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高性能无机材料在功能领域的应用

来源:不详       更新时间:2012-12-14 12:21:17
 

  高性能无机材料具有电、光、磁、半导、化学等多方面的功能特性,从而在广泛的应用领域中占有重要地位,并有广阔的开拓前景。简述如下:

  (一)电性陶瓷——可分别归纳为几大类

  1.介质材料。许多陶瓷材料具有高的介电常数,称为介质材料。按其结构与性能,可分为以下几类。

  (1)绝缘陶瓷。其典型代表有Al2O3、 AlN及BeO等。Al2O3陶瓷已广泛用作半导体集成电路的基片与高性能的封装材料。AlN具有更高的导热系数,有利于在日益增长集成度条件下热量的散失,是继Al2O3之后,下一代的基片材料。BeO同样具有高的导热系数,但由于铍的毒性,而且价格昂贵,限制了它的应用。

  (2)铁电陶瓷。这是一大类功能陶瓷,具有铁电性,以Ba- TiO3、SrTiO3等为代表,有宽广的应用性,其中电容性陶瓷的产量及销售额占有最大的比重。

  (3)压电陶瓷。铁电陶瓷经过极化处理,在大多数情况下可使其电畴转向、排列,从而具有压电性,以钛酸钡、锆钛酸铅等为其主要代表。用它们制成的器件,在水声、电声、超声、滤波、引燃、引爆等方面,有甚为广泛的应用。最近,微位移器的发展,压电陶瓷及电致伸缩陶瓷发挥了很大作用。著名的Huber望远镜在外层空间的位置的微小而精确的调整,就是用这种微位移器实现的。

  2.半导陶瓷——不少类无机物质具有半导性,被利用为在不同环境下的敏感材料,发展成为传感器。

  (1)湿敏材料、器件。

  (2)温度敏感材料与器件——典型的有被广泛使用的PTC、NTC器件。

  (3)气氛敏感材料与器件。

  (4)变阻器(Varister)——SiC、ZnO等。吸收高电压、脉冲电流,作为避雷器等。

  3.离子导体。其中以掺杂CaO或Y2O3的四方稳定ZrO2作为氧离子导体,以及β”Al2O3和NaSiCON作为钠离子导体最有代表性。前者作为在各种环境下,包括高温窑炉、烟道气、汽车尾气和钢水中测定氧的浓度等,已发展成相应的器件,获得广泛的应用。在近年来发展中的氧化物燃料电池(SOFC),氧离子导体是整个系统中构成传导氧离子的电介质部件,起到核心的作用。而钠离子导体材料则是多年来引起材料界与电化学界重视的钠-硫电池的关键材料。

  (二)磁性陶瓷

  1.软磁材料。以铁氧体为代表的软磁材料,人们经过多年的工作,开发了几代材料,为磁记录介质的应用与发展做出贡献。它的优点之一,是更适于在高频下使用。

  2.硬磁材料。另外一大类铁氧体陶瓷构成铁磁体材料,也适用于高频,同样获得广泛的应用。

  (三)光性陶瓷

  陶瓷材料做到透明,从而可利用其光性,是陶瓷材料制备科学的一大进步。其关键是要在烧结致密化过程中,排除其中几乎所有的闭口气孔。否则,由于存在着许多与可见光波长相似的气孔,射入光因强烈的散射作用,不能透过,使陶瓷材料失透。

  1.透明氧化铝。一般Al2O3陶瓷是不透明的,利用其耐高温、高硬度、耐磨损,高强度以及电绝缘等特性。但当人们掌握了在制备Al2O3陶瓷时,排除其中的全部气孔,即成为透明氧化铝。现在的水平,已可制出透过95%可见光的管子,用做高压钠蒸气灯。在灯管内,温度可达1400℃,同时钠蒸气有强烈的腐蚀作用,透明氧化铝成为理想的灯管材料,现已是一巨大的产业。

  2.透明MgO、ZnS等。是红外及特殊的窗口材料。在工业、高温实验室及国防上均有重要应用。

  3.透明掺镧的锆钛酸铅(PLZT)陶瓷,是一种有广泛应用价值的功能陶瓷。由于可制备得到透明的材料,在光阀、光调制、光存储、显示等领域获得应用,成为光信息处理技术中的重要材料和器件。

  (四)化学陶瓷

  即利用其化学及电化学性能的一类材料。

  1.气敏材料与器件,如ZnO、Fe2O3、SnO2等。已用于气氛检测器、漏气报警及自动换气风扇等。

  2.催化剂载体及催化剂——沸石、氧化铝、尖晶石以及相应的纳米材料是很好或已获得广泛应用的催化剂载体,有些经过修饰就具有很好的催化剂功能。

  3.电极材料。用于诸多的电解工业,主要是碳化物、硼化物等。

  (五)热性陶瓷

  主要利用陶瓷,特别是涂层材料在适当的高温下具有高效率的红外辐射特性。例如以 ZrO2及 TiO2为基的涂层,在食品、化工、医药等许多行业中获得应用。

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