第六章第六章信息功能陶瓷材料信息功能陶瓷材料6.1功能陶瓷材料的结构基础功能陶瓷材料的结构基础信信息息功功能能材材料料是是指指利利用用电电、磁磁、光光、热热、力力等等直直接接效效应应及及耦耦合合效效应应提提供供的的一一种种或或多多种种性性质质来来实实现现信信息息的的监监测测、转转换换、耦耦合合、传传输输及及存存储储等等功功能能的的先先进进陶陶瓷瓷。主主要要包包括括铁铁电电、压压电电、介介电电、热热释释电电、半半导导、电电导导、超超导导和和磁磁性性等等陶陶瓷瓷，是是电电子子信信息息、计计算算机机、能能源源工工程程等等高高新新技技术术领领域域的的关关键键材材料料，具具有有广广阔的前景。阔的前景。一、陶瓷材料的结合键一、陶瓷材料的结合键晶体中的原子间是靠化学键结合的。化学键的种类有离晶体中的原子间是靠化学键结合的。化学键的种类有离子键、共价键、金属键三种强结合键以及范德华键和氢键两子键、共价键、金属键三种强结合键以及范德华键和氢键两种弱结合键。键的离子性程度可以通过电负性做半经验性的种弱结合键。键的离子性程度可以通过电负性做半经验性的估计。估计。 一一般般情情况况下下，可可以以用用经经验验公公式式估估算算由由A、B两两种种元元素素组组成的陶瓷中离子键成分比例为成的陶瓷中离子键成分比例为式式中中 A A、 B B A A、B B元元素素的的电电负负性性；P PAB AB 陶陶瓷瓷的的离离子子键键成成分分比例。比例。 A A、 B B的的差差值值越越大大，离离子子键键越越强强，或或者者说说离离子子键键成成分分比比例例越越大大。反反之之， A A、 B B的的差差值值越越小小，则则共共价价键键成成分分比比例例越越大大。当当 A A= = B B时，成为完全的共价键。时，成为完全的共价键。 电电子子陶陶瓷瓷的的绝绝大大部部分分为为以以离离子子键键为为主主的的晶晶体体材材料料，结结构构主主要要取取决决于于正正负负离离子子如如何何结结合合在在一一起起，同同时时又又能能具具有有最最大大的的静静电电引引力力和和最最小小的的静静电电斥斥力力。所所谓谓“鲍鲍林林规规则则”，它它主主要要针针对对离离子子晶晶体体，对对于于共共价价键键结结合合并并同同时时具具有有部部分分离离子子键键性性质质的的晶晶体体也也有有参参考考价价值值。但但对对于于完完全全为为共共价价键键结结合合的的晶晶体体，是是不适用的。不适用的。 鲍鲍林林第第一一规规则则，即即所所谓谓的的负负离离子子配配位位多多面面体体规规则则。它它指指出出：在在离离子子晶晶体体中中，正正离离子子的的周周围围形形成成一一个个负负离离子子配配位位多多面面体体，正正负负离离子子间间的的平平衡衡距距离离取取决决于于离离子子半半径径之之和和，而而正正离离子的配位数则取决于正负离子的半径比。子的配位数则取决于正负离子的半径比。 鲍鲍林林第第二二规规则则，也也称称电电价价规规则则。它它是是指指：在在一一个个稳稳定定的的离离子子晶晶体体结结构构中中，每每个个负负离离子子的的电电价价等等于于或或接接近近等等于于与与之之相邻接的各正离子静电强度相邻接的各正离子静电强度S的总和。的总和。二、二、鲍林规则鲍林规则 鲍鲍林林第第二二规规则则则则是是计计算算晶晶体体中中局局部部电电中中性性的的基基础础，正正离离子子的的价价电电子子数数Z Z 除除以以它它的的配配位位数数n n所所得得的的商商值值，称称为为正正离离子子给给与与一一个个配配位位负负离离子子的的静静电电键键强强度度S，即即S=Z/n。在在高高价价低低配配位位的的多多面面体体中中，负负离离子子可可获获得得较较高高的的静静电电键键强强度度，且且负负离离子子电价可以由各类离子来满足。电价可以由各类离子来满足。 鲍鲍林林第第三三规规则则指指出出：在在离离子子晶晶体体中中配配位位多多面面体体之之间间共共用用棱棱边边的的数数目目越越大大，特特别别是是共共用用面面的的数数目目越越大大，会会降降低低这这个个结结构构的的稳稳定定性性。对对于于电电价价高高，配配位位数数低低的的正正离离子子来来说说，这这个个效应尤为显著。此效应适用于高价低配位数的多面体之间。效应尤为显著。此效应适用于高价低配位数的多面体之间。 鲍鲍林林第第四四规规指指出出：在在含含有有一一种种以以上上正正负负离离子子的的离离子子晶晶体体中中，一一些些电电价价较较高高，配配位位数数较较低低的的正正离离子子配配位位多多面面体体之之间间，有尽可能相互远离的趋势。有尽可能相互远离的趋势。 鲍林第五规则，即结构简单化法则。它指出：在离子鲍林第五规则，即结构简单化法则。它指出：在离子晶体中，样式不同的结构单元数应尽量趋向最小，即晶体中，样式不同的结构单元数应尽量趋向最小，即同一类同一类型的正离子应尽量具有相同的配位环境型的正离子应尽量具有相同的配位环境。因为在一个均匀的。因为在一个均匀的结构中，不同形状的配位多面体很难有效堆积在一起。结构中，不同形状的配位多面体很难有效堆积在一起。 三、功能材料的典型结构三、功能材料的典型结构 1.1.金红石型结构金红石型结构2.2. 金红石型结构为金红石型结构为TiO2异构体异构体3.3. 的一种，单位晶胞中的一种，单位晶胞中8个顶角和中个顶角和中4.4. 心为正离子，处于由负离子构成心为正离子，处于由负离子构成5.5. 的稍有变形的八面体中心。这种的稍有变形的八面体中心。这种6.6. 晶格结构，正离子的价数是负离晶格结构，正离子的价数是负离7.7. 子的子的2倍，所以正负离子的配位倍，所以正负离子的配位8.8. 数为数为6:3。2. 2. 钙钛矿型结构钙钛矿型结构 具有钙钛矿型结构的化合物的组成为具有钙钛矿型结构的化合物的组成为ABO3，配位数配位数为为A:B:O=12:6:6。A通常是低价、半径较大的正离子，它和通常是低价、半径较大的正离子，它和氧离子一起按面心立方密堆；氧离子一起按面心立方密堆；B通常为高价、半径较小的正离通常为高价、半径较小的正离子，处于氧八面体的体心位置。子，处于氧八面体的体心位置。半径半径R RA A、R RB B和和R R0 0之间存在关系：之间存在关系： 其半径之容许差异，可引入容差因子其半径之容许差异，可引入容差因子t t 来表示，即来表示，即 t 在在0.771.10取值，晶体可保持稳定的钙钛矿结构；取值，晶体可保持稳定的钙钛矿结构；t1.10，则为，则为方解石或纹理型结构。方解石或纹理型结构。3. 3. 尖晶石型结构尖晶石型结构 通式一般为通式一般为ABAB2 2O O4 4，氧离子氧离子可看成是按立方紧密堆积排列，可看成是按立方紧密堆积排列，A A一般为二价正离子，填充于一般为二价正离子，填充于1/81/8的四面体空隙中，的四面体空隙中，B B为为三价正离子，三价正离子，填充于填充于1/21/2的八面体空隙中。的八面体空隙中。四、功能陶瓷的缺陷与固溶结构四、功能陶瓷的缺陷与固溶结构 晶体结构缺陷有好几种类型，根据几何形状分：晶体结构缺陷有好几种类型，根据几何形状分：点缺陷（尺寸处于点缺陷（尺寸处于1212个原子大小）、线缺陷（位错）和面缺个原子大小）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界和界面）陷（晶界和界面）。1.1.功能陶瓷晶体中的点缺陷功能陶瓷晶体中的点缺陷2.2. 根据对理想晶格偏离的几何位置及成分划分：根据对理想晶格偏离的几何位置及成分划分：(1)(1) 填隙原子：进入晶格中正常结点间的间隙位置。填隙原子：进入晶格中正常结点间的间隙位置。(2)(2) 空位：正常结点没有被原子或离子占据，成为空结点。空位：正常结点没有被原子或离子占据，成为空结点。(3)(3) 杂质原子：外来原子进入晶格成为晶体中的杂质。杂质原子：外来原子进入晶格成为晶体中的杂质。根据产生原因划分：根据产生原因划分：(1)(1)热缺陷：在无外来原子情况下，由于晶格原子热振动，一热缺陷：在无外来原子情况下，由于晶格原子热振动，一部分能量较大的院子离开正常格点位置，进入间隙成为填部分能量较大的院子离开正常格点位置，进入间隙成为填隙原子，并在原来的位置上留下一个空位，生成所谓的佛隙原子，并在原来的位置上留下一个空位，生成所谓的佛仑克尔缺陷。或者正常格点上的原子迁移到表面，在晶体仑克尔缺陷。或者正常格点上的原子迁移到表面，在晶体内部正常格点留下空位，生成所谓肖特基缺陷。内部正常格点留下空位，生成所谓肖特基缺陷。(2)(2)(2) (2) 杂质缺陷：由于外来原子进入晶体而产生的缺陷。杂质缺陷：由于外来原子进入晶体而产生的缺陷。(3)(3)(3) (3) 非化学计量结构缺陷：化学组成会明显随着周围气氛、非化学计量结构缺陷：化学组成会明显随着周围气氛、性质和压力大小变化而发生偏离化学计量的现象。性质和压力大小变化而发生偏离化学计量的现象。(4)(4)2. 2. 功能陶瓷的固溶结构功能陶瓷的固溶结构(5)(5) 固溶体指溶入了另一类物质的晶体。溶质或固溶体指溶入了另一类物质的晶体。溶质或杂质在基质中呈原子状态分布，溶质可以不止一种并同时杂质在基质中呈原子状态分布，溶质可以不止一种并同时存在，但必须总体上保证基质的原有晶型结构。存在，但必须总体上保证基质的原有晶型结构。（1 1）半径比关系）半径比关系 经验证明，半径比满足经验证明，半径比满足1-RA/RB30%时，才能时，才能形成形成固溶。半径比差越小，越能稳定固溶，或固溶限越大。固溶。半径比差越小，越能稳定固溶，或固溶限越大。（2）结构因素结构因素首先，只有晶格结构相同时，才能使两类或两类以首先，只有晶格结构相同时，才能使两类或两类以上的物质形成无限固溶；其次，结构越开阔，空余配位上的物质形成无限固溶；其次，结构越开阔，空余配位间隙越大，越能形成间隙固溶。间隙越大，越能形成间隙固溶。（3）离子键型）离子键型键型相似的物质有利于固溶，它们对配位环境有相键型相似的物质有利于固溶，它们对配位环境有相似的要求，不至于引起缺陷能的大量增加似的要求，不至于引起缺陷能的大量增加（4）温度影响温度影响温度升高，使质点热运动加剧，配位间隙加大，同温度升高，使质点热运动加剧，配位间隙加大，同时还可能转变为更加开放的晶型结构。在降温过程中，时还可能转变为更加开放的晶型结构。在降温过程中，出现超过固溶限的溶入物，在达到平衡条件时重新析出。出现超过固溶限的溶入物，在达到平衡条件时重新析出。一、电导一、电导 电导是弱联系的带电质点在电场作用下做定向电导是弱联系的带电质点在电场作用下做定向漂移漂移 构成传导电流的过程。构成传导电流的过程。1.1.电导的宏观参数电导的宏观参数 电导率是表征材料导电性能的主要参数。电导率是表征材料导电性能的主要参数。 2. 2. 电导的物理特性电导的物理特性 按导电载流子的类型，电导可以分为电子电按导电载流子的类型，电导可以分为电子电导和离子电导两类。导和离子电导两类。6.2电子信息功能陶瓷的基本性能电子信息功能陶瓷的基本性能（1 1）霍尔效应）霍尔效应 电子电导是载流子为电子的电子电导是载流子为电子的 电导，其特征是具有霍尔效应，电导，其特征是具有霍尔效应， 霍尔效应的产生是由于电子在磁霍尔效应的产生是由于电子在磁 场作用下，产生横向移动的结果。场作用下，产生横向移动的结果。 利用霍尔效应可检验材料是否存利用霍尔效应可检验材料是否存 在电子电导。在电子电导。（2 2）电解效应电解效应 离子电导是固体介质最主要的导电形式，指载流子是离子电导是固体介质最主要的导电形式，指载流子是离离 子的电导，其特性是具有电解效应。离子的迁移伴随着一定子的电导，其特性是具有电解效应。离子的迁移伴随着一定 的质量变化，离子在电极附近发生电子得失，产生新的物质，的质量变化，离子在电极附近发生电子得失，产生新的物质， 这就是电解现象。利用这种电解效应可检验材料是否存在离这就是电解现象。利用这种电解效应可检验材料是否存在离 子电导，判断载流子是正离子还是负离子。子电导，判断载流子是正离子还是负离子。二、介电性二、介电性 按对外界电场作用的响应方式来划分，可将固体按对外界电场作用的响应方式来划分，可将固体材料分为两类。一类是以传导方式传递外界电场的作材料分为两类。一类是以传导方式传递外界电场的作用和影响，称为导电材料；另一类是以感应来传递外用和影响，称为导电材料；另一类是以感应来传递外界电场的作用和影响，称为介电材料，又称电介质材界电场的作用和影响，称为介电材料，又称电介质材料。料。 电介质的基本特征是在外电场的作用下能建立极化。电介质的基本特征是在外电场的作用下能建立极化。电介质在电场作用下产生感应电荷的现象称之为极化，用电介质在电场作用下产生感应电荷的现象称之为极化，用极化强度来极化强度来P P（单位体积内感应的电偶极矩）来描述。单位体积内感应的电偶极矩）来描述。1.1.介电常数介电常数 它反应了电介质极化的能力它反应了电介质极化的能力 2. 2. 电介质极化的机制电介质极化的机制（1 1）位移极化）位移极化 位移极化是电子或离子在电场作用下的一种弹性、平位移极化是电子或离子在电场作用下的一种弹性、平衡衡 位置不发生变化、瞬间就能完成、去掉电场后又能恢复原状位置不发生变化、瞬间就能完成、去掉电场后又能恢复原状 态的极化形式。态的极化形式。1 1）电子位移极化电子位移极化 加上外电场后，离子中的电子相对于原子核逆电场加上外电场后，离子中的电子相对于原子核逆电场方向方向 移动一小距离，带正电的原子核将沿电场方向移动一更小移动一小距离，带正电的原子核将沿电场方向移动一更小的的 距离，造成正负电荷中心分离，形成感应偶极矩，当外电距离，造成正负电荷中心分离，形成感应偶极矩，当外电场场 取消后又恢复原状。取消后又恢复原状。2 2）离子位移极化）离子位移极化 与与离子半径、晶体结构有关。离子半径、晶体结构有关。（2 2）松弛极化松弛极化 与电子、离子、分子热运动有关的极化形式，非弹性、与电子、离子、分子热运动有关的极化形式，非弹性、 消耗电厂能量、平衡位置发生变化、完成的时间比位移极化消耗电厂能量、平衡位置发生变化、完成的时间比位移极化 长、去掉电场后不能恢复原状态的极化形式。长、去掉电场后不能恢复原状态的极化形式。 1 1）电子松弛极化）电子松弛极化 在外电场作用下，弱束缚电子的运动具有方向性、而在外电场作用下，弱束缚电子的运动具有方向性、而呈呈 现出极化，称之为电子松弛极化。现出极化，称之为电子松弛极化。 2 2）离子松弛极化离子松弛极化 作用于离子上与电场作用力相对抗的力是不规则的热作用于离子上与电场作用力相对抗的力是不规则的热运运 动阻力，极化的建立过程是一种热松弛过程。动阻力，极化的建立过程是一种热松弛过程。（3 3）界面极化界面极化 与陶瓷体内电荷分布状况有关，常常发生在不均匀介与陶瓷体内电荷分布状况有关，常常发生在不均匀介质质 中。在电场作用下，正负间隙离子分别向负、正极移动，引中。在电场作用下，正负间隙离子分别向负、正极移动，引 起各点离子密度变化，出现电偶极矩。起各点离子密度变化，出现电偶极矩。（4 4）谐振式极化）谐振式极化（5 5）自发极化自发极化 是一种特殊的极化形式，并非由外电场引起，而是是一种特殊的极化形式，并非由外电场引起，而是由由 晶体的内部结构造成的。晶胞中的正负电荷中心不重合，晶体的内部结构造成的。晶胞中的正负电荷中心不重合， 存在固有电矩。存在固有电矩。3. 3. 介质损耗介质损耗 在单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质在单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质的的 损耗功率或简称为介电质损耗。损耗功率或简称为介电质损耗。（1 1）电导损耗电导损耗 传导电流的大小由介质本身的性质决定，以热传导电流的大小由介质本身的性质决定，以热的的 形式消耗掉，称为电导损耗。形式消耗掉，称为电导损耗。（2 2）松弛极化损耗松弛极化损耗 降低材料的介质损耗主要从降低材料的电导、极降低材料的介质损耗主要从降低材料的电导、极化损耗入手：化损耗入手：1 1 选择合适的主晶相，根据要求尽量选择结构紧密的晶体作选择合适的主晶相，根据要求尽量选择结构紧密的晶体作为主晶相；为主晶相；2 2 在改善主晶相时，尽量避免产生缺位固溶体，最好形成连在改善主晶相时，尽量避免产生缺位固溶体，最好形成连续固溶体；续固溶体；3 3 防止产生多晶转变，因为多晶转变时晶格缺陷多，电性能防止产生多晶转变，因为多晶转变时晶格缺陷多，电性能下降，损耗增加；下降，损耗增加；4 4 尽量减少玻璃相，防止杂质的混入；尽量减少玻璃相，防止杂质的混入；5 5 注意烧结气氛，防止产品的急冷急热；注意烧结气氛，防止产品的急冷急热；6 6 控制好最终烧结温度，以减少气孔率，使坯体致密控制好最终烧结温度，以减少气孔率，使坯体致密。4. 4. 介电强度介电强度 当电场强度超过某一临界值时，电导率突然剧增，介当电场强度超过某一临界值时，电导率突然剧增，介质丧失其固有的绝缘性能，由介电状态变为导电状态。相应质丧失其固有的绝缘性能，由介电状态变为导电状态。相应的临界电场强度为介电强度。的临界电场强度为介电强度。（1 1）热击穿）热击穿 发热量大于介质向外界散发的热量，温度的上升又导发热量大于介质向外界散发的热量，温度的上升又导致电导率增加，损耗大，直至介质发生热破坏，丧失原有的致电导率增加，损耗大，直至介质发生热破坏，丧失原有的绝缘性，这种击穿称为热击穿。绝缘性，这种击穿称为热击穿。（2 2）电击穿）电击穿 在电场直接作用下发生的介质破坏现象在电场直接作用下发生的介质破坏现象（3 3）电化学性质）电化学性质老化老化 长期的使用过程中受到电、光、热以及周围媒质的影长期的使用过程中受到电、光、热以及周围媒质的影响，使产生化学变化，最后被击穿。响，使产生化学变化，最后被击穿。 三、铁电性质三、铁电性质1. 1. 铁电体铁电体 按其结构和自发极化产生的机制，铁电体可分为含氧按其结构和自发极化产生的机制，铁电体可分为含氧八面体的铁电体，含氢键的铁电体、含氟八面体的铁电体和八面体的铁电体，含氢键的铁电体、含氟八面体的铁电体和含其它离子基团的铁电体含其它离子基团的铁电体4 4类。类。最具代表性和为数最多的一类最具代表性和为数最多的一类铁电体铁电体钙钛矿型铁电体。钙钛矿型铁电体。 2. 2. 电畴电畴 铁铁电电体体中中存存在在若若干干个个小小区区域域，内内部部电电偶偶极极子子沿沿同同一一方方向向，这这些些自自发发极极化化方方向向一一致致的的小小区区域域称称为为电电畴畴或或畴畴。畴畴的的出出现使晶体的静电能和应变能降低。现使晶体的静电能和应变能降低。 铁铁电电畴畴在在外外电电场场作作用用下下，总总要要趋趋向向与与外外电电场场方方向向一一致致。这这被被形形象象地地称称做做电电畴畴“转转向向”。实实际际上上电电畴畴运运动动是是通通过过在在外外电场作用下新畴的出现、发展以及畴壁的移动来实现的。电场作用下新畴的出现、发展以及畴壁的移动来实现的。3. 3. 电滞回线电滞回线 电场在大于正在大于正负饱和和值之之间循循环一周的一周的过程中，程中，电极化极化强强度与度与电场强强度沿封度沿封闭曲曲线CBDFGHC变化，化，这一一曲曲线称称为电滞回滞回线。电滞回滞回线是是铁电畴在外畴在外电场作用下作用下运运动的宏的宏观描述，是描述，是铁电体体的的标志。志。 （1 1）温度对电滞回线的影响）温度对电滞回线的影响 矫顽场和饱和场强随温度升高而降低。矫顽场和饱和场强随温度升高而降低。 环环境境温温度度对对材材料料的的晶晶体体结结构构有有影影响响，因因而而其其内内部部自自发发 极化发生改变，尤其是在相界处变化最为显著。例如，极化发生改变，尤其是在相界处变化最为显著。例如， BaTiO3在居里温度附近，电滞回线逐渐闭合为一直线（铁在居里温度附近，电滞回线逐渐闭合为一直线（铁 电性消失）。电性消失）。（2 2）极化时间和极化电压对电滞回线的影响）极化时间和极化电压对电滞回线的影响 在在相相同同的的电电场场强强度度作作用用下下，极极化化时时间间长长的的，具具有有较较高高 的极化强度，也具有较高的剩余极化强度。的极化强度，也具有较高的剩余极化强度。（3 3）晶体结构对电滞回线的影响）晶体结构对电滞回线的影响 同一材料，单晶体和多晶体的电滞回线是不同的。同一材料，单晶体和多晶体的电滞回线是不同的。 四、压电性和热释电性四、压电性和热释电性 压压电电性性，就就是是某某些些晶晶体体材材料料按按所所施施加加的的机机械械应应力力成成比例比例 地产生电荷的能力。地产生电荷的能力。1. 1. 压电效应压电效应 压压电电效效应应由由晶晶体体结结构构所所决决定定。具具有有对对称称中中心心的的晶晶体体都都不不具具有有压压电电效效应应，晶晶体体不不具具有有对对称称中中心心，质质点点排排列列并并不不对对称称，在在应应力力作作用用下下，质质点点间间产产生生不不对对称称的的位位移移，产产生生新新的的电电矩矩，晶体表面显示电性，呈现压电效应。晶体表面显示电性，呈现压电效应。 2.2.电陶瓷的主要性能参数电陶瓷的主要性能参数（1 1）机机械械品品质质因因数数：描描述述压压电电陶陶瓷瓷在在机机械械振振动动是是，内内部部能能量量消耗程度的一个参数，机械品质因数越大，能量的损耗越小。消耗程度的一个参数，机械品质因数越大，能量的损耗越小。 （2 2）机电耦合系数：没有量纲的物理量，是压电材料进行）机电耦合系数：没有量纲的物理量，是压电材料进行电电 能量转换的能力反应。能量转换的能力反应。 （3 3）弹性系数：反应材料在弹性形变范围内应力与应变之间的）弹性系数：反应材料在弹性形变范围内应力与应变之间的 关系的参数称为弹性系数。关系的参数称为弹性系数。 3.3.压电陶瓷的预极化压电陶瓷的预极化 极化条件对压电陶瓷的影响：极化条件对压电陶瓷的影响： （1 1）极化电场：极化电场越高，极化就越充分）极化电场：极化电场越高，极化就越充分 （2 2）极化温度：极化温度高，极化效果好）极化温度：极化温度高，极化效果好 （3 3）极化时间：时间长，电畴取向排列程度高，极化效果好。）极化时间：时间长，电畴取向排列程度高，极化效果好。 4.4.热释电效应热释电效应 晶晶体体受受热热温温度度升升高高，导导致致自自发发极极化化的的变变化化，在在晶晶体体的的一定一定 方向上产生表面电荷，这种现象称为热电释效应。方向上产生表面电荷，这种现象称为热电释效应。 一、原料一、原料 1.1.原原料料粉粉体体的的合合成成：理理想想陶陶瓷瓷粉粉体体的的条条件件是是粒粒径径小小、呈球形、粒度尺寸分布窄、无硬团聚、高纯度等呈球形、粒度尺寸分布窄、无硬团聚、高纯度等 2.2.配料计算配料计算 3.3.备料工艺备料工艺 （1 1）原原料料的的煅煅烧烧：通通过过煅煅烧烧可可促促进进晶晶体体转转化化，获获得得具具有有优良电性能的晶型，改变材料结构，改善工艺性能优良电性能的晶型，改变材料结构，改善工艺性能 （2 2）熔熔块块的的合合成成：温温度度太太低低，反反应应不不充充分分，主主晶晶相相质质量量不不好好；温温度度太太高高，烧烧块块变变硬硬，不不易易粉粉碎碎，活活性性降降低低，使使烧烧成成温温度度升升高高和和变变窄窄。一一般般选选择择略略高高于于理理论论温温度度值值，根根据据试试验验，确定合适的合成温度。确定合适的合成温度。 （3 3）球磨：最常用的一种粉碎和混合装置。）球磨：最常用的一种粉碎和混合装置。6.3功能陶瓷的制备工艺功能陶瓷的制备工艺影响粉碎和混合效率的因素有以下几点：影响粉碎和混合效率的因素有以下几点： 1 1）球磨机的转速：当转速适当时，球被带到上面再向下落，）球磨机的转速：当转速适当时，球被带到上面再向下落， 粉碎效率才最大。粉碎效率才最大。 2 2）球磨机内磨球大小的配比）球磨机内磨球大小的配比 3 3）球磨机装载量）球磨机装载量 4 4）料、球、水之比）料、球、水之比 5 5）助磨剂的影响：当物料研磨到一定细度后，其继续研磨）助磨剂的影响：当物料研磨到一定细度后，其继续研磨 的的效效率率将将显显著著降降低低，为为提提高高研研磨磨效效率率需需加加入入助助磨磨剂剂，常常 用的有油酸和醇类等。用的有油酸和醇类等。 6 6）分散介质的影响：球磨分为干法和湿法。干法不加分散）分散介质的影响：球磨分为干法和湿法。干法不加分散 介介质质，主主要要靠靠球球的的冲冲击击力力粉粉碎碎物物料料；湿湿法法需需加加水水或或乙乙醇醇 等作为分散介质，主要靠球的研磨作用进行粉碎。等作为分散介质，主要靠球的研磨作用进行粉碎。7 7）球磨的时间选择：时间的延长，球磨效率降低，细度的增）球磨的时间选择：时间的延长，球磨效率降低，细度的增 加加也也趋趋于于缓缓慢慢。还还会会引引入入较较多多的的杂杂质质。因因此此，应应在在满满足足适适 当细度的条件下尽量缩短。当细度的条件下尽量缩短。 行行星星磨磨是是实实验验室室中中比比较较常常用用的的粉粉碎碎和和混混合合装装置置，它它大大大大提提高高了了研研磨磨效效率率，粉粉碎碎细细度度优优于于球球磨磨，粉粉碎碎时时间间一一般般为为1.531.53h h。 （4 4）造粒造粒 造造粒粒工工艺艺是是将将已已经经磨磨得得很很细细的的分分料料，经经过过干干燥燥、加加黏黏合合剂剂，做做成成流流动动性性好好的的较较粗粗的的颗颗粒粒。工工艺艺大大致致分分为为加加压压造造粒粒法和喷雾干燥造粒法。法和喷雾干燥造粒法。 加加压压法法造造粒粒是是将将混混合合了了黏黏合合剂剂的的粉粉料料预预压压成成块块，然然后后再粉碎过筛，该法能满足各种大型、异型制品的要求。再粉碎过筛，该法能满足各种大型、异型制品的要求。 喷雾法法是是把把混混合合好好黏黏合合剂的的粉粉料料做做成成料料浆，或或是是在在细磨磨工工艺时加加好好黏黏合合剂，用用喷雾喷入入塔塔中中雾化化，此此法法适适合合连续化生化生产和自和自动化成型工化成型工艺。 二、成型二、成型 成型就是将粉体转变成具有一定形状、体积和强度的坯体。成型就是将粉体转变成具有一定形状、体积和强度的坯体。1. 1. 干干压压成成型型：广广泛泛应应用用的的一一种种成成型型方方法法。效效率率高高，易易于于自自动动化，制品烧成收缩率小，不易变形。化，制品烧成收缩率小，不易变形。 （1 1）加压方式加压方式 （2 2）成型加压成型加压 （3 3）加压速度和时间加压速度和时间 2. 2. 流流延延成成型型：在在超超细细粉粉料料中中均均匀匀混混合合适适当当的的黏黏合合剂剂，制制成成浆浆料料，通通过过流流延延嘴嘴，浆浆料料依依靠靠自自重重流流在在一一条条平平稳稳转转动动的的环环形形钢钢带带上上，经经过过烘烘干干，钢钢带带又又回回到到初初始始位位置置，经经过过多多次次循循环环重重复复，直至得到需要的厚度。直至得到需要的厚度。特点是：膜片致密均匀，特点是：膜片致密均匀，弹性好；膜片生产效率高，弹性好；膜片生产效率高，成本低。成本低。3. 3. 等静压成型等静压成型 利利用用液液体体介介质质具具有有不不可可压压缩缩且且能能均均匀匀传传递递压压力力特特性性的的一种成型方法。一种成型方法。特点：特点： 坯坯体体密密度度高高，均均匀匀性性好好，烧烧成成收收缩缩小小，不不易易变变形形和和开开裂；裂； 可以制造大型、异型制品，如空心球壳形制品。可以制造大型、异型制品，如空心球壳形制品。 坯料不必加黏合剂，有利于烧成和降低瓷件的气孔率；坯料不必加黏合剂，有利于烧成和降低瓷件的气孔率； 生坯机械强度大，生坯机械强度大， 可满足毛坯处理可满足毛坯处理 和机加工的需要；和机加工的需要； 磨具制造方便，磨具制造方便， 如弹性好的抗油如弹性好的抗油 橡皮或塑料即可，橡皮或塑料即可， 成本低。成本低。三、烧成三、烧成1. 1. 烧成烧成 烧烧成成是是指指成成型型的的坯坯体体在在高高温温作作用用下下的的致致密密化化过过程程，是是陶瓷制备过程中最重要的阶段。陶瓷制备过程中最重要的阶段。 （1 1）升升温温阶阶段段：主主要要是是水水分分和和有有机机黏黏合合剂剂的的挥挥发发，结结晶晶水水和和结结构构水水的的排排除除，碳碳酸酸盐盐的的分分解解，有有时时还还有有晶晶相相转转变变等等过过程。程。 （2 2）保保温温阶阶段段：各各组组分分进进行行充充分分的的物物理理变变化化和和化化学学反反应应，以获得致密的陶瓷体。以获得致密的陶瓷体。 （3 3）冷冷却却阶阶段段：过过程程中中伴伴随随有有液液相相凝凝固固、析析晶晶、相相变变等等物物理理和和化化学学变变化化发发生生。冷冷却却方方式式和和速速度度快快慢慢对对瓷瓷体体最最终终的的相相组组成成、结结构构和和性性能能均均有有很很大大的的影影响响。冷冷却却阶阶段段有有淬淬火火急急冷冷、随炉快冷、随炉慢冷和分段保温冷却等多种方式。随炉快冷、随炉慢冷和分段保温冷却等多种方式。 2. 2. 功能陶瓷的烧成功能陶瓷的烧成 主主要要是是在在各各种种电电炉炉中中进进行行的的，如如管管式式炉炉、箱箱式式炉炉、立立式升降炉等。式升降炉等。（1 1）常压烧结）常压烧结 1 1）气气氛氛烧烧结结：通通入入适适当当气气体体，使使炉炉中中保保持持所所要要求求的的气气氛，氛， 能能促促进进瓷瓷体体的的烧烧成成或或达达到到其其它它目目的的。对对氧氧化化物物陶陶瓷来瓷来 说说，若若氧氧分分压压过过高高，则则晶晶粒粒中中氧氧含含量量增增大大，正正离离子缺子缺 位增加，有利于以正离子扩散为主的陶瓷烧结。位增加，有利于以正离子扩散为主的陶瓷烧结。 2 2）控制挥发气氛烧结）控制挥发气氛烧结（2 2）热压烧结）热压烧结 在在高高温温烧烧结结过过程程中中，同同时时对对坯坯体体施施加加足足够够大大的的机机械作械作 用力，达到促进烧结的目的。用力，达到促进烧结的目的。（3 3）热等静压）热等静压 是冷等静压成型工艺和高温烧结是冷等静压成型工艺和高温烧结相结合的新技术，解决了普通热压缺相结合的新技术，解决了普通热压缺乏横向压力和压力不均匀，造成制品乏横向压力和压力不均匀，造成制品密度不够均匀的问题。烧制的瓷体晶密度不够均匀的问题。烧制的瓷体晶粒细小均匀，晶界致密，各向同性，粒细小均匀，晶界致密，各向同性，但工艺复杂，成本高。但工艺复杂，成本高。一、微波介质陶瓷材料一、微波介质陶瓷材料 它它具具有有高高介介电电常常数数、低低微微波波损损耗耗、温温度度系系数数小小等等优优良良性能，适于制作各种微波器件。性能，适于制作各种微波器件。 1.1.微波介质陶瓷材料的性能要求微波介质陶瓷材料的性能要求 高的介电常数，高的介电常数， r要求在要求在20100之间，且稳定性好之间，且稳定性好 在在-50+100温温区区，频频率率温温度度系系数数 f要要小小或或可可调调节节，一一般在般在3010-6以内，以保证微波器件的高度频率稳定性。以内，以保证微波器件的高度频率稳定性。 在在微微波波频频率率，介介质质损损耗耗要要小小，品品质质因因数数要要高高，Q 1000010000，以保证系统的高效率。以保证系统的高效率。 此此外外，也也要要考考虑虑到到材材料料的的传传热热系系数数、绝绝缘缘电电阻阻和和相相对对密度等因素。密度等因素。6.4信息功能陶瓷材料信息功能陶瓷材料2.2.微波介质陶瓷材料参数的测试方法微波介质陶瓷材料参数的测试方法（1 1）开式腔法）开式腔法 即即平平行行导导电电板板法法，将将圆圆柱柱形形介介质质式式样样夹夹在在两两块块平平行行导导电电板板之之间间，构构成成谐谐振振器器，由由电电场场连连续续性性条条件件给给出出一一个个贝贝塞塞尔尔函数中的超越方程，它将谐振频率、函数中的超越方程，它将谐振频率、介电常数和谐振器尺寸关联起来。介电常数和谐振器尺寸关联起来。（2 2）低端频谱法）低端频谱法 低频范围内测量样品的电容量低频范围内测量样品的电容量C 随频率随频率f f的变化，以此来推算材料在的变化，以此来推算材料在高率下的相对介电常数高率下的相对介电常数 r。其理论依其理论依据是：在较高频率下，微波介质材料据是：在较高频率下，微波介质材料的相对介电常数的相对介电常数 r几乎是一个不随频几乎是一个不随频率变化的常数。率变化的常数。3. 3. 微波介质陶瓷材料的体系微波介质陶瓷材料的体系 （1 1）BaO-TiO2体系体系 （2 2）BaO-Ln2O3-TiO2体系体系 （3 3）A(B1/3B”2/3)O3体系体系4. 4. 微波介质陶瓷材料与近代通信技术微波介质陶瓷材料与近代通信技术 移移动动通通信信系系统统的的核核心心是是介介质质谐谐振振器器型型滤滤波波器器。介介质质谐谐振振器器一一般般由由介介电电常常数数比比空空气气介介电电常常数数高高出出20100倍倍的的陶陶瓷瓷构构成成。因因此此，利利用用高高介介电电常常数数的的陶陶瓷瓷材材料料制制作作的的介介电电滤滤波波器器的的体体积积和和质质量量是是传传统统金金属属空空腔腔谐谐振振器器滤滤波波器器的的1/1000，而而且且频频率率高，介质谐振器的尺寸可以越小。高，介质谐振器的尺寸可以越小。一、一、铁电薄膜材料铁电薄膜材料1. 1. 铁电薄膜磁材料铁电薄膜磁材料 从从晶晶体体结结构构来来看看，目目前前研研究究的的铁铁电电材材料料有有4 4种种，即即含含氧氧八八面面体体的的；含含氢氢键键的的；含含氟氟八八面面体体的的；含含其其它它离离子子基基团团的的。这这类类薄薄膜膜材材料料具具有有良良好好的的抗抗疲疲劳劳特特性性，且且具具有有良良好好的的存存储储寿寿命和较低的漏电流。命和较低的漏电流。2. 2. 铁电薄膜的制备铁电薄膜的制备 制制备备方方法法多多种种多多样样，一一般般分分为为物物理理沉沉积积法法和和化化学学沉沉积积法法两两大大类类。物物理理沉沉积积法法包包括括溅溅射射法法、电电子子束束蒸蒸发发、脉脉冲冲激激光光沉沉积积法法（PLDPLD）、分分子子束束外外延延法法等等。需需要要在在真真空空下下进进行行，具具有有高洁净度，易与高洁净度，易与SiSi集成电路工艺兼容。集成电路工艺兼容。 化化学学沉沉积积法法又又分分为为两两类类：一一类类是是化化学学气气相相沉沉积积法法，包包括括普普通通CVDCVD、金金属属有有机机源源化化学学气气相相沉沉积积法法（MOCVDMOCVD）和和等等离离子子增增强强CVDCVD等等；另另一一类类是是化化学学溶溶液液沉沉积积法法（CSDCSD），即即湿湿化化学学法法，包括溶胶包括溶胶- -凝胶法、金属有机物沉积法（凝胶法、金属有机物沉积法（MODMOD）、）、水热法等。水热法等。 （1 1）溅溅射射法法：可可分分为为磁磁控控溅溅射射和和离离子子束束溅溅射射。优优点点是是能能够够以以较较低低的的成成本本制制备备实实用用的的大大面面积积薄薄膜膜；缺缺点点是是在在溅溅射射过过程程中中各各组组元元的的挥挥发发性性差差别别很很大大，膜膜的的成成分分和和靶靶的的成成分分有有较较大大偏偏差。差。 （2 2）溶溶胶胶- -凝凝胶胶法法：将将薄薄膜膜各各组组元元的的醇醇盐盐溶溶于于某某种种溶溶剂剂中中反反应应产产生生复复醇醇盐盐，然然后后加加入入水水和和催催化化剂剂，转转变变为为溶溶胶胶和和凝凝胶胶，可可用用甩甩胶胶法法，经经干干燥燥、烧烧结结制制成成所所需需薄薄膜膜。优优点点是是合合成成温温度度低低，化化学学计计量量比比较较准准确确，易易于于掺掺杂杂改改性性，设设备备简简单单，成成本本低低；缺缺点点是是膜膜的的致致密密性性差差，常常有有针针孔孔等等缺缺陷陷导导致致漏漏电电导导，表表面面平平整度也不太理想。整度也不太理想。（3 3）化学气相沉积法）化学气相沉积法 特特点点是是在在材材料料通通过过化化学学反反应应合合成成的的同同时时成成膜膜，其其中中又又以以金金属属有有机机物物化化学学气气相相沉沉积积用用途途最最广广。缺缺点点是是对对一一些些重重要要的的铁铁电电薄薄膜膜材材料料，制制备备所所需需的的具具有有足足够够高高饱饱和和和和蒸蒸气气压压的的金金属属有机物前驱体尚难合成。有机物前驱体尚难合成。（4 4）脉冲激光沉积法）脉冲激光沉积法 利利用用经经过过聚聚焦焦而而具具有有很很高高能能流流密密度度的的紫紫外外脉脉冲冲激激光光照照射射靶靶材材产产生生激激光光等等离离子子体体在在村村底底上上沉沉积积成成膜膜的的方方法法。优优点点是是膜膜的的化化学学成成分分和和靶靶的的化化学学成成分分很很接接近近，因因而而特特别别适适于于制制备备复复杂杂氧氧化化物物薄薄膜膜；缺缺点点是是膜膜表表面面上上常常有有细细微微液液滴滴凝凝固固形形成成的的颗颗粒状突起而使表面质量不甚理想，也不易于制备大面积薄膜。粒状突起而使表面质量不甚理想，也不易于制备大面积薄膜。3. 3. 铁电薄膜的应用铁电薄膜的应用 利利用用其其电电滞滞回回线线特特性性可可制制作作铁铁电电随随机机存存取取存存储储器器，利利用用压压电电效效应应可可制制作作声声表表面面波波延延迟迟线线及及微微型型马马达达；利利用用热热释释电电效效应应可可制制作作模模型型热热释释电电红红外外线线探探测测器器列列阵阵。新新的的利利用用还还在在不不断断提提出出，激激光光光光盘盘、微微波波波波导导、能能与与太太阳阳能能电电池池兼兼容容的的太太阳阳能电池储能电容器、强电子发射管发射源等。能电池储能电容器、强电子发射管发射源等。三三 、压电陶瓷材料、压电陶瓷材料 从从晶晶体体结结构构看看，钙钙钛钛矿矿型型、钨钨青青铜铜型型、焦焦绿绿石石型型、含含铋铋层层结结构构的的陶陶瓷瓷材材料料具具有有压压电电性性能能，目目前前应应用用最最广广泛泛的的压压电电陶瓷都属于钙钛矿型晶体结构。陶瓷都属于钙钛矿型晶体结构。1.1.钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷 BaTiOBaTiO3 3晶晶体体在在室室温温下下为为四四方方晶晶系系的的铁铁电电性性压压电电陶陶瓷瓷材材料料，在在居居里里点点（120120）以以上上，四四方方相相转转为为立立方方相相；在在 00时时 ，晶体结构在正交，晶体结构在正交- -四方晶体系之间变化，仍具有铁电性。四方晶体系之间变化，仍具有铁电性。2 2、锆钛酸铅（、锆钛酸铅（PZT) ) 由由于于PZT基基压压电电陶陶瓷瓷含含有有大大量量的的铅铅，在在烧烧结结过过程程中中易易挥挥发发，同同时时又又由由于于相相界界面面附附近近体体系系的的压压电电、热热点点性性能能依依赖赖钛钛和和锆锆的的组组成成壁壁，故故较较难难保保证证性性能能的的重重复复性性，给给实实际际的的制制备备与与应应用用带带来来了了一一定定的的困困难难。国国内内外外对对PZT陶陶瓷瓷进进行行了了广广泛泛的的掺掺杂改性研究杂改性研究（1 1）软性掺杂软性掺杂 软软性性掺掺杂杂是是指指Al3+、Bi3+、Nb5+、W6+等等高高价价离离子子分分别别置置换换Pb2+或或（Zr4+，Ti4+）等等离离子子，在在晶晶格格中中形形成成一一定定量量的的正正离离子子缺缺位位（主主要要是是A A位位），导导致致晶晶粒粒内内畴畴壁壁容容易易移移动动，结结果果使使矫矫顽顽场场降降低低，使使陶陶瓷瓷的的极极化化变得得容容易易，因因而而相相应地地提提高高了了压电性能。性能。 （2 2）硬性掺杂）硬性掺杂 离离子子置置换换后后在在晶晶格格中中形形成成一一定定量量的的负负离离子子（氧氧位位）缺缺位位，因因而而导导致致晶晶胞胞收收缩缩，抑抑制制畴畴壁壁运运动动，降降低低离离子子扩扩散散速速度度，矫矫顽顽电电场场增增加加，从从而而使使极极化化变变得得很很困困难难，压压电电性性能能降降低低，介介电损耗减少。电损耗减少。（3 3）变价离子掺杂）变价离子掺杂 添添加加物物是是以以含含CrCr和和U U等等离离子子为为代代表表的的氧氧化化物物。出出现现一一种种以以上上的的化化合合状状态态，因因此此能能部部分分地地起起到到产产生生A缺缺位位的的施施主主杂杂质质作作用用，部部分分地地起起到到产产生生氧氧缺缺位位的的受受主主杂杂质质作作用用，它它们们本本身身似似乎乎能能在在两两者者之之间间自自动动补补偿偿。使使其其老老化化降降低低，机机械械品品质质因因数数稍稍有增加，机电偶合系数稍有降低，介质损耗稍有增大。有增加，机电偶合系数稍有降低，介质损耗稍有增大。四、敏感陶瓷材料四、敏感陶瓷材料 当当作作用用于于这这些些材材料料制制造造的的元元件件的的某某一一处处外外界界条条件件（如如温温度度、压压力力、温温度度、电电场场、磁磁场场、光光及及射射线线等等）改改变变时时，能能引引起起该该材材料料某某种种物物理理性性能能的的变变化化，从从而而能能从从这这些些元元件件上上准准去去迅速地后的某种有用的信号。迅速地后的某种有用的信号。1. 1. 热敏陶瓷热敏陶瓷 对对温温度度变变化化敏敏感感的的陶陶瓷瓷材材料料，其其电电阻阻率率随随温温度度发发生生明明显显变变化化，一一般般可可分分为为三三大大类类：第第一一类类是是电电阻阻随随温温度度升升高高而而增增大大的的热热敏敏电电阻阻称称为为正正温温度度系系数数热热敏敏电电阻阻( (PTC)PTC)；第第二二类类是是电电阻阻随随温温度度升升高高而而减减小小的的热热敏敏电电阻阻，称称为为负负温温度度系系数数热热敏敏电电阻阻（NTCNTC）；第第三三类类是是电电阻阻在在某某特特定定温温度度范范围围内内急急剧剧变变化化的的热热敏敏电阻（电阻（CTRCTR）。）。（1 1）PTC热敏电阻陶瓷热敏电阻陶瓷 属属于于多多晶晶铁铁电电半半导导体体。当当开开始始施施加加工工作作电电压压时时，温温度度低低于于Tmin,，电电阻阻率率随随着着温温度度的的上上升升而而下下降降，电电流流则则增增大大，呈呈现现负负温温度度系系数数特特性性，服服从从 规规律律 。当当温温度度高高于于 Tmin以以后后，由由于于铁铁电电相相变变及及晶晶界界效效应应，成成正正温温度度系系数数特特征征，Tc附附近近的的一一个个很很窄窄的的温温区区内内，随随温温度度的的升升高高（降降低低），其其电电阻阻率率急急剧剧升升高高（降降低低），约约变变化化几几个个数数量量级级，电电阻阻率率在在某某一一温温度度附附近近达到最大值，这就是所谓的达到最大值，这就是所谓的PTC现象现象 。（2 2）NTC热敏电阻陶瓷热敏电阻陶瓷 指指随随温温度度升升高高其其电电阻阻率率按按指指数数关关系系减减小小的的一一类类陶陶瓷瓷材材料。料。电阻温度系数为电阻温度系数为: :在在工工作作温温度度范范围围内内并并不不是是常常数数，而而是是随随温温度度的的升升高高而而迅迅速速减减小。小。B值越大，则在同样的温度下的值越大，则在同样的温度下的 T也也越大，即灵敏度越高。越大，即灵敏度越高。（3 3）CTR临界温度热敏电阻陶瓷临界温度热敏电阻陶瓷 主主要要指指以以VO2位位基基本本成成分分的的半半导导体体陶陶瓷瓷，在在68附附近近电电阻阻值值突突变变可可达达34个个量量级级。具具有有很很大大的的负负温温度度系系数数，故故称称剧剧变变温度热敏电阻。温度热敏电阻。2 2、压敏陶瓷、压敏陶瓷 指指具具有有非非线线性性伏伏- -安安特特性性、对对电电压压变变化化敏敏感感的的半半导导体体陶陶瓷瓷。在在某某一一临临界界点点压压以以下下，几几乎乎无无电电流流通通过过；超超过过该该临临界界电电压压，电电阻阻迅迅速速降降低低，让让电电流流通通过过。随随着着电电压压的的少少许许增增加加。电电流流会会很很快快增增大大。这这一一现现象象称称为为压压敏敏效效应应，是是陶陶瓷瓷的的一一种种晶晶界界效应。效应。 电压电压- -电流特性可以近似为：电流特性可以近似为：式中式中 I 压电电阻流过的电流；压电电阻流过的电流；V 施加电压；施加电压； 非线性指数；非线性指数；C 相当于电阻值的量，常数。相当于电阻值的量，常数。3. 3. 气敏陶瓷气敏陶瓷（1 1）性能）性能 主主要要是是利利用用半半导导体体表表面面气气体体吸吸附附反反应应引引起起的的表表面面电电导导率率变变化化的的信信号号来来检检测测各各种种气气体体的的存存在在和和浓浓度度。吸吸附附气气体体一一般般分分为为物物理理和和化化学学吸吸附附。前前者者吸吸附附热热低低，可可以以是是多多分分子子层层吸吸附附，无选择性；后者吸附热高，只能是单分子吸附，有选择性。无选择性；后者吸附热高，只能是单分子吸附，有选择性。1 1）灵灵敏敏度度：当当材材料料接接触触被被测测气气体体时时，其其电电阻阻发发生生变变化化，变变化化量越大，气敏材料的灵敏度就越高。量越大，气敏材料的灵敏度就越高。2 2）选选择择性性：在在众众多多气气体体中中，气气敏敏半半导导体体陶陶瓷瓷元元件件对对某某一一气气体体表现出很高的灵敏度，而对其它气体的灵敏度甚低或不灵敏。表现出很高的灵敏度，而对其它气体的灵敏度甚低或不灵敏。3 3）稳稳定定性性：稳稳定定性性包包括括：一一、性性能能随随时时间间的的变变化化；二二、气气敏敏元件的性能对环境条件的忍耐能力。元件的性能对环境条件的忍耐能力。4 4）初初始始特特性性：由由于于气气敏敏元元件件不不工工作作时时，表表面面可可能能吸吸附附一一些些气气体体或或杂杂质质，因因此此，元元件件在在加加热热工工作作初初期期会会发发生生因因吸吸附附气气体体或或因杂质挥发造成的电阻变化。因杂质挥发造成的电阻变化。5 5）相相应应时时间间和和恢恢复复时时间间：是是指指气气敏敏元元件件接接触触被被测测气气体体时时，其其电电阻阻值值达达到到给给定定值值的的时时间间，它它表表示示气气敏敏元元件件对对被被测测气气体体的的响响应应速速度度。恢恢复复时时间间表表示示气气敏敏元元件件的的复复原原特特性性，响响应应时时间间和和恢恢复时间越小越好。复时间越小越好。（2 2）典型的气敏半导体陶瓷）典型的气敏半导体陶瓷SnOSnO2 2系气敏陶瓷系气敏陶瓷最常用的气敏半导体陶瓷最常用的气敏半导体陶瓷ZnOZnO系气敏陶瓷系气敏陶瓷气体选择性强气体选择性强FeFe2 2O O3 3系系气气敏敏陶陶瓷瓷无无需需添添加加贵贵金金属属催催化化剂剂就就可可制制成成灵灵敏敏度度高高、稳定性好、具有一定选择性的气体传感器。稳定性好、具有一定选择性的气体传感器。4. 4. 湿敏陶瓷湿敏陶瓷 指指对对空空气气或或其其它它气气体体、液液体体和和固固体体物物质质中中水水分分含含量量敏敏感的陶瓷材料。感的陶瓷材料。（1 1）湿敏陶瓷）湿敏陶瓷湿湿度度由由两两种种表表示示方方法法，即即绝绝对对湿湿度度和和相相对对湿湿度度，一一般般常常用用相相对湿度表示。对湿度表示。1 1）湿度量程：在规定环境下，湿敏元件能够正常测量的范围）湿度量程：在规定环境下，湿敏元件能够正常测量的范围2 2）灵敏度：可用元件的输出量变化与输入量变化之比）灵敏度：可用元件的输出量变化与输入量变化之比3 3）响应时间：标志湿敏元件在湿敏变化时反应速率的快慢）响应时间：标志湿敏元件在湿敏变化时反应速率的快慢4 4）分辨率：湿敏元件测湿的分辨能力）分辨率：湿敏元件测湿的分辨能力5 5）温度系数：表示温度每变化）温度系数：表示温度每变化1 1时，时，湿敏元件的阻值变化湿敏元件的阻值变化相当于多少相当于多少%RH的变化的变化对对湿敏陶瓷材料的要求：湿敏陶瓷材料的要求： 稳稳定定性性、一一致致性性、互互换换性性要要好好，工工业业要要求求长长期期稳稳定定性性不不超过超过2%2%RHRH； 精度高，使用湿区宽，灵敏度适当；精度高，使用湿区宽，灵敏度适当； 响应快，湿滞小，能满足动态测量的要求；响应快，湿滞小，能满足动态测量的要求； 温度系数小，尽量不用温度补偿线路；温度系数小，尽量不用温度补偿线路； 可用于高温、低温及室外恶劣环境；可用于高温、低温及室外恶劣环境； 多功能化等。多功能化等。（2 2）几种典型的湿敏陶瓷材料）几种典型的湿敏陶瓷材料 主主晶晶相相成成分分一一般般由由氧氧化化物物半半导导体体构构成成，其其导导电电形形式式 一般认为是电子导电和质子导电，或者两者共存。一般认为是电子导电和质子导电，或者两者共存。1 1）高温烧结型湿敏陶瓷）高温烧结型湿敏陶瓷 在在较较高高温温度度范范围围烧烧结结的的典典型型多多孔孔陶陶瓷瓷，气气孔孔率率高高达达30%40%30%40%，具有良好的透湿性能。，具有良好的透湿性能。2 2）低温烧结型湿敏陶瓷）低温烧结型湿敏陶瓷 烧烧结结温温度度较较低低，烧烧结结时时固固相相反反应应不不完完全全，烧烧结结后后收收缩缩率很小。率很小。3 3）瓷粉膜型）瓷粉膜型湿敏陶瓷湿敏陶瓷5. 5. 其它敏感陶瓷其它敏感陶瓷 作作为为新新兴兴材材料料，还还有有磁磁敏敏、光光敏敏、离离子子敏敏和和多多功功能复合敏感陶瓷等。能复合敏感陶瓷等。五、磁性陶瓷五、磁性陶瓷 主主要要是是以以氧氧和和铁铁为为主主的的一一种种或或多多种种金金属属元元素素组组成成的的复复合氧化物，又称为铁氧体。合氧化物，又称为铁氧体。1.1.磁性陶瓷的基本磁学性能磁性陶瓷的基本磁学性能2.2.（1 1）固体的磁性）固体的磁性3.3. 在宏观上是以物质的磁化率在宏观上是以物质的磁化率X来描述的。来描述的。4.4.1 1）抗磁体）抗磁体5.5. X是数值很小的负数，几乎不随温度变化。是数值很小的负数，几乎不随温度变化。6.6.2 2）顺磁体）顺磁体7.7. X是是数值很小的正数，它随温度数值很小的正数，它随温度T T成成反比，反比，8.8. 称为居里定律。称为居里定律。（3 3）铁磁体）铁磁体 X是是特特别别大大的的正正数数，在在某某个个临临界界温温度度TC以以下下，即即使使没没有有外外磁磁场场，也也会会出出现现自自发发磁磁化化强强度度；在在高高于于TC的的温温度度，变变成成顺磁体，其磁化率服从顺磁体，其磁化率服从Curie-Weiss定律：定律：（4 4）亚铁磁体）亚铁磁体 在在温温度度低低于于居居里里温温度度时时像像铁铁磁磁体体，但但X不不如如铁铁磁磁体体那那么么大大，自自发发磁磁化化强强度度也也没没有有铁铁磁磁体体大大；在在高高于于TC时时，其其特特性性逐渐变得像顺磁体。逐渐变得像顺磁体。（5 5）反铁磁体）反铁磁体 X是是小小的的正正数数。和和亚亚铁铁磁磁的的物物理理本本质质相相同同，即即原原子子间间相相互互作作用用使使相相邻邻自自旋旋磁磁矩矩反反向向。当当反反平平行行的的磁磁矩矩恰恰好好抵抵销销时时为为反反铁铁磁磁性性，部部分分抵抵销销而而存存在在时时为为亚亚铁铁磁磁性性。反反铁铁磁磁性性是是亚亚铁磁性的特殊情况。铁磁性的特殊情况。（2 2）磁滞回线）磁滞回线 用于表征磁性陶瓷材料各种主要用于表征磁性陶瓷材料各种主要特征。特征。 HC 矫顽力；矫顽力； Hm 最大磁场；最大磁场； Br 剩余磁感应强度；剩余磁感应强度； Bm 饱和磁感应强度饱和磁感应强度（3 3）磁导率）磁导率 表表征征磁磁介介质质磁磁化化性性能能的的一一个个物物理理量量。铁铁磁磁体体的的磁磁导导率率很很大大，且且随随外外磁磁场场强强度度而而变变化化；顺顺磁磁体体和和抗抗磁磁体体的的磁磁导导率率不不随外磁场而变。要获得高随外磁场而变。要获得高 值的磁性材料，必须满足值的磁性材料，必须满足3 3个条件：个条件： 不不论论在在哪哪个个晶晶向向上上磁磁化化，磁磁能能的的变变化化都都不不大大（磁磁晶晶各各向向异异性小）；性小）； 磁化方向改变时产生的晶格畴变小（磁致伸缩小）；磁化方向改变时产生的晶格畴变小（磁致伸缩小）； 材质均匀，没有杂质（没有气孔、材质均匀，没有杂质（没有气孔、 异相），没有残余应力。异相），没有残余应力。（4 4）最大磁能积）最大磁能积(BH)max（5 5）损耗系数和品质因数）损耗系数和品质因数 因磁芯而产生的能量损耗与有效工作磁能之比为因磁芯而产生的能量损耗与有效工作磁能之比为tan 大部分起因于大部分起因于涡流损耗，涡流损耗，tan / 称为品质因数，是表称为品质因数，是表征铁氧体损耗大小的征铁氧体损耗大小的重要常数，特别对于具有不同重要常数，特别对于具有不同 值的材料。值的材料。2. 2. 磁性陶瓷的分类磁性陶瓷的分类（1 1）软磁铁氧体材料：）软磁铁氧体材料： 在在较较弱弱的的磁磁场场下下，容容易易被被磁磁化化和和退退磁磁的的一一类类铁铁氧氧体体，其其特点是具有很高的磁导率和很小的剩磁、矫顽力。特点是具有很高的磁导率和很小的剩磁、矫顽力。（2 2）硬磁铁氧体磁材料）硬磁铁氧体磁材料 相相对对软软磁磁铁铁氧氧体体材材料料而而言言。是是指指材材料料被被磁磁化化后后不不易易退退磁磁，而而能能长长期期保保留留磁磁性性的的一一种种铁铁氧氧体体材材料料，具具有有高高矫矫顽顽力力、高剩余磁感强度和最大磁能积的特性。高剩余磁感强度和最大磁能积的特性。（3 3）旋磁铁氧体材料）旋磁铁氧体材料 铁铁磁磁性性介介质质中中的的磁磁化化矢矢量量永永远远不不是是完完全全静静止止的的，它它不不断断绕绕着着磁磁场场方方向向运运动动。这这一一运运动动状状态态在在超超高高频频电电磁磁场场的的作作用用下下就就产产生生所所谓谓旋旋磁磁性性的的现现象象。具具体体表表现现为为，在在其其中中传传播播的的电电磁磁波波发发生生偏偏离离面面的的转转动动和和当当外外加加磁磁场场与与电电磁磁波波的的频频率率适适合合一一定关系时发生共振吸收现象。定关系时发生共振吸收现象。（4 4）矩磁铁氧体材料）矩磁铁氧体材料 指指磁磁滞滞回回线线呈呈矩矩形形、剩剩余余磁磁感感应应强强度度Br 和和工工作作时时最最大大磁磁感感应应强强度度Bm 的的比比值值尽尽可可能能接接近近1，并并且且根根据据应应用用目目的的具具有有适适当大小的矫顽力的铁氧体。当大小的矫顽力的铁氧体。（5 5）压磁铁氧体材料）压磁铁氧体材料 指指应应力力引引起起磁磁性性的的改改变变或或磁磁场场引引起起的的应应变变。具具有有磁磁致致伸缩效应的铁氧体称为压磁铁氧体。伸缩效应的铁氧体称为压磁铁氧体。3. 3. 磁性陶瓷新材料磁性陶瓷新材料（1 1）铁氧体吸波材料）铁氧体吸波材料 在在防防止止信信息息泄泄漏漏，净净化化电电磁磁环环境境技技术术中中的的关关键键隐隐身身和和防护材料叫做吸波材料。防护材料叫做吸波材料。 吸吸波波材材料料应应具具有有吸吸收收率率高高、频频带带宽宽、密密度度小小，且且性性能能稳稳定定等等特特性性。目目前前，主主要要有有金金属属吸吸波波材材料料、无无机机吸吸波波材材料料和和有机吸波材料等三大类。有机吸波材料等三大类。（2 2）磁流体材料）磁流体材料 由由基基载载液液、表表面面活活性性剂剂和和磁磁性性微微粒粒组组成成。不不仅仅具具有有强强磁性，还有液体的流动性。磁性，还有液体的流动性。其广泛用途：其广泛用途： 利用磁流体在磁场中透射光的变化，可以做成光传感器、利用磁流体在磁场中透射光的变化，可以做成光传感器、 磁强计等；磁强计等； 利用磁流体在磁场作用下不发生黏度的变化可制成惯性利用磁流体在磁场作用下不发生黏度的变化可制成惯性 阻尼器；阻尼器； 利用外加磁场对磁流体作用后所产生的力，可用于磁流利用外加磁场对磁流体作用后所产生的力，可用于磁流 体密封；体密封； 利用磁流体在梯度磁场中产生悬浮效应，可制成密度计、利用磁流体在梯度磁场中产生悬浮效应，可制成密度计、 加速度表等；加速度表等； 利用流体的热交换性可制成能量交换机、磁流体发电机等；利用流体的热交换性可制成能量交换机、磁流体发电机等； 磁流体最大的用途是用于磁密封技术中，与固体密封相比，磁流体最大的用途是用于磁密封技术中，与固体密封相比， 具有气密封性好、无噪声和发热小等优点；具有气密封性好、无噪声和发热小等优点； 磁流体可以用于扬声器中解决音频线圈的散热问题。磁流体可以用于扬声器中解决音频线圈的散热问题。六、超导陶瓷六、超导陶瓷 从从特特定定的的温温度度开开始始会会转转变变成成完完全全没没有有电电阻阻的的状状态态，这这就是超导现象。就是超导现象。1.1.超导的特性超导的特性2.2. 超导态有两个最重要的特征：超导态有两个最重要的特征：3.3. 当当T T T TC C，电电阻阻为为零零，因因而而超超导导体体内内不不会会发发热热，无无能能量量损损耗耗4.4. 当当T T T TC C，超超导导体体内内的的磁磁感感应应强强度度总总为为零零，具具有有完完全全抗抗磁磁性。性。零电阻效应和迈斯纳效应是超导态两个独立的基本性质：零电阻效应和迈斯纳效应是超导态两个独立的基本性质：实现超导需具备实现超导需具备3 3个基本条件：个基本条件： 临界温度临界温度TC ，只有当只有当TTC，电阻才为零；电阻才为零； 临临界界磁磁场场强强度度HC，既既是是在在TTC条条件件下下， 如如外外加加磁磁场场强强度度大于大于H HC C，也会突然出现电阻，使超导态破坏，转变成正常态；也会突然出现电阻，使超导态破坏，转变成正常态； 临临界界电电流流密密度度JC或或临临界界电电流流IC，当当电电流流增增大大到到某某一一值值时时，超导态就被破坏，即失超。超导态就被破坏，即失超。2. 2. 超导陶瓷材料超导陶瓷材料 目目前前已已发发现现的的高高温温超超导导材材料料很很多多，典典型型的的有有镧镧钡钡铜铜氧氧化化物物体体系系、钇钇钡钡铜铜氧氧化化物物体体系系、铋铋锶锶钙钙铜铜氧氧化化物物体体系系、铊铊钡钡钙钙铜铜氧氧化化物物体体系系和和汞汞钡钡钙钙铜铜氧氧化化物物体体系系等等。这这些些高高温温超超导导氧氧化化物物有有一一些些共共同同的的特特点点，如如正正常常相相下下都都具具有有金金属属性性质质、载载流流子是空穴等。子是空穴等。 钇钇系系高高温温超超导导材材料料容容易易形形成成单单一一的的超超导导相相，但但其其超超导导性质对氧含量特别敏感，会造成加工带材时充氧困难。性质对氧含量特别敏感，会造成加工带材时充氧困难。 铋铋系系存存在在两两个个高高温温超超导导相相，其其性性能能稳稳定定，超超导导电电性性不不会受氧含量问题的困扰。会受氧含量问题的困扰。 目目前前高高温温超超导导体体实实用用化化的的重重大大障障碍碍不不是是TC低低，而而是是高高温温超超导导体体都都是是套套磁磁，其其机机械械加加工工难难度度太太大大，不不能能像像低低温温超超导导体体那那样样用用金金属属工工艺艺成成材材，用用目目前前的的技技术术难难以以制制备备成成长长线线，没没有足够的韧性和强度，不便于使用。有足够的韧性和强度，不便于使用。七、展望七、展望 当前功能陶瓷发展的趋势可以归纳为以下几个特点：当前功能陶瓷发展的趋势可以归纳为以下几个特点：（1 1）复合化和多功能化）复合化和多功能化材材料料复复合合化化技技术术可可获获得得远远高高于于单单一一材材料料的的综综合合功功能能效效应应，提提高高产品的性能和可靠性，促使产品向薄、轻、小发展提供了基础。产品的性能和可靠性，促使产品向薄、轻、小发展提供了基础。（2 2）低维化）低维化当当材材料料的的特特征征尺尺寸寸小小到到纳纳米米级级，由由于于量量子子效效应应和和表表面面效效应应十十分分显显著著，可可能能产产生生独独特特电电、磁磁、光光、热热等等物物理理和和化化学学特特性性，功功能能陶瓷进入纳米技术领域是研究的热点之一。陶瓷进入纳米技术领域是研究的热点之一。（3 3）智能化）智能化 智智能能材材料料是是功功能能陶陶瓷瓷发发展展的的更更高高阶阶段段，人人类类希希望望材材料料能能根根据据环环境境和和使使用用条条件件的的变变化化，自自我我调调整整，具具有有生生命命形形式式特特有有的智能，是人类社会的需求和现代科学技术发展的必然结果。的智能，是人类社会的需求和现代科学技术发展的必然结果。（2 2）