陶瓷系列-2-电功能陶瓷
精细陶瓷标准
精细陶瓷标准精细陶瓷是一种高品质的陶瓷制品，广泛应用于各个领域，如航空航天、医疗、电子、能源等。
为了确保精细陶瓷的质量和性能达到国家标准，制定了一系列的标准和规范。
本文将介绍精细陶瓷的标准，包括其定义、分类、常见标准和相关测试方法。
一、定义精细陶瓷，又称为高性能陶瓷，是一种由非金属氧化物、硼化物、碳化物、氮化物等组成的陶瓷制品。
与传统的陶瓷材料相比，精细陶瓷具有较高的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、绝缘性和高温稳定性等特点。
二、分类根据不同的用途和性能要求，精细陶瓷可以分为多个不同的类别，常见的有以下几种：1.结构陶瓷：用于承重和耐磨的陶瓷部件，如陶瓷刀、陶瓷轴承等。
2.功能陶瓷：具有特殊功能性能的陶瓷材料，如氧化铝陶瓷用于电介质、锆瓷用于磁气体传感器等。
3.生物医用陶瓷：用于人工关节、义齿、人工骨等医疗器械的陶瓷材料，具有良好的生物相容性和耐磨性。
三、常见标准以下是精细陶瓷常见的标准之一：1.GB/T 12703-2008 《陶瓷气隙率测定方法》：该标准规定了精细陶瓷气隙率的测定方法，通过测量陶瓷样品的密度和质量，计算得出气隙率。
2.GB/T 26310-2010 《精细陶瓷材料光学性能测定方法》：该标准规定了精细陶瓷材料的折射率、透过率、反射率等光学性能的测试方法。
3.GB/T 32127-2015 《陶瓷瓷化膜的显微组织观察方法》：该标准规定了陶瓷瓷化膜的显微组织观察方法，包括显微镜观察和扫描电镜观察等。
四、测试方法对于精细陶瓷的质量控制和性能评估，常常需要进行一系列的测试。
以下是几种常见的测试方法：1.密度测定：通过测量陶瓷样品的质量和体积，计算出其密度。
常用方法有水法浮度法和气体静压法。
2.硬度测定：用于评估陶瓷的硬度，常用方法有洛氏硬度和维氏硬度等。
3.抗压强度测定：用于评估陶瓷材料在压力作用下的强度，常用方法有三点弯曲法和压缩试验等。
4.耐磨性测定：通过在陶瓷表面施加一定的载荷和摩擦，评估陶瓷的耐磨性能。
功能陶瓷
电子绝缘陶瓷
目前国内外常用的电子绝缘材料是Al2O3。近年来 随着科技不断发展，又出现了新型的电子绝缘材料，如 ALN陶瓷，具有高强度、高绝缘性、低介电常数、高的热 导率等优良的性能，且其热膨胀系数能够与单晶硅相匹配， 主要应用是作为大规模集成电路和电力模块电路的散热基 板。
照明绝缘陶瓷套管
绝缘装置陶瓷
常用的压电元件：传感器、气体点火器、报 警器、音响设备、医疗诊断设备及通讯等。通常 的压电材料是PZT，新型的压电陶瓷材料主要是： 高灵敏、高稳定压电陶瓷材料，电致伸缩陶瓷材 料，热释电陶瓷材料等。
气体点火器
音响设备
磁性陶瓷材料
磁性陶瓷材料可分为硬磁性和软磁性材料两 类，前者不易失去磁性。代表性硬磁性材料为铁 氧体磁铁和稀土磁铁，主要用于磁铁和磁存储元 件。软磁性材料易磁化及去磁，磁场方向可以改 变，主要用于交变磁场响应的电子部件。
抗菌陶瓷刀
抗杀菌陶瓷的生产工艺及效果
抗杀菌陶瓷由两部分组成：陶瓷基体、载体及抗杀菌 材料。基体的制备和一般陶瓷的制备方法一样，通过配料、 球磨、成型、烘干等工艺，有的还进行素烧；载体可以用 溶胶凝胶法(sol—ge1)或其它化学反应法制成薄膜 再把 抗杀菌材料涂复在其上，然后在较低的温度下进行烤制 (300～400℃)而成。 一 般载膜的厚度应小于0.0lmm，我们则直接制成 TiO2膜层 。抗杀菌功能材料的加入，有的是独立加人， 多数则是与陶瓷基础釉混合、球磨制成抗菌釉，然后在基 体上施釉、烘干并烧成。
电介质陶瓷
用于调谐电路、保护逻辑及记忆单元的陶瓷电容 器介质材料多数为BaTiO3基材料，此外还有高介的复合 钙钛矿材料，以研制出频率为105Hz时，介电常数高达 105的高介材料。目前晶界层电容器的出现，使常规瓷介 电容器的介电常数提高数倍甚至数十倍。
现代陶瓷技术的3个主要领域及应用
现代陶瓷技术的3个主要领域及应用现代技术陶瓷的3个主要领域及应用陶瓷材料一般分为传统陶瓷和现代技术陶瓷两大类。
传统陶瓷是指用天然硅酸盐粉末(如黏土、高岭土等)为原料生产的产品。
因为原料的成分混杂和产品的性能波动大,仅用于餐具、日用容器、工艺品以及普通建筑材料(如地砖、水泥等),而不适用于工业用途。
现代技术陶瓷是根据所要求的产品性能,通过严格的成份和生产工艺控制而制造出来的高性能材料,主要用于高温和腐蚀介质环境,是现代材料科学发展最活跃的领域之一。
下面对现代技术陶瓷3个主要领域:结构陶瓷、陶瓷基复合材料和功能陶瓷作一简单介绍。
一、结构陶瓷同金属材料相比,陶瓷的最大优点是优异的高温机械性能、耐化学腐蚀、耐高温氧化、耐磨损、比重小(约为金属的1/3),因而在许多场合逐渐取代昂贵的超高合金钢或被应用到金属材料根本无法胜任的场合,如发动机气缸套、轴瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。
结构陶瓷可分为三大类:氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和玻璃陶瓷。
1、氧化物陶瓷主要包括氧化铝、氧化锆、莫来石和钛酸铝。
氧化物陶瓷最突出优点是不存在氧化问题,原料价格低廉,生产工艺简单。
氧化铝和氧化锆具有优异的室温机械性能,高硬度和耐化学腐蚀性,主要缺点是在1000℃以上高温蠕变速率高,机械性能显著降低。
氧化铝和氧化锆主要应用于陶瓷切削刀具、陶瓷磨料球、高温炉管、密封圈和玻璃熔化池内衬等。
莫来石室温强度属中等水平,但它在1400℃仍能保持这一强度水平,并且高温蠕变速率极低,因此被认为是陶瓷发动机的主要候选材料之一。
上述三种氧化物也可制成泡沫或纤维状用于高温保温材料。
钛酸铝陶瓷体内存在广泛的微裂纹,因而具有极低的热膨胀系数和热传导率。
它的主要缺点是强度低,无法单独作为受力元件,所以一般用它加工内衬用作保温、耐热冲击元件,并已在陶瓷发动机上得到应用。
2、非氧化物陶瓷主要包括碳化硅、氮化硅和赛龙(SIALON)。
同氧化物陶瓷不同,非氧化物陶瓷原子间主要是以共价键结合在一起,因而具有较高的硬度、模量、蠕变抗力,并且能把这些性能的大部分保持到高温,这是氧化物陶瓷无法比拟的。
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。
功能陶瓷
例如β-Al2O3在c方向上的电导比在其他方向上大许多，这是由于离子 通道存在明显的方向性。
Dept. of MSE, CQU
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重庆大学材料科学与工程学院
离子电导率与温度T的关系满足Arrhenius关系：
ion
E A exp( ) kT
(4-9)
晶格中导电离子可能占据的位置比实际填充的离子数目多得多； 临近导电离子间的势垒不太大； 晶格中存在有导电离子运动的通道，如各种体积较大的八面体间隙 和四面体间隙相互连通。
Dept. of MSE, CQU
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重庆大学材料科学与工程学院
正离子在晶格中可能占据位置的投影图 （a）绝缘体；（b）离子导体
Dept. of MSE, CQU
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重庆大学材料科学与工程学院 缺陷对陶瓷导电的影响
晶体缺陷对陶瓷导电行为的影响比较复杂。陶瓷中点缺陷对材 料电性能影响较大，一般都是陶瓷材料的电导有所增加。
例如立方ZrO2，其结构中的正离子作立方密堆积，负离子占据全部 四面体间隙，而全部八面体间隙空着，这就便于其他例子在其间移动。 如果在立方ZrO2中加入8at%的Y2O3，Y3+部分替代Zr4+后在晶格中形成部 分氧离子空位，可使ZrO2的立方相在低温时稳定和称为离子导电的固体 电解质。
Ag在AgI晶胞中 的位置
Dept. of MSE, CQU
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重庆大学材料科学与工程学院
具有β-Al2O3结构的氧化物
β-Al2O3结构属于六角晶系。这种结构的导电性源于一价碱金属离子A+ 的高迁移性和高可交换性。晶胞中阳离子采取立方堆积，铝粒子处在八 面体和四面体间隙位置上。A+和氧层连接在一起，这种疏松的连接层是 无序的，它提供了原子通道，使晶格中的A离子很容易移动。 一价A离子的半径过大或过小均会 引起电导率的下降。这是因为离子 半径过大时，其迁移能力变差；而 离子半径过小会使正离子在电导通 道中作漩涡式的迅速移动，也会阻 碍其运动。 这类材料的导电行为是极端各向异 性的，垂直于c方向的电导率比于c 方向的电导率大得多。
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。
功能陶瓷的简介
功能陶瓷的简单介绍功能陶瓷是具有电、磁、声、光、热、化学及生物体特性，具有相互转化功能的陶瓷。
它主要是利用纳米技术使陶瓷的性能发生改变的。
热学功能陶瓷、生物功能陶瓷、化学功能陶瓷、电磁功能陶瓷、光学功能陶瓷，还是在涂层/薄膜和复合材料死当今比较主要的几种功能陶瓷。
生物功能陶瓷在生物功能陶瓷方面:利用纳米技术生产的纳米抗菌材料有三类:一类Ag+系抗菌材料（当高价银离子与细菌接触时使细菌体内的蛋白质变性。
）;第二类是是ZnO,Tio2:等光触媒型纳米抗菌材料（通过催化反应，将细菌的尸体分解得一干二净，一般还有除臭，自洁，防霉，防锈，高效防老化，全能净化空气，自造“负离子雨林”气候等功能）;第三类是C-18A纳米蒙脱土等无机材料。
将前两类加人陶瓷中可制成对病菌、细菌有强的杀菌和抑菌作用的陶瓷产品。
北京陶瓷厂和日本东陶机器株式会社合资生产的高档卫生洁具“TOTO”产品，即是应用这一技术生产的具有抗菌性能的卫生洁具。
生物陶瓷材料亦可作为作为无机生物医学材料，且没有毒副作用，与生物组织有良好的生物相容性、耐腐蚀性等优点，已越来越爱人们的重视。
主要有以下几种活性材料；（1）羟基磷灰石生物活性材料。
人工听小骨羟基磷灰石听小骨临床应用效果优于其它各种听小，具有优良的声学性质，平均提高病人的听力20-30db。
在特定语言频率范围提高45-60db。
微晶与人体及生物关系密切，在生物和医学中已有成功应用，利用ha 微晶能使细胞内部结构发生变化，抑制癌细胞生长和增殖，可望成为治疗癌症的“新药”。
（2）磷酸钙生物活性材料。
磷酸钙又称生物无机骨水泥，是一种广泛用于骨修补和固定关节的新型材料。
有望部分取代传统的pm-ma有机骨水泥。
国内研究抗压强度已达到60mpa以上；磷酸钙陶瓷纤维：磷酸钙陶瓷纤维具有一定机械强度和生物活性，可用于无机骨水泥的补强及制务有机与无机复合型植入材料。
（3）磁性材料。
生物磁性陶瓷材料主要为治疗癌症用磁性材料，植入肿瘤灶内，在外部交变磁场的作用下，产生磁滞热效应，导致磁性材料区域内局部温度升高，借以杀死肿瘤细胞，抑制肿瘤的发展。
陶 瓷 材 料-2
硼化物陶瓷（TiB2、ZrB2等）
复合陶瓷（3Al2O3· 2SiO2(莫来石) 等） 普通陶瓷（硅酸盐材料） 按原料分类 特种陶瓷（人工合成材料）
中国陶瓷技术（小专题）
二、陶瓷材料的结构
陶瓷材料的结构组成
陶瓷材料是多相多 晶材料，陶瓷结构中同 时存在 晶体相（晶相） 玻璃相 气相 各组成相的结构、 数量、形态、大小及分 布决定了陶瓷的性能。
（2）组群状结构：
结构特点是以[SiO4]四面体为基础，2个、3个、4个和6 个[SiO4]四面体通过公共氧连接而成的四面体群体，这种群 体可看成一个结构单元，又称分立的有限硅氧四面体群 （硅氧络阴离子）。双四面体构成[Si2O7]6-络阴离子，如硅 钙石Ca3[Si2O7]、铝方柱石Ca2Al [Si2O7]等。
高岭石结构：下层是硅氧四面体，上层是八面体层，八面体 由1个Al3＋ 2个O2- 和4个OH- 构成，可写成[AlO2(OH)4]。Al3+ 配 位数6，每个Al3+同时与2个O2-和4个OH-相连。这2个O2-起桥梁 作用，将硅氧层与水铝石层连在一起形成单网层。层与层之间 的结合力为氢键，较弱，故高岭石容易在结合力较弱的层间碎 裂，但是OH-O之间仍有一定的吸引力，所以，单网层之间水 分子不易进去，不会因水含量增加而膨胀。高岭石是陶瓷、水 泥、涂料等的主要原料。 OH Al
陶瓷材料
一、陶瓷的概念与分类
陶瓷的概念
传统上，“陶瓷”是指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经
过粉碎、混炼、成形、烧结等过程而制成的各种制品。 传统陶瓷包括常见的日用陶瓷制品和建筑陶瓷、电瓷等。
日用陶瓷－餐具
建筑陶瓷－地砖
电瓷
广义的陶瓷概念：用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的通称。
功能陶瓷
功能陶瓷Z09015911 赵婷婷1、引言1、1功能陶瓷是对电、磁、光、热、化学、生物等现象或物理量有很强反应，或能使上述某些现象或量值发生相互转化的陶瓷材料。
功能陶瓷是一类颇具灵性的材料，它们或能感知光线，或能区分气味，或能储存信息……因此，说它们多才多能一点都不过分．它们在电、磁、声、光、热等方面具备的许多优异性能令其他材料难以企及，有的功能陶瓷材料还是一材多能呢！而这些性质的实现往往取决于其内部的电子状态或原子核结构，又称电子陶瓷。
1、1与传统陶瓷的区别（1）原料许多是经过人工合成或者精制，不受天然条件的限制；（2）突破传统陶瓷的化学成分限制，用多种金属氧化物、氮化物、碳化物、磷化物等，有时直接用金属原素和碳、硅等非金属原素。
与传统陶瓷相比，功能陶瓷具备了一些特殊性能(热、机械、化学、电磁、光)。
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。
1、2功能陶瓷的分类按电学性质：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。
此外，还有半导体陶瓷、绝缘陶瓷、介电陶瓷、发光陶瓷、感光陶瓷、吸波陶瓷、激光用陶瓷、核燃料陶瓷、推进剂陶瓷、太阳能光转换陶瓷、贮能陶瓷、陶瓷固体电池、阻尼陶瓷、生物技术陶瓷、催化陶瓷、特种功能薄膜等，2、功能陶瓷的性质（1）. 机械材料：耐磨损、高比强度、高硬度、抗冲击、高精度尺寸、自润滑性等。
（2）热学材料：耐热、导热、隔热、蓄热与散热、热膨胀等。
（3）. 化学材料：耐腐蚀性、耐气候性、催化性、离子交换性、反应性、化学敏感性等。
（4）. 光学材料：发光性、光变换性、分光性、光敏感性等。
（5）. 电器材料：磁性、接电性、压电性、绝缘性、导电性、存储性、半导性、热电性等。
（6）. 生物医学材料：生物化学反应性、胀器代用功能性、感觉功能脏器性、生物形态性等。
陶瓷的功能性与其组成、工艺、自身性能和结构密切相关，功能陶瓷的工艺技术和性能检测关系可用下图表示。
功能陶瓷
功能陶瓷浅析班级:Z090162 学号:Z09016206 姓名:张欢、医疗、环保、国防、航空航天等等，这就是所谓的新型陶瓷，也就是功能陶瓷，它们在各个领域发挥着举足轻重的作用。
正文功能陶瓷是在原料、制备工艺上区别于传统陶瓷的，功能陶瓷不仅具备传统陶瓷的优良特点，同时还开发了其在力、光、电、声、磁、化学等方面的性能。
常见的功能陶瓷有压电陶瓷、生物陶瓷、超导陶瓷、磁性陶瓷、化学陶瓷等。
1.压电陶瓷压电陶瓷是功能陶瓷中用途最广泛的一种功能陶瓷，据统计，压电陶瓷占整个功能陶瓷市场三分之一的份额。
由此可见其重要性。
压电陶瓷的制造特点是在直流电场下对铁电陶瓷进行极化处理，使之具有压电效应。
所谓压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。
反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。
这种奇妙的效应已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。
压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等。
压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。
地震是毁灭性的灾害，而且震源始于地壳深处，以前很难预测，使人类陷入了无计可施的尴尬境地。
压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。
这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。
压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构－－压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。
谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。
光电功能陶瓷
光电功能陶瓷
光电功能陶瓷是一种合成材料，具有很高的可视光导电性、半导体特性、隔热隔音和高抗热的综合性能，是节能环保的能源负载材料。
光电功能陶瓷具有光学、热力学和电子学等多方面的特性，具有重要的实用价值。
它可以使光线精确定向，实现定向透射，有效节能；同时它具有高抗热性，在苛刻的温度环境中仍可稳定运行。
因此，它可以被广泛应用于晴雨伞、遮阳板、太阳能热水系统等，为节能减排发挥积极作用。
光电功能陶瓷还可以用于太阳能光伏、汽车空调放行系统、医疗仪器等领域，可以减少成本和能源消耗，并且可以快速响应，在任何情况下都能提供高质量的服务。
因此，光电功能陶瓷深受科技、能源和物流领域的欢迎，成为能量转换时代的一项关键技术。
通过持续开发，将把光电功能陶瓷用于航空、航天等新型材料的试制，可以为能源节约做出贡献，积极推动能源廉价、节能减排的可持续发展。
功能陶瓷材料的分类及发展前景
功能陶瓷材料的分类及发展前景功能陶瓷材料是一种具有特殊功能的陶瓷材料，通过改变其化学组成、微观结构和加工工艺，赋予其特定的物理、化学和机械性能。
功能陶瓷材料广泛应用于电子、能源、信息、环保、生物医学等领域，对于社会的可持续发展和高新技术的进步起到了重要作用。
本文将介绍功能陶瓷材料的分类和发展前景。
一、功能陶瓷材料的分类根据功能陶瓷材料的特性和应用领域的不同，可以将其分为以下几类：1.电子陶瓷材料：具有良好的电介质性能和导电性能，广泛应用于电子元器件中。
例如铝电解电容器用电介质陶瓷、钛酸锶铅陶瓷等。
2.动力陶瓷材料：具有高强度、耐高温、耐磨损等特点，用于航空航天、汽车制造等领域。
例如氧化锆陶瓷、硼化硅陶瓷等。
3.传感器陶瓷材料：利用其特殊的物理特性，例如压阻效应、介电效应等，制成传感器，广泛应用于测量、检测等领域。
例如氧气传感器用ZrO2陶瓷、热敏电阻用MnCr2O4陶瓷等。
4.生物陶瓷材料：具有良好的生物相容性和生物活性，可用于人工骨、人工牙根、人工关节等医疗器械。
例如氧化铝陶瓷、羟基磷灰石陶瓷等。
5.能源陶瓷材料：具有高温稳定性、低损耗性能、高效传输等特点，可用于燃料电池、太阳能电池等能源新技术。
例如固体氧化物燃料电池用YSZ陶瓷、太阳能电池用TiO2陶瓷等。
二、功能陶瓷材料的发展前景1.智能化：功能陶瓷材料将更加注重与计算机、通信技术等高新技术的结合，拥有智能化功能，可以感应、控制、传输和处理信息，实现更高级的功能。
2.多功能化：功能陶瓷材料将不仅仅具备单一的功能，而是通过多种方式来应对不同的需求和场景。
例如，一种陶瓷材料既可以用于传输电信号，又可以用于储存能量。
3.纳米化：纳米技术的发展将为功能陶瓷材料带来更多的机会和挑战。
通过纳米化技术，可以调控材料的微观结构和性能，提高陶瓷材料的强度、导电性、磁性等特性。
4.绿色化：随着环保意识的增强，功能陶瓷材料的绿色化发展成为一个重要的趋势。
绿色功能陶瓷材料将注重材料的可再生性、可降解性、低污染性等方面的改进，以减少对环境的影响。
光电功能陶瓷材料的设计与制备
光电功能陶瓷材料的设计与制备随着科技的不断发展，光电功能陶瓷材料在各个领域中起着越来越重要的作用。
它们具有独特的物理、光学和电学性质，被广泛应用于太阳能电池、传感器、光纤通信等领域。
本文将探讨光电功能陶瓷材料的设计与制备，并探讨其中的一些应用。
一、陶瓷材料的基本特性陶瓷材料由非金属原料制成，具有一些独特的特性。
首先，它们具有良好的耐热性和耐腐蚀性，可以在高温和恶劣环境中稳定工作。
其次，陶瓷材料具有很高的硬度和抗磨损性，适用于制作需要耐磨耐腐蚀的零部件。
此外，陶瓷材料还具有优良的绝缘性能和优异的光学透明性。
二、光电功能陶瓷材料的设计对于光电功能陶瓷材料的设计，需要考虑其光学、电学和热学等多个方面的性能。
其中，光学性能是最重要的一个方面。
通过调控材料的组分和结构可以实现光学性能的优化。
例如，通过控制陶瓷材料中的缺陷和掺杂物的浓度，可以调节其光学吸收、发射和传导的性质，从而实现对光电功能的调控。
此外，陶瓷材料的电学性能也是设计的重点。
通过控制材料的结构和组分，可以调节其电导率、介电常数和电阻率等电学性质，从而实现对电子输运和电场效应的调控。
三、光电功能陶瓷材料的制备光电功能陶瓷材料的制备方法多种多样，常见的方法包括溶胶-凝胶法、固相反应法、热处理法等。
其中，溶胶-凝胶法是一种常用的制备方法。
该方法通过溶解金属盐和有机阳离子活化剂，然后通过水解、缩聚等反应制备胶体溶胶，最后经过煅烧得到所需的光电功能陶瓷材料。
此外，固相反应法也是制备光电功能陶瓷材料的重要方法。
该方法通过将金属和非金属氧化物混合，在高温下通过固相反应得到所需的陶瓷材料。
四、光电功能陶瓷材料的应用光电功能陶瓷材料在各个领域中有广泛的应用。
首先是太阳能电池领域。
光电功能陶瓷材料具有良好的光吸收和光电转换特性，可以被用于制造高效的太阳能电池，以实现太阳能的利用。
其次是传感器领域。
陶瓷材料具有优良的化学稳定性和机械强度，可以用于制作各种传感器，实现对温度、压力、湿度等物理和化学量的检测。
功能陶瓷--电介质陶瓷和绝缘陶瓷-中介-微波介质陶瓷概要
浙江正原电气股份有限公司、潮州三环(集团)股份有限公司、景华电子有限责任 公司(999厂)、苏州捷嘉电子有限公司、浙江嘉康电子有限公司、福建南安讯通电 子公司、高斯贝尔公司、嘉兴佳利电子有限公司、西安广芯电子科技有限公司、 张家港燦勤电子元件有限公司、武汉凡谷电子技术股份有限公司、江苏江佳电子 股份有限公司
Dielectric Filter
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在微波电路中的应用主要有以下几方面： 用作微波电路的介质基片 起着电路元器件及线路的承载、支撑和绝缘作用； 用作微波电路的电容器 起着电路或元件之间的耦合及储能作用； 用作微波电路的介质天线 起着集中吸收储存电磁波能量的作用； 用作微波电路的介质波导 起着导引电磁波沿一定方向传播的作用； 用作微波电路的介质谐振器件（最主要应用） 起着类似于一般电子线路中LC谐振电路的作用
微波谐振器的频率特征曲线
17
17
1.4.5 微波介质陶瓷
在微波频段 εr基本上为定值，不随频率而变化。 要使微波介质陶瓷具有高εr值。除需考虑微观晶相类型及 其组合外，应在工艺上保证晶粒生长充分，结构致密。
18
18
在微波频段，品质因数Q值与微波频率f有关，因此微波 介质陶瓷材料的介电损耗与品质因数则可表示为：
27
测试频率<1GHz,可用阻抗分析仪如HP4294A
28
28
1.4.5 微波介质陶瓷
Q值的测量
样品Q值可以通过测量TE011, 谐振峰的宽度计算出来。
Q fr f
相 对
△f为3dB频带宽度(BW)
辐 射
功
率
τf值的测量
f
f2 f1 f1 T2 T1
功能陶瓷材料-电功能陶瓷ppt课件
缺陷对陶瓷导电的影响
晶体缺陷对陶瓷导电行为的影响比较复杂。陶瓷中点缺陷对材 料电性能影响较大，一般都是使陶瓷材料的电导有所增加。
例如立方ZrO2，其结构中的正离子作立方密堆积，负离子占据全部 四面体间隙，而全部八面体间隙空着，这就便于其他离子在其间移动。 如果在立方ZrO2中加入8at%的Y2O3，Y3+部分替代Zr4+后在晶格中形成部 分氧离子空位，使ZrO2的导电性增强。
功能陶瓷
❖ 功能陶瓷主要是指利用除机械性能外的陶瓷的其它 物理性能，包括导电和半导体性能、绝缘性和介电性、 磁性和热学性能、各种敏感特性，机、电、磁、光、 热等物理性能之间的耦合和转换效应，以及化学和生 物效应制成的一大类材料。
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电功能陶瓷：
绝缘陶瓷、介电陶瓷、 铁电陶瓷、压电陶瓷、 半导体陶瓷、快离子导 体陶瓷、高温超导陶瓷
和点缺陷不同，位错、层错、晶界等晶体缺陷一般会降低陶瓷 材料的导电性。
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掺杂可能改变陶瓷材料的导电性。
例如在ZnO中掺杂Al3+ 可以增加材料的导电性，原因是当三价的铝 替代了二价的锌后，原先二价锌的位置上变成了三价的离子。为了保持 电中性，使得Al3+附近的锌变成了一价，而一价锌是不稳定的，又会变成 二价的锌，同时放出一个电子，增加了材料的导电性。
3Leabharlann ❖ 对于传统陶瓷，人们利用陶瓷材料的电性能主要是其绝缘 性能；而对于先进陶瓷材料，除了其绝缘性能外，人们更关 心的是陶瓷材料的导电能力。目前高温超导氧化物的导电能 力已超过金属，得到应用的先进陶瓷材料的电导率覆盖了从 良导体到绝缘体的范围。
❖ 陶瓷材料的导电机制比较复杂，其导电性能与材料组成、 掺杂、微结构、晶体缺陷、制备工艺及后处理过程等密切相 关。
功能材料-功能陶瓷
由功能陶瓷材料制作的电容器、压电元 件、磁性元件、热敏电阻、压敏电阻、 气敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻等已在 能源开发、空间技术、电子技术、传感 技术、激光技术、光电子技术、红外技 术、生物技术、环境科学等领域得到广 泛的应用。
因为功能陶瓷 应用的范围广、 场合多，按材 料的功能可以 把陶瓷分为许 多类。
气敏陶瓷
— 利用气氛变化引起电阻和电流变化的特 异性能制备的陶瓷
左：汽车尾气检测氧传感器 右：装载去除尾气催化剂的蜂窝陶瓷
生体组织器官的一类陶瓷材料
陶瓷牙齿
生物陶瓷关节
透明陶瓷
一般来说，陶瓷都是不透明的，可是今天 人们确实得到了和玻璃一样透明的陶瓷。那末 陶瓷是怎样变成透明的呢 ? 这还得从陶瓷材料 的内部结构讲起，无论是我们日常生活中使用 的陶瓷器皿，还是新技术中应用的各种特种陶 瓷如氧化物、碳化物、氮化物等陶瓷材料，尽 管它们的化学成份各不相同，以及制品的外形 千差万别，可是如果把它们切磨成很薄的片子 放在显微镜下进行观察的话，发现它们都有一 个共同的特征，即含有无数个很细小的晶粒， 在晶粒与晶粒之间是一些玻璃状的物质和气孔， 如下图所示。
(a) 极化处理前
但当陶瓷片加上电场以后，这些电畴就会在电场 的作用下发生极化 (图 b) ，极化后的电畴排列比
较规矩(图c) 。
直流电场E 剩余极化强度
电场作用下的伸长 (a) 极化处理前 (b) 极化处理中
剩余伸长 (c) 极化处理后
这样，陶瓷片就和某种晶体一样了，能使射入陶 瓷片的一束光通过陶瓷片后变成两束光，在光学上 这种现象叫做双折射效应，由于它是加了电场以后 才产生的。电场去掉后，双折射效应又没有了，所 以这种双折射效应又叫做电控双折射效应。 如果再在陶瓷片的前后以一定方式放上一对偏振 方向互相垂直的偏振片的话，当陶瓷片上不加电场 时，这陶瓷片就是各向同性的，由了两个偏振片互 相垂直，因此从第一个偏振片 ( 起偏镜 ) 射出的偏振 光经过陶瓷片后就被第二个偏振片 ( 检偏镜 ) 挡住， 光强变得最弱，这时系统处于关态。
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①能带结构
为了解释这些实验值，波尔提出了三大假设。
H2+的坐标
无节面，电荷 密度相对称
1 、 2电子等
密度面图
有节面，节面上 电荷密度为零
1, 2 电子等密度面图
从 ①基态和激发态的电子云分布是关于键轴
图
圆柱对称
中
可 看 出
② ψ12在核间较密集，而ψ22则相反,垂直 键轴有一节面，ψ22=0
①能带结构
EH
JK 1 S ab
EH
EH
EH
JK 1 S ab
②电解质的极化
极化得太过分—电介质击穿
在强电场作用下，电介质丧失电绝缘能力，电 介质的电导突然增大甚至引起结构损坏或破碎， 称为介电击穿。
①热击穿
②电击穿
③化学击穿
②电解质的极化
①热击穿
空 带 带 隙
绝缘 体
在电场作用下，固体电介质承 受的电场强度虽不足以发生电 击穿，但因电介质内部热量积 累、温度过高而导致失去绝缘 能力。 感应电荷会发生流动而 消失。
③绝缘陶瓷
陶瓷的禁带宽度Eg
材料
结合键 Eg/eV
材料
结合键 Eg/eV
Si
共价键 1.1
TiO2 离子键 3.05~3.8
GaAs
共价键 1.53
ZnO
离子键 3.2
金刚石 共价键 6
Al2O3 离子键 10
BaTiO3 离子键 2.5~3.2 MgO 离子键 >7.8
（1）选择体积电阻率高的晶体材料为主晶相。
介电常数更“通俗”的定义：电荷中心一分为二的 可能性，介电常数越大，越容易分开。
②电解质的极化
应变场中的极化------压电效应
采用直径为2.5毫 米，高度为4毫 米的压电陶瓷， 就可得到10～20 千伏的高电压。
②电解质的极化
应变场中的极化------压电效应
电荷对称分布
②电解质的极化
温度场中的极化------热电效应
②电解质的极化
空间电荷极化
对金属来说，电子被所以原子个共有，所以溶质 原子、晶界等缺陷不会引起净电荷。 对于离子晶体，各种缺陷会引起局部区域的净电 荷。
②电解质的极化
空间电荷极化
离子晶体的晶界、位错等缺陷 处存在空间电荷。这些混乱分 布的空间电荷, 在外电场作用 下, 趋向于有序化, 即荷空间电 荷的正、负电荷质点分别向外 电场的负、正极方向移动, 从 而表现为极化。
H
H2+
H
两个原子核 各自贡献一 条能量最低 的轨道，形 成两条能量 不同的轨道。
核心：能级发生了分裂
①能带结构
O2能级图：
2p
2s 1s
σ2pz*
π2p*
π2p
2p
σ2pz σ2s* σ2s 2s
σ1s* σ1s 1s
①能带结构
能带理论可以看成 是多原子分子轨道 理论的极限情况， 由分子轨道的基本 原理可以推知，随 着参与组合的原子 轨道数目的增多， 能级间隔减小， 能 级过渡到能带。
0 K下为 零
基本电阻
电子与杂质原子 残余电阻 电子与晶体点阵静态缺陷的相互作用
理想金属的电阻只与电子散射和声子散射两种机制有关。
①能带结构
Strained region by impurity exerts a scattering force F = -d(PE) /dx
I
Two different types of scattering processes involving scattering from impurities alone and thermal vibrations alone.
固体电介质因离子电导而发生 电解（离子化合物电解得到金 属），结果在电极附近形成导 电的金属树状物，甚至从一个 电极伸展到另一个电极。结果 在两电极间构成导电的通路
③绝缘陶瓷
绝缘陶瓷，虽然宏观来说不导电，但是由于各种缺陷的存 在，外电场作用下，缺陷区域会产生电荷的小范围运动， 进而产生极化。而且，一言不合，就会被击穿。
②电解质的极化
E0
介电材料（dielectric material） 从英文词意，di-有二的意思，可以理解为在 外加条件下，具有两个电荷中心的材料。当 然，除了外加电场外，温度场、应力场都会 导致电荷中心一分为二-----极化。
②电解质的极化
介电材料（dielectric material）
②电解质的极化
材料的所有性能，都取决于原子和电子的排 布状态。
如果外界环境波动得足够剧烈，会扰动材料 内部原子或者电子的排布。
②电解质的极化
施加拉应力，材料会发生塑性变形或者断裂
②电解质的极化
施加电压，导电材料内部的电子会发生定向迁移
②电解质的极化
如果给绝缘体施加电场，绝缘体内部的电子会不会 重新排布？ 如果施加的压力（应变场）或者温度（温度场）呢？
从英文词意，di-有二的意思，可以理解为在 外加条件下，具有两个电荷中心的材料。当 然，除了外加电场外，温度场、应力场都会 导致电荷中心一分为二-----极化。
介电常数：用于衡量绝缘体储存电能的性能，它是 两块金属板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同 样的两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之 比。
③绝缘陶瓷
SiO2
Al2O3
MgO
54.72 1.90
27.90
55.60 3.15
26.00
滑石瓷的化学组成
老化的原因
滑石瓷的老化即由于 原顽辉石在冷却、放 置及使用过程中，晶 型转变引起体积改变。 极大的内应力引发裂 纹。
③绝缘陶瓷
解决滑石瓷老化的措施
a.将原料磨到足够的细度，加入适当的晶粒抑制剂，防止晶 粒长大，增加均匀性。
空带 带隙
非导体
②电解质的极化
离子弛豫极化
• 在完整离子晶体中, 离子处于正常结点, 能量最 低最稳定, 它们在极化状态时, 只能产生弹性位 移, 离子仍处于平衡位置附近。而在玻璃态物质 中, 结构松散的离子晶体或晶体中的杂质或缺陷 区域, 离子自身能量较高, 易于活化迁移, 可以 从一平衡位置移动到另一平衡位置。
b.加入适量外加剂，以形成足够的玻璃相并包裹细晶的原顽 辉石，防止它的晶型转化。
c.加入能与MgSiO3生成固溶体的物质，例如加入少量MnO 或MnSiO3，与其生成固溶体，必然会影响其晶型转化，减低 老化现象。
d．控制冷却制度，在900℃以上进行快冷，以便生成细晶 结构，防止老化。
④பைடு நூலகம்电陶瓷
该图基于电子能级，对于离子电导完全不适用！
①能带结构
1）定态假设：原子只能处于一系列不连续的能 量状态之中，在这些状态中的原子是稳定的，电 子虽然在旋转，但它不会向外辐射能量
定态之一：近核运动 定态之二：远核运动 此时原子能量为Em 此时原子能量为En
①能带结构
2）跃迁假设：电子从一个轨道变到另一个轨道，不 是渐变，而是突变----以跳跃的方式变化的，因此 玻尔把这现象叫“跃迁”。
1906年Nobel物理学奖
α散射实验，建立原子
Cavendish lab 主任
模型。
①能带结构
19世纪80年代，光谱学的发展，使人们意识到光谱规律 实质是显示了原子内在的机理。
氢
全息干板
放 电
光阑
三棱镜 （或光栅）
管
2~3 kV 光 源
记录原子光谱原理示意图
①能带结构
钱伟长
波尔
物 直九机天一丹哥伦据理接一大天直麦哥敦说只0八炮去想足尼奥哥分考事，物要坛尔运哥。了件强理为的斯会的幸5爆我系国霸，主·分好发中蹭争主弟要玻（文，华课光是弟问尔百史历！。的代题是A分方B史于后钱表是门制面俱系是来伟丹在将）表乐的这他长麦球，，现部钱位在苦夺场弟数出。伟物史练得上弟学了该长理书左了不哈、超球愤只上边足够那化人会怒有的锋球专德学的的了身技银注5·加天主分。份术牌，玻起赋力的他是 ， ； 经尔来，中文决：入而常是被2有艺0定中选哥会前清一分青要国了哥思锋华对，年制力中只考。破亲英，造学国能数1格兄语开9出之国候学0录弟更始8飞父家补题年取，是。，。。
①能带结构
3s 2p 2s
1s
金属Na的能带结构
当外电场ε加上之后，由于 K和－K态电子具有大小相 同但方向相反的速度，彼此 完全抵消。即满带中的电子 对导电没有贡献。
①能带结构
①能带结构
①能带结构
实际晶体总会有杂质，存在缺陷。传导电子在输
运过程中的散射：
电子—电子(电子散射) 电子—声子(声子散射)
（5）严格控制温度和气氛，以免产生氧化还原反应而出现自由 电子和空穴。
（6）当材料中引进产生自由电子（或空穴）的离子时，可引进 另一种产生空穴（或自由电子）的不等价杂质离子，以消除自由 电子和空穴，提高体积电阻率这种方法称作杂质补偿。
③绝缘陶瓷
老化——电功能器瓷的普遍问题
陶瓷材料是一种不均匀的多相系统，这种不均 匀性包括材料结构的不均匀以及杂质所造成的不均 匀等。会在外界各种因素的长期作用下，发生一系 列物理、化学的不可逆变化的过程，该过程称为老 化。老化会导致性能发生变化（如塑料老化）。
（2）严格控制配方，避免杂质离子，尤其是碱金属和碱土金属 离子的引入，在必须引入金属离子时，充分利用中和效应和压抑 效应，以降低材料中玻璃相的电导率。
（3）由于玻璃相会导致空间电荷极化，甚至达到无玻璃相烧结。