特種陶瓷又稱精細(xì)陶瓷,按其應(yīng)用功能分類,大體可分為高強(qiáng)度、耐高溫和復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷及電工電子功能陶瓷兩大類。在陶瓷坯料中加入特別配方的無機(jī)材料,經(jīng)過1360度左右高溫?zé)Y(jié)成型,從而獲得穩(wěn)定可靠的防靜電性能,成為一種新型特種陶瓷,通常具有一種或多種功能,如:電、磁、光、熱、聲、化學(xué)、生物等功能;以及耦合功能,如壓電、熱電、電光、聲光、磁光等功能。目前特種陶瓷已廣泛應(yīng)用到各行各業(yè),下面我們來細(xì)分下特種陶瓷分類和主要用途:
(1)納米陶瓷:
它是指晶粒尺寸,晶界寬度,第二相分布,缺陷尺寸均在100nm以下,并具有納米材料固有特征的陶瓷材料。必須指出,即使采用納米粉料,坯體在燒成過程中往往發(fā)生晶體迅速成長,甚至出現(xiàn)二次重結(jié)晶等問題,結(jié)果導(dǎo)致產(chǎn)品已不是納米陶瓷,而是微米陶瓷,因而失去了納米材料的固有特性,也就不能稱為納米陶瓷.另一方面近來許多報(bào)道表明,一旦獲得納米陶瓷,將可望克服陶瓷材料的脆性,而且有顯著的超塑性和高強(qiáng)度。
(2)陶瓷分離膜:
它是一種固態(tài)膜,主要有兩部份構(gòu)成,即膜支撐體及多孔膜。支撐體廣泛采用含鋁量高的氧化鋁陶瓷。多孔膜主要由AL2O3,ZrO2,TiO2和SiO2等為主體構(gòu)成。一般分離膜孔徑為:2~50nm,有時(shí)達(dá)微米級(jí),其品種,規(guī)格日趨多樣化。分離膜通常具有化學(xué)穩(wěn)定性好,能耐酸,耐堿,耐有機(jī)溶劑,機(jī)械強(qiáng)度高,耐磨性好,可反向沖洗;抗微生物能力強(qiáng);耐高溫;孔徑分布范圍窄,分離效率高等特點(diǎn)。目前許多產(chǎn)品已在廢水處理、果汁生產(chǎn)、固液分離等方面獲得應(yīng)用,可望在環(huán)境工程,石油化工,生物工程,冶金工業(yè)及納米粉料制備等眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用,市場(chǎng)前景頗好,社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。當(dāng)前陶瓷膜分離技術(shù)發(fā)展迅速,正向著介孔膜及氣氣分離膜方向發(fā)展。
(3)仿生復(fù)相陶瓷:
為克服陶瓷材料的脆性,提高其韌性,國內(nèi)外許多科學(xué)家們從對(duì)天然生物材料如竹,貝殼等的結(jié)構(gòu)特征所進(jìn)行的判析中得到啟示,從而進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)陶瓷的材料設(shè)計(jì),制備工藝等多方面進(jìn)行了研究。果然,獲得了某些仿生復(fù)相陶瓷。主要技術(shù)措施有纖維、晶須補(bǔ)強(qiáng),顆粒彌散,自補(bǔ)強(qiáng)(原位生長),多相補(bǔ)強(qiáng)以及表面改性等。例如,YTZP陶瓷材料,室溫強(qiáng)度已達(dá)2000mpa以上,KIC已超過15,達(dá)到了可與某些金屬材料比較的強(qiáng)度。又如,SiC陶瓷通N2形成Si3N4表面層,使強(qiáng)度和斷裂韌性均有明顯提高。總之復(fù)相特種陶瓷材料所具有的高強(qiáng)度,高耐磨性等特點(diǎn),在高科技領(lǐng)域中的應(yīng)用已取得顯著效果,已成為結(jié)構(gòu)陶瓷研究熱點(diǎn)之一。
(4)基板材料
目前國內(nèi)外主要采用Al2O3陶瓷作為集成電路基板材料,然而隨著電子元器件向高性能、高密度、大功率、小型化、低成本方向發(fā)展,迫切希望采用高導(dǎo)熱系數(shù)陶瓷基板,理論上最適宜的候選材料有金剛石(C)、立方氮化硼(BN)、氧化鈹(BeO)、碳化硅(SiC)和氮化鋁(AlN)等。由于AlN導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)250W·m-1·K-1,雖比SiC及BeO略低,但比Al2O3略高8~10倍,其體積電阻率,擊穿強(qiáng)度,介電損耗等電氣性能可與Al2O3瓷媲美,且介電常數(shù)較低,機(jī)械強(qiáng)度也較高,熱膨脹系數(shù)為4.4ppm/℃,接近于Si可進(jìn)行多層布線。可以認(rèn)為是最佳候選材料之一。目前日本德山曹達(dá)、東芝及美國一些公司已開始相當(dāng)規(guī)模的應(yīng)用,AlN陶瓷年總產(chǎn)量已逾千噸。國內(nèi)目前AlN基板尚處于起步階段,主要基本指標(biāo)導(dǎo)熱率大都在130~180 W·m-1·K-1。一些研究單位科技攻關(guān)產(chǎn)品性能已接近國際水平,但高性能、批量化、產(chǎn)品一致性和低成本化等方面的問題尚有待進(jìn)一步解決。
(5)電阻基體材料
電阻是電路的基本元件,應(yīng)用面廣,需求量大。一般碳膜、金屬膜電阻技術(shù)含量較低,產(chǎn)品價(jià)值不高,單件產(chǎn)品為微利,由于原材料、勞動(dòng)力、能源等因素,目前國際市場(chǎng)有一定銷路,但國內(nèi)市場(chǎng),價(jià)格競(jìng)爭激烈。另一方面,高性能、超小型、大功率、高穩(wěn)定性新型片式、無感電阻國內(nèi)外市場(chǎng)廣闊,具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,由于技術(shù)和裝備方面的問題,目前我國尚處于起步階段。
(6)電容器陶瓷介質(zhì)材料
近年來主要發(fā)展趨勢(shì)是尋求大容量、小尺寸、高可靠、低價(jià)格的陶瓷電容器。與傳統(tǒng)BaTiO3基介質(zhì)材料相比,為提高介電常數(shù)和改善性能,出現(xiàn)了復(fù)合鈣鈦礦型材料。值得指出的是利用半導(dǎo)體p-n結(jié)的原理發(fā)展起來的晶界層電容器(GBLC)的出現(xiàn),其視在介電常數(shù)較常規(guī)瓷介電容器的介電常數(shù)提高數(shù)倍至數(shù)十倍。以SrTiO3為基的晶界層電容器具有高介電常數(shù),低介電損耗,低溫度系數(shù)以及色散頻率較高等優(yōu)點(diǎn),是最有發(fā)展前途的瓷料之一。目前,國內(nèi)少數(shù)廠家已進(jìn)入批量生產(chǎn),然而在高性能、高合格率方面尚存在一定差距。可以相信,晶界層多層電容器(GBMLC)瓷料的出現(xiàn)將使電容器向小型化方向發(fā)展取得重大突破。
(7)壓電陶瓷材料
壓電陶瓷是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換重要的功能材料,廣泛應(yīng)用于音響設(shè)備、傳感器、報(bào)警器、超聲清洗、醫(yī)療診斷及通訊等許多領(lǐng)域。一般壓電陶瓷材料為鋯鈦酸鉛(PZT)系,有的瓷料中氧化鉛含量高達(dá)60~70%左右,由于生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵及燒結(jié)過程中的鉛揮發(fā),這不僅給工藝和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定帶來諸多問題,而且給生態(tài)環(huán)境和人類的健康帶來危害,研究新型無鉛壓電陶瓷以減少對(duì)環(huán)境的污染己成為一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)。
1961年前蘇聯(lián)學(xué)者Smolensky等人發(fā)現(xiàn)鈦酸鉍鈉(Bi1/2Na1/2)TiO3,簡稱BNT為鈣鈦礦型(ABO3)鐵電體。其居里點(diǎn)為320℃。極化困難限制其實(shí)際應(yīng)用,直到80年代末,90年代初日本學(xué)者Takenaka等人用Ba++ 對(duì)Bi1/2Na1/2 進(jìn)行A位置換,出現(xiàn)了BNT-BaTiO3系,即BNBT系壓電陶瓷,解決了BNT難以極化問題;獲得頻率常數(shù)高,介電常數(shù)較小,具有很大各向異性的新體系。可望在超聲領(lǐng)域中獲得應(yīng)用,近年來國內(nèi)外一些學(xué)者大都以BNBT系為基進(jìn)行改性研究,并已取得某些進(jìn)展,然而尋求無鉛高性能壓電陶瓷新系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的PZT系統(tǒng)決非易事,還有許多工作要做。
(8)微波陶瓷介質(zhì)材料
自從1971年Masse等人首次提出采用四鈦酸鋇(BaTi4O9)作為微波陶瓷介質(zhì)材料以來,隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的不斷發(fā)展,尤其是移動(dòng)通訊向著高可靠,小尺寸方向發(fā)展,對(duì)材料的要求越來越高。為滿足不同用途的要求,微波陶瓷介質(zhì)材料種類有很多。主要有:TiO2;2MgO·SiO2;Al2O3;MgTiO3;BaTi4O9;BaTi9O20;(Zr,Sn)TiO4;Ba(Zr,Ti)O3;MgTaO3;BaO-ZnO-Nb2O5-Ta2O5;(Ca,Sr,Ba)O-ZrO2;BaO-TiO2-SnO2-Ln2O3等系統(tǒng)。無論哪種系統(tǒng),一般都希望微波陶瓷材料具有適宜的介電常數(shù)ε,盡可能高的品質(zhì)因素Q0,盡可能低的頻率溫度系數(shù)τf,最好~0ppm/℃。我國目前通常按介電常數(shù)分為:低介ε≤20;中介ε~40;高介ε~100三大類。必須指出,高性能微波陶瓷的技術(shù)含量高,研制難度大,尤其是精確測(cè)定微波頻率下的Q0。隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步,使用頻率越來越高,從幾百兆正向著數(shù)十兆方向發(fā)展,近期可望達(dá)~40G。國際上美國已完成ε從2~250系列化研究工作,日、俄、德、法等少數(shù)國家已掌握高性能微波陶瓷的生產(chǎn)技術(shù),由于技術(shù)壟斷和保密等原因,微波陶瓷元器件的售價(jià)昂貴。當(dāng)前為滿足移動(dòng)電話、汽車?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通訊、全球定位系統(tǒng)、射頻控制、基地站等民用及軍工技術(shù)對(duì)微波陶瓷元器件日益增長的需要,在微波陶瓷材料取得進(jìn)展的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究開發(fā)高性能同軸諧振器、柱狀、環(huán)狀諧振器、補(bǔ)丁天線等微波陶瓷元器件已提到重要議事日程。
(9)熱敏陶瓷材料
熱敏陶瓷材料主要包括負(fù)溫度系數(shù)(NTC),正溫度系數(shù)(PTC)及具有臨界溫度的負(fù)溫度系數(shù)(CTR)三大類材料。前兩類熱敏電阻應(yīng)用最廣,相對(duì)來說NTC熱敏電阻已有相當(dāng)大的生產(chǎn)規(guī)模,技術(shù)也較完善,PTC熱敏陶瓷用途極為廣泛,產(chǎn)品品種繁多,性能方面與國際水平的主要差距表現(xiàn)為高性能、穩(wěn)定性、一致性等諸方面.這些差距正在縮小,為克服高溫PTC材料含鉛污染環(huán)境的缺點(diǎn),NiO-ZnO-TiO2系新材料已經(jīng)聞世,加熱溫度已達(dá)290℃,可望在溫度傳感,加熱及控制等方面獲得應(yīng)用。
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本文“特種陶瓷分類和用途”由科眾陶瓷編輯整理,修訂時(shí)間:2022-12-16 16:44:10
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