功能材料-功能陶瓷

1、碩士研究生課程,功能材料,吉林大學材料科學與工程學院,,,功能陶瓷,講授：孫彥彬,,功能陶瓷材料是指在應用時主要利用其非力學性能的材料，這類材料通常具有一種或多種功能，如電學、磁學、光學、熱學、化學、生物等；有的還有耦合功能，如壓電、壓磁、熱電、電光、聲光、磁光等。隨著材料科學的迅速發(fā)展，陶瓷材料的各種新性能、新應用不斷被人們所認識，并積極加以開發(fā)，陶瓷材料在現(xiàn)代科學技術(shù)中的地位也隨之日益提高。,由功能陶瓷材料制作的電容器、壓電元件、磁

2、性元件、熱敏電阻、壓敏電阻、氣敏電阻、濕敏電阻、光敏電阻等已在能源開發(fā)、空間技術(shù)、電子技術(shù)、傳感技術(shù)、激光技術(shù)、光電子技術(shù)、紅外技術(shù)、生物技術(shù)、環(huán)境科學等領域得到廣泛的應用。,因為功能陶瓷應用的范圍廣、場合多，按材料的功能可以把陶瓷分為許多類。,,熒光陶瓷透光陶瓷反光陶瓷偏振光陶瓷,熱敏陶瓷氣敏陶瓷濕敏陶瓷壓敏陶瓷色敏陶瓷,生物醫(yī)學陶瓷催化陶瓷耐腐蝕性陶瓷吸附陶瓷,絕緣陶瓷導電陶瓷壓電陶瓷超導陶瓷,吸收中子陶瓷

3、中子減速陶瓷,磁性陶瓷磁光陶瓷,,,,,,,,光學陶瓷,,,左：硫化鋅光學材料中：氧化鎂紅外窗口材料右：高壓鈉燈用透明氧化鋁陶瓷,,,,,,,—在光學上透明的功能材料，具有一般鐵電陶瓷所有的基本特性和獨特優(yōu)異的電光效應。,絕緣陶瓷,線軸絕緣子、瓷套及電力系統(tǒng)應用,,,,,,,,,—在電子設備中作為安裝、固定、支撐的保護、絕緣及連接各種無線電元件及器件的高介電常數(shù)陶瓷材料,超大規(guī)模集成電路用基片基板,左：氧化鋁基片中：透明氮化鋁

4、微波介質(zhì)、紅外窗口材料右：氮化鋁基片—新一代散熱和封裝材料,,—具有高介電常數(shù)和導熱系數(shù)的材料,鐵電陶瓷,,,,左：鐵電隨機存取存儲器右：光開關、光調(diào)制用透明鐵電陶瓷,,,,,—鐵電性：在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，在外電場作用下自發(fā)極化能重新取向，而且電位移矢量與電場強度之間的關系呈電滯回線現(xiàn)象的特性,壓電陶瓷,,,,左：電子點火頭（煤氣灶、熱水器點火）中：裝有壓電陶瓷換能器的超聲波潔牙器右：壓電陶瓷系列（無繩電話、對講機）,

5、,,,,—壓電性：在晶體的特定方向上施加壓力或拉力，晶體的一些對應的表面上分別出現(xiàn)正負束縛電荷，其電荷密度與外施力的大小成正比例。,微波介質(zhì)陶瓷,,,,左：手機用微波介質(zhì)陶瓷中：聲表諧振器（家用遙控電器）右：陶瓷濾波器（無繩電話、機頂盒、BB機）,,,,,,—在微波濾波器中用作介質(zhì)諧振器的陶瓷,磁性陶瓷,左：磁盤中：卡通玩具右：冰箱用封條,,—具有其它材料難以比擬的磁性強度的陶瓷,熱敏陶瓷,,,,左： PTC電烙鐵中：暖風溫控

6、淋浴器用PTC陶瓷右：空調(diào)溫度傳感器（PTC、NTC傳感器）,,,,—利用熱變化引起電阻和電流變化的特異性能制備的陶瓷,氣敏陶瓷,,,左：汽車尾氣檢測氧傳感器右：裝載去除尾氣催化劑的蜂窩陶瓷,—利用氣氛變化引起電阻和電流變化的特異性能制備的陶瓷,生物陶瓷,,,,陶瓷牙齒 生物陶瓷關節(jié),,—用于制造人體“骨骼-肌肉”系統(tǒng)和修復或替換人體組織器官的一類陶瓷材料,透明陶瓷 一般來說，陶瓷都是不

7、透明的，可是今天人們確實得到了和玻璃一樣透明的陶瓷。那末陶瓷是怎樣變成透明的呢?這還得從陶瓷材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)講起，無論是我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫奶沾善髅?，還是新技術(shù)中應用的各種特種陶瓷如氧化物、碳化物、氮化物等陶瓷材料，盡管它們的化學成份各不相同，以及制品的外形千差萬別，可是如果把它們切磨成很薄的片子放在顯微鏡下進行觀察的話，發(fā)現(xiàn)它們都有一個共同的特征，即含有無數(shù)個很細小的晶粒，在晶粒與晶粒之間是一些玻璃狀的物質(zhì)和氣孔，如下圖所示。,由于這些

8、雜質(zhì)和氣孔的存在，陶瓷的機械強度變得很差，特別當光線射進陶瓷后，雜質(zhì)擋住了它的去路，再加氣孔很多，使光線產(chǎn)生吸收或散射，這樣七折八扣，光線就透不過去了，使陶瓷變成不透明。人們在分析了陶瓷不透明的原因后，為了得到透明的陶瓷，想方設法在陶瓷制造過程中消除氣孔。一般包在氣孔中的氣體是比較難跑出來的，所以陶瓷的素壞在高溫下燒成的時候，高溫爐中要通入氣體或者抽成真空，這樣就能把包在氣孔中的氣體趕出來，同時還要對素坯加一點壓力，使原料顆粒間的接觸

9、更加緊密，使陶瓷更致密，透明度更好，這就是所謂的“熱壓”工藝。,熱壓燒結(jié),用普通燒結(jié)法很難燒結(jié)成完全致密的燒結(jié)體。特別是坯件內(nèi)存在的氣孔對致密度有很大影響。為了獲得高密度的燒結(jié)體可采用熱壓燒結(jié)。熱壓燒結(jié)是將粉料或坯件裝在熱壓模具（金屬或高強石墨）中，置于熱壓高溫燒結(jié)爐內(nèi)加熱，當溫度升到預定的溫度（一般加熱到正常燒結(jié)溫度或稍低）時，對粉料或坯件施加以一定的壓力（一般為金屬模壓成型壓力的1/10一1/3），在短時間內(nèi)粉末被燒結(jié)成致密、均勻

10、、晶粒細小的陶瓷制品。,因此，該方法是成型和燒結(jié)同時進行的一種方法。熱壓方法一般適用于難熔陶瓷粉體，這些粉體的燒結(jié)性能很差。由于熱壓是壓制和燒結(jié)同時進行的過程，所以致密化程度要比一般燒結(jié)高得多，迅速得多。實際上，用熱壓法可以制取無孔的制品。,熱壓燒結(jié)的優(yōu)點：①晶粒的長大得到了有效的控制。降低氣孔率、提高燒結(jié)密度、晶粒尺寸小，可以制得幾乎接近理論密度的制品。②降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時間、成型壓力低。③可以防止普通燒結(jié)下出現(xiàn)的成分揮發(fā)或分解

11、。④可以控制材料的顯微結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整燒結(jié)溫度、保溫時間、外加壓力等參數(shù)，可以控制材料的晶粒尺寸。,熱壓燒結(jié)的缺點是：①熱壓燒結(jié)的生產(chǎn)率較低，制品形狀和尺寸有一定的限制，設備復雜；多適用于有特殊要求的材料；②采用高純高強石墨壓模材料時，模具的損耗大，壽命短；③不適于制造形狀過分復雜的制品；④制品表面粗糙，精度低，一般要進行精加工。,等靜熱壓燒結(jié),等靜熱壓燒結(jié)（HIP）也稱熱等靜壓燒結(jié)，是一種在高壓保護氣體下的高溫燒結(jié)方法，其等靜壓由高壓氣

12、體提供。熱等靜壓燒結(jié)也是一種成型和燒結(jié)同時進行的方法。它是利用常溫等靜壓工藝與高溫燒結(jié)相結(jié)合的新枝術(shù)，解決了普通熱壓燒結(jié)中缺乏橫向壓力和產(chǎn)品密度不夠均勻的問題，并可使瓷體的致密度基本上達100％。這種方法是在爐體內(nèi)有一個高壓容器，要燒結(jié)的物體放在里面。粉末或壓坯被密封在不透水的韌性金屬套中或玻璃套中。溫度上升到所需范圍時，引入適當壓力的中性氣體，如N2或Ar。也就是說在一定溫度下有效地施加等靜壓力。,等靜熱壓工藝有5種不同的方式。(1

13、) 先升壓后升溫方式；(2) 先升溫后升壓方法；(3) 同時升溫升壓方式；(4) 熱裝料方式；(5) 冷壓加熱等靜熱壓燒結(jié),等靜熱壓燒結(jié)具有如下優(yōu)點：①能克服在石墨模中熱壓的缺點，使制品形狀不受限制；②由于制品在加熱狀況下，各個方向同時受壓、所以能制得密度極高（幾乎達到理論密度），幾乎無氣孔的制品（比普通燒結(jié)的孔隙度可低20～100倍）；③大幅度提高抗彎強度。等靜熱壓的缺點是：①設備投資大，不易于操作；②制品成本較高；③難以形

14、成規(guī)?；妥詣踊a(chǎn)。,實踐證明，當陶瓷中的氣孔由3％下降到無氣孔時，陶瓷就由幾乎不透明一下子變得完全透明，同時它的機械強度和耐電壓的本領也大幅度提高，所以透明陶瓷材料常常也是高強度材料。此外為了消除雜質(zhì)的危害，透明陶瓷所采用的原料，一般都比較純，同時整個制備過程中環(huán)境的清潔也很重要，不允許有雜質(zhì)的污染。一般Al2O3、Y2O3、MgO、BeO、ThO2、PLZT等均可制成透明陶瓷。,陶瓷一旦透明以后，就能在光學方面開辟很多新的用途，例

15、如半透明Al2O3陶瓷就可用來做特殊光源的燈管，高壓鈉燈里的金屬鈉就是封在半透明的氧化鋁陶瓷管中的。半透明氧化鋁管耐高溫，特別耐金屬鈉蒸氣的腐蝕，這是其他透明材料所無能為力的。,高壓鈉燈,這種燈的發(fā)光效率比普通高壓汞燈高好幾倍，發(fā)出的黃光透霧能力強，深受駕駛員同志的歡迎，所以是一種很好的街道、廣場、機場等照明用的光源。同樣如果在半透明氧化鋁管中充入鉀便可制成鉀燈，它是激光器用的高效激勵光源。其它如Y2O3、MgO、BeO等透明陶瓷也可采

16、用上面講的制備工藝做成，由于它們耐高溫、透明、又可制得較大尺寸的制品，所以是很好的高溫窗口材料。,機場上的高壓鈉燈,高壓鈉燈,還有一類透明陶瓷是摻鑭的鋯鈦酸鉛陶瓷。摻鑭的鋯鈦酸鉛（PLZT），既具有透明性，又具有鐵電性和壓電性，其光學性質(zhì)與鐵電性密切相關。PLZT透明鐵電壓電陶瓷是十分重要的電光陶瓷，即它的光學性質(zhì)會隨著外加電場而改變，具體說來，在這種陶瓷上加上電場以后，它能表現(xiàn)出兩種光學性質(zhì)上的變化，一種叫電控雙折射，一種叫電控光散射

17、。,一、PLZT透明鐵電壓電陶瓷的組成 　 　PLZT陶瓷可用下列通式來表示其化學組成： Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-(x/4)O3 其中X的范圍是0.01～0.30，X+Y=1。 La、Zr、Ti的成分可用X／Y／Z來表示，摻鑭的鋯鈦酸鉛簡寫為PLZT，例如9/65/35PLZT陶瓷就是表式化學組成為Pb0.91La0

18、.09(Zr0.65Ti0.35)0.9775O3的PLZT陶瓷。改變La、Zr、Ti的比例，就可得到具有鐵電相、順電相或反鐵電相中電光性能不同的任一種透明陶瓷。用于電光領域的透明鐵電壓電陶瓷，既要具有鐵電性又要具有高的透明度，對于PLZT陶瓷，透光率隨組成不同而變化，當X=0.08～0.12、y=0.65時，透光率最高。,二、PLZT陶瓷的制備 PLZT陶瓷是由氧化鋯、氧化鈦、氧化鉛等原料再摻入少量氧化鑭經(jīng)混合、成

19、型、熱壓燒結(jié)而制成的。PLZT陶瓷的制備，需要高純原材料（大于99.9%）,同時粒度要?。ㄟ_0.1μm）,這是為了保證每個晶粒的化學成分盡可能相同。為了獲得透明度高的陶瓷，除了要求晶粒本身透明，而且有小的各向異性外，同時必須排除內(nèi)部氣孔，因為殘留氣孔會成為光的散射中心，使透明度下降。為此，通常采用通氧熱壓燒結(jié)法燒結(jié)成品。熱壓可以控制晶粒大小，細晶結(jié)構(gòu)晶粒內(nèi)的電疇發(fā)展較少，疇壁引起的散射作用也就小。燒結(jié)后的制品，再經(jīng)過研磨、切割、拋光就成

20、透明的PLZT陶瓷片，然后根據(jù)不同的應用要求，在PLZT陶瓷片上制成不同的電極，再組裝成各種光學器件。,三、PLZT陶瓷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電光特性,當PLZT陶瓷的溫度低于某一個值時，由于晶粒微細結(jié)構(gòu)中的正負離子電荷中心不重合，結(jié)果在晶粒中存在著許多微小區(qū)域，這樣的微小區(qū)域稱“電疇”，這種陶瓷片不加電場時，這些電疇是雜亂無章排列的(圖a)，這時陶瓷片就和玻璃一樣，無論光從那個方向射入，陶瓷片的性質(zhì)都是相同的，這在光學上稱各向同性，即不會隨光的

21、入射方向不同而表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。,,,,,,,,,,,,,,(a) 極化處理前,但當陶瓷片加上電場以后，這些電疇就會在電場的作用下發(fā)生極化(圖b) ，極化后的電疇排列比較規(guī)矩(圖c) 。,直流電場E,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,剩余極化強度,剩余伸長,電場作用下的伸長,(a) 極化處理前,(b) 極化處理中,(c) 極化處理后,,,,,這樣，陶瓷片就和某種晶體一樣了，能使射入陶瓷片的一束光通過陶瓷片后變成兩束光，在

22、光學上這種現(xiàn)象叫做雙折射效應，由于它是加了電場以后才產(chǎn)生的。電場去掉后，雙折射效應又沒有了，所以這種雙折射效應又叫做電控雙折射效應。如果再在陶瓷片的前后以一定方式放上一對偏振方向互相垂直的偏振片的話，當陶瓷片上不加電場時，這陶瓷片就是各向同性的，由了兩個偏振片互相垂直，因此從第一個偏振片(起偏鏡)射出的偏振光經(jīng)過陶瓷片后就被第二個偏振片(檢偏鏡)擋住，光強變得最弱，這時系統(tǒng)處于關態(tài)。,當陶瓷片上加上電場后，它就有雙折射效應，這雙折射變

23、化的大小是由電場決定的。調(diào)節(jié)外加電場可使從檢偏鏡射出的光變得最強，這時系統(tǒng)處于開態(tài)。電場去掉后又回復到關態(tài)，這樣就成了一個光開關，這種光開關的開關速度極快，它在一秒鐘內(nèi)就能開關上百萬次，所以實際上是一種高速電子快門。,,從光源發(fā)出的自然光通過起偏片變成縱向振動的平面偏振光，如果電光陶瓷沒有受外電場作用，這束偏振光通過陶瓷時將不發(fā)生振動方向的偏轉(zhuǎn)，即仍是縱向振動的平面偏振光。但檢偏片只允許水平振動的偏振光通過，縱向振動的偏振光不能通過，因

24、而此時沒有光輸出，相當于快門關閉。,電光快門的工作原理,電光快門的示意圖,起偏片,電光陶瓷,檢偏片,,如果在電光陶瓷上施加一個電壓，由于電光效應使光的振動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，于是開始有光輸出。隨著施加電壓大小的改變，光輸出的大小也在變化。當所加電壓調(diào)到某一電壓值使光振動方向偏轉(zhuǎn)到水平方向時，光輸出達到最大，相當于快門全部打開，這個電壓稱為半波電壓。電光陶瓷在這里起著光開關的作用，而打開這個開關的則是半波電壓。,起偏片,電光陶瓷,檢偏片,此外當

25、用白光而不是象上面講的那樣的單色光射入加有電場的陶瓷片時，則它可將白光濾成有色光。如果再對加在陶瓷片上的電場進行調(diào)節(jié)的話，則從陶瓷片射出的將是五顏六色的光，所以它又是一種電控的可變?yōu)V色器。這種陶瓷的另一個持性是電控光散射，這種效應只是當陶瓷片中的晶粒比較大時才會發(fā)生，例如大于3～4個微米。這是由于晶粒內(nèi)的電疇發(fā)育而形成了許多散射中心的緣故，當陶瓷片上外加電場的方式不同，其內(nèi)部電疇的排列方向也就不一樣，同樣可起到一個光開關的作用。,四、

26、PLZT陶瓷的應用 也許你有這樣的感受：當眼睛突然受到強烈光線照射后，會暫時看不清周圍的東西，要過一段時間才能恢復正常的視覺。這種現(xiàn)象稱為閃光盲，即眼睛因強閃光暫時喪失視覺功能。閃光盲會給正在進行的工作帶來影響，經(jīng)常發(fā)生閃光盲會損傷視網(wǎng)膜。但在工作和生活中，人們經(jīng)常會遇到強光的刺激。,例如，電弧焊時產(chǎn)生的電弧，最高溫度達到6000～8000K（K是絕對溫度的單位，0℃相當于273.15K），發(fā)出強烈的弧光，所以電焊工人

27、都要帶上面罩，透過近乎黑色的護目鏡才能進行操作。但在電弧尚未產(chǎn)生前，帶了面罩根本看不清周圍情況，工作起來非常不方便。原子彈爆炸時，情況就更嚴重了：一顆梯恩梯當量為20000噸的原子彈爆炸時，火球輻射的光能約30萬億焦耳，幾乎全部光能在3秒鐘內(nèi)驟然釋放。所以核試驗工作人員必須帶上很深的墨鏡。但是原子彈爆炸前帶上墨鏡，就看不清東西，變得寸步難行。原子彈爆炸了再戴上，就來不及了。如果能有一種自動調(diào)光的護目鏡，那該多好。,鋯鈦酸鉛鑭（PLZT

28、）透明鐵電陶瓷可以用做護目鏡鏡片，它是在這種鐵電陶瓷表面蒸上透明電極，然后在它兩側(cè)分別夾上偏振方向互相垂直的偏振鏡構(gòu)成的一種具有夾層結(jié)構(gòu)的護目鏡。這種護目鏡帶有控制電路、電源和開關，用光敏二極管作為強閃光的接收元件。當接收元件測出周圍的光強度超過危險值時，立即發(fā)出信號給控制電路，使鏡片在幾萬分之一秒內(nèi)由透明變成幾乎不透明，鏡片關閉，護目鏡就自動迅速變暗；當危險光消失后，控制電路又自動加壓到鐵電陶瓷薄片上，使鏡片達到最大的開啟狀態(tài)，即又回

29、復到原來的明亮狀態(tài)，所以護目鏡實際上是給人們提供了一雙“電子眨眼”，如下圖所示。,核閃光護目鏡,航空護目鏡,帶光學快門的眼鏡,透明電光陶瓷還可做立體觀察鏡。人們知道，從普通電視機的屏上只能看到平面圖像，沒有立體感，如果要在平面電視屏上看到立體圖像，觀察者就必須戴上一副能分離左眼和右眼圖像的立體觀察鏡，實際上把透明電光陶瓷片做成的兩只電控快門分別裝入普通眼鏡的左框和右框內(nèi)就構(gòu)成了一副立體觀察鏡，但真正要在平面電視屏上看到立體圖像還得下一番

30、功夫，就是還要使電視屏上能交替地產(chǎn)生與左、右兩只快門眼鏡相對應的圖像。,這也并不是困難的事，只要采用左右兩只攝像機來攝像，通過電子線路的控制使左攝像機攝得的圖像在電視屏上顯示時，立體觀察鏡的左快門眼鏡正好處于“開態(tài)”，而右快門眼鏡處于“關態(tài)”。在下一時刻，即當電視屏上顯示右攝像機攝得的圖像時，立體觀察鏡的右快門眼鏡處于“開態(tài)”，而左快門眼鏡處于“關態(tài)”，盡管兩只快門眼鏡是交替地工作的，但由于人的眼睛有暫留效應，所以看到的是穩(wěn)定連續(xù)的栩栩

31、如生的立體圖像。,立體觀察在現(xiàn)代新技術(shù)的不少場合都是十分需要的，例如宇宙飛船在太空中的對接就要求人們在地面站的電視屏前進行立體觀察遙控；人無法接近的放射性和高溫材料的處理也需要操作人員坐在控制室的電視屏前通過機械手進行立體觀察遙控來實現(xiàn)。氣象圖和地貌圖的立體觀察和描繪，分子結(jié)構(gòu)及建筑結(jié)構(gòu)的分析等也都要用立體觀察。,透明電光陶瓷還可在圖像存儲顯示器中得到應用，如果在透明電光陶瓷片的一面涂上光導膜，兩側(cè)再蒸上透明電極，這樣就構(gòu)成了夾層結(jié)構(gòu)，

32、將幻燈片上的畫像成像在光導膜上，同時加上直流電壓，這個畫像就能存儲在其中。這種存儲的圖像可以借助于光學系統(tǒng)進行直接觀察或通過投影把它顯示在屏幕上。當加上反向電場或用光照射的話，則可將圖像擦去。,有一種用來測量電壓的光電壓計，它也是用透明電光陶瓷做成的。它的結(jié)構(gòu)與護目鏡類似，把它接到要測量電壓的線路中，如果一束激光透過透明陶瓷片射向光探測器時，則探測器探測到的激光的強度會隨著線路里的電壓值而下降，因此根據(jù)探測到的光強便可知道電壓值的大小。