1、第八章第八章 功能陶瓷功能陶瓷 第1页，共40页。功能陶瓷是指利用电、磁、声、光、热、力学直接效应及其耦合效应所提供的一种或多种性质来实现某种应用功能的陶瓷。广泛应用于电子技术、能源开发、传感技术和生物技术等各个领域。功能陶瓷通常根据其本征的功能及其主要用途进行分类：机械材料；热学材料；电学材料；光学材料；化学材料；生物材料。8.1 功能陶瓷及其分类第2页，共40页。陶瓷功能材料的改进方法w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、离子置换、加入不同类型杂质，使不同相在微观级复合，形成不同性质的晶界层等。w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
2、料的目的。第3页，共40页。1）生物陶瓷概念：具有特殊生理行为的陶瓷材料，可以作为生物体部分功能或形态修复材料。性能要求：1.无毒性，生物兼容性2.物理、化学稳定性3.生物亲和性4.易消毒5.抗血栓性第4页，共40页。生物陶瓷分类w生物惰性陶瓷2.生物活性陶瓷3.生物复合材料第5页，共40页。生物惰性材料 特点：结构稳定，化学键合力强，具有高机械强度、耐磨性及化学稳定性。主要材料包括：氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等 主要用途：外科手术中的生物假体，如人工关节等第6页，共40页。生物活性陶瓷 表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷（生物降解陶瓷）表面生物活性陶瓷特点：通常含有羟基，可做成多孔性，生物组织可长
3、入并同其表面发生牢固的键合 生物吸收性陶瓷特点：能部分吸收或者全部吸收，在生物体内能诱发新生组织的生长。第7页，共40页。生物活性陶瓷主要物质w生物活性玻璃w羟基磷灰石陶瓷w磷酸三钙第8页，共40页。8.2 敏感陶瓷 定义：当作用于材料元件上的某一外界条件如温度、压力、湿度、气氛、电场、磁场、光及射线等改变时，能引起该材料某种物理性能的变化，从而能从这些元件上准确迅速地获得某种有用的信号。分类：热敏、压敏、湿敏、气敏、声波敏感陶瓷、磁敏和多敏性陶瓷第9页，共40页。热敏陶瓷 热敏陶瓷是一类其电阻率随温度发生明显变化的材料。分类：PTC、NTC、CTR第10页，共40页。1.PTC热敏电阻陶瓷w
4、1）居里温度Tcw2）PTC热敏陶瓷材料w3）PTC热敏陶瓷的应用第11页，共40页。居里温度Tc 在小于Tc温度区域，电阻随温度升高而下降，服从eE/2KT规律 在Tc附近时，发生相变，随温度升高，电阻急剧升高，称为PTC温度区域 在大于Tc的温度区域，有呈负温度特征，服从 eE/2KT规律 05010015020010-1100101102103104105mt/CTRPTCNTC第12页，共40页。PTC热敏陶瓷种类两个系列：BaTiO3基PTC特点：具有优良PTC效应，Tc温度区域电阻率跃变达103107V2O3基PTC材料 特点：在常温下电阻率很小，其PTC属于金属绝缘体型相变，没有
5、电压效应和频率效应，可用于大电流领域的过流保护第13页，共40页。性能 BaTiO3系热敏电阻 V2O3系热敏电阻 室温电阻率 20/cm 310000(13)*10-3 无负载电阻增加比 103107 5400 最大负载电阻增加比 约 150 530 转变温度/30320 20150 温度系数/(%/)20 约 4 最大额定电流密度/(A/mm2)0.01 约 1 最大电流密度/(A/mm2)约 400 电压/频率相关 有/有 无/无 第14页，共40页。PTC热敏陶瓷的应用实用价值特性：电阻率温度、电流电压、电流时间、等温发热电阻、收缩振荡、发热。第15页，共40页。应用方面：应用方面：w
6、对温度敏感，如马达的过热保护、液面深度对温度敏感，如马达的过热保护、液面深度探测、温度控制和报警、非破坏性保险丝、探测、温度控制和报警、非破坏性保险丝、晶体管过热保护、温度电流控制器等；晶体管过热保护、温度电流控制器等；w延迟，如彩色电视机自动消磁、马达启动器、延迟，如彩色电视机自动消磁、马达启动器、延迟开关等；延迟开关等；w加热器，如等温发热件、空调加热器等。加热器，如等温发热件、空调加热器等。第16页，共40页。NTC热敏电阻陶瓷 定义：指随温度升高而其电阻率按指数关系减 小的一类陶瓷材料。负温度系数的温度电阻特性：0011exp()RRBTT式中，R，R0分别为在T和T0（K）时的电阻；
7、B为热敏电阻常数。由此可得到电阻温度系数：21tdRBR dTT 第17页，共40页。热敏电阻常数B可以表征和比较陶瓷材料的温度特性，B值越大，热敏电阻的电阻对于温度的变化率越大。一般常用的热敏电阻陶瓷的B20006000K，高温型热敏电阻陶瓷的B值约为1000015000K。NTC热敏电阻的温度系数T在工作温度范围内并不是常数，是随温度的升高而迅速减小。B值越大，则在同样温度下的T也越大，即制成的传感器的灵敏性越高。因此温度系数只表示NTC热敏电阻陶瓷在某个特定温度下的热敏性第18页，共40页。热敏电阻材料的要求：1.高温物理、化学、电气特性稳定，尤其电阻对高温直流负荷随时间变化小；2.在使
8、用湿度范围内无相变；3.B值可根据需要进行调整；4.陶瓷烧结体与电极的膨胀系数接近。第19页，共40页。NTC热敏电阻陶瓷三大类：w低温型；w中温型；1.高温型。第20页，共40页。CTR热敏电阻陶瓷 定义：是一种具有开关特性的负温度系数的热敏电阻。当达到临界温度时，引起半导体陶瓷金属相变。CRT热敏电阻主要是以VO2为基本成分的半导体陶瓷，在68附近具有很大的负温度系数，故称为剧变温度热敏电阻。应用方面：CRT热敏电阻陶瓷的应用主要是利用其在特定温度附近电阻剧变的特性，用于电路的过热保护和火灾报警等方面。第21页，共40页。CRT热敏电阻陶瓷的制备CRT热敏电阻陶瓷主要是指以VO2为基本成分
9、的半导体陶瓷，其制备方法是将V2O5和V或V2O3粉末混合，放入石英管中，抽真空后加热至熔点以上。另一方法是将上述粉末的混合物在可控制氧分压的气氛中烧结。VO2热敏陶瓷的热敏原理：金红石结构 单斜结构 （导体）（半导体）67 第22页，共40页。压敏陶瓷压敏陶瓷 定义：是指具有非线性伏安特性、对电压变化敏感的半导体陶瓷。特点：它在某一临界电压以下电阻值非常高，几乎没有电流，但当超过这一临界电压时，电阻将急剧变化，并且有电流通过。随着电压的少许增加，电流会很快增大。其IV特性曲线如下图氧化锌压敏陶瓷的伏安特性第23页，共40页。伏安特性及非线性指数 压敏电阻又称为非线性电阻，一般其I-V特性可以
10、用下列共事近似表示VIC（）式中：I压敏电阻电流，A；V施加电压，V；C，常数，其中 为非线性指数。当1时是欧姆器件；当 时是非线性最强的变阻器/dIdVIV 第24页，共40页。压敏陶瓷电阻器种类：ZnO压敏电阻SiC压敏电阻BaSiO3压敏电阻釉ZnO压敏电阻Si和Se压敏电阻第25页，共40页。（1）ZnO压敏电阻陶瓷 ZnO压敏电阻陶瓷是压敏陶瓷中性能最优的一种材料，具有高非线性，大电流和高能量承受能力。利用ZnO的弱电场高电阻和达到一定电场时电流急剧上升的特性，广泛应用于弱电和强电领域第26页，共40页。（2）SiC 系压敏电阻陶瓷 SiC也是一种压敏陶瓷材料。是应用SiC颗粒接触的
11、电压非线性特性的压敏电阻，其非线性指数值约为37，压敏电阻Vc值可达10V以上。SiC压敏电阻的电压非线性，可以认为是由组成电阻元件的SiC颗粒本身的表面氧化膜产生的接触电阻所引起的，元件的厚度不同可改变Vc的大小。由于SiC压敏电阻的热稳定性好，能耐较高电压，因此首先应用于电话交换机继电器接点的消弧，在电子电路的稳压和异电压控制元件也得到广泛应用。第27页，共40页。气敏陶瓷定义：能对气体的成分进行有效的分析、检测定义：能对气体的成分进行有效的分析、检测的陶瓷的陶瓷分类：分类：1.半导体式，又可分为表面效应和体效应半导体式，又可分为表面效应和体效应2.固体电解质式固体电解质式第28页，共40
12、页。（1）气敏陶瓷的性能 1.物理吸附和化学吸附 2.阴离子吸附和阳离子吸附第29页，共40页。w物理和化学的稳定性w气体选择性w初始稳定，气敏响应和复原特性w灵敏度及长期稳定性气敏半导体陶瓷的特性要求第30页，共40页。（2）典型的气敏陶瓷 1）SnO2系气敏陶瓷。特点：a.灵敏度高，出现最高灵敏度的温度较低，约在300 b.元件阻值变化与气体浓度成指数关系，在低浓度范围，这种变化十分明显，因此适用于检测微量低浓度气体 c.对气体的检测是可逆的，而且吸附、解吸时间短 d.气体检测不需复杂设备，待测气体可通过气敏元件电阻值的变化直接转化为信号，且阻值变化大，可用简单电路实现自动测量。e.物理化
13、学稳定性好，耐腐蚀，寿命长 f.结构简单，成本低，可靠性高，耐震动和抗冲击性能好第31页，共40页。（2）ZnO系气敏陶瓷 特点：气体选择性强。利用贵金属催化剂提高其灵敏度，其工作温度较高。第32页，共40页。（3）Fe2O3系气敏陶瓷 特点：不需要添加贵金属催化剂就可制成灵敏度高、稳定性好、具有一定选择性，在高温下稳定性好的元件。第33页，共40页。湿敏陶瓷湿敏陶瓷 湿敏陶瓷能将湿度信号转变为电信号，湿敏器件广泛被用于湿度指示、记录、预报、控制和自动化。种类：1.金属氧化物系1.2.半导体陶瓷第34页，共40页。湿敏陶瓷工作方式：w正特性湿敏陶瓷1.负特性湿敏陶瓷02040608010010
14、1102103104105106 电阻 R/相 对湿度 RH32102040608010080100120140160180200 电阻 R/相 对湿度 RH第35页，共40页。（1）湿敏陶瓷的技术参数及湿敏特性 a.湿度量程 b.灵敏度 c.响应时间 d.分辨率 e.温度系数第36页，共40页。（2）典型的湿敏半导体陶瓷 1.高温烧结型湿敏陶瓷 a.MgCr2O4-TiO2系陶瓷 b.羟基磷灰石湿敏陶瓷 第37页，共40页。2.低温烧结型湿敏陶瓷 a.Si-Na2O-V2O5系湿敏陶瓷 b.ZnO-Li2O-V2O5系湿敏陶瓷 c.ZnO-Cr2O3系陶瓷 d.ZnO-Cr2O3-Fe2O3
15、系半导体陶瓷第38页，共40页。（3）湿敏半导体陶瓷的应用）湿敏半导体陶瓷的应用 应用要求：应用要求：1.稳定性、一致性、互换性要好。稳定性、一致性、互换性要好。2.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 3.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 4.湿度系数小，尽量不用温度补偿线路湿度系数小，尽量不用温度补偿线路 5.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 6.多功能化多功能化第39页，共40页。其他敏感陶瓷简介磁敏陶瓷指将磁性物理量转变为电信号的 陶瓷材料光敏陶瓷收到光照射后，产生不同光电效应，具有光电导，光生伏特和光电发射效应离子敏陶瓷指能将溶液或生物体内离子活度转变为电信号的陶瓷多功能复合敏感陶瓷具有多种敏感特性第40页，共40页。
