第四部分 无机非金属功能材料

主要讲述了无机非金属功能材料及其应用

第四部分 无机非金属功能材料

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4.1 功能陶瓷概述引言★陶瓷是天然或人工合成的粉状化合物,经过成形 和高温烧结制成的,由金属和非金属元素的无机化合物 构成的多晶固体材料. ★ 新型陶瓷就是新型无机非金属材料，也叫先进

陶瓷或高技术陶瓷.★新型陶瓷可以分为功能陶瓷和结构陶瓷两大类.

本章主要论述功能陶瓷的合成与制备方法。

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★结构陶瓷是指在应用时主要利用其力学性能的材

料。★功能陶瓷以电、磁、光、声、热力等物理、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。 ★功能陶瓷主要包括铁电、压电、介电、热释电、 半导、导电、超导和磁性等陶瓷。 ★功能陶瓷是电子信息、集成电路、 自动控制、

航天航空、 激光技术、精密仪器、 汽车、能源、核技术和医学、生物学等近代高新技术领域的关键材料。

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★在能源开发、空间技术、电子技术、传感技术、 激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境 科学等方面有着广泛的应用。 ★功能陶瓷的品种繁多，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，它的分类目前还没有一个权威 统一的标准，可以按组成分类，也可以由陶瓷的功能 和用途来加以划分。

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§4.1.1 功能陶瓷的分类功能陶瓷的分类方法有很多，我们以表格的形式 介绍几种分类方法，简要介绍其组成结构、性能及其 应用方向。根据材料的功能进行的分类如图4-1所示。 (图中“利用特性”栏是按材料的特性对材料功能进 行的分类；“用途的大分类”栏是按材料的使用目的 对材料功能进行的分类：“用途的中分类”栏列出了 材料功能的具体实例。各项目之间的连接线，表示 “特性-功能-用途”之间的关系。)

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图4-1 根据材料的功能进行的分类

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图4-2是从功能角度划分的“新材料树”示意图。

图4-2 图

从功能角度划分的“新材料的树”示意

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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：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。

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4. 光学材料：发光性、光变换性、感光性、分光性、光敏感性等。 5. 电气材料：磁性、介电性、压电性、绝缘性、

导电性、存储性、半导性、热电性等。6. 生物医学材料：生物化学反应性、脏器代用 功能性、感觉功能脏器辅助功能性、生物形

态性等。

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改善陶瓷材料的功能性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、离子臵换、添加不同类型杂质,使不同相在微观级复合，形成不同性质的晶界层等。 (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，下面表4-1给出的就是功能材料形态等变化对其性能的影响实例。

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表4-1 利用功能材料形态及其变化提高性能材 料变 得到的 机能 化 的 形 态

薄膜化选择吸收膜 太阳电池 透明电极 敏感元件 磁泡

微粒化(包括粉末)

纤维化光学纤维

气孔化

复合化表面析出

无孔化透光体；激光基质 (晶核) 热电子放射材料

其他

光学 电磁

玻璃球 磁性粉末

敏感元件 绝热材料 热导管绝热材料 蜂窝发热体

变阻器 绝热材料 陶瓷材料隔音、吸音材料

单晶或非晶磁泡压 电体，铁氧体

电容器

无 机 非 金 属 功 能 材 料

热学

音响分离 吸收

超音波元件

吸音材料过滤材料高强度材料润 滑材料 增强材料

吸音材料过滤材料

超音波元件

过滤材料表面硬化材 料、PVDF

力学输送 载体

超耐热硬质 复合材料 耐磨耗材料

耐磨耗材料

粘接材料 润滑材料

储热材料 触媒触媒;离子; 交换材料;电 解膜 人工骨 人工齿 酶的固定

化学

瓷釉

固体电容

生物

人工骨

粘接材料

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功能性与结构的关系可以看出，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。

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§4.1.2 功能陶瓷的制备工艺多晶体的陶瓷一般是通过高温烧结法而制成的， 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，一般工艺可按图4-3的流程图进

行，这也是一般功能陶瓷的制造工艺。

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图4-3 功能陶瓷的制造工艺

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制备功能陶瓷的技术要素在功能陶瓷的制备过程中还应具备的技术要素有： (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。

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一. 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(<1μm),通过传统的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 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、均匀化。 功能陶瓷超微细粉的常用制备方法见表4-2。

元件提出了高精度、多功能、高可靠性、小型化的要求。