特種陶瓷分類和用途

特種陶瓷又稱精細陶瓷，按其應用功能分類，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。在陶瓷坯料中加入特別配方的無機材料，經過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、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，下面我們來細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生晶體迅速成長，甚至出現二次重結晶等問題，結果導致產品已不是納米陶瓷，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度。 

（2）陶瓷分離膜： 

它是一種固態膜，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，有時達微米級，其品種，規格日趨多樣化。分離膜通常具有化學穩定性好，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。目前許多產品已在廢水處理、果汁生產、固液分離等方面獲得應用，可望在環境工程，石油化工，生物工程，冶金工業及納米粉料制備等眾多領域獲得廣泛應用，市場前景頗好，社會經濟效益顯著。當前陶瓷膜分離技術發展迅速，正向著介孔膜及氣氣分離膜方向發展。 

（3）仿生復相陶瓷： 

為克服陶瓷材料的脆性，提高其韌性，國內外許多科學家們從對天然生物材料如竹，貝殼等的結構特征所進行的判析中得到啟示，從而進一步對結構陶瓷的材料設計，制備工藝等多方面進行了研究。果然，獲得了某些仿生復相陶瓷。主要技術措施有纖維、晶須補強，顆粒彌散，自補強（原位生長），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。總之復相特種陶瓷材料所具有的高強度，高耐磨性等特點，在高科技領域中的應用已取得顯著效果，已成為結構陶瓷研究熱點之一。 

（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，然而隨著電子元器件向高性能、高密度、大功率、小型化、低成本方向發展，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AlN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可進行多層布線。可以認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始相當規模的應用，AlN陶瓷年總產量已逾千噸。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產品性能已接近國際水平，但高性能、批量化、產品一致性和低成本化等方面的問題尚有待進一步解決。 

（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、金屬膜電阻技術含量較低，產品價值不高，單件產品為微利，由于原材料、勞動力、能源等因素，目前國際市場有一定銷路，但國內市場，價格競爭激烈。另一方面，高性能、超小型、大功率、高穩定性新型片式、無感電阻國內外市場廣闊，具有良好的社會經濟效益，由于技術和裝備方面的問題，目前我國尚處于起步階段。 

（6）電容器陶瓷介質材料 

近年來主要發展趨勢是尋求大容量、小尺寸、高可靠、低價格的陶瓷電容器。與傳統BaTiO3基介質材料相比，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結的原理發展起來的晶界層電容器（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點，是最有發展前途的瓷料之一。目前，國內少數廠家已進入批量生產，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）瓷料的出現將使電容器向小型化方向發展取得重大突破。 

（7）壓電陶瓷材料 

壓電陶瓷是實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，由于生產過程中產生的粉塵及燒結過程中的鉛揮發，這不僅給工藝和產品質量穩定帶來諸多問題，而且給生態環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環境的污染己成為一項十分緊迫的任務。 

1961年前蘇聯學者Smolensky等人發現鈦酸鉍鈉（Bi1/2Na1/2）TiO3，簡稱BNT為鈣鈦礦型（ABO3）鐵電體。其居里點為320℃。極化困難限制其實際應用，直到80年代末，90年代初日本學者Takenaka等人用Ba++ 對Bi1/2Na1/2 進行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。可望在超聲領域中獲得應用，近年來國內外一些學者大都以BNBT系為基進行改性研究，并已取得某些進展，然而尋求無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）作為微波陶瓷介質材料以來，隨著現代通訊技術的不斷發展，尤其是移動通訊向著高可靠，小尺寸方向發展，對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。無論哪種系統，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。必須指出，高性能微波陶瓷的技術含量高，研制難度大，尤其是精確測定微波頻率下的Q0。隨著科學技術不斷進步，使用頻率越來越高，從幾百兆正向著數十兆方向發展，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技術，由于技術壟斷和保密等原因，微波陶瓷元器件的售價昂貴。當前為滿足移動電話、汽車雷達、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對微波陶瓷元器件日益增長的需要，在微波陶瓷材料取得進展的基礎上，進一步研究開發高性能同軸諧振器、柱狀、環狀諧振器、補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）三大類材料。前兩類熱敏電阻應用最廣，相對來說NTC熱敏電阻已有相當大的生產規模，技術也較完善，PTC熱敏陶瓷用途極為廣泛，產品品種繁多，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材料含鉛污染環境的缺點，NiO-ZnO-TiO2系新材料已經聞世，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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