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1、关于功能陶瓷材料关于功能陶瓷材料1第一页，讲稿共九十四页哦5.1 陶瓷材料与功能陶瓷陶瓷材料与功能陶瓷5.1.1、陶瓷材料陶瓷材料的发展概况的发展概况5.1.2、功能陶瓷功能陶瓷的定义、范围和分类的定义、范围和分类5.1.3、功能陶瓷功能陶瓷的性能与工艺特征的性能与工艺特征5.1.4、功能陶瓷功能陶瓷的应用和展望的应用和展望5.1.5、制备、制备陶瓷材料的原料陶瓷材料的原料 2第二页，讲稿共九十四页哦5.1.1 陶瓷材料的发展概况陶瓷材料的发展概况 陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷在人类在人类生活和社会建设生活和社会建设中是不可缺少的材料，它中是不可缺少的材料，它和和金属材料金属材料、高分子材料高分子材料高分
2、子材料高分子材料并列为当代并列为当代三大固体材料三大固体材料。我国的我国的陶瓷研究陶瓷研究历史悠久历史悠久、成就辉煌、成就辉煌，它是中华文它是中华文明的伟大象征之一，在我国的明的伟大象征之一，在我国的文化和发展史上文化和发展史上占有极其重要占有极其重要的地位。的地位。3第三页，讲稿共九十四页哦陶瓷的研究进程分为三个阶段陶瓷的研究进程分为三个阶段新石器时代新石器时代先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段纳米陶瓷阶段纳米陶瓷阶段4第四页，讲稿共九十四页哦新石器时代新石器时代远在远在几干年前几干年前的的新石器时代新石器时代，我们的祖先就已经，我们的祖先就已经用用天然黏土天然黏土天然黏土天然黏土作原料，塑造成各种器
3、皿，再作原料，塑造成各种器皿，再在火堆中在火堆中烧成烧成坚硬的可重复使用的坚硬的可重复使用的陶器陶器，由于，由于烧成温度较低烧成温度较低，陶器，陶器仅是一种含有仅是一种含有较多气孔较多气孔、质地疏松质地疏松质地疏松质地疏松的的未完全烧成未完全烧成制品。制品。5第五页，讲稿共九十四页哦以后大约在以后大约在2000年前的年前的东汉晚期东汉晚期东汉晚期东汉晚期，人们利用，人们利用含铝较高含铝较高的天然瓷土的天然瓷土为原料，加上为原料，加上釉釉的发明，以及的发明，以及高温合成技术高温合成技术的不断改进，使陶瓷步入的不断改进，使陶瓷步入瓷器阶段瓷器阶段，这是，这是陶瓷技术发展史上陶瓷技术发展史上意义重大
4、的里程碑。意义重大的里程碑。釉：釉：以以石英、长石、硼砂、黏土石英、长石、硼砂、黏土等为原料制成的东西，等为原料制成的东西，涂在瓷器、陶器外面，烧制后涂在瓷器、陶器外面，烧制后发出玻璃光泽发出玻璃光泽，可增加陶，可增加陶瓷的瓷的机械强度机械强度和和绝缘性能绝缘性能。6第六页，讲稿共九十四页哦陶瓷陶瓷都是以都是以黏土黏土黏土黏土为主要原料与其他为主要原料与其他天然矿物原料天然矿物原料经经粉粉粉粉碎混炼碎混炼碎混炼碎混炼成形成形成形成形一一煅烧煅烧等过程制成的。等过程制成的。如常见的如常见的日用陶瓷日用陶瓷、建筑陶瓷建筑陶瓷、电瓷电瓷等传统陶瓷。等传统陶瓷。由于由于陶瓷陶瓷的主要原料取之于自然界的
5、的主要原料取之于自然界的硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物(如如黏黏土土、长石长石、石英石英等等)，所以可归为，所以可归为硅酸盐类材料和制品硅酸盐类材料和制品。从从原始瓷器原始瓷器原始瓷器原始瓷器的出现到的出现到近代的传统陶瓷近代的传统陶瓷近代的传统陶瓷近代的传统陶瓷，这一阶段持续了，这一阶段持续了四千余年。四千余年。7第七页，讲稿共九十四页哦先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段20世纪以来，随着人类对世纪以来，随着人类对宇宙的探索宇宙的探索、原子能原子能工业的兴起工业的兴起和和电子工业电子工业的迅速发展，从的迅速发展，从性质性质、品种品种品种品种到到质量质量质量质量等方面，对等方面，对陶瓷材料陶瓷
6、材料陶瓷材料陶瓷材料均提出均提出越来越高的要求越来越高的要求。从而，促使从而，促使陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料发展成为一系列发展成为一系列具有特殊功能的具有特殊功能的无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料。8第八页，讲稿共九十四页哦如如氧化物陶瓷氧化物陶瓷、压电陶瓷压电陶瓷、金属陶瓷金属陶瓷等各种等各种高温和功能陶瓷高温和功能陶瓷。这时，陶瓷研究进入第二个阶段这时，陶瓷研究进入第二个阶段先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段。9第九页，讲稿共九十四页哦先进陶瓷先进陶瓷先进陶瓷先进陶瓷（Advanced ceramics）又称又称现代陶瓷现代陶瓷现代陶瓷现代陶瓷，是为，是为了有别于了有别
7、于传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷而言的。而言的。先进陶瓷先进陶瓷有时也称为有时也称为精细陶瓷精细陶瓷(Fine Ceramics)、新型新型新型新型陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷(New Ceramics)、特种陶瓷特种陶瓷特种陶瓷特种陶瓷(Special Ceramics)和和高技术高技术高技术高技术陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷(High-Tech.Ceramics)等。等。10第十页，讲稿共九十四页哦在在先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段，陶瓷制备技术陶瓷制备技术飞速发展。飞速发展。在在成形方面，成形方面，成形方面，成形方面，有有等静压等静压成形、成形、热压注热压注成形、成形、注射注射成成形、形、离心注浆离心注浆成形、成形
8、、压力注浆压力注浆成形等成形方法；成形等成形方法；在在烧结方面，烧结方面，则有则有热压热压热压热压烧结、烧结、热等静压热等静压烧结、烧结、反反反反应应应应烧结、烧结、快速快速快速快速烧结、烧结、微波微波微波微波烧结、烧结、自蔓延自蔓延自蔓延自蔓延烧结等。烧结等。11第十一页，讲稿共九十四页哦在在先进陶瓷阶段先进陶瓷阶段，采用的采用的原料原料原料原料已不再使用或很少使已不再使用或很少使用用黏土黏土黏土黏土等传统原料，而已扩大到等传统原料，而已扩大到化工原料化工原料和和合成矿物合成矿物合成矿物合成矿物，甚至是甚至是非硅酸盐非硅酸盐非硅酸盐非硅酸盐、非氧化物非氧化物原料，原料，组成范围组成范围也延伸
9、到也延伸到无无无无机非金属材料机非金属材料机非金属材料机非金属材料范围。范围。此时可认为，此时可认为，广义的陶瓷概念广义的陶瓷概念广义的陶瓷概念广义的陶瓷概念已是已是用陶瓷生产方法用陶瓷生产方法制制造的造的无机非金属固体材料无机非金属固体材料和和制品制品的统称。的统称。12第十二页，讲稿共九十四页哦纳米陶瓷阶段纳米陶瓷阶段到到20世纪世纪90年代，陶瓷研究已进入第三个阶段年代，陶瓷研究已进入第三个阶段-纳米陶瓷阶段纳米陶瓷阶段纳米陶瓷阶段纳米陶瓷阶段。所谓所谓纳米陶瓷纳米陶瓷，是指，是指显微结构中的物相显微结构中的物相就有就有纳米纳米级尺度级尺度的陶瓷材料。它包括的陶瓷材料。它包括晶粒尺寸晶粒
10、尺寸、晶界宽度晶界宽度、第第第第二相分布二相分布二相分布二相分布、气孔尺寸气孔尺寸气孔尺寸气孔尺寸、缺陷尺寸缺陷尺寸缺陷尺寸缺陷尺寸等均等均在纳米量级的尺度在纳米量级的尺度上上。13第十三页，讲稿共九十四页哦5.1.2 功能陶瓷的定义、范围和分类功能陶瓷的定义、范围和分类从性能上从性能上可把可把先进陶瓷先进陶瓷分为分为结构陶瓷结构陶瓷(Structral ceramics)和和功能陶瓷功能陶瓷(Functional Ceramics)两大类。两大类。14第十四页，讲稿共九十四页哦 结构陶瓷结构陶瓷是指具有是指具有力学力学和和机械性能机械性能及部分及部分热学热学热学热学和和化化学功能学功能的先进
11、陶瓷的先进陶瓷(现代陶瓷现代陶瓷)，特别，特别适于高温下应用的适于高温下应用的则称为则称为高温结构陶瓷高温结构陶瓷高温结构陶瓷高温结构陶瓷。功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷是指那些利用是指那些利用电电、磁磁、声声、光光光光、热热热热、力力力力等等直接效应直接效应及其及其耦合效应耦合效应所提供的所提供的一种或多种性质一种或多种性质来实现某来实现某种种使用功能使用功能的先进陶瓷的先进陶瓷(现代陶瓷现代陶瓷)。功能陶瓷的特点功能陶瓷的特点品种多品种多、产量大产量大、价格低价格低、应用广应用广、功能全功能全、技术技术高高、更新快更新快。15第十五页，讲稿共九十四页哦通过对通过对复杂多元氧化物系统复杂多
12、元氧化物系统复杂多元氧化物系统复杂多元氧化物系统的的化学、物理及组成、结化学、物理及组成、结构、性能和使用效能构、性能和使用效能间相互关系的研究，已陆续发现了间相互关系的研究，已陆续发现了一大批具有一大批具有优异性能或特殊功能的功能陶瓷优异性能或特殊功能的功能陶瓷，并可借助，并可借助于于离子置换离子置换、掺杂掺杂等方法等方法调节、优化其性能调节、优化其性能，功能陶瓷材，功能陶瓷材料研究已开始从料研究已开始从经验式的探索经验式的探索逐步走向逐步走向按所需性能来进行按所需性能来进行材料设计材料设计。16第十六页，讲稿共九十四页哦5.1.3、功能陶瓷的性能与工艺特征、功能陶瓷的性能与工艺特征陶瓷功能
13、陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能的实现，主要取决于它所具有的的实现，主要取决于它所具有的各种性能各种性能，而在而在某一类性能某一类性能范围中，又必须针对范围中，又必须针对具体应用具体应用，去，去改改善、提高某种有效的性能善、提高某种有效的性能，以获得有，以获得有某种功能某种功能的陶瓷材料。的陶瓷材料。17第十七页，讲稿共九十四页哦一般来说，要一般来说，要从性能的改进从性能的改进来来改善陶瓷材料的功能改善陶瓷材料的功能，需从以下两个方面入手：需从以下两个方面入手：通过通过改变外界条件改变外界条件改变外界条件改变外界条件，即，即改变工艺条件改变工艺条件以改善和提高以改善和提高陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能，
14、达到获得优质材料的目的。，达到获得优质材料的目的。从材料的组成上从材料的组成上直接直接调节调节、优化优化其内在的品质其内在的品质，包，包括采用括采用非化学式计量非化学式计量、离子置换离子置换离子置换离子置换、添加不同类型杂质添加不同类型杂质，使，使不同相在微观级复合，进而形成不同性质的晶界层等。不同相在微观级复合，进而形成不同性质的晶界层等。18第十八页，讲稿共九十四页哦一般工艺条件一般工艺条件是指是指原料的原料的物理化学性质物理化学性质和和状状态态、加工成型方法加工成型方法和和条件、条件、烧成制度烧成制度和和烧结状态烧结状态，以及以及成品的加工方法成品的加工方法和和条件条件等。等。无论是无论
15、是改变组成改变组成还是还是改变工艺改变工艺，最终都是，最终都是通过通过材料材料微观结构的变化微观结构的变化，才能体现出，才能体现出宏观的功宏观的功能变化能变化。19第十九页，讲稿共九十四页哦因此，要想达到因此，要想达到自控设计材料自控设计材料，或者进行，或者进行局部局部局部局部的性能改善的性能改善的性能改善的性能改善，必须综合考虑，必须综合考虑组成组成、工艺工艺、微观结构微观结构等诸等诸多因素，这是个系统工程。多因素，这是个系统工程。下图表示了下图表示了陶瓷功能陶瓷功能与与组成、工艺、性能和结构组成、工艺、性能和结构的的关系。关系。20第二十页，讲稿共九十四页哦陶瓷功能与组成、工艺、性能、结构
16、的关系陶瓷功能与组成、工艺、性能、结构的关系21第二十一页，讲稿共九十四页哦5.1.4、功能陶瓷的应用和展望、功能陶瓷的应用和展望功能陶瓷功能陶瓷的不断开发，对的不断开发，对科学技术的发展科学技术的发展起了巨起了巨大促进作用，功能陶瓷的大促进作用，功能陶瓷的应用领域应用领域也随之更为广泛。也随之更为广泛。目前，目前，功能陶瓷功能陶瓷主要用于主要用于电、磁、光、声、热和化电、磁、光、声、热和化学学等等信息的检测信息的检测信息的检测信息的检测、转换转换转换转换、传输传输传输传输、处理处理和和存储存储存储存储等，并已在电等，并已在电子信息、子信息、集成电路集成电路、计算机计算机、能源工程能源工程、超
17、声换能、超声换能、人人工智能工智能、生物工程生物工程等众多等众多近代科技领域近代科技领域显示出广阔的应用显示出广阔的应用前景。前景。22第二十二页，讲稿共九十四页哦根据功能陶瓷根据功能陶瓷组成结构的组成结构的易调性易调性和和可控性可控性，可以制，可以制备备超高绝缘性超高绝缘性、绝缘性绝缘性、半导性半导性、导电性导电性和和超导电性超导电性陶瓷；陶瓷；根据功能陶瓷根据功能陶瓷能量转换能量转换能量转换能量转换和和耦合特性耦合特性，可以制备，可以制备压电压电、光电光电、热电热电、磁电磁电和和铁电铁电等陶瓷；等陶瓷；根据功能陶瓷对根据功能陶瓷对外场条件的敏感效应外场条件的敏感效应，则可制备，则可制备热敏
18、热敏、气敏气敏、湿敏湿敏、压敏压敏、磁敏磁敏和和光敏光敏等敏感陶瓷。等敏感陶瓷。23第二十三页，讲稿共九十四页哦在在设备技术方面设备技术方面设备技术方面设备技术方面向着向着多层多层多层多层、多相、多相乃至乃至超微细结构的调控超微细结构的调控超微细结构的调控超微细结构的调控与与复合复合复合复合、低温活化烧结低温活化烧结低温活化烧结低温活化烧结、立体布线立体布线立体布线立体布线、超细超纯超细超纯超细超纯超细超纯、薄膜技术、薄膜技术等方向发展。等方向发展。在在材料及应用方面材料及应用方面材料及应用方面材料及应用方面的的主要研究方向主要研究方向应包括：应包括：智能化敏感陶瓷智能化敏感陶瓷智能化敏感陶瓷
19、智能化敏感陶瓷及其及其传感器传感器传感器传感器；高转换率高转换率高转换率高转换率、高可靠性高可靠性高可靠性高可靠性、低损耗低损耗低损耗低损耗、大功率大功率大功率大功率的的压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷及其及其换换换换能器能器能器能器；超高速大容量超高速大容量超导计算机超导计算机用用光纤陶瓷材料光纤陶瓷材料光纤陶瓷材料光纤陶瓷材料；多层封装多层封装立体布线立体布线用的用的高导热低介电常数陶瓷基板材料高导热低介电常数陶瓷基板材料高导热低介电常数陶瓷基板材料高导热低介电常数陶瓷基板材料；量大面广量大面广、低烧低烧、高比容高比容、高稳定性高稳定性的的多层陶瓷电容器材料多层陶瓷电容器材料多层陶瓷电容器
20、材料多层陶瓷电容器材料等。等。24第二十四页，讲稿共九十四页哦5.1.5、制备陶瓷材料的原料、制备陶瓷材料的原料陶瓷材料制品陶瓷材料制品陶瓷材料制品陶瓷材料制品由多相的由多相的无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料所构成，所用原料大部分所构成，所用原料大部分是是天然的矿物原料天然的矿物原料天然的矿物原料天然的矿物原料或或岩石原料岩石原料岩石原料岩石原料，其中多为，其中多为硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物。这些这些天然的矿物原料天然的矿物原料天然的矿物原料天然的矿物原料或或岩石原料岩石原料岩石原料岩石原料种类繁多种类繁多，资源蕴藏丰富资源蕴藏丰富，且且分布极广分布极广。
21、某些某些陶瓷材料制品陶瓷材料制品陶瓷材料制品陶瓷材料制品对原料的要求很高，需要采用对原料的要求很高，需要采用均一均一均一均一且且高纯度高纯度高纯度高纯度的的人工合成原料人工合成原料。25第二十五页，讲稿共九十四页哦(一一)原料分类原料分类根据根据原料工艺特性原料工艺特性原料工艺特性原料工艺特性分为：分为：可塑性原料可塑性原料(也称瘠性原料也称瘠性原料)、熔熔剂性原料剂性原料。根据根据原料的用途原料的用途原料的用途原料的用途分为：分为：瓷坯原料瓷坯原料、瓷釉原料瓷釉原料、色彩色彩及及彩彩料原料料原料。根据根据原料的矿物组成原料的矿物组成原料的矿物组成原料的矿物组成分为：分为：黏土质原料黏土质原料
22、、硅质原料硅质原料、长石长石质原料质原料、钙质原料钙质原料、镁质原料、镁质原料。根据根据原料获得的方式原料获得的方式原料获得的方式原料获得的方式分为：分为：矿物原料矿物原料、化工原料化工原料。26第二十六页，讲稿共九十四页哦综合综合陶瓷制品陶瓷制品对于对于原料原料的两方面要求，根据的两方面要求，根据原料的原料的工艺特性工艺特性可以把所需要的可以把所需要的陶瓷原料陶瓷原料主要归纳主要归纳为三大类：为三大类：具有可塑性的具有可塑性的黏土类原料黏土类原料 具有非可塑性的具有非可塑性的石英类原料石英类原料 熔剂原料熔剂原料27第二十七页，讲稿共九十四页哦除上述的除上述的陶瓷坯体陶瓷坯体中所需的三大原料
23、外，中所需的三大原料外，陶瓷釉料陶瓷釉料还常常需用各种特殊的还常常需用各种特殊的熔剂原料熔剂原料，包括，包括采用各种化工原料。采用各种化工原料。陶瓷工业中需用的陶瓷工业中需用的辅助材料辅助材料主要是主要是石膏石膏和和耐火材料耐火材料，以及，以及各种外加剂各种外加剂如如助磨剂助磨剂、助滤剂助滤剂、解凝剂解凝剂、增塑剂增塑剂和和增强剂增强剂等。等。28第二十八页，讲稿共九十四页哦(二二)黏土类原料黏土类原料黏土类原料黏土类原料黏土类原料黏土类原料是是日用陶瓷日用陶瓷和和工业用陶瓷工业用陶瓷的主要原料之一。的主要原料之一。黏土是多种黏土是多种微细的矿物微细的矿物微细的矿物微细的矿物的混合体，其矿物的
24、粒径多数小于的混合体，其矿物的粒径多数小于2um，主主要是由要是由黏土矿物黏土矿物黏土矿物黏土矿物和和其他矿物其他矿物其他矿物其他矿物组成的并组成的并具有一定特性具有一定特性的的(其中主要是具有其中主要是具有可塑性可塑性)土状岩石土状岩石土状岩石土状岩石。我国我国黏土原料黏土原料黏土原料黏土原料资源丰富，产地遍及全国。资源丰富，产地遍及全国。黏土的主要矿物黏土的主要矿物黏土的主要矿物黏土的主要矿物：高岭石高岭石类、类、蒙脱石蒙脱石类、类、伊利石伊利石类和类和水铝英石水铝英石。黏土的组成黏土的组成黏土的组成黏土的组成：黏土的组成可从几个方面来分析，一般可从：黏土的组成可从几个方面来分析，一般可从
25、矿物矿物组成组成、化学组成化学组成和和颗粒组成颗粒组成三个方面来进行分析。三个方面来进行分析。29第二十九页，讲稿共九十四页哦 黏土的性质黏土的性质黏土的性质黏土的性质黏土的性质对黏土的性质对陶瓷的生产陶瓷的生产有很大的影响。它主要包括有很大的影响。它主要包括可塑性可塑性、结合性结合性、离子交换性、离子交换性、触变性触变性、干燥收缩干燥收缩和和烧成收缩烧成收缩、烧结温度烧结温度与与烧烧结范围结范围和和耐火度耐火度等。等。黏土的工艺性质黏土的工艺性质黏土的工艺性质黏土的工艺性质 主要取决于黏土的主要取决于黏土的矿物组成矿物组成矿物组成矿物组成、化学组成化学组成化学组成化学组成与与颗粒组成颗粒组成
26、颗粒组成颗粒组成。其中，。其中，矿物组矿物组成成是基本因素。是基本因素。黏土黏土在加热过程中的变化在加热过程中的变化包括两个阶段：包括两个阶段：脱水阶段脱水阶段脱水阶段脱水阶段与与脱水后产脱水后产脱水后产脱水后产物的继续转化阶段物的继续转化阶段物的继续转化阶段物的继续转化阶段。30第三十页，讲稿共九十四页哦黏土作用黏土作用黏土作用黏土作用概括为五个方面：概括为五个方面：1)黏土的可塑性黏土的可塑性黏土的可塑性黏土的可塑性是是陶瓷坯泥赖以成形的基础陶瓷坯泥赖以成形的基础。2)黏土使黏土使注浆泥料与釉料注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。具有悬浮性与稳定性。3)黏土一般呈黏土一般呈细分散颗粒细分散颗
27、粒，同时具有，同时具有结合性结合性。4)黏土是黏土是陶瓷坯体烧结时陶瓷坯体烧结时的主体，黏土中的的主体，黏土中的AlAl2 2OO3 3含量含量含量含量和和杂质含杂质含杂质含杂质含 量量量量是决定是决定陶瓷坯体的烧结程度陶瓷坯体的烧结程度、烧结温度烧结温度和软化温度的主要和软化温度的主要 因素；因素；5)黏土是形成黏土是形成陶器主体结构陶器主体结构和和瓷器中莫来石晶体瓷器中莫来石晶体的主要来源。的主要来源。31第三十一页，讲稿共九十四页哦(三三)石英类原料石英类原料石英的种类石英的种类。自然界中的自然界中的二氧化硅结晶矿物二氧化硅结晶矿物可以统称为石英。其中可以统称为石英。其中最纯的石英晶体最
28、纯的石英晶体统称为统称为水晶水晶。在陶瓷工业中，在陶瓷工业中，常用的石英类原料和材料常用的石英类原料和材料有下列几有下列几种：种：脉石英脉石英、砂岩砂岩、石英岩石英岩、石英砂、石英砂、隧石隧石隧石隧石和和硅藻土硅藻土硅藻土硅藻土。32第三十二页，讲稿共九十四页哦石英原料的性质石英原料的性质石英的石英的主要化学成分主要化学成分为为SiOSiO2，常含有少量杂质成分，常含有少量杂质成分，如如Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2等。等。石英是具有石英是具有强耐酸侵蚀力强耐酸侵蚀力的酸性氧化物，除的酸性氧化物，除氢氟酸氢氟酸外，外，一般酸类对它都不产生作用。一般酸类对它都不产生作用。当石英
29、与当石英与碱性物质碱性物质接触时，则能起反应而生成接触时，则能起反应而生成可溶可溶性的硅酸盐性的硅酸盐。在高温中与在高温中与碱金属氧化物碱金属氧化物作用生成作用生成硅酸盐硅酸盐与与玻璃态物玻璃态物质质。33第三十三页，讲稿共九十四页哦石英石英在陶瓷生产中的在陶瓷生产中的作用作用1)在烧成前在烧成前是是瘠性原料瘠性原料瘠性原料瘠性原料，可对，可对泥料的可塑性泥料的可塑性起起调节作用调节作用调节作用调节作用，能，能降低坯体的干燥收缩降低坯体的干燥收缩，缩短缩短干燥时间干燥时间并防止坯体变形。并防止坯体变形。2)在烧成时在烧成时，石英的加热膨胀可，石英的加热膨胀可部分地抵消坯体收缩部分地抵消坯体收缩
30、的影响，的影响，当玻璃质大量出现时当玻璃质大量出现时，在高温下在高温下石英能部分熔解于液相中石英能部分熔解于液相中，增加熔体的强度增加熔体的强度，而未熔解的石英颗粒，则构成，而未熔解的石英颗粒，则构成坯体的骨架，可防止坯体发生软化变形等缺陷坯体的骨架，可防止坯体发生软化变形等缺陷。3)在瓷器中，石英对在瓷器中，石英对坯体的力学强度坯体的力学强度坯体的力学强度坯体的力学强度有着很大的影响，有着很大的影响，合理的石英颗粒合理的石英颗粒能大大能大大提高瓷器坯提高瓷器坯提高瓷器坯提高瓷器坯体的强度体的强度体的强度体的强度，否则效果相反。同时，石英也能使，否则效果相反。同时，石英也能使瓷坯的透光度和白度
31、瓷坯的透光度和白度得到改善。得到改善。4)在釉料中，二氧化硅是生成玻璃质的主要组分，增加釉料中在釉料中，二氧化硅是生成玻璃质的主要组分，增加釉料中石英含量石英含量石英含量石英含量能提高能提高釉的熔融温釉的熔融温度与黏度度与黏度，并减少，并减少釉的线胀系数釉的线胀系数。同时它是赋予釉以。同时它是赋予釉以高的力学强度高的力学强度、硬度、耐磨性和硬度、耐磨性和耐化学侵蚀性耐化学侵蚀性的主要因素。的主要因素。34第三十四页，讲稿共九十四页哦(四四)长石类原料长石类原料长石长石长石长石是陶瓷原料中最常用的是陶瓷原料中最常用的熔剂性原料熔剂性原料熔剂性原料熔剂性原料，在陶瓷生产中用，在陶瓷生产中用作作坯料
32、坯料、釉料釉料、色料色料、熔剂熔剂等的基本组分，其用量较大，是等的基本组分，其用量较大，是陶瓷三大原料陶瓷三大原料之一。之一。长石的长石的种类种类和和一般性质一般性质：长石是地壳上分布广泛的：长石是地壳上分布广泛的造岩造岩矿物矿物。根据根据架状硅酸盐架状硅酸盐架状硅酸盐架状硅酸盐的结构特点，的结构特点，长石长石可分为可分为四种基本类型四种基本类型：钠长石、钾长石、钙长石和钡长石。钠长石、钾长石、钙长石和钡长石。35第三十五页，讲稿共九十四页哦长石长石在陶瓷生产中的作用在陶瓷生产中的作用如下：如下：长石长石长石长石在高温下在高温下熔融，形成熔融，形成黏稠的玻璃熔体黏稠的玻璃熔体，是坯料中碱金属氧
33、，是坯料中碱金属氧 化物化物(K2O、Na2O)的主要来源，能的主要来源，能降低陶瓷坯体组分的熔化温降低陶瓷坯体组分的熔化温降低陶瓷坯体组分的熔化温降低陶瓷坯体组分的熔化温 度度度度，有利于成瓷和降低烧成温度有利于成瓷和降低烧成温度有利于成瓷和降低烧成温度有利于成瓷和降低烧成温度。熔融后的熔融后的长石熔体能长石熔体能长石熔体能长石熔体能熔解部分熔解部分高岭土分解产物高岭土分解产物和和石英颗粒石英颗粒。液。液 相中相中Al2O3和和SiO2互相作用，促进互相作用，促进莫来石晶体莫来石晶体莫来石晶体莫来石晶体的形成和长大，赋的形成和长大，赋 予了坯体的予了坯体的力学性能力学性能和和化学稳定性化学稳
34、定性。长石熔体长石熔体长石熔体长石熔体能填充于能填充于各结晶颗粒之间各结晶颗粒之间，有助于，有助于坯体致密坯体致密坯体致密坯体致密和和减少空减少空减少空减少空 隙隙隙隙。在釉料中在釉料中长石是主要长石是主要熔剂熔剂熔剂熔剂。长石作为长石作为瘠性原料瘠性原料，在生坯中还可以，在生坯中还可以缩短坯体干燥时间缩短坯体干燥时间缩短坯体干燥时间缩短坯体干燥时间，减少减少减少减少 坯体的干燥收缩和变形坯体的干燥收缩和变形坯体的干燥收缩和变形坯体的干燥收缩和变形等。等。36第三十六页，讲稿共九十四页哦(五五)其他矿物原料其他矿物原料 含碱硅酸铝含碱硅酸铝类类 碱土硅酸盐类碱土硅酸盐类碱土硅酸盐类碱土硅酸盐类
35、 碳酸盐类碳酸盐类 钙的磷酸盐类钙的磷酸盐类钙的磷酸盐类钙的磷酸盐类 高铝质矿物类高铝质矿物类 工业废渣类工业废渣类工业废渣类工业废渣类 锆英石锆英石锆英石锆英石 37第三十七页，讲稿共九十四页哦5.2、绝缘陶瓷、绝缘陶瓷5.2.1 精密绝缘陶瓷精密绝缘陶瓷在近代电子技术在近代电子技术中的作用中的作用 5.2.2 绝缘陶瓷的绝缘陶瓷的性能与特征性能与特征 5.2.3 常用绝缘陶瓷材料及其性能常用绝缘陶瓷材料及其性能 5.2.4 绝缘陶瓷的应用绝缘陶瓷的应用38第三十八页，讲稿共九十四页哦5.2.1 精密绝缘陶瓷在近代电子技术中的作用精密绝缘陶瓷在近代电子技术中的作用绝缘材料绝缘材料在在电气电路
36、电气电路或或电子电路电子电路中所起的作用中所起的作用主要是主要是根据电路设计要求根据电路设计要求将导体物理隔离，以防将导体物理隔离，以防电流在它们之间流动电流在它们之间流动而破坏电路的正常运行。而破坏电路的正常运行。39第三十九页，讲稿共九十四页哦即，即，电子技术中电子技术中首先要求首先要求绝缘材料不导电绝缘材料不导电，即要，即要求求电阻率电阻率电阻率电阻率尽量高，尽量高，绝缘强度绝缘强度也尽量高。也尽量高。此外，此外，绝缘材料绝缘材料绝缘材料绝缘材料还起着导体的还起着导体的机械支持机械支持、散热散热散热散热及及电路环境保护电路环境保护电路环境保护电路环境保护等作用。等作用。一般将一般将能起上
37、述作用的陶瓷能起上述作用的陶瓷称为称为绝缘陶瓷绝缘陶瓷。40第四十页，讲稿共九十四页哦绝缘陶瓷绝缘陶瓷可分为可分为氧化物绝缘陶瓷氧化物绝缘陶瓷和和非氧化物绝缘陶非氧化物绝缘陶瓷瓷两大系列；无论是哪种系列的绝缘陶瓷，要成为一种两大系列；无论是哪种系列的绝缘陶瓷，要成为一种优优异的绝缘陶瓷异的绝缘陶瓷，它必须具备如下性能：，它必须具备如下性能：体积电阻率体积电阻率()=1012 cm相对介电常数相对介电常数(r)=30损耗因子损耗因子损耗因子损耗因子(tg)=5.0kV/mm41第四十一页，讲稿共九十四页哦高压陶瓷绝缘子高压陶瓷绝缘子高压陶瓷绝缘子高压陶瓷绝缘子作为一种作为一种传统的绝缘陶瓷传统的
38、绝缘陶瓷已有已有100100多年的历史。多年的历史。而而精密绝缘陶瓷精密绝缘陶瓷精密绝缘陶瓷精密绝缘陶瓷与与高压陶瓷绝缘子高压陶瓷绝缘子高压陶瓷绝缘子高压陶瓷绝缘子相比，则是后起之秀，它在相比，则是后起之秀，它在近近代电子技术中代电子技术中所起的作用是前者无法比拟的。所起的作用是前者无法比拟的。比如比如，在众多的，在众多的家用电器家用电器家用电器家用电器，如收录机、彩色电视机和录像机中，如收录机、彩色电视机和录像机中，在在一般的集成电路一般的集成电路一般的集成电路一般的集成电路(IC)，大规模集成电路大规模集成电路大规模集成电路大规模集成电路(LSI)和和超大规模集成电路超大规模集成电路超大规
39、模集成电路超大规模集成电路(VLSI)中，在中，在大型电子计算机大型电子计算机大型电子计算机大型电子计算机等高技术产品中，甚至在航空、航天等高技术产品中，甚至在航空、航天等等尖端科技领域尖端科技领域尖端科技领域尖端科技领域中，中，精密绝缘陶瓷精密绝缘陶瓷精密绝缘陶瓷精密绝缘陶瓷已较大量使用。已较大量使用。42第四十二页，讲稿共九十四页哦5.2.2 绝缘陶瓷的性能与特征绝缘陶瓷的性能与特征一、一、离子导电离子导电和和绝缘性绝缘性二、二、陶瓷的陶瓷的微观结构微观结构和和绝缘性绝缘性43第四十三页，讲稿共九十四页哦一、一、离子导电和绝缘性离子导电和绝缘性应用应用固体能带理论固体能带理论，可以成功地解
40、释固体的，可以成功地解释固体的绝绝缘性缘性、半导性半导性和和导电性导电性导电性导电性。固体能带中那些固体能带中那些被电子完全占满被电子完全占满的叫的叫满带满带满带满带，未未被电子占据被电子占据的叫的叫导带导带导带导带，满带和导带之间的距离满带和导带之间的距离称之称之为为禁带宽度禁带宽度禁带宽度禁带宽度。44第四十四页，讲稿共九十四页哦如果如果禁带宽度足够大禁带宽度足够大(在几个电子伏特以上在几个电子伏特以上)，满带的电子满带的电子就难以被激发而就难以被激发而超越禁带超越禁带进入导带，也进入导带，也即认为电子几乎无法迁移，那么固体便成为即认为电子几乎无法迁移，那么固体便成为典型典型的绝缘体的绝缘
41、体。实际上，这种实际上，这种理想的绝缘体理想的绝缘体只有只有在绝对零度在绝对零度时才时才能获得。能获得。45第四十五页，讲稿共九十四页哦很多很多绝缘陶瓷绝缘陶瓷是典型的是典型的离子晶体离子晶体或或共价晶体共价晶体。在这种情况下，对具有在这种情况下，对具有足够宽度禁带区足够宽度禁带区的的绝绝缘陶瓷缘陶瓷而言，固体中的另一种导电机理而言，固体中的另一种导电机理-离离子导电子导电就变得十分重要了。它主要是就变得十分重要了。它主要是通过离子通过离子扩散扩散而发生的电导行为。而发生的电导行为。46第四十六页，讲稿共九十四页哦一般情况下，一般情况下，离子电导率离子电导率 i表示如下表示如下:i=n.q.i
42、式中式中，n-单位体积中单位体积中可迁移的离子数可迁移的离子数；q-离子的电荷；离子的电荷；i-离子的迁移率。离子的迁移率。47第四十七页，讲稿共九十四页哦下式给出了下式给出了 i的具体表达式：的具体表达式：i=q Di/kT式中，式中，Di离子的扩散系数离子的扩散系数 k玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，T绝对温度绝对温度(K)。而而Di可由下式给出：可由下式给出：Di=A exp(-E/kT)式中，式中，E-激活能激活能 A-频率系数。频率系数。48第四十八页，讲稿共九十四页哦 i=n q i i=q Di/kT Di=A exp(-E/kT)ln i 常数常数E/kT i i=n q=n q
43、q A exp(-E/kT)/kTq A exp(-E/kT)/kT =(AnqAnq2 2/kT)exp(-E/kT)/kT)exp(-E/kT)49第四十九页，讲稿共九十四页哦可知，可知，离子电导率离子电导率随随温度温度的升的升高呈指数增加。高呈指数增加。ln i 常数常数E/kT由下式由下式50第五十页，讲稿共九十四页哦离子电荷离子电荷和和扩散系数扩散系数影响影响离子导电离子导电，扩散系数扩散系数又与又与晶格缺陷晶格缺陷及及穿越缺陷的穿越缺陷的离子的电荷及其大小离子的电荷及其大小有有关。关。通常情况下，通常情况下，电荷及体积越小的离子电荷及体积越小的离子电荷及体积越小的离子电荷及体积越小
44、的离子越易扩散越易扩散，其其激活能的数值激活能的数值也越小。也越小。i=n q q A exp(-E/kT)/kT51第五十一页，讲稿共九十四页哦因此，因此，在绝缘陶瓷中在绝缘陶瓷中应尽可能应尽可能避免碱金避免碱金属离子属离子的存在的存在(尤其是钠离子尤其是钠离子)，因为这些，因为这些离子可形成相当强烈的电导，使材料的离子可形成相当强烈的电导，使材料的绝绝缘性能劣化缘性能劣化。52第五十二页，讲稿共九十四页哦 二、二、陶瓷的微观结构与绝缘性陶瓷的微观结构与绝缘性一般而言，一般而言，绝缘陶瓷绝缘陶瓷是是粉体原料粉体原料经过经过成型和烧结成型和烧结而而得到的多相多晶材料。得到的多相多晶材料。陶瓷的
45、微观结构陶瓷的微观结构主要可分为主要可分为基质基质、晶粒晶粒晶粒晶粒和和气孔气孔三部分。三部分。通常通常气孔气孔和和晶粒晶粒的的绝缘性能绝缘性能好，而好，而基质基质往往往往在高温下在高温下显示显示较大的导电性较大的导电性。由于由于基质部分基质部分杂质杂质浓度较高浓度较高，在组织上又是，在组织上又是连续相连续相，所，所以以陶瓷的绝缘性陶瓷的绝缘性容易受容易受基质相的影响基质相的影响。53第五十三页，讲稿共九十四页哦固体内部存在的固体内部存在的气孔气孔对对绝缘性能的破坏绝缘性能的破坏不大，不大，但当但当表面存在气孔时表面存在气孔时，因，因易吸水易吸水和和被污染被污染将将使表面使表面绝缘性显著劣化绝
46、缘性显著劣化。因此，原则上绝缘陶瓷应选择因此，原则上绝缘陶瓷应选择气孔少气孔少、没有没有吸水性吸水性的致密材料，并根据的致密材料，并根据使用情况的不同使用情况的不同在其表在其表面面上釉上釉以以防止污染和吸潮防止污染和吸潮。54第五十四页，讲稿共九十四页哦通常情况下，通常情况下，材料的绝缘性材料的绝缘性材料的绝缘性材料的绝缘性与材料的与材料的纯度纯度纯度纯度、材料中、材料中杂质含量杂质含量杂质含量杂质含量的多少有关。的多少有关。材料材料纯度越高纯度越高纯度越高纯度越高，杂质含量越少，则它们的，杂质含量越少，则它们的绝缘性能绝缘性能绝缘性能绝缘性能就越好就越好就越好就越好。这是因为这是因为绝缘陶瓷
47、中若有杂质引入绝缘陶瓷中若有杂质引入，则会像，则会像掺杂掺杂半导体半导体那样，在禁带中产生那样，在禁带中产生杂质能级杂质能级杂质能级杂质能级，从而使，从而使电荷载流电荷载流电荷载流电荷载流子增加子增加子增加子增加，电阻率下降，结果使，电阻率下降，结果使绝缘强度下降绝缘强度下降。55第五十五页，讲稿共九十四页哦5.2.3 常用绝缘陶瓷材料及其性能常用绝缘陶瓷材料及其性能绝缘陶瓷材料绝缘陶瓷材料绝缘陶瓷材料绝缘陶瓷材料按按化学组成化学组成化学组成化学组成可分为可分为氧化物系氧化物系氧化物系氧化物系和和非氧化物非氧化物非氧化物非氧化物系系系系两大类。两大类。氧化物系氧化物系氧化物系氧化物系绝缘陶瓷绝
48、缘陶瓷已得到广泛应用，而已得到广泛应用，而非氧化物系非氧化物系非氧化物系非氧化物系绝缘陶瓷是绝缘陶瓷是70年代才发展起来的，年代才发展起来的，56第五十六页，讲稿共九十四页哦目前应用的主要有目前应用的主要有氮化物陶瓷氮化物陶瓷氮化物陶瓷氮化物陶瓷，如，如Si3N4、BN、AlN等。等。除除多晶陶瓷多晶陶瓷多晶陶瓷多晶陶瓷外，近年来又发展了外，近年来又发展了单晶绝缘陶瓷单晶绝缘陶瓷单晶绝缘陶瓷单晶绝缘陶瓷，如人工合成如人工合成云母云母、人造、人造蓝宝石蓝宝石、尖晶石尖晶石、氧化铍氧化铍及及石英石英等。等。57第五十七页，讲稿共九十四页哦5.2.4 绝缘陶瓷的应用绝缘陶瓷的应用绝缘陶瓷的工业应用绝
49、缘陶瓷的工业应用历史较早，在历史较早，在1850年左右，年左右，陶陶陶陶瓷绝缘子瓷绝缘子瓷绝缘子瓷绝缘子作为作为电绝缘器材电绝缘器材，使用于铁路通信线路。，使用于铁路通信线路。1880年美国年美国在电力输电线路中在电力输电线路中开始使用开始使用陶瓷绝缘子陶瓷绝缘子陶瓷绝缘子陶瓷绝缘子，目前，已能制造出耐压目前，已能制造出耐压500kV以上的以上的超高压输电用超高压输电用高性高性能陶瓷绝缘子能陶瓷绝缘子。随之，汽车随之，汽车陶瓷火花塞陶瓷火花塞付诸应用，这是一种需求量付诸应用，这是一种需求量极大的极大的绝缘陶瓷绝缘陶瓷。58第五十八页，讲稿共九十四页哦随着随着电子工业电子工业的发展，集成电路、大
50、规模集成电的发展，集成电路、大规模集成电路以及超大规模集成电路相继问世，这类电路需要路以及超大规模集成电路相继问世，这类电路需要绝绝缘性能缘性能、导热性能导热性能导热性能导热性能、热膨胀匹配性能热膨胀匹配性能、高频性能高频性能高频性能高频性能及及快速快速快速快速响应性能响应性能响应性能响应性能等一系列等一系列性能优良的绝缘陶瓷性能优良的绝缘陶瓷作为电路的作为电路的基片基片基片基片与封装材料与封装材料与封装材料与封装材料。于是，高性能的于是，高性能的A12O3瓷和瓷和BeO瓷作为瓷作为精密绝缘陶精密绝缘陶瓷瓷而被大量使用在这类电路中，且而被大量使用在这类电路中，且性能与生产工艺性能与生产工艺不断