功能陶瓷合成与制备

(1) 要求 ① 粉末组成和化学计量比可以精确地调节和控制，粉料
成分有良好的均一性； ② 粒子的形状和粒度要均匀，并可控制在适当的水平； ③ 粉料具有较高的活性，表面洁净，不受污染； ④ 能制成掺杂效果、成形和烧结性能都较好的粉料； ⑤ 适用范围较广、产量较大、成本较低； ⑥ 操作简单、条件适宜、能耗小、原料来源充分而方便。
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。
❖陶瓷多种功能的实现，主要取决于它具有的 各种特性，在具体应用时，并根据需要，对 其某一有效性能加以改善提高，以达到良好 使用的目的。
❖要以性能的改进来改善陶瓷材料的功能性， 可以从以下两方面进行：
1. 从材料的组成上直接调节，优化其内在品质，包括 采用非化学式计量、离子置换、添加不同类型杂质， 使不同相在微观级别复合，形成不同性质的晶界层 等。
结构陶瓷
功能陶瓷
结构陶瓷 是指在应用时主要利用其力学性能的材料
功能陶瓷 是指以电、磁、光、声、热力、化学和生物学信
息的检测、转换、耦合、传输及存储功能为主要特征， 这类介质材料通常具有一种或多种功能。
本章主要论述功能陶瓷的合成与制备方法
第五章 功能陶瓷的合成与制备
5.1 功能陶瓷概论 5.2 高温超导陶瓷 5.3 敏感陶瓷 5.4 压电陶瓷 5.5 半导体陶瓷 5.6 磁性陶瓷
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。
2. 陶瓷的成型制备技术
成型工艺影响到材料内部结构、组成均匀性，因而直接 影响到陶瓷材料的使用性能，现代高技术陶瓷部件形状 复杂多变，尺寸精度要求高，而成型时的原料又大多为 超细粉，容易产生团聚，因此对成型技术提出了更高的 要求。
5.1.2 功能陶瓷的制备工艺
❖ 多晶体的陶瓷一般均是通过高温烧结而制成的，所以 也称为烧结陶瓷。
❖ 由于组成陶瓷的物质不同，种类繁多，制造工艺因而 多种多样，一般工艺可按下列流程图进行，这也是功 能陶瓷的制造工艺。
在功能陶瓷的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。
1. 超微细粉料的制备
❖高性能陶瓷与普通陶瓷不同，通常以化学计量进行配 料，要求粉料高纯超细，传统的通过机械粉碎和分级的 固相法已不能满足要求。
❖功能陶瓷的微观结构和多功能性，在很大程度上取决 于粉末原料的特性、粒度及其形状与尺寸、化学组成及 其均匀度等。 ❖随着科学技术的迅猛发展，对功能陶瓷元件提出了高 精度、多功能、高可靠性、小型化的要求。为了制造出 高质量的功能陶瓷元件，其关键之一就是要实现粉末原 料的超纯、超细的均匀化。
(2) 功能陶瓷超微细粉的常用制备方法（三种）
❖ 固相法：一般是把金属氧化物或其盐按照配方充分
混合、研磨后进行煅烧。 粉碎方法有化学法与机械法。 化学反应有氧化还原法、固体热分解法、固相反应法
。
Biblioteka Baidu ❖液相法
沉淀法：可分为直接沉淀法、共沉淀法和均匀沉淀法 等，均利用生产沉淀的液相反应来制取。
水解法：1) 醇盐水解法，是制备高纯的超微细粉的重 要方法；2) 金属盐水解法
溶胶-凝胶(sol-gel)法：是将金属氧化物或氢氧化物浓 的溶胶转变为凝胶，再将凝胶干燥后进行煅烧，然后 制备氧化物的方法。利用该法制备ZrO2超微细粉， 其成型体可在1500ºC烧成。
溶剂蒸发法：把金属盐混合溶液化成很小的液滴，使 盐迅速呈超微细颗粒并且均匀析出，如喷雾干燥法、 冷冻干燥法。
功能陶瓷的合成与制备
前言
“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。
日用陶瓷－餐具
建筑陶瓷－地砖
电瓷
性能：耐高温、耐磨、耐腐蚀、高硬度、高强度及其 它特殊性能(压电性、磁性和光学性能)，但脆性大
结构陶瓷主要是用于耐磨损、高强度、耐热、耐热 冲击、硬质、高刚性、低热膨胀性和隔热等结构陶瓷 材料
2. 通过改变外界条件即改变工艺条件和提高陶瓷材料 的性能，达到获得优质材料的目的。
无论改变组成还是改变工艺，最终都是使材料的微观 结构产生变化，从而使其性能得到提高，表5.1、表5.2 给出的就是功能材料形态、能量等变化对其性能的影 响实例。
因此，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。
不同形状的特种结构陶瓷件
功能陶瓷中包括电磁功能、光学功能和生物-化学功 能等陶瓷制品和材料，此外还有核能陶瓷和其它功能材 料等。
电子绝缘件
氧化锆陶瓷光学导管
陶瓷材料
传统陶瓷：
天然硅酸盐矿物 (黏土、石英、长石 等)
新型陶瓷：
新型无机非金属材料 (氧化物、氮化物、 碳化物) 等，也叫先进陶瓷和高技术陶瓷
5.1 功能陶瓷概论
❖ 说明功能陶瓷的制备应具备的技术要素 ❖ 功能陶瓷的粉体成形方法和烧结方法
5.1.1 功能陶瓷的分类
功能陶瓷的应用十分广泛，材料体系和品种繁多、功能 全、技术高、更新快，主要材料有电气电子材料、磁性 材料、光学材料、化学功能材料、热功能材料及生物功 能材料等。
❖在以上所列举的常用功能陶瓷材料中，比较 重要的材料特性如下：
❖气相法
蒸发凝聚法：将原料加热气化并急冷，即获超细粉（ 粒径为5~100nm），适于制备单一或复合氧化物，碳 化物或金属的超微细粉。使金属在惰性气体中蒸发凝聚，通过调节气压以控制生成的颗粒尺寸。
气相反应法：如气相合成法、气相氧化法、气相热分 解反应法等，其优点有：1) 容易精制提纯、生成物纯 度高，不需粉碎，粒径分布均匀；2) 生成颗粒弥散性 好；3) 容易控制气氛；4) 通过调节气压以控制生成 的颗粒尺寸。