特種陶瓷分類(lèi)和用途

特種陶瓷又稱(chēng)精細陶瓷，按其應用功能分類(lèi)，大體可分為高強度、耐高溫和復合結構陶瓷及電工電子功能陶瓷兩大類(lèi)。在陶瓷坯料中加入特別配方的無(wú)機材料，經(jīng)過(guò)1360度左右高溫燒結成型，從而獲得穩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用到各行各業(yè)，下面我們來(lái)細分下特種陶瓷分類(lèi)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(guò)程中往往發(fā)生晶體迅速成長(cháng)，甚至出現二次重結晶等問(wèn)題，結果導致產(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(chēng)為納米陶瓷.另一方面近來(lái)許多報道表明，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(zhù)的超塑性和高強度。 

（2）陶瓷分離膜： 

它是一種固態(tài)膜，主要有兩部份構成，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等為主體構成。一般分離膜孔徑為：2~50nm，有時(shí)達微米級，其品種，規格日趨多樣化。分離膜通常具有化學(xué)穩定性好，能耐酸，耐堿，耐有機溶劑，機械強度高，耐磨性好，可反向沖洗；抗微生物能力強；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)域獲得廣泛應用，市場(chǎng)前景頗好，社會(huì )經(jīng)濟效益顯著(zhù)。當前陶瓷膜分離技術(shù)發(fā)展迅速，正向著(zhù)介孔膜及氣氣分離膜方向發(fā)展。 

（3）仿生復相陶瓷： 

為克服陶瓷材料的脆性，提高其韌性，國內外許多科學(xué)家們從對天然生物材料如竹，貝殼等的結構特征所進(jìn)行的判析中得到啟示，從而進(jìn)一步對結構陶瓷的材料設計，制備工藝等多方面進(jìn)行了研究。果然，獲得了某些仿生復相陶瓷。主要技術(shù)措施有纖維、晶須補強，顆粒彌散，自補強（原位生長(cháng)），多相補強以及表面改性等。例如，YTZP陶瓷材料，室溫強度已達2000mpa以上，KIC已超過(guò)15，達到了可與某些金屬材料比較的強度。又如，SiC陶瓷通N2形成Si3N4表面層，使強度和斷裂韌性均有明顯提高?？傊畯拖嗵胤N陶瓷材料所具有的高強度，高耐磨性等特點(diǎn)，在高科技領(lǐng)域中的應用已取得顯著(zhù)效果，已成為結構陶瓷研究熱點(diǎn)之一。 

（4）基板材料 

目前國內外主要采用Al2O3陶瓷作為集成電路基板材料，然而隨著(zhù)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，迫切希望采用高導熱系數陶瓷基板，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A(yíng)lN導熱系數高達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，擊穿強度，介電損耗等電氣性能可與Al2O3瓷媲美，且介電常數較低，機械強度也較高，熱膨脹系數為4.4ppm/℃，接近于Si可進(jìn)行多層布線(xiàn)?？梢哉J為是最佳候選材料之一。目前日本德山曹達、東芝及美國一些公司已開(kāi)始相當規模的應用，AlN陶瓷年總產(chǎn)量已逾千噸。國內目前AlN基板尚處于起步階段，主要基本指標導熱率大都在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(wèn)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(xiāo)路，但國內市場(chǎng)，價(jià)格競爭激烈。另一方面，高性能、超小型、大功率、高穩定性新型片式、無(wú)感電阻國內外市場(chǎng)廣闊，具有良好的社會(huì )經(jīng)濟效益，由于技術(shù)和裝備方面的問(wèn)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(lái)主要發(fā)展趨勢是尋求大容量、小尺寸、高可靠、低價(jià)格的陶瓷電容器。與傳統BaTiO3基介質(zhì)材料相比，為提高介電常數和改善性能，出現了復合鈣鈦礦型材料。值得指出的是利用半導體p-n結的原理發(fā)展起來(lái)的晶界層電容器（GBLC）的出現，其視在介電常數較常規瓷介電容器的介電常數提高數倍至數十倍。以SrTiO3為基的晶界層電容器具有高介電常數，低介電損耗，低溫度系數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，國內少數廠(chǎng)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?？梢韵嘈?，晶界層多層電容器（GBMLC）瓷料的出現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)現機械能與電能相互轉換重要的功能材料，廣泛應用于音響設備、傳感器、報警器、超聲清洗、醫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60~70%左右，由于生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵及燒結過(guò)程中的鉛揮發(fā)，這不僅給工藝和產(chǎn)品質(zhì)量穩定帶來(lái)諸多問(wèn)題，而且給生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)的健康帶來(lái)危害，研究新型無(wú)鉛壓電陶瓷以減少對環(huán)境的污染己成為一項十分緊迫的任務(wù)。 

1961年前蘇聯(lián)學(xué)者Smolensky等人發(fā)現鈦酸鉍鈉（Bi1/2Na1/2）TiO3，簡(jiǎn)稱(chēng)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)際應用，直到80年代末，90年代初日本學(xué)者Takenaka等人用Ba++ 對Bi1/2Na1/2 進(jìn)行A位置換，出現了BNT－BaTiO3系，即BNBT系壓電陶瓷，解決了BNT難以極化問(wèn)題；獲得頻率常數高，介電常數較小，具有很大各向異性的新體系?？赏诔曨I(lǐng)域中獲得應用，近年來(lái)國內外一些學(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(wú)鉛高性能壓電陶瓷新系統取代傳統的PZT系統決非易事，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(lái)，隨著(zhù)現代通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是移動(dòng)通訊向著(zhù)高可靠，小尺寸方向發(fā)展，對材料的要求越來(lái)越高。為滿(mǎn)足不同用途的要求，微波陶瓷介質(zhì)材料種類(lèi)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。無(wú)論哪種系統，一般都希望微波陶瓷材料具有適宜的介電常數ε，盡可能高的品質(zhì)因素Q0，盡可能低的頻率溫度系數τf，最好~0ppm/℃。我國目前通常按介電常數分為：低介ε≤20；中介ε~40；高介ε~100三大類(lèi)。必須指出，高性能微波陶瓷的技術(shù)含量高，研制難度大，尤其是精確測定微波頻率下的Q0。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，使用頻率越來(lái)越高，從幾百兆正向著(zhù)數十兆方向發(fā)展，近期可望達~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。當前為滿(mǎn)足移動(dòng)電話(huà)、汽車(chē)雷達、衛星通訊、全球定位系統、射頻控制、基地站等民用及軍工技術(shù)對微波陶瓷元器件日益增長(cháng)的需要，在微波陶瓷材料取得進(jìn)展的基礎上，進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)高性能同軸諧振器、柱狀、環(huán)狀諧振器、補丁天線(xiàn)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溫度系數（NTC），正溫度系數（PTC）及具有臨界溫度的負溫度系數（CTR）三大類(lèi)材料。前兩類(lèi)熱敏電阻應用最廣，相對來(lái)說(shuō)NTC熱敏電阻已有相當大的生產(chǎn)規模，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為高性能、穩定性、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290℃，可望在溫度傳感，加熱及控制等方面獲得應用。

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