功能陶瓷材料课件
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根据功能陶瓷能量转换和耦合特性，可以制备 压电、光电、热电、磁电和铁电等陶瓷；
根据功能陶瓷对外场条件的敏感效应，则可制 备热敏、气敏、湿敏、压敏、磁敏和光敏等敏感陶 瓷。
在设备技术方面向着多层、多相乃至超微细结构的调控 与复合、低温活化烧结、立体布线、超细超纯、薄膜技术等方 向发展。
因此，要想达到自控设计材料，或者进行局 部的性能改善，必须综合考虑组成、工艺、微观 结构等诸多因素，这是个系统工程。
下图表示了陶瓷功能与组成、工艺、性能和 结构的关系。
陶瓷功能与组成、工艺、性能、结构的关系
8.1.4、功能陶瓷的应用和展望
功能陶瓷的不断开发，对科学技术的发展起了 巨大促进作用，功能陶瓷的应用领域也随之更为广 泛。
②从材料的组成上直接调节、优化其内在的品质， 包括采用非化学式计量、离子置换、添加不同类型杂 质，使不同相在微观级复合，进而形成不同性质的晶 界层等。
一般工艺条件是指原料的物理化学性质 和状态、加工成型方法和条件、烧成制度和 烧结状态，以及成品的加工方法和条件等。
无论是改变组成还是改变工艺，最终都 是通过材料微观结构的变化，才能体现出宏 观的功能变化。
第八章 功能陶瓷材料
8.1 陶瓷材料与功能陶瓷
8.1.1、陶瓷材料的发展概况 8.1.2、功能陶瓷的定义、范围和分类 8.1.3、功能陶瓷的性能与工艺特征 8.1.4、功能陶瓷的应用和展望 8.1.5、制备陶瓷材料的原料
8.1.1 陶瓷材料的发展概况
陶瓷在人类生活和社会建设中是不可缺少的材料， 它和金属材料、高分子材料并列为当代三大固体材料。
此时可认为，广义的陶瓷概念已是用陶瓷生产 方法制造的无机非金属固体材料和制品的统称。
纳米陶瓷阶段
到20世纪90年代，陶瓷研究已进入第三个阶 段--纳米陶瓷阶段。
所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相就有 纳米级尺度的陶瓷材料。它包括晶粒尺寸、晶界 宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等均在 纳米量级的尺度上。
功能陶瓷的特点 品种多、产量大、价格低、应用广、功能全、
技术高、更新快。
通过对复杂多元氧化物系统的化学、物理及组成、 结构、性能和使用效能间相互关系的研究，已陆续发 现了一大批具有优异性能或特殊功能的功能陶瓷，并 可借助于离子置换、掺杂等方法调节、优化其性能， 功能陶瓷材料研究已开始从经验式的探索逐步走向按 所需性能来进行材料设计。
我国的陶瓷研究历史悠久、成就辉煌，它是中 华文明的伟大象征之一，在我国的文化和发展史上占 有极其重要的地位。
陶瓷的研究进程分为三个阶段
新石器时代 先进陶瓷阶段 纳米陶瓷阶段
新石器时代
远在几干年前的新石器时代，我们的祖先就 已经用天然黏土作原料，塑造成各种器皿，再在 火堆中烧成坚硬的可重复使用的陶器，由于烧成 温度较低，陶器仅是一种含有较多气孔、质地疏 松的未完全烧成制品。
如氧化物陶瓷、压电陶瓷、金属陶 瓷等各种高温和功能陶瓷。
这时，陶瓷研究进入第二个阶段— —先进陶瓷阶段。
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。
8.1.2 功能陶瓷的定义、范围和分类
从性能上可把先进陶瓷分为结构陶瓷 (Structral ceramics)和功能陶瓷(Functional Ceramics)两大类。
结构陶瓷是指具有力学和机械性能及部分热学 和化学功能的先进陶瓷(现代陶瓷)，特别适于高温下 应用的则称为高温结构陶瓷。
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(现代陶瓷)。
以后大约在2000年前的东汉晚期，人们利用含铝 较高的天然瓷土为原料，加上釉的发明，以及高温合 成技术的不断改进，使陶瓷步入瓷器阶段，这是陶瓷 技术发展史上意义重大的里程碑。
釉：以石英、长石、硼砂、黏土等为原料制成的东
西，涂在瓷器、陶器外面，烧制后发出玻璃光泽， 可增加陶瓷的机械强度和绝缘性能。
陶瓷都是以黏土为主要原料与其他天然矿物原料 经粉碎混炼—成形一煅烧等过程制成的。
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。
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；
如常见的日用陶瓷、建筑陶瓷、电瓷等传统陶瓷。
由于陶瓷的主要原料取之于自然界的硅酸盐矿物 (如黏土、长石、石英等)，所以可归为硅酸盐类材料 和制品。
从原始瓷器的出现到近代的传统陶瓷，这一阶段 持续了四千余年。
先进陶百度文库阶段
20世纪以来，随着人类对宇宙的探索、原子 能工业的兴起和电子工业的迅速发展，从性质、 品种到质量等方面，对陶瓷材料均提出越来越高 的要求。从而，促使陶瓷材料发展成为一系列具 有特殊功能的无机非金属材料。
在先进陶瓷阶段，陶瓷制备技术飞速发展。 在成形方面，有等静压成形、热压注成形、注 射成形、离心注浆成形、压力注浆成形等成形方法； 在烧结方面，则有热压烧结、热等静压烧结、 反应烧结、快速烧结、微波烧结、自蔓延烧结等。
在先进陶瓷阶段，采用的原料已不再使用或很 少使用黏土等传统原料，而已扩大到化工原料和合 成矿物，甚至是非硅酸盐、非氧化物原料，组成范 围也延伸到无机非金属材料范围。
8.1.3、功能陶瓷的性能与工艺特征
陶瓷功能的实现，主要取决于它所具有的各种 性能，而在某一类性能范围中，又必须针对具体应 用，去改善、提高某种有效的性能，以获得有某种 功能的陶瓷材料。
一般来说，要从性能的改进来改善陶瓷材料的功 能，需从以下两个方面入手：
①通过改变外界条件，即改变工艺条件以改善和 提高陶瓷材料的性能，达到获得优质材料的目的。
根据功能陶瓷对外场条件的敏感效应，则可制 备热敏、气敏、湿敏、压敏、磁敏和光敏等敏感陶 瓷。
在设备技术方面向着多层、多相乃至超微细结构的调控 与复合、低温活化烧结、立体布线、超细超纯、薄膜技术等方 向发展。
因此，要想达到自控设计材料，或者进行局 部的性能改善，必须综合考虑组成、工艺、微观 结构等诸多因素，这是个系统工程。
下图表示了陶瓷功能与组成、工艺、性能和 结构的关系。
陶瓷功能与组成、工艺、性能、结构的关系
8.1.4、功能陶瓷的应用和展望
功能陶瓷的不断开发，对科学技术的发展起了 巨大促进作用，功能陶瓷的应用领域也随之更为广 泛。
②从材料的组成上直接调节、优化其内在的品质， 包括采用非化学式计量、离子置换、添加不同类型杂 质，使不同相在微观级复合，进而形成不同性质的晶 界层等。
一般工艺条件是指原料的物理化学性质 和状态、加工成型方法和条件、烧成制度和 烧结状态，以及成品的加工方法和条件等。
无论是改变组成还是改变工艺，最终都 是通过材料微观结构的变化，才能体现出宏 观的功能变化。
第八章 功能陶瓷材料
8.1 陶瓷材料与功能陶瓷
8.1.1、陶瓷材料的发展概况 8.1.2、功能陶瓷的定义、范围和分类 8.1.3、功能陶瓷的性能与工艺特征 8.1.4、功能陶瓷的应用和展望 8.1.5、制备陶瓷材料的原料
8.1.1 陶瓷材料的发展概况
陶瓷在人类生活和社会建设中是不可缺少的材料， 它和金属材料、高分子材料并列为当代三大固体材料。
此时可认为，广义的陶瓷概念已是用陶瓷生产 方法制造的无机非金属固体材料和制品的统称。
纳米陶瓷阶段
到20世纪90年代，陶瓷研究已进入第三个阶 段--纳米陶瓷阶段。
所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相就有 纳米级尺度的陶瓷材料。它包括晶粒尺寸、晶界 宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等均在 纳米量级的尺度上。
功能陶瓷的特点 品种多、产量大、价格低、应用广、功能全、
技术高、更新快。
通过对复杂多元氧化物系统的化学、物理及组成、 结构、性能和使用效能间相互关系的研究，已陆续发 现了一大批具有优异性能或特殊功能的功能陶瓷，并 可借助于离子置换、掺杂等方法调节、优化其性能， 功能陶瓷材料研究已开始从经验式的探索逐步走向按 所需性能来进行材料设计。
我国的陶瓷研究历史悠久、成就辉煌，它是中 华文明的伟大象征之一，在我国的文化和发展史上占 有极其重要的地位。
陶瓷的研究进程分为三个阶段
新石器时代 先进陶瓷阶段 纳米陶瓷阶段
新石器时代
远在几干年前的新石器时代，我们的祖先就 已经用天然黏土作原料，塑造成各种器皿，再在 火堆中烧成坚硬的可重复使用的陶器，由于烧成 温度较低，陶器仅是一种含有较多气孔、质地疏 松的未完全烧成制品。
如氧化物陶瓷、压电陶瓷、金属陶 瓷等各种高温和功能陶瓷。
这时，陶瓷研究进入第二个阶段— —先进陶瓷阶段。
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。
8.1.2 功能陶瓷的定义、范围和分类
从性能上可把先进陶瓷分为结构陶瓷 (Structral ceramics)和功能陶瓷(Functional Ceramics)两大类。
结构陶瓷是指具有力学和机械性能及部分热学 和化学功能的先进陶瓷(现代陶瓷)，特别适于高温下 应用的则称为高温结构陶瓷。
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(现代陶瓷)。
以后大约在2000年前的东汉晚期，人们利用含铝 较高的天然瓷土为原料，加上釉的发明，以及高温合 成技术的不断改进，使陶瓷步入瓷器阶段，这是陶瓷 技术发展史上意义重大的里程碑。
釉：以石英、长石、硼砂、黏土等为原料制成的东
西，涂在瓷器、陶器外面，烧制后发出玻璃光泽， 可增加陶瓷的机械强度和绝缘性能。
陶瓷都是以黏土为主要原料与其他天然矿物原料 经粉碎混炼—成形一煅烧等过程制成的。
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。
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；
如常见的日用陶瓷、建筑陶瓷、电瓷等传统陶瓷。
由于陶瓷的主要原料取之于自然界的硅酸盐矿物 (如黏土、长石、石英等)，所以可归为硅酸盐类材料 和制品。
从原始瓷器的出现到近代的传统陶瓷，这一阶段 持续了四千余年。
先进陶百度文库阶段
20世纪以来，随着人类对宇宙的探索、原子 能工业的兴起和电子工业的迅速发展，从性质、 品种到质量等方面，对陶瓷材料均提出越来越高 的要求。从而，促使陶瓷材料发展成为一系列具 有特殊功能的无机非金属材料。
在先进陶瓷阶段，陶瓷制备技术飞速发展。 在成形方面，有等静压成形、热压注成形、注 射成形、离心注浆成形、压力注浆成形等成形方法； 在烧结方面，则有热压烧结、热等静压烧结、 反应烧结、快速烧结、微波烧结、自蔓延烧结等。
在先进陶瓷阶段，采用的原料已不再使用或很 少使用黏土等传统原料，而已扩大到化工原料和合 成矿物，甚至是非硅酸盐、非氧化物原料，组成范 围也延伸到无机非金属材料范围。
8.1.3、功能陶瓷的性能与工艺特征
陶瓷功能的实现，主要取决于它所具有的各种 性能，而在某一类性能范围中，又必须针对具体应 用，去改善、提高某种有效的性能，以获得有某种 功能的陶瓷材料。
一般来说，要从性能的改进来改善陶瓷材料的功 能，需从以下两个方面入手：
①通过改变外界条件，即改变工艺条件以改善和 提高陶瓷材料的性能，达到获得优质材料的目的。