浅谈陶瓷材料的性能及其应用2

浅谈特种陶瓷材料的性能、应用及其展望摘要陶瓷是无机非金属材料，它以其特殊的性能被广泛应用。

特种陶瓷是陶瓷材料不断发展的产物，随着人们需求的增长，特种陶瓷材料的类型越来越多。

特种陶瓷性能好、应用广、发展快，在各个领域均被广泛应用，在现代工业中有着重要地位。

SummaryAbstract ceramic inorganic non-metallic materials, with special performance was widely used. Special ceramics is the continued development of ceramic products, as demand growth, special types of ceramic materials is increasing. Good special ceramics, wide application, fast development, has been widely applied in various fields, has an important position in the modern industry.关键词：无机非金属（non metallic inorganic）性能（highperformance）发展（development）重要地位（Important position）一、特种陶瓷的类型按照化学成分可分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷等，此外还有铬酸镧钙陶瓷，金属陶瓷等。

但是人们为了生产、研究和学习上的方便，有时不按化学组成，而根据陶瓷的性能把它们分为结构陶瓷和功能陶瓷，其中又可以分为高强度陶瓷、高温陶瓷、高韧性陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、电解质陶瓷、半导体陶瓷、电介质陶瓷、光学陶瓷（即透明陶瓷）、磁性瓷、耐酸陶瓷和生物陶瓷等。

结构陶瓷有很好的强度、韧度以及硬度；功能陶瓷则有其特殊的性能，例如绝缘性、介电性、热电性等。

二几种特种陶瓷的性能极其应用随着现代电器，无线电、航空、原子能、冶金、机械、化学等工业以及电子计算机、空间技术、新能源开发等尖端科学技术的飞跃发展而发展起来的。

这些陶瓷所用的主要原料不再是粘土，长石，石英，有的坯休也使用一些粘土或长石，然而更多的是采用纯粹的氧化物和具有特殊性能的原料，制造工艺与性能要求也各不相同。

为了方便更好地了解特种陶瓷，以下以性能分类。

1.介电陶瓷这类材料主要分为非铁电陶瓷和铁电陶瓷两类。

非铁电陶瓷比如二氧化钛、钛酸镁等，高频损耗小，也称为补偿电容器陶瓷。

铁电陶瓷比如钛酸钡、锆钛酸铅等，介电常数高，也称为强介电陶瓷。

除此以外还有一些比如反铁电陶瓷等等，数量比较少。

陶瓷材料特有的高强度、耐热性、稳定性等特点，被人们普遍看好用作集成电路板的制造材料。

目前作为集成电路基板的陶瓷材料主要有氧化铝、氧化铍、碳化硅及氮化铝等，其中以氧化铝应用最为普遍。

这类陶瓷的介电损耗低，机械强度高，已被广泛应用于基板材料。

介电陶瓷主要用于生产大容量电容器。

2.压电陶瓷某些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象，称为压电效应。

具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，它的表面电荷的密度与所受的机械应力成正比，这就是压电效应。

反之，当这类材料在外电场作用下，其内部正负电荷中心移位，又可导致材料发生机械变形，形变的大小与电场强度成正比，这就是逆压电效应。

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。

在能量转换方面，压电陶瓷能将机械能转换成电能。

常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3(A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价）型化合物，如：Pb(Mn1/3Nb2/3）O3和Pb(Co1/3Nb2/3）O3等组成的三元系。

如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物，可组成四元系或多元系压电陶瓷。

此外，还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷，如偏铌酸钾钠（Na0.5·K0.5·NbO3）和偏铌酸锶钡（Ba x·Sr1-x·Nb2O5）等，它们不含有毒的铅，对环境保护有利。

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、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺。

另外由于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，但是最大的奇功在于它能制造压电地震仪，可以准确指出地震的方位和距离。

不仅如此，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。

3.绝缘陶瓷绝缘材料在电器电路或电子电路中所起的作用主要是根据电路设计要求将导体物理隔离，以防电流在它们之间流动而破坏电路的正常运行。

此外，绝缘材料还起着导体的机械支持、散热及电路环境保护等作用，一般将具有上述作用的陶瓷称为绝缘陶瓷。

电子技术中首先要求绝缘材料不导电，即要求电阻率尽量高。

绝缘陶瓷分为氧化物绝缘陶瓷和非氧化物绝缘陶瓷两大系列，要成为一种优异的绝缘陶瓷，必须具备以下性能：体积电阻率：(ρ) ≥1012Ω·cm相对介电常数: (εr) ≤30 良好的导热性、与导体材料相近的热膨胀系数、耐热性、高强度和化学稳定性。

应用固体能带理论，可以很好的解释固体中的绝缘性、半导性和导电性。

固体能带中被电子完全占满的叫满带，未被电子占据的叫导带，满带和导带之间称为禁带。

如果禁带宽度足够大（几个ev以上），满带的电子就难以被激发而超越禁带进入导带，也即认为电子几乎无法迁移，那么固体就是典型的绝缘体。

实际上，这种理想的绝缘体只有在绝对零度时才能获得，如果外界条件有所变化，例如温度升高或受光照，由于热激发，满带中的部分电子就可能被激发而跃迁到导电，从而使导电成为可能，这与高温时半导体的性质相似，只不过绝缘体的禁带宽度比半导体大（绝缘体的约4-5eV，而半导体约1eV）。

由于绝缘体具有很大的禁带宽度，激发电子需要很大的能量，在室温附近，实际上可以认为电子几乎不迁移。

由于很多绝缘陶瓷是典型的离子晶体或共价晶体，就需要考虑离子扩散出现的电导行为，因此在绝缘陶瓷中应尽可能避免碱金属离子的存在（尤其是钠离子），这些离子可形成强烈的电导，降低陶瓷的绝缘性能。

总体来说绝缘陶瓷的用途非常广泛，像整流管用陶瓷管壳、陶瓷管壳、封装材料、陶瓷管保险丝、电子电器用陶瓷绝缘管等。

4.半导体陶瓷半导体陶瓷具有半导体特性、电导率约在10-6～105S/m的陶瓷。

半导体陶瓷的电导率因外界条件（温度、光照、电场、气氛和温度等）的变化而发生显著的变化，因此可以将外界环境的物理量变化转变为电信号，制成各种用途的敏感元件。

半导体陶瓷生产工艺的共同特点是必须经过半导化过程。

半导化过程可通过掺杂不等价离子取代部分主晶相离子(例如，BaTiO3中的Ba2+被La3+取代)，使晶格产生缺陷，形成施主或受主能级，以得到n型或p型的半导体陶瓷。

另一种方法是控制烧成气氛、烧结温度和冷却过程。

例如氧化气氛可以造成氧过剩，还原气氛可以造成氧不足，这样可使化合物的组成偏离化学计量而达到半导化。

半导体陶瓷敏感材料的生产工艺简单，成本低廉，体积小，用途广泛。

压敏陶瓷指伏安特性为非线性的陶瓷。

如碳化硅、氧化锌系陶瓷。

它们的电阻率相对于电压是可变的，在某一临界电压下电阻值很高，超过这一临界电压则电阻急剧降低。

典型产品是氧化锌压敏陶瓷，主要用于浪涌吸收、高压稳压、电压电流限制和过电压保护等方面。

半导体陶瓷用于制造各种敏感电阻，其用于各种控制系统制造，在生活生产有着重要作用.5.透明陶瓷一般陶瓷是不透明的，但是光学陶瓷像玻璃一样透明，故称透明陶瓷。

一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者令光产生散射，所以就不透明了。

因此如果选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。

早期就是采用这样的办法得到透明的氧化铝陶瓷，后来陆续研究出如烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆等多种氧化物系列透明陶瓷。

近期又研制出非氧化物透明陶瓷，如砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化镁、氟化钙等。

这些透明陶瓷不仅有优异的光学性能，而且耐高温，一般它们的熔点都在2000℃以上。

透明陶瓷的制造是有意识地在玻璃原料中加入一些微量的金属或者化合物（如金、银、铜、铂、二氧化钛等）作为结晶的核心，在玻璃熔炼、成型之后，再用短波射线（如紫外线、X射线等）进行照射，或者进行热处理，使玻璃中的结晶核心活跃起来，彼此聚结在一起，发育成长，形成许多微小的结晶，这样，就制造出了玻璃陶瓷。

透明陶瓷的机械强度和硬度都很高，能耐受很高的温度，即使在一千度的高温下也不会软化、变形、析晶。

电绝缘性能、化学稳定性都很高。

光敏型玻璃陶瓷还有一个很有趣的性能，就是它能象照相底片一样感光，由于这种透明陶瓷有这样的感光性能，故又称它为感光玻璃。

并且它的抗化学腐蚀的性能也很好，可经受放射性物质的强烈辐射。

它不但可以象玻璃那样透过光线，而且还可以透过波长10微米以上的红外线，因此，可用来制造立体工业电视的观察镜，防核爆炸闪光危害的眼镜，新型光源高压钠灯的放电管。

透明陶瓷的用途十分广泛，在机械工业上可以用来制造车床上的高速切削刀，汽轮机叶片，水泵，喷气发动机的零件等，在化学工业上可以用作高温耐腐蚀材料以代替不锈钢等，在国防军事上，透明陶瓷又是一种很好的透明防弹材料，还可以做成导弹等飞行器头部的雷达天线罩和红外线整流罩等；在仪表工业上可用作高硬度材料以代替宝石，在电子工业上可以用来制造印刷线路的基板和镂板，在日用生活中可以用来制作各种器皿，瓶罐，餐具等等。

由于特种陶瓷类型较多，我最后介绍一下生物陶瓷与工程陶瓷。

生物硬组织代用材料有体骨、动物骨，后来发展到采用不锈钢和塑料，由于这些生物材料在生物体中使用，不锈钢存在溶析、腐蚀和疲劳问题，塑料存在稳定性差和强度低的问题。

因此生物陶瓷具有广阔的发展前景，目前世界各国相继发展了生物陶瓷材料。

生物陶瓷不仅具有不锈钢塑料所具有的特性，而且具有亲水性、能与细胞等生物组织表现出良好的亲和性。

生物陶瓷除用于测量、诊断治疗等外，主要是用作生物硬组织的代用材料，可用于骨科、整形外科、牙科、口腔外科、心血管外科、眼耳鼻喉科及普通外科等方面。

生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定，生物相溶性好的陶瓷材料。