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第八章功能陶瓷功能陶瓷是指利用电、磁、声、光、热、力学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应用功能的陶瓷。广泛应用于电子技术、能源开发、传感技术和生物技术等各个领域。功能陶瓷通常根据其本征的功能及其主要用途进行分类：机械材料；热学材料；电学材料；光学材料；化学材料；生物材料。8.1功能陶瓷及其分类陶瓷功能材料的改进方法a.从材料的组成上直接调节，优化其内在品质，包括采用非化学式计量、离子置换、加入不同类型杂质，使不同相在微观级复合，形成不同性质的晶界层等。b.通过改变外界条件，即改变工艺条件和提高陶瓷材料的性能，达到获得优质材料的目的。1）生物陶瓷概念：具有特殊生理行为的陶瓷材料，可以作为生物体部分功能或形态修复材料。性能要求：1.无毒性，生物兼容性2.物理、化学稳定性3.生物亲和性4.易消毒5.抗血栓性生物陶瓷分类1.生物惰性陶瓷2.生物活性陶瓷3.生物复合材料生物惰性材料特点：结构稳定，化学键合力强，具有高机械强度、耐磨性及化学稳定性。主要材料包括：氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等主要用途：外科手术中的生物假体，如人工关节等生物活性陶瓷表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷（生物降解陶瓷）表面生物活性陶瓷特点：通常含有羟基，可做成多孔性，生物组织可长入并同其表面发生牢固的键合生物吸收性陶瓷特点：能部分吸收或者全部吸收，在生物体内能诱发新生组织的生长。生物活性陶瓷主要物质1.生物活性玻璃2.羟基磷灰石陶瓷3.磷酸三钙8.2敏感陶瓷定义：当作用于材料元件上的某一外界条件如温度、压力、湿度、气氛、电场、磁场、光及射线等改变时，能引起该材料某种物理性能的变化，从而能从这些元件上准确迅速地获得某种有用的信号。分类：热敏、压敏、湿敏、气敏、声波敏感陶瓷、磁敏和多敏性陶瓷热敏陶瓷热敏陶瓷是一类其电阻率随温度发生明显变化的材料。分类：PTC、NTC、CTR1.PTC热敏电阻陶瓷1）居里温度Tc2）PTC热敏陶瓷材料3）PTC热敏陶瓷的应用居里温度Tc在小于Tc温度区域，电阻随温度升高而下降，服从eΔE/2KT规律在Tc附近时，发生相变，随温度升高，电阻急剧升高，称为PTC温度区域在大于Tc的温度区域，有呈负温度特征，服从eΔE/2KT规律05010015020010-1100101102103104105mt/℃CTRPTCNTCPTC热敏陶瓷种类两个系列：BaTiO3基PTC特点：具有优良PTC效应，Tc温度区域电阻率跃变达103－107V2O3基PTC材料特点：在常温下电阻率很小，其PTC属于金属－绝缘体型相变，没有电压效应和频率效应，可用于大电流领域的过流保护性能BaTiO3系热敏电阻V2O3系热敏电阻室温电阻率ρ20/Ω•cm3~10000(1~3)*10-3无负载电阻增加比103~1075~400最大负载电阻增加比约1505～30转变温度/℃－30～＋320－20～＋150温度系数/(%/℃)～20约4最大额定电流密度/(A/mm2)0.01约1最大电流密度/(A/mm2)－约400电压/频率相关有/有无/无PTC热敏陶瓷的应用实用价值特性：电阻率－温度、电流－电压、电流－时间、等温发热电阻、收缩振荡、发热。应用方面：a.对温度敏感，如马达的过热保护、液面深度探测、温度控制和报警、非破坏性保险丝、晶体管过热保护、温度电流控制器等；b.延迟，如彩色电视机自动消磁、马达启动器、延迟开关等；c.加热器，如等温发热件、空调加热器等。NTC热敏电阻陶瓷定义：指随温度升高而其电阻率按指数关系减小的一类陶瓷材料。负温度系数的温度－电阻特性：0011exp()RRBTT式中，R，R0分别为在T和T0（K）时的电阻；B为热敏电阻常数。由此可得到电阻温度系数：21tdRBRdTT热敏电阻常数B可以表征和比较陶瓷材料的温度特性，B值越大，热敏电阻的电阻对于温度的变化率越大。一般常用的热敏电阻陶瓷的B＝2000～6000K，高温型热敏电阻陶瓷的B值约为10000～15000K。NTC热敏电阻的温度系数αT在工作温度范围内并不是常数，是随温度的升高而迅速减小。B值越大，则在同样温度下的αT也越大，即制成的传感器的灵敏性越高。因此温度系数只表示NTC热敏电阻陶瓷在某个特定温度下的热敏性热敏电阻材料的要求：1.高温物理、化学、电气特性稳定，尤其电阻对高温直流负荷随时间变化小；2.在使用湿度范围内无相变；3.B值可根据需要进行调整；4.陶瓷烧结体与电极的膨胀系数接近。NTC热敏电阻陶瓷三大类：1.低温型；2.中温型；3.高温型。CTR热敏电阻陶瓷定义：是一种具有开关特性的负温度系数的热敏电阻。当达到临界温度时，引起半导体陶瓷－金属相变。CRT热敏电阻主要是以VO2为基本成分的半导体陶瓷，在68℃附近具有很大的负温度系数，故称为剧变温度热敏电阻。应用方面：CRT热敏电阻陶瓷的应用主要是利用其在特定温度附近电阻剧变的特性，用于电路的过热保护和火灾报警等方面。CRT热敏电阻陶瓷的制备CRT热敏电阻陶瓷主要是指以VO2为基本成分的半导体陶瓷，其制备方法是将V2O5和V或V2O3粉末混合，放入石英管中，抽真空后加热至熔点以上。另一方法是将上述粉末的混合物在可控制氧分压的气氛中烧结。VO2热敏陶瓷的热敏原理：金红石结构单斜结构（导体）（半导体）67℃压敏陶瓷定义：是指具有非线性伏－安特性、对电压变化敏感的半导体陶瓷。特点：它在某一临界电压以下电阻值非常高，几乎没有电流，但当超过这一临界电压时，电阻将急剧变化，并且有电流通过。随着电压的少许增加，电流会很快增大。其I－V特性曲线如下图氧化锌压敏陶瓷的伏安特性伏安特性及非线性指数压敏电阻又称为非线性电阻，一般其I-V特性可以用下列共事近似表示VIC＝（）式中：I－－压敏电阻电流，A；V－－施加电压，V；C，α－－常数，其中α为非线性指数。当α＝1时是欧姆器件；当时是非线性最强的变阻器/dIdVIV＝压敏陶瓷电阻器种类：ZnO压敏电阻SiC压敏电阻BaSiO3压敏电阻釉－ZnO压敏电阻Si和Se压敏电阻（1）ZnO压敏电阻陶瓷ZnO压敏电阻陶瓷是压敏陶瓷中性能最优的一种材料，具有高非线性，大电流和高能量承受能力。利用ZnO的弱电场高电阻和达到一定电场时电流急剧上升的特性，广泛应用于弱电和强电领域（2）SiC系压敏电阻陶瓷SiC也是一种压敏陶瓷材料。是应用SiC颗粒接触的电压非线性特性的压敏电阻，其非线性指数α值约为3～7，压敏电阻Vc值可达10V以上。SiC压敏电阻的电压非线性，可以认为是由组成电阻元件的SiC颗粒本身的表面氧化膜产生的接触电阻所引起的，元件的厚度不同可改变Vc的大小。由于SiC压敏电阻的热稳定性好，能耐较高电压，因此首先应用于电话交换机继电器接点的消弧，在电子电路的稳压和异电压控制元件也得到广泛应用。气敏陶瓷定义：能对气体的成分进行有效的分析、检测的陶瓷分类：1.半导体式，又可分为表面效应和体效应2.固体电解质式（1）气敏陶瓷的性能1.物理吸附和化学吸附2.阴离子吸附和阳离子吸附1.物理和化学的稳定性2.气体选择性3.初始稳定，气敏响应和复原特性4.灵敏度及长期稳定性气敏半导体陶瓷的特性要求（2）典型的气敏陶瓷1）SnO2系气敏陶瓷。特点：a.灵敏度高，出现最高灵敏度的温度较低，约在300℃b.元件阻值变化与气体浓度成指数关系，在低浓度范围，这种变化十分明显，因此适用于检测微量低浓度气体c.对气体的检测是可逆的，而且吸附、解吸时间短d.气体检测不需复杂设备，待测气体可通过气敏元件电阻值的变化直接转化为信号，且阻值变化大，可用简单电路实现自动测量。e.物理化学稳定性好，耐腐蚀，寿命长f.结构简单，成本低，可靠性高，耐震动和抗冲击性能好（2）ZnO系气敏陶瓷特点：气体选择性强。利用贵金属催化剂提高其灵敏度，其工作温度较高。（3）Fe2O3系气敏陶瓷特点：不需要添加贵金属催化剂就可制成灵敏度高、稳定性好、具有一定选择性，在高温下稳定性好的元件。湿敏陶瓷湿敏陶瓷能将湿度信号转变为电信号，湿敏器件广泛被用于湿度指示、记录、预报、控制和自动化。种类：1.金属氧化物系1.2.半导体陶瓷湿敏陶瓷工作方式：1.正特性湿敏陶瓷2.负特性湿敏陶瓷020406080100101102103104105106电阻R/相对湿度％RH32102040608010080100120140160180200电阻R/相对湿度％RH（1）湿敏陶瓷的技术参数及湿敏特性a.湿度量程b.灵敏度c.响应时间d.分辨率e.温度系数（2）典型的湿敏半导体陶瓷1.高温烧结型湿敏陶瓷a.MgCr2O4-TiO2系陶瓷b.羟基磷灰石湿敏陶瓷2.低温烧结型湿敏陶瓷a.Si-Na2O-V2O5系湿敏陶瓷b.ZnO-Li2O-V2O5系湿敏陶瓷c.ZnO-Cr2O3系陶瓷d.ZnO-Cr2O3-Fe2O3系半导体陶瓷（3）湿敏半导体陶瓷的应用应用要求：1.稳定性、一致性、互换性要好。2.精度高，使用湿区宽，灵敏度适当3.响应快，湿滞小，能满足动态测量的要求4.湿度系数小，尽量不用温度补偿线路5.可用于高温、低温及室外恶劣环境6.多功能化其他敏感陶瓷简介磁敏陶瓷－－指将磁性物理量转变为电信号的陶瓷材料光敏陶瓷－－收到光照射后，产生不同光电效应，具有光电导，光生伏特和光电发射效应离子敏陶瓷－－指能将溶液或生物体内离子活度转变为电信号的陶瓷多功能复合敏感陶瓷－－具有多种敏感特性