温度稳定性好，适合用于制作高温能量转换领域的器件，钙钛矿型铁电体BNT陶瓷具有铁电性强、机电耦合系数大、声学性能好，适合制作高频超声换能器和声表面波器件[6,7]。无铅钛酸钡基压电陶瓷系列，可以应用于中低温压电陶瓷系列产品，制备技术较为成熟，关键是产业化生产中解决陶瓷片烧结后的分片问题，这可以调整配方和控制工艺技术来解决这一关键技术问题，目前已经有相关的发明专利技术[8]。2.3纳米功能陶瓷利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，通过往陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等，使晶粒、晶界以及他们之间的结合都达到纳米水平，使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。它克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生重要影第-4-页（共6页）响。陶瓷材料的脆性大、不耐热冲击、不均匀、强度差、可靠性低、加工困难等缺点大大地限制了陶瓷的应用。随着纳米技术的广泛应用，希望以纳米技术来克服陶瓷材料的这些缺点，如降低陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。因此纳米陶瓷被认为是解决陶瓷脆性的战略途径[9]。同时,纳米陶瓷也为改善陶瓷材料的烧结性和可加工性提供了一条崭新的途径。2.4光催化功能陶瓷随着高新技术的发展，高技术陶瓷已成为国民经济建设和国计民生不可缺少的支柱材料。在环境保护领域用于节能、减排以及“三废”处理的环保功能陶瓷正崭露头角，例如用于汽车、摩托车尾气净化的蜂窝陶瓷载体，用于蓄热式燃烧技术的蜂窝陶瓷蓄热体，用于处理工业废气和废水的催化剂载体，用于分离气体、固体的陶瓷膜，以及各种抗菌陶瓷等等。其中将光催化剂负载于陶瓷表面制成的光催化功能陶瓷，克服了粉末态催化剂难回收的弊端，使光催化技术在空气和污水净化方面的应用得以实现[10]。因此，孔德双、谷昌军[11]等认为研究光研发光催化功能陶瓷的“三废”治理技术，拓展高技术陶瓷在环保节能中的应用，完全符合国家的可持续发展战略，也符合陶瓷行业产业结构调整的方向。在光催化功能陶瓷材料中，K2Ti6O13具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、耐热隔热性、良好的生物相容性及半导体性能，被用于绝热材料、加固材料、功能性填充料和催化剂等行业。[12]李靖、张兆娟、史小琴等人就K2Ti6O13的制备以及光催化性质做了研究，认为K2Ti6O13在染料废水和重金属废水过程中均具有光催化作用K2Ti6O13对甲基橙的吸附能力较强，光催化效率较高，因而推测其在光催化净化染料废水方面有潜在应用。3功能陶瓷的发展趋势功能陶瓷的发展始于20世纪30年代，经历从电介质陶瓷，压电铁电陶瓷，半导体陶瓷，快离子导体陶瓷，高温超陶瓷的发展过程，目前已发展成为性能多第-5-页（共6页）样、品种繁多、使用广泛、市场占有份额很高的类先进陶瓷材料。十年来功能陶瓷从高介电系数陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷、电光陶瓷、半导电陶瓷到智能陶瓷的发展，使人们利用这些材料所特有的功能创建了很多高科技的新型传感器、换能器和驱动器。它们体积小、信号密度高、速度快而且便于组合集成，为了能研制出智能程度更高的器件和系统，近年来又出现了一些新材料如多铁电体（multiferroelectrics）陶瓷和左手（lefthand）材料等。近十年来，在人类社会对能源、计算机、信息、激光和空间等现代技术的迫切需求的牵引下，功能陶瓷在新材料探索、现有材料潜在功能的开发和材料、器件一体化以及应用等方面都取得了突出的进展，成为材料科学和工程中最活跃的研究领域之一，也是电子信息、集成电路、移动通信、能源技术和国防军工等现代高新技术领域的重要基础材料。因此，功能陶瓷今后在性能方面会向着高效能、高可靠性、低损耗、多功能、超高功能以及智能化方向发展。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，在材料及应用的主要研究方向应包括智能化敏感陶瓷及其传感器，具有高转换率、高可靠性、低损耗、大功率的压电陶瓷及其换能器；超高速太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、用稳定性的多层陶瓷电容器材料等。我们要牢记，最先进的技术是买不来的，我们一定要积极发展有自主知识产权的技术，以使自己在未来全球经济一体化的大潮中立于不败之地参考文献:[1]石康源.ZnO导电陶瓷的微观结构与导电机理[J].功能材料,1996,27（01）：61-63[2]柴威.碳化硅陶瓷的应用现状[J].轻工机械,2012,30（4）:117[3]杨秀凯,千学著.电子功能陶瓷材料的应用及发展[J].中国电子商情,2003,（Z1）：33-35[4]叶超群,徐政,严彪.电子陶瓷材料介电功能应用研究现状与前瞻[J].江苏陶瓷,2004,37第-6-页（共6页）（02）:15-19.[5]WuZG,RonaldE.Pressure-inducedanomalousphasetransitionsandcolossalenhancementofpiezoelectricityinPbTiO3[J].PhysicalReviewLetters,2005,95(037601):1-4[6]尹奇异,廖运文,赁敦敏.无铅压电陶瓷的器件应用分析[J].压电与声光,2006,28(2):164-166.[7]范桂芬,吕文中,饶源源.(K0.5Na0.5)12xSrx(Nb0.94Sb0.06)O3无铅压电陶瓷结构及性能研究[J].无机材料报,2009,24(3):433-437[8]唐新桂,邓颖宇,蒋力立.高压电系数无铅锆钛酸锶钡系压电陶瓷[P].中国专利:CN1837144,2006-09-27[9]CahnRW.Nanomaterialscomingofage.Nature,1988,332(60-61):112-115[10]姚治才.环境问题与陶瓷[J].陶瓷.1999.1：7-12.[11]孔德双,谷昌军.光催化功能陶瓷的研制[J].中国陶瓷.2008,44（3）：11[12]李靖,张兆娟,史小琴.功能陶瓷材料K2Ti6O13的合成和光催化性质研究[J].中国陶瓷.2014,50（2）：24-29