2015第一章功能陶瓷结构基础介绍
陶瓷基础知识的讲义-PPT文档资料
3、研究制品的最佳制作工艺与烧后制品的冷加工技术；
二、陶瓷与工程材料体系
工程材料
金属材料
非金属材料
高分子材料 黑 色 金 属 有 色 金 属 按性能与用途分
陶瓷材料 普 通 陶 瓷 金 属 陶 瓷
复合材料
塑 橡 纤 料 胶 维
胶 涂 粘 剂 料
特 殊 陶 瓷
三、陶瓷的定义：
1、狭义：“用火烧结的制品”，在传统上是指陶器与瓷器。后 来发展到泛指整个硅酸盐材料，包括陶器、瓷器、耐火材料、粘土 制品、搪瓷、玻璃和水泥等材料。其共性是含有SiO2的化合物或氧 化物成分。 2、广义：由于近代无机非金属材料的发展，陶瓷的概念不仅包 括了硅酸盐材料、氧化物，连单晶硅这种无机材料也属于这个范畴。 其定义为“经高温处理工艺所合成的无机非金属材料”。实际上是 各种无机非金属材料的通称。
B、刚度:是各类材料中最高的(刚性由弹性模量来衡量) 比金属高数倍
几种常用材料的硬度和弹性模量见表1
表1 材 料 橡
几种常用材料的硬度和弹性模量 弹性模量E/MPa 6.9 1380 41300 72300 207000 400000 390000 硬度HV 很低 17 30-40 170 300-800 1500 3000
பைடு நூலகம்
思考题： 为什么陶瓷材料能够耐高温呢？ 不论何种材料，其性质主要取决于材料的微观结构，有 机材料大多是分子结合，质点间是靠比较弱的分子力 （范德华力）由自 由电子和构成晶格的正离子之间的静电引力结合起来， 这种键的结合力比分子键强，但比共价健弱，除少数金 属外，大多金属的熔点和硬度并不算高，作为无机非金 属材料的陶瓷主要是离子结合和共价结合，结合力最强， 所以它具有高的熔点与硬度，由于正负离子的外层电子 处于稳定结构，电子被牢固地束缚在离子外围不能自由 运动，所以有很好的电绝缘性，化学稳定性和抗氧化性， 这就是陶瓷材料能够耐高温的根本原因。
陶瓷的组成课件ppt
粘土得种类不同,物理化学性能也各不相同。粘土可呈白、灰、黄、 红、黑等各种颜色。有得粘土疏松柔软且可在水中自然分散,有得粘土则 呈致密坚硬得块状。
c 、伊利石类 伊利石就是白云母经强烈得化学风化作用而转变为蒙脱石或高岭石过
程中得中间产物。组成成分与白云母相似,但比正常得白云母多SiO2与H2O 而少K2O。与高岭石比较,伊利石含K2O较多而含H2O较少。
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3、颗粒组成
颗粒组成:粘土中含有得不同大小颗粒得体积百分比含量。 <1um得细颗粒愈多,则可塑性愈强,干燥收缩大,干后
通指粘土在烧结过程中所表现出得各种物理化学变化及性能。 8、耐火度
耐火度就是耐火材料得重要技术指标之一,它表征材料无荷重时抵 抗高温作用而不熔化得性能。
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(四) 粘土在陶瓷生产中得作用
1)黏土得可塑性就是陶瓷坯泥赖以成形得基础。 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)黏土就是陶瓷坯体烧结时得主体,黏土中得Al2O3含量与杂质 含量就是决定陶瓷坯体得烧结程度、烧结温度与软化温度得主 要因素; 5)黏土就是形成陶器主体结构与瓷器中莫来石晶体得主要来源 。
电绝缘性。
(4)CaO、MgO、K2O、Na2O:降低烧结温度,缩小烧结范围。
(5) H2O、有机质:可提高可塑性,但收缩大。
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2、粘土得矿物组成
粘土很少由单一矿物组成,而就是多种微细矿物得混合体。因此,粘土 所含各种微细矿物得种类与数量就是决定其工艺性能得主要因素。
1第一部分-功能陶瓷
第 一 节 电 介 质 陶 瓷
第 一 节 电 介 质 陶 瓷
2.评价同一电场下材料的极化强度，用材料的相对介电常 数ε r（Rrelative dielectric constant)。相对介电常 数越大，极化强度越大，即电介质陶瓷表面的束缚电荷面 密度大。
Q/Q0=C/C0= ε
r
3. ε 与Ｔ的关系 非线性关系：如铁电陶瓷 线性关系：用温度系数α α
其功能的实现主要来自于它所具有的特定的电绝缘 性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性、生物 适应性等。
电 子 陶 瓷
磁 性 陶 瓷
敏 感 陶 瓷
超 导 陶 瓷
光 学 陶 瓷
生 物 陶 瓷
二、功能陶瓷分类
按电学性质：绝缘体陶瓷、介电陶瓷、半导体陶瓷
、和导电陶瓷；
按热学性质：耐高温陶瓷、电热陶瓷。
瓷在现代陶瓷中仍将占据主导地位。
因此，功能陶瓷今后在性能方面应向着高效
能、高可靠性、低损耗、多功能、超高功能 以及智能化方向发展。
电介质基本概念（复习）
电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。 通常是指电阻率大于108Ω· m的的一类在电场中以感 应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。
在电工技术中，电介质主要用作为电气绝缘材料， 故电介质亦称为电绝缘材料。---最早实用的电介 质，其他功能发现前惟一实用的电介质材料。
ε ε
表示
＝（１／ε ）（ｄε /ｄＴ）
有正值、零、负值三种情况
三、介电损耗 任何电介质在电场作用下，总会或多或少的把部分
第 一 节 电 介 质 陶 瓷
电能转变成热能，使介质发热，在单位时间内因发 热而消耗的能量称为损耗功率或简称介电损耗。
陶瓷的构成
陶瓷的构成陶瓷是一种广泛应用于日常生活和工业领域的材料，它由多种化学成分组成。
陶瓷的构成决定了它的性质和用途。
下面将介绍陶瓷的构成及其特点。
1. 主要成分陶瓷的主要成分是氧化物，主要包括硅酸盐、氮化硼、氧化铝等。
硅酸盐是最常见的陶瓷成分，包括氧化硅和氧化铝。
氮化硼是一种高硬度的陶瓷材料，主要用于制作刀具和耐磨部件。
氧化铝是一种高温耐火材料，广泛应用于冶金、化工和电子等工业领域。
2. 添加剂为了改善陶瓷的性能，常常向陶瓷中添加一些其他元素或化合物。
例如，向氧化铝中添加少量的镁氧化物可以增加陶瓷的硬度和抗压强度。
添加一些稀土元素可以提高陶瓷的导电性能。
添加一些有机物可以改善陶瓷的加工性能。
3. 结构特点陶瓷的结构特点是由其成分和加工方法决定的。
陶瓷的晶体结构可以是非晶态、单晶态或多晶态。
非晶态陶瓷由于缺乏晶格结构，具有良好的透明性和高强度。
单晶态陶瓷由于具有高度有序的晶格结构，具有优异的机械性能和热稳定性。
多晶态陶瓷由于晶粒间存在晶界，具有较好的韧性和热伸展性。
4. 特殊性能陶瓷具有许多特殊的性能，使其在各个领域得到广泛应用。
首先，陶瓷具有优异的耐高温性能，能够在高温环境中长时间稳定工作。
其次，陶瓷具有良好的耐腐蚀性，可以在酸碱等腐蚀介质中使用。
此外，陶瓷具有良好的绝缘性能和磁性能，广泛应用于电子和磁性材料领域。
5. 应用领域陶瓷在日常生活和工业领域有广泛应用。
在日常生活中，陶瓷常用于制作瓷器、瓷砖、餐具等。
在工业领域，陶瓷常用于制作耐火材料、刀具、轴承等。
此外，陶瓷还广泛应用于电子、医疗、航空航天等领域，如陶瓷电容器、人工关节、热障涂层等。
总结起来，陶瓷的构成决定了其性能和用途。
陶瓷的主要成分是氧化物，常常添加一些其他元素或化合物来改善其性能。
陶瓷的结构特点和特殊性能使其在各个领域得到广泛应用。
陶瓷在日常生活和工业领域中扮演着重要的角色，为我们的生活和工作提供了便利和支持。
《功能陶瓷材料》PPT课件
第7章
功能陶瓷材料物理
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前言
材料可以分成三大类，金属、陶瓷、有机高分子。
金属材料的基本特征是：由金属元素原子构成，原子之间 的结合是金属键，含有许多自由电子。
有机高分子材料的基本特征是：主要由碳、氧、氢、硅等 非金属元素原子构成，原子之间的结合主要是共价键，一般 没有自由电子。
为了提高陶瓷质量，人们对粉料制备进行了许 多研究，发明了多种制备超细陶瓷粉料的方法。其 中，湿化学法尤其重要。
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1、共沉淀法
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。
共沉淀的原理基于表面吸附、形成混晶、异电核胶态物质相 互作用及包藏等。
金属蒸汽真空弧离子源离子注入离子束增强辅助沉积等离子源离子注入激光表面合金化激光化学气相沉积等离子体辅助化学气相沉积双层辉光等离子体表面合金化脉冲高能量等离子体表面改性技术离子注入装置举例离子注入材料表面改性的强化机理离子注入后能显著提高材料表面的硬度耐磨性耐疲劳性抗腐蚀和抗氧化等性能其改性的机理认为主要有以下几种
高度均匀性，高纯性，可降低烧结温度，可在分子水平上进
行组元控制。
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例: YSZ粉的Sol－Gel法制备 异丙醇锆 醋酸钇
↓混合搅拌 均匀溶液
↓吸水；水解－聚合反应 溶胶 ↓干燥 凝胶
↓ 煅烧
↓ YSZ粉末 纳米级大小
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三、一些特殊的烧结方法：
1、热压烧结：
就是在对样品施加压力的条件下烧结。
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。
陶瓷知识科普
陶瓷知识科普陶瓷是一种以无机非金属材料为基础、经过成型、烧结而成的制品。
由于其独特的结构和性能，陶瓷在日常生活和各个工业领域中都有广泛的应用。
在这篇科普文章中，我们将介绍陶瓷的分类、制作过程以及应用领域。
陶瓷可以分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。
结构陶瓷主要指用于建筑和装饰等方面的陶瓷制品，如瓷砖、瓷器等。
功能陶瓷则是指用于特定工业领域的陶瓷制品，如耐火陶瓷、电子陶瓷等。
陶瓷制作的基本过程包括原料制备、成型、干燥、烧结等步骤。
在原料制备阶段，需要选择适合的原料，通常包括粘土、石英、长石和瓷石等。
这些原料经过混合、筛选、研磨等处理后，形成细颗粒的陶瓷原料。
成型可以通过手工塑形、注射成型、压制等方式进行，其中最常用的成型方法是干坯压制和注射成型。
成型后，陶瓷制品需要进行干燥，以去除水分，并增强制品的强度。
最后，陶瓷制品经过烧结过程，以高温将颗粒固结并形成坚硬的陶瓷制品。
陶瓷在各个领域有广泛的应用。
在建筑领域，陶瓷制品如瓷砖、瓷砖胶等被用于地板、墙面装饰，其特点是耐磨、耐腐蚀、易清洁。
在化工领域，耐酸碱、耐高温的陶瓷材料被广泛用于化工管道、反应器等设备中，以抵御腐蚀和高温环境的侵蚀。
在电子领域，陶瓷材料的绝缘性能和高温稳定性使其成为电子元件的理想材料，如电容器、介质等。
此外，陶瓷还有医疗、航空航天、汽车制造等领域的应用。
陶瓷在应用中还经常涉及到陶瓷材料的表面处理，如釉面处理和加工。
釉面处理可以使陶瓷具有更好的光滑度、光泽度和装饰效果，并增强其防污、耐磨和抗菌的性能。
加工则是指通过切割、抛光、抛光等方式对陶瓷制品进行加工，以实现不同形状和精度要求。
总之，陶瓷不仅在生活中起到装饰和功能性的作用，也在工业领域提供了重要的材料支持。
随着科学技术的发展，陶瓷材料的性能和应用也不断创新和提高。
通过进一步研究和开发陶瓷材料，相信会有更多的陶瓷应用领域被发掘出来。
功能陶瓷及应用知识点总结
功能陶瓷及应用知识点总结一、功能陶瓷的概念及分类功能陶瓷是指具有特定功能的陶瓷材料，主要包括结构陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷、环境陶瓷和陶瓷复合材料等。
根据功能的不同，功能陶瓷可以分为：1. 结构陶瓷：主要用于承受结构应力和外力作用的陶瓷材料，包括砖瓦、建筑陶瓷、化工陶瓷等。
其特点是硬度高，抗压、抗弯和抗冲击性能好。
2. 功能陶瓷：主要指具有特定功能的陶瓷材料，如氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷等。
其特点是具有一定的电、磁、热、光、声等功能。
3. 生物陶瓷：主要用于医疗领域，如氧化锆陶瓷、生物活性玻璃陶瓷等。
其特点是无毒、无刺激、无放射性，能与生物体组织相容。
4. 环境陶瓷：主要用于环境保护和治理，如陶瓷过滤器、陶瓷填料等。
其特点是耐高温、耐腐蚀，具有吸附、过滤、分离等功能。
5. 陶瓷复合材料：由两种或两种以上的材料经过一定的工艺加工成的复合陶瓷材料，如陶瓷金属复合材料、陶瓷陶瓷复合材料等。
其特点是具有两种或两种以上材料的优点，具有良好的综合性能。
二、功能陶瓷的制备工艺及应用1. 制备工艺（1）粉体制备：包括干法制备和湿法制备两种方式。
干法制备通过研磨、干燥、筛分等步骤获得所需的粉末。
湿法制备则是通过溶胶-凝胶法、水热法、水热合成法等将所需的原料转化成溶液、凝胶状物质，再通过干燥、热处理等步骤制备成粉末。
（2）成型工艺：包括模压成型、注射成型、挤压成型、等静压成型等方式。
（3）烧结工艺：包括氧化烧结、还原烧结、热处理等方式。
2. 应用（1）氧化铝陶瓷：主要用于电气绝缘、耐磨、耐腐蚀、高温、高压等领域，如磨具、瓦楞板、电阻片、耐火材料等。
（2）氮化硅陶瓷：主要用于磨具、轴承、喷嘴、耐火材料等领域，具有高硬度、高耐磨、高耐腐蚀、高温稳定性好的特点。
（3）氧化锆陶瓷：主要用于生物医学领域，如牙科修复、人工关节、医疗器械等，具有生物相容性好、抗摩擦、抗磨损、抗腐蚀等特点。
（4）生物活性陶瓷：主要用于骨科和牙科领域，如骨修复材料、牙科种植体、骨接合材料等，具有促进骨组织生长、良好的生物相容性、无毒、无刺激等特点。
第一讲：结构陶瓷、功能陶瓷、压电陶瓷及应用概述
BME MLCC断面，介质层厚 3 µ m 晶粒尺寸250 nm
成功实现成果转化 ： 风华、深圳宇阳生产出超薄层BME MLCC产 品，山东国腾公司建立了高性能瓷料中心。
授权专利: US7022635B2， ZL98124799.7; ZL 02125720.5 ; ZL 02146520.7 21 申请专利： CA1461023A ; CA1461022A, 200510130476.8, 200410090868.1
PZT
PVDF
ZnO纳米线
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压电材料
-- 分类
常见的压电材料可分为3类，即压电单晶 体、压电陶瓷和新型压电材料。 （1）压电单晶体：石英(包括天然石英和人 造石英)、锂盐类和铁电单晶； 优点：高稳定性，机械强度高，绝缘性高 缺点：压电系数低，价格昂贵 用途：要求较高的传感器
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压电材料
-- 分类
高性能结构陶瓷应用成果：
解决了复杂形状陶瓷部件的工业化生产的关键技术
复杂形状部件、大尺寸部件、高韧性耐 高温高强度部件
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传统陶瓷----玻璃
玻璃:非晶态固体，以石英砂、纯碱、长石、石灰石等为主要 原料，并加入金属氧化物等辅料，在高温窖中煅烧至熔融后， 经成型、冷却所获得的非金属材料。 按功能分类：平板玻璃、压花玻璃、钢化玻璃、吸热玻璃、 热反射玻璃、夹层玻璃、夹丝玻璃、中空玻璃、磨砂玻璃等。
光电材料
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信息功能陶瓷材料—— 电子元器件产业的关键材料
电容器
EMI 滤波器
微波器件
传感器
振荡器
功能模块/ IC
压电声波元件
延迟器
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电子元器件的种类
无源元件(passive devices)：在不需要外加电 源的条件下，就可以显示其特性的电子元件。 主要是电阻类、电感类和电容类元件。 有源器件(active devices)：电子元器件工作时， 其内部有电源存在。包括分立器件（三极管、 场效应晶体管、半导体电阻与电容）；模拟集 成电路器件（比较器、集成稳压器、波形发生 器等）；数字集成电路器件（基本逻辑门、计 数器、单片机、寄存器等） 无源器件
模块二功能陶瓷与结构陶瓷(复习材料)
功能陶瓷与结构陶瓷复习提纲7.1 功能陶瓷概论7.2 功能陶瓷的定义和分类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。
特点：品种多、产量大、价格低、应用广、功能全、技术高、更新快。
7.3 功能陶瓷的性能与工艺特征要实现功能陶瓷材料的功能，需要从性能的改进，一般从两方面入手：1）从材料的组成上直接调节，优化其内在品质；2）改变工艺条件以改善和提高陶瓷材料的性能。
在功能陶瓷制备过程中还应具备下列技术要素：(1)原材料：高纯超细、粒度分布均匀；(2)化学组成：可以精确调整和控制；(3)精密加工：精密可靠，而且尺寸和形状可根据需要进行设计(4)烧结：可根据需要进行温度、湿度、气氛和压力控制。
7.4 粉末材料的制备方法1. 机械制粉：通过机械破碎、研磨或气流研磨方法将大块材料或粗大颗粒细化的方法；2. 物理制粉：采用蒸发凝聚成粉或液体雾化的方法使材料的聚集状态发生改变，获得粉末；3. 化学制粉：依靠化学反应或电化学反应过程，生成新的粉态物质。
化学制粉的方法很多，主要有还原法、热分析法、沉淀法、电解法等。
7.5功能陶瓷的粉体成型方法成型：将松散的粉体加工成具有一定尺寸、形状以及一定密度和强度的坯块。
重要性：成型是获得高性能材料的关键。
坯体在成型中形成的缺陷会在固化或烧成后极显著地表现出来。
一般坯体的成型密度越高则烧成中的收缩越小，制品的尺寸精度越容易控制。
高坯体密度、低缺陷的近尺寸成型（烧成前后坯体尺寸变化很小）是当前成型工艺的发展方向。
分类：(1) 传统成型方法有模压成型、等静压成型、挤压成型、轧制成型、注浆成型和热压铸成型六种方法。
(2) 新成型方法有压滤成型、注射成型、流延成型、凝胶铸模成型和直接凝固成型等。
(3) 按粉料成型状态分为三大类，即压力成型、增塑成型和料浆成型。
压力成型1.干压成型（1）定义：又称为模压成形，是将粉料填充到模具内部后，通过单向或双向加压，将粉料压制成所需形状。
2015 AFM ch1 功能材料概论资料
⑤磁功能：硬磁性(记录介质)、软磁性（磁头等）等。
⑥光功能：透光、反折射光、吸光、偏振光、聚光性等 ⑦化学功能：吸附、催化、生化反应、酶反应等 ⑧其他功能：如放射特性、电磁波特性等。
-28-
Ｂ、二次功能：输入能量 和输出能属于不同形式， 材料起能量转换作用, 这种功能称二次功能或高次功能 有人认为这种材料算真正功能材料。 二次功能可分为四类：
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⑥性能不同用途不同——功能材料与结构材料最大区别
⑦一般，功能单一、但功能突出
⑧生产规模小、更新快、技术保密性强
⑨高投入、高风险，成功，则高产值、高效益产业。
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2、功能材料的分类
属于材料大类的一支。
同时与材料的分类相对应，种类繁多，无统一
分类标准，出发点不同，分类方法不同：
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按材料的种类分类
-27-
按功能显示过程分：一次功能材料和二次功能材料。 Ａ、一次功能：输入能量 和输出能量属于同种形式， 材料起到能量传输作用。 这时材料又称载体材料。
一次功能主要有八种： ①力学功能：粘、润滑、超塑、高弹、防震性等。
②声功能：隔音、吸音性等。
③热功能：传热、隔热、吸热、蓄热性等。 ④电功能：导电、超导性、绝缘、电阻等。
-15-
4、材料学角度分类
结构材料(structural material)：主要利用其保持形状和结构 不变能力。如：制造工具、机械、车辆、房屋、桥梁、铁路、
封装材料等。注：结构材料对物理、化学性能有一定要求，
如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。（例支撑件、 连接件、传动件、紧固件）
功能材料(functional material)：通过某一作用（光、电、磁、 力、热、声、化学、生物等）具有特定功能（由美国Bell Lab. J. A. Morton在1965年提出并受到普遍接受）。也叫特 种材料(Speciality mater)或精细材料(Fine mater).
功能陶瓷材料PPT课件
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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。
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。
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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；
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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Al2O3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。
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。
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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。
陶瓷材料基本知识PPT课件
光纤
激光晶体2材8 料
生物陶瓷
人工关节
口腔陶瓷
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五、陶瓷材料的性能 (一) 力学性能 硬度 陶瓷的硬度很高-1000Hv~1500Hv
（普通淬火钢-500~800Hv）。 刚度 陶瓷的刚度很高-刚度反映其化学键能
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(一) 力学性能
强度 理论强度高-离子键和共价键 实际强度要较理论强度低-组织的不均匀性，内 部杂质和各种缺陷 晶粒越细，强度越高。 高温强度、高温抗蠕变能力、抗氧化性优于金属 材料-常用于高温材料
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
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陶瓷材料的相组成 陶瓷一般是多相多晶材料。由晶体相、 玻璃相、气相组成。
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晶体相 陶瓷材料最主要的组成相 主晶相 氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐）、氧化物、非氧 化物
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玻璃相 玻璃相是陶瓷材料的原子不规则排列的组
成部分，其结构类似于玻璃。
积极作用：填充晶体之间的空隙，提高材 料的致密度；降低烧结温度；阻止晶型转变、 抑制晶粒长大。
出口额占世界整个行业的40%，其中佛山 占60%。
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先进陶瓷材料
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3.主要化学组成（质量%）
SiO2 65～75
Al2O3 7～30
R2O+RO 4～33
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4.陶瓷的结构 陶瓷材料的结合键
离子晶体-以离子键结合的晶体。金属氧化物。 MgO、Al2O3、ZrO2
共价晶体-以共价键结合的晶体。 金刚石、SiC、Si3N4、BN
普通陶瓷
材料科学前沿之功能陶瓷优秀课件
Various effects in materials
INPUT
Material Device
OUTPUT
OUTPUT INPUT ELEC. FIELD MAG. FIELD STRESS HEAT LIGHT
CHARGE
MAGNETI STRAIN
CURRENT
侧重于高技术和军事工程，在水声、电光、光电子、红外技 术和半导体封装等领域处于优势。 韩国：近年来在电子陶瓷领域发展迅速，引人注目。
材料科学前沿之功能陶瓷优秀课件
二、功能陶瓷的研究现状
1．装置陶瓷 1）主要包括用于电子技术、微电子技术和光电子技术中起电
绝缘作用的陶瓷装置零件、陶瓷基片以及多层陶瓷封装等。 2）装置陶瓷是功能陶瓷中市场份额最大的一类材料，大体上
2） 微波介质陶瓷的主要性能要求是：适当的介电常数、高Q 值（低介 电可损分耗为）五和类近：零谐振温度系数f。根据其性能与用途，微波介质陶瓷
①超低损耗类。主要是钡基复合钙钛矿陶瓷，其性能指标为=20~30，
在10GHz时，Q 信。
>
20000，-5×10-6
<f
<
5×10-6
/℃，主要用于卫星通
②合中钙介钛电矿常陶数瓷类，。其包性括能B指aT标i4O为9、=B30a~2T40i9O，2在0、4(GZHr,Szn时)T, QiO>4及5部00分0，钡-基复 10×10-6 < f < 10×10-6 /℃，主要用于卫星通信及移动通信基站。
★随着电子整机向数字化、高频化、多功能化和薄、轻、小、便携式 的方向发展，压电陶瓷器件也在向片式化、多层化和微型化方向发 展。
★近年来，包括多层压电变压器、多层压电驱动器、片式化压电频率 器件、声表面波（SAW）器件等一些新型压电陶瓷器件不断研制成 功，并得到应用。
功能陶瓷介绍ppt
用超导芯片将大大提高计算机的运算速度，并减少体积。 美国IBM公司研制的一台运算速度为8000万次/秒的超导计 算机，体积只有一部电话机大小，其元件不发热，可长时 间高效率运行。
超导材料的应用实例
电力输送与储存 目前有大约30%的电能损耗在输电线路上 ，采用超导体输电，可大大减少损耗，且省去 了变压器和变电所。 使用巨大的超导线圈，经供电励磁产生磁 场而储存能量。超导磁储能系统所存能量几乎 可以无损耗的储存下去，其转换率可高达95% 。
超导磁悬浮列车
时速 400 ~ 500km.
电阻的现象。 超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。
超导电性的基本特征
➢ 完全导电性（零电阻）
➢ 完全抗磁性：迈斯纳 （Meissner)效应
处于超导状态的金属，不 管其经历如何，磁感应强度B始 终为零。
磁力线不能进入 超导体内部
观察迈斯纳效应的磁悬浮试验
在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的 转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起， 升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于 磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应 出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥 力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减 弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。
绝缘陶瓷，它必须具备如下性能: • 体积电阻率ρ ≥ 1012 Ωcm • 相对介电常数ε ≤30 • 损耗因子≤0.001 • 介电强度≥ 5.0KV/mm
➢ 陶瓷存在电子式载流子和离子式载流子。其中 离子式载流子占主要影响。
➢ 离子电导率受离子的荷电量和扩散系数的影响 。荷电量和体积越小越容易扩散，因此碱离子 影响比较大。
钠—硫电池的金属电极容易发生腐蚀，尤其在高温条件下 更是如此。腐蚀作用是多种多样的，除因电极腐蚀而减少导电 能力外，还可能在电极表面形成一种增加接触电阻的表面层， 最终导致电池工作性能变坏，寿命缩短。
1 陶瓷物化 第一章 陶瓷晶体结构基础
• 混合键： 实际上没有一个离子晶体是100%离子键性质的，或能被看作是 非压缩、不变形的球体。所以需要考虑这些附加的特性。例如： - 色散能（dispersive (London) energy） Ul (<0), 离子与偶极子之 间互作用。 离子键占主导,则称“离子键”陶瓷：电负性差值大； 共价键占主导，则称“共价键”陶瓷：电负性相近。 离子键特征比例= 1 − exp[−0.25(XM − XX)2] XM 和 XX 代表 M 和 X 的电负性。 计算: B4C,SiC和BN离子特性分别为6%, 12%, 22%，属于高共价键成分。 MgO : 73%; BaO: 82%。 其他, GaN (38%),SiO2 (51%), ZnO (59%),Al2O3 (63%)。
• 《硅酸盐物理化学》丁子上等主编
• 《无机材料物理化学》叶瑞伦主编
中国建筑工业出版社
天津大学出版社
• 《陶瓷导论》W.D.Kingery 中国建筑工业出社
授课与考核方式
总计32学时；每周4学时； 课程分为（16+16）两部分； 考核成绩组成（第一部分）： 1、布置二次课后作业； 2、课堂出席。平时（1+2）成绩=15分。 3、期末考试=35分 合计50分。
由于Born指数都比较大，（1-1/n）对晶格能影响比电价数、马德隆常数 及正负离子之间的平衡距离的影响小许多。
不同离子晶体间如果其电价数相同，晶体构型相同，则正负离子间距大
时，其晶格能较小，熔点较低，热膨胀系数较大。例如，同属NaCl结构 的MgO,CaO,SrO,BaO晶体，随碱土金属离子半径增加，晶格能逐渐减 低，硬度和熔点也逐渐降低。
熔点高，膨胀系数小 熔体内为原子
导热性好，熔体 导电
结构与功能陶瓷
1.2
The brittle fracture and strength of inorganic materials
无机材料的脆性断裂与强度
1.2.1材料的断裂现象 It is important to understand the mechanisms for failure, specially to prevent in-service failures via design. • The low temperatures of the North Atlantic caused the steel to be brittle. • These are the first ships mass produced with welds. • Fractures occurred mainly in the vicinity of stress raisers.
Curve C is totally elastic (rubberlike elasticity).
Stress – Strain Behavior (I)
Stress-strain behavior can be brittle (A), plastic (B), and highly elastic (C)
tip 2
c tip 2 a
E th a
• 因此，这时的应力就是临界应力c,即： = c 于是就有：
c
E 4c
这是Inglis 考虑了（而且只考虑了）裂纹尖端的应力 集中而得到的结果；实际上，裂纹尖端的应力状态是 非常复杂的。Griffith 借鉴上述理论结果，又从能量 的角度研究了裂纹扩展的条件。
Origin of crack
Microstructure
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间隙位置—间隙杂质原子 进入
正常结点—取代（置换）杂 质原子。
固 溶 体
2. 根据产生缺陷的原因分
热 缺
陷
杂 质 缺陷 非化学计量结构缺陷（电荷缺陷）
（1）热缺陷：当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热运动， 使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷。
Frankel缺陷
Schottky缺陷
1. 根据对理想晶体偏离的几何位置分为三 类：
（1）空位：正常结点位置没有被质
点占据，称为空位。
（2）间隙质点：质点进入间隙位置
成为填隙原子。
（3）杂质质点：杂质原子进入晶格
（结晶过程中混入或加入，一般不大于1 ％，）。
（2）间隙质点：质点进入间隙位置成为填隙原子。
（3）杂质质点：
杂质原子进入晶格（结晶过程中混入或加入，一般不大于1％）。
① Frenkel 缺陷: 晶体中的原子或离子因热振动偏离格点位置, 并进入晶体间隙, 由此产生的缺陷称为Frenkel 缺陷.
AgBr晶胞 (NaCl型晶体)
Frenkel 缺陷的特点:
（001）
☺ 格点空位和间隙原子或
离子成对出现;
☺ 格点空位可在晶体体相
内位移;
热振动 偏离格点位置
☺ 格点空位在晶体体相内
位移时, 若与间隙原子或
Frenkel 缺陷 间隙原子
离子相遇 , 可发生格点空
位与隙间原子或离子的复 合.
Frenkel 缺陷的符号表示 VAg
② Schottky缺陷: 晶体中的原子或离子因热振动偏离格点位置, 并迁 移至晶体的表面, 由此产生的缺陷称为Schottky缺陷.
Schottky缺陷的特点：
二、概述
信息材料： 是为实现信息探测、传输、存储、显示和处理等功 能而使用的材料。
信息就是用符号、信号或消 息所包含的内容，来消除客 观事物认识的不确定性。
信息材料按功能分类
1、信息探测材料： 对电、磁、光、声、热辐射、压力变化或化学物质敏 感的材料。可用来制成传感器，用于各种探测系统，如 电磁敏感材料、光敏材料、压电材料等。 2、信息传输材料： 主要用于对电子信息的传输，如光纤、电缆等等。 3、信息存储材料： 包括磁存储材料、光存储材料、磁光存储材料、相变 存储材料、铁电介质存储材料、半导体动态存储材料等 等。 4、信息处理材料： 包括对各种电子信息的处理、加工以及转换，使其发 挥相应功能的材料。
Hale Waihona Puke 周期排列不变价带产生空穴 附加 导带存在电子 电场
周期势场畸变 产生电荷缺陷
（2）杂质缺陷 概念——杂质原子进入晶体而产生的缺陷。原子进入晶 体的数量一般小于0.1%。 种类——间隙杂质 置换杂质 特点——杂质缺陷的浓度与温度无关， 只决定于溶解度。 存在的原因——本身存在 有目的加入(改善晶体的某种性能)
3
非化学计量结构缺陷（电荷缺陷）
存在于非化学计量化合物中的结构缺陷，化合物化学 组成与周围环境气氛有关；不同种类的离子或原子数之比 不能用简单整数表示。如： TiO2 x ; 非化学计量缺陷 电荷缺陷
2. 晶体缺陷的分类
按照缺陷在晶体结构中分布的几何特点分为四类： 点缺陷 线缺陷
晶体缺陷
面缺陷
体缺陷
3. 研究缺陷的意义 导电、半导体、发色（色心）、发光、扩散、烧结、固相 反应………。（材料科学的基础）
（二）点缺陷
点缺陷：它是在格点附近一个或几个晶格常量范围内的一种晶格缺
陷，如空位、填隙原子、杂质等。
高介电容器瓷
铁电陶瓷 铁电陶瓷 压电陶瓷 压电陶瓷 半导体陶瓷 半导体陶瓷 独石电容器瓷 微波介质陶瓷 微波介质陶瓷 铁氧体陶瓷 铁氧体陶瓷 多相陶瓷 结业考察
2
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
参考书目：
［1］《功能陶瓷及其应用》，化学工业出版社，曲远方，2003.3 ［2］《电子材料导论》，清华大学出版社，李言荣，2001.8 ［3］《特种陶瓷工艺学》，武汉理工大学出版社，李世普，1990.12 ［4］《信息材料》，干福熹主编，天津大学出版社，2000.12 ［5］《功能与信息材料》，华东理工大学出版社，焦宝祥，2011.5
按材料种类分类－
1、半导体信息材料：
如微电子技术中大量采用的硅基材料；以激 光器为例的半导体光电材料等等。 以上只是一个大概的分类、实际上
不少信息材料之间相互交叉，难以 2、信息功能陶瓷材料：
如磁性陶瓷、介电/压电陶瓷、微波介电陶瓷、 在不断的涌现和发展。 电子封装陶瓷等等。
划分。同时，新的信息功能材料也
☺ 对于离子晶体, 带有正、负电荷的Schottky缺陷是成对出现的; 而金属晶体 的Schottky缺陷则只会形成“体相空洞”;
☺ Schottky缺陷的多少会造成晶体表观密度的改变.
（001）
KCl晶胞 (NaCl型晶体) 热振动 迁移至外表面
-
VK
迁移至外表面
Schottky缺陷
+
. VCl
晶体缺陷包括晶体宏观缺陷和微观缺陷（内部结构缺陷） 通常指晶体结构的缺陷
（一）晶体缺陷
在晶体中, 使其偏离理想点阵的区域和结构称为晶体缺陷，或 晶体中任何对完整周期性结构的偏离就是晶体的缺陷。
1.晶体缺陷的形成因素:
ⅰ 由于热力学原因, 原子或离子离开原有格点位置; ⅱ 由于堆垛的原因, 原子或离子占错格点位置; ⅲ 在理想晶体中, 存在杂质原子或离子.
2015年秋季研究生课程
信息功能陶瓷材料
张迎春
E-mail:zhang@
一、授课计划
序号 日期 授课内容 学时
1
2
9月14日
9月16日
功能陶瓷材料物理及结构基础
功能陶瓷制备工艺
2
2
3
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
9月21日
9月23日 9月28日 9月30日 10月12日 10月14日 10月19日 10月21日 10月26日 10月28日 11月2日 11月4日 11月9日 11月11日
3、有机信息材料：
信息功能陶瓷材料
如有机光电子材料、有机介电材料、有机相 变存储材料等等。
4、信息薄膜材料：……
信息功能陶瓷材料
一、信息功能陶瓷的结构基础 二、信息功能陶瓷的制备工艺 三、压电陶瓷及应用 四、高介电容器瓷、铁电陶瓷
五、半导体陶瓷
六、复相、低烧陶瓷 七、微波介质陶瓷 八、铁氧体陶瓷
二、功能陶瓷材料的结构基础