功能陶瓷的制备方法、性能及应用1

功能陶瓷的制备方法、性能及应用举例目录2.陶瓷研究的发展历程1.功能陶瓷的定义4.功能陶瓷的性能3.功能陶瓷的制备方法5.功能陶瓷的应用1.功能陶瓷的定义•功能陶瓷•指具有优异的物理性能、化学性能及生物学性能，如电、光、磁、热、声、化学、生物医学，且各种功能之间可以相互转换的陶瓷材料。•应用主要取决于电绝缘性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性及生物适应性、化学吸附性等2.陶瓷研究的发展历程陶瓷发展的三阶段:(1)远古时的新石器时代，出现陶器，东汉晚期，出现瓷器.隋唐时代是我国封建社会经济、文化突出发展的时期。唐三彩是一种低温铅釉陶器，因经常使用黄、绿、褐三种色彩得名，一般作为陪葬品，分为器皿、人物、动物，是我国古代陶器工艺的精品。宋代是中国制瓷业极其辉煌的历史時期，各地新兴窑场不断，涌现出不少驰名中外的瓷窑。所谓五大名窑—定、汝、官、哥、钧就是其中的典型代表2.陶瓷研究的发展历程(2)近代起，出现先进陶瓷又称为精细陶瓷、新型陶瓷、特种陶瓷、高技术陶瓷。现代陶瓷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。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。2.陶瓷研究的发展历程(3)第三阶段-纳米陶瓷-20世纪90年代纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，主要包括晶粒尺寸、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纳米陶瓷是当前陶瓷材料研究中一个重要的发展方向，将促使陶瓷材料研究从工艺到理论、从性能到应用都提高到一个崭新阶段3.功能陶瓷的制备方法•一、功能陶瓷制备的一般工艺及要求•大多数功能陶瓷的制备工艺步骤基本相似，一般包括以下步骤：•配料→混合→预烧→粉碎→成型→排塑→烧结→→后处理（极化、磁化等）原料配料混合干燥粉碎成型制品后处理烧结.镇压成型等静压成型热压铸成型挤压成型常压烧结热压烧结反应烧结hip切削磨削研磨旋釉金属化接合封接现代陶瓷制造工艺图（烧结陶瓷）3.功能陶瓷的制备方法1、配料：根据配方（化学反应的配比）和生产需要的数量计算出各种原料所需的质量。用天平称取各原料。为使后面的化学反应顺利进行，原料的颗粒尽量小些（不要超过2m，最好为纳米粉），纯度要高。对于配料中用量多的原料，最好先清除其中的有害杂质3.功能陶瓷的制备方法2、混合：通常使用转动球磨机或振动球磨机进行，有用干法的，也有用湿法的，所用的球大多是玛瑙球。用球磨法不但可以混合，同时还可以使原料颗粒进一步被粉碎。球磨要足够长时间以使各成分原料均匀混合，最大限度地彼此接触，以利于后面的化学反应。当然，混合也可以采用其它方法，只要达到各原料的均匀混合就行。3.功能陶瓷的制备方法3、预烧：混合好的料进行预烧，目的是让各成分间进行化学反应，生成目标化合物。不同的化学反应有不同的条件（温度、压力、气氛等）如果无法知道这些条件，必须借助一系列分析手段来确定预烧条件，例如可以用差热分析法（DTA）和热重分析法（TGA）来判断特定的化学反应是否进行。3.功能陶瓷的制备方法4、粉碎、成型：将预烧后的材料粉碎是为了成型。成型是按使用要求将材料做成某种特定形状的坯体。成型根据不同要求可以采用模压、轧膜等方式。为便于成型，成型前通常要在粉碎的料中加入某种粘合剂。常用粘合剂的配方及重量比为：聚乙烯醇15%，甘油7%，酒精3%，蒸馏水75%；在90℃下搅拌溶化。对模压、粘合剂一般是料粉重量的5%，而对轧膜，则粘合剂要达料粉重量的15～20%。3.功能陶瓷的制备方法5、排塑：去除成型坯体中的水分、粘合剂的过程称排塑或排胶，一般采取加温办法。在粘合剂中，聚乙烯醇的挥发温度最高（200～500℃），为使排塑彻底，要达到合适的排塑温度，并保温一定时间。在排塑的升降温中，速度不要太快，一般小于100℃/h.3.功能陶瓷的制备方法6、烧结：这一过程是晶体结构形成和扩大的过程，可称为晶化过程。在预烧后粉碎成型的坯体中，已经存在着许多细小的晶粒，在一定的高温下，通过原子的扩散运动实现材料的晶化过程：一方面，在晶粒内部自由能较高的区域和晶界处生成新的晶核，不断长大；另一方面，由于晶粒表面张力的作用，一部分晶粒依靠“吞噬”另一部分晶粒而长大，这种长大常通过晶界的移动实现。3.功能陶瓷的制备方法7、后处理：极化、磁化等后处理是一些专用功能陶瓷烧成后的必要处理过程，目的是使各晶粒中的某性能尽可能按同一方向排列，以达到块材整体具有较强的性能。3.功能陶瓷的制备方法化学法制备陶瓷粉料共沉淀是指溶液中一种不溶或难溶成分在形成沉淀过程中，将共存的某些其它组分一起带着沉淀下去的现象。吸附共沉淀：特征是主沉淀成分表面积大、吸附力强，故吸附和富集效率高。混晶共沉淀：两种金属离子和一种沉淀剂形成的晶形、晶核相似的晶体，称为混晶。如PbSO4-SrSO4混晶。3.功能陶瓷的制备方法PZT粉料的共沉淀法制备PZT：压电陶瓷(锆钛酸铅)3.功能陶瓷的制备方法2、Sol－Gel法金属醇盐或其它盐类通常溶解在醇、醚等有机溶剂中形成均匀的溶液(Solution),溶液通过水解和缩聚反应形成溶胶，进一步的聚合反应经过溶胶-凝胶转变形成凝胶（Gelation）。再经过热处理，除去凝胶中的剩余有机物和水分，最后形成所需的材料3.功能陶瓷的制备方法YSZ粉的Sol－Gel法制备YSZ：钇稳定氧化锆Sol－Gel：溶胶-凝胶法刚玉陶瓷制备工艺流程示意图3.功能陶瓷的制备方法一些特殊的烧结方法：1、热压烧结2、气氛烧结3、微波烧结微波烧结的机理：微波烧结基于微波与物质的相互作用，包括介质吸收微波后所产生的电导损耗和极化损耗。在导电材料中，电磁能量损耗以电导损耗为主。且高温下电导损耗将占主要地位。而在介电材料（如陶瓷）中，由于大量的空间电荷能形成的电偶极子产生取向极化，且相界面堆积的电荷产生界面极化，在交变电场中，其极化响应会明显落后于迅速变化的外电场，导致极化弛豫此过程中微观粒子之间的能量交换，在宏观上就表现为能量损耗。陶瓷的烧结方法烧结方法特点常压烧结该法在原料成型后只进行烧结,便可成为制成品,因此,经济有效,因应用广泛。热压烧结是将粉末填充于模型内,在高温下加压结烧的方法,但成本高。反应烧结通过化学反应面的烧结的方法,如Si2N4、ＳｉＣ采用该法。二次反应烧结是最新烧结ＳＩ３Ｎ４的方法，当硅粉末成型体氮化之前或后，使他浸渍Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯ等，通过反应烧结后的添加剂，来实现致密烧结的方法。其他超高压烧结，ＶＣＤ微波烧结工艺等。二、功能陶瓷的性能功能陶瓷中包括电磁功能、光学功能和生物-化学功能等陶瓷制品和材料，此外还有核能陶瓷和其它功能材料等。日用陶瓷－餐具建筑陶瓷－地砖电瓷性能：耐高温、耐磨、耐腐蚀、高硬度、高强度及其它特殊性能(压电性、磁性和光学性能)，但脆性大功能陶瓷性能的举例电绝缘陶瓷•介电常数小•介电损耗要小•介电强度•体积电阻率要大陶瓷电容器•介电常数高•稳定性要好•介质损耗要小•体积电阻率要大•具有较高的介电强度小结：功能陶瓷和结构陶瓷的主要性能功能陶瓷•特是指以电、磁、光、声、热力、化学和生物学信息的检测、转换、耦合、传输及存储功能为主要特征，这类介质材料通常具有一种或多种功能。结构陶瓷结构陶瓷主要是用于耐磨损、高强度、耐热、耐热冲击、硬质、高刚性、低热膨胀性和隔热等结构陶瓷材料三、功能陶瓷的应用实例•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。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。SnO2气敏陶瓷是目前应用最广泛的材料，可掺杂Pd、In、Ga、CeO2等活性物质提高其灵敏度。•SnO2气敏陶瓷对可燃性气体，如氢、甲烷、丙烷、乙醇、丙酮、一氧化碳、城市煤气、天然气都有较高的灵敏度。生物陶瓷用于人体组织和器官的修复并代行其功能的人造材料称为生物材料或生物医学材料。