《精细功能陶瓷》PPT课件.ppt

第十三章精细功能陶瓷材料,一、陶瓷材料与功能陶瓷 1、陶瓷材料的发展概况 2、功能陶瓷的定义、范围和分类 3、功能陶瓷的性能与工艺特征 4、功能陶瓷的应用和展望 5、制备陶瓷材料的原料,1、陶瓷材料的发展概况陶瓷在人类生活和社会建设中是不可缺少的材料，它和金属材料、高分子材料并列为当代三大固体材料。我国的陶瓷研究历史悠久、成就辉煌，它是中华文明的伟大象征之一，在我国的文化和发展史上占有极其重要的地位。,陶瓷的研究进程分为三个阶段新石器时代先进陶瓷阶段纳米陶瓷阶段,新石器时代远在几千年前的新石器时代，我们的祖先就已经用天然黏土作原料，塑造成各种器皿，再在火堆中烧成坚硬的可重复使用的陶器，由于烧成温度较低，陶瓷仅是一种含有较多气孔、质地疏松的未完全烧成制品。,以后大约在2000年前的东汉晚期，人们利用含铝较高的天然瓷土为原料，加上釉的发明，以及高温合成技术的不断改进，使陶瓷步入瓷器阶段，这是陶瓷技术发展史上意义重大的里程碑。,釉以石英、长石、硼砂、黏土等为原料制成的东西，涂在瓷器、陶器外面，烧制后发出玻璃光泽，可增加陶瓷的机械强度和绝缘性能。长石:一类含钙、钠和钾的铝硅酸盐类矿物。,瓷器烧成温度高，质地致密坚硬，表面有光亮的釉彩。随着科学进步与发展，由瓷器又衍生出许多种类的陶瓷。,陶瓷都是以黏土为主要原料与其他天然矿物原料经粉碎混炼成形一煅烧等过程制成的。如常见的日用陶瓷、建筑陶瓷、电瓷等传统陶瓷。,由于陶瓷的主要原料取之于自然界的硅酸盐矿物(如黏土、长石、石英等)，所以可归为硅酸盐类材料和制品。从原始瓷器的出现到近代的传统陶瓷，这一阶段持续了四千余年。,先进陶瓷阶段20世纪以来，随着人类对宇宙的探索、原子能工业的兴起和电子工业的迅速发展，从性质、品种到质量等方面，对陶瓷材料均提出越来越高的要求。从而，促使陶瓷材料发展成为一系列具有特殊功能的无机非金属材料。如氧化物陶瓷、压电陶瓷、金属陶瓷等各种高温和功能陶瓷。这时，陶瓷研究进入第二个阶段先进陶瓷阶段。,先进陶瓷（Advanced ceramics）又称现代陶瓷，是为了有别于传统陶瓷而言的。先进陶瓷有时也称为精细陶瓷(Fine Ceramics)、新型陶瓷(New Ceramics)、特种陶瓷(Special Ceramics)和高技术陶瓷(High-Tech.Ceramics)等。,在先进陶瓷阶段，陶瓷制备技术飞速发展。在成形方面，有等静压成形、热压注成形、注射成形、离心注浆成形、压力注浆成形等成形方法；在烧结方面，则有热压烧结、热等静压烧结、反应烧结、快速烧结、微波烧结、自蔓延烧结等。在先进陶瓷阶段，采用的原料已不再使用或很少使用黏土等传统原料，而已扩大到化工原料和合成矿物，甚至是非硅酸盐、非氧化物原料，组成范围也延伸到无机非金属材料范围。,此时可认为，广义的陶瓷概念已是用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的统称。,但是，这一阶段的先进陶瓷，无论从原料、显微结构中所体现的晶粒、晶界、气孔、缺陷等在尺度上还只是处在微米级的水平，故又可称之为微米级先进陶瓷。,纳米陶瓷阶段到20世纪90年代，陶瓷研究已进入第三个阶段-纳米陶瓷阶段。所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相就有纳米级尺度的陶瓷材料。它包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等均在纳米量级的尺度上。,纳米陶瓷是当今陶瓷材料研究中一个十分重要的发展趋向，它将促使陶瓷材料的研究从工艺到理论、从性能到应用都提高到一个崭新的阶段。,2、功能陶瓷的定义、范围和分类,从性能上可把先进陶瓷分为结构陶瓷(Structral ceramics)和功能陶瓷(Functional Ceramics)两大类。,结构陶瓷是指具有力学和机械性能及部分热学和化学功能的先进陶瓷(现代陶瓷)，特别适于高温下应用的则称为高温结构陶瓷。,功能陶瓷是指那些利用电、磁、声、光、热、力等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使用功能的先进陶瓷(现代陶瓷)。,功能陶瓷的特点品种多、产量大、价格低、应用广、功能全、技术高、更新快。,通过对复杂多元氧化物系统的化学、物理及组成、结构、性能和使用效能间相互关系的研究，已陆续发现了一大批具有优异性能或特殊功能的功能陶瓷，并可借助于离子置换、掺杂等方法调节、优化其性能，功能陶瓷材料研究已开始从经验式的探索逐步走向按所需性能来进行材料设计。,3、功能陶瓷的应用和展望功能陶瓷的不断开发，对科学技术的发展起了巨大促进作用，功能陶瓷的应用领域也随之更为广泛。,目前，功能陶瓷主要用于电、磁、光、声、热和化学等信息的检测、转换、传输、处理和存储等，并已在电子信息、集成电路、计算机、能源工程、超声换能、人工智能、生物工程等众多近代科技领域显示出广阔的应用前景。,根据功能陶瓷组成结构的易调性和可控性，可以制备超高绝缘性、绝缘性、半导性、导电性和超导电性陶瓷；,根据功能陶瓷能量转换和耦合特性，可以制备压电、光电、热电、磁电和铁电等陶瓷。,举例：几种主要的功能陶瓷,根据功能陶瓷对外场条件的敏感效应，则可制备热敏、气敏、湿敏、压敏、磁敏和光敏等敏感陶瓷。,二十世纪90年代，开始的纳米功能陶瓷的研究，表明人们已开始深入到介于宏观与原子尺度的纳米层次来研究功能陶瓷的性能与结构，以期进一步开拓功能陶瓷新的应用领域。,无论从应用的广度，还是市场占有率来看，在当前及以后相当一段时间内，功能陶瓷在现代陶瓷中仍将占据主导地位。因此，功能陶瓷今后在性能方面应向着高效能、高可靠性、低损耗、多功能、超高功能以及智能化方向发展。在设备技术方面向着多层、多相乃至超微细结构的调控与复合、低温活化烧结、立体布线、超细超纯、薄膜技术等方向发展。,在材料及应用方面的主要研究热点：智能化敏感陶瓷及其传感器；高转换率、高可靠性、低损耗、大功率的压电陶瓷及其换能器；超高速大容量超导计算机用光纤陶瓷材料；多层封装立体布线用的高导热低介电常数陶瓷基板材料；量大面广、低烧、高比容、高稳定性的多层陶瓷电容器材料等。,4、制备陶瓷材料的原料陶瓷材料制品由多相的无机非金属材料所构成，所用原料大部分是天然的矿物原料或岩石原料，其中多为硅酸盐矿物。这些天然的矿物原料或岩石原料种类繁多，资源蕴藏丰富，且分布极广。某些陶瓷材料制品对原料的要求很高，需要采用均一且高纯度的人工合成原料。,(1)原料分类通常，陶瓷原料的分类是根据不同的工艺特性、传统习惯及原料性质等不同角度进行的。综合起来，可分为以下四类：,根据原料工艺特性分为：可塑性原料(也称瘠性原料)、熔剂性原料。根据原料的用途分为：瓷坯原料、瓷釉原料、色彩及彩料原料。根据原料的矿物组成分为：黏土质原料、硅质原料、长石质原料、钙质原料、镁质原料。根据原料获得的方式分为：矿物原料、化工原料。,陶瓷制品的结构是决定其性能和品质的内因，而制品的结构是由原料的种类和工艺过程来保证的。陶瓷制品所选用的原料，首先是保证供给其经过加工后能生成所需要的晶相和玻璃相，其次是保证能适应在加工处理过程中制品的各种工艺性能。,综合陶瓷制品对于原料的两方面要求，根据原料的工艺特性可以把所需要的陶瓷原料主要归纳为三大类：具有可塑性的黏土类原料、具有非可塑性的石英类原料和熔剂原料。,一般来说，黏土类原料往往是既有加工所需的可塑性，也能在烧成后形成结构晶相的原料；石英类原料既是非可塑性原料，同时也是能生成晶相的原料；熔剂原料也具有非可塑性质。,除上述的陶瓷坯体中所需的三大原料外，陶瓷釉料还常常需用各种特殊的熔剂原料，包括采用各种化工原料。陶瓷工业中需用的辅助材料主要是石膏和耐火材料，以及各种外加剂如助磨剂、助滤剂、解凝剂、增塑剂和增强剂等。,(2)黏土类原料黏土类原料是日用陶瓷和工业用陶瓷的主要原料之一。黏土是多种微细的矿物的混合体，其矿物的粒径多数小于2um，主要是由黏土矿物和其他矿物组成的并具有一定特性的(其中主要是具有可塑性)土状岩石。,我国黏土原料资源丰富，产地遍及全国。黏土的主要矿物：高岭石类、蒙脱石类、伊利石类和水铝英石。黏土的性质黏土的性质对陶瓷的生产有很大的影响。它主要包括可塑性、结合性、离子交换性、触变性、干燥收缩和烧成收缩、烧结温度与烧结范围和耐火度等。,黏土的加热变化：黏土是陶瓷的主要原料，陶瓷在烧成过程中所发生的一系列物理和化学变化，是在黏土加热变化的基础上进行的，因此黏土的加热变化是陶瓷制品烧成的基本理论基础。黏土在加热过程中的变化包括两个阶段：脱水阶段与脱水后产物的继续转化阶段。,黏土作用概括为五个方面：1)黏土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成形的基础。2)黏土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。3)黏土一般呈细分散颗粒，同时具有结合性。,4)黏土是陶瓷坯体烧结时的主体，黏土中的Al2O3含量和杂质含量是决定陶瓷坯体的烧结程度、烧结温度和软化温度的主要因素；5)黏土是形成陶器主体结构和瓷器中莫来石晶体的主要来源。,(3)石英类原料石英的种类。自然界中的二氧化硅结晶矿物可以统称为石英。其中最纯的石英晶体统称为水晶。在陶瓷工业中，常用的石英类原料和材料有下列几种：脉石英、砂岩、石英岩、石英砂、隧石和硅藻土。,石英原料的性质石英的外观视其种类不同而异，有的呈乳白色，有的呈灰白半透明状态，表面具有玻璃光泽或脂肪光泽，莫氏硬度值为7，相对密度因晶型而异，波动于2.222.65g/cm3之间。石英的主要化学成分为SiO2，常含有少量杂质成分，如Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2等。,石英是具有强耐酸侵蚀力的酸性氧化物，除氢氟酸外，一般酸类对它都不产生作用。当石英与碱性物质接触时，则能起反应而生成可溶性的硅酸盐。在高温中与碱金属氧化物作用生成硅酸盐与玻璃态物质。,石英在陶瓷生产中的作用石英是作为瘠性原料加入到陶瓷坯料中的，它是陶瓷坯体中主要组分之一，它在陶瓷生产中的作用不仅在坯体成形时，而且在烧成时都有重要的影响。其作用概括如下：,在烧成前是瘠性原料，可对泥料的可塑性起调节作用，能降低坯体的干燥收缩，缩短干燥时间并防止坯体变形。在烧成时，石英的加热膨胀可部分地抵消坯体收缩的影响，当玻璃质大量出现时，在高温下石英能部分熔解于液相中，增加熔体的强度，而未熔解的石英颗粒，则构成坯体的骨架，可防止坯体发生软化变形等缺陷。,在瓷器中，石英对坯体的力学强度有着很大的影响，合理的石英颗粒能大大提高瓷器坯体的强度，否则效果相反。同时，石英也能使瓷坯的透光度和白度得到改善。在釉料中，二氧化硅是生成玻璃质的主要组分，增加釉料中石英含量能提高釉的熔融温度与黏度，并减少釉的线胀系数。同时它是赋予釉以高的力学强度、硬度、耐磨性和耐化学侵蚀性的主要因素。,(4)长石类原料长石是陶瓷原料中最常用的熔剂性原料，在陶瓷生产中用作坯料、釉料、色料、熔剂等的基本组分，其用量较大，是陶瓷三大原料之一。长石的种类和一般性质：长石是地壳上分布广泛的造岩矿物。,长石呈架状硅酸盐结构，化学成分为不含水的碱金属与碱土金属铝硅酸盐，主要是钾、钠、钙和少量钡的铝硅酸盐，有时含有微量的铯、锶等金属离子。,根据架状硅酸盐的结构特点，长石可分为四种基本类型：钠长石、钾长石、钙长石和钡长石。,生产中的钾长石，实际上是含钾为主的钾钠长石；而所谓的钠长石，实际上是含钠为主的钾钠长石。钠长石与钙长石一般呈白色或灰白色，相对密度为2.62 gcm3，其他一般物理性质与钾钠长石近似。,长石在陶瓷原料中是作为熔剂使用的，因而长石在陶资生产中的作用主要表现为它的熔融和熔化其他物质的性质。长石在陶瓷生产中的作用如下：,长石在高温下熔融，形成黏稠的玻璃熔体，是坯料中碱金属氧化物(K2O、Na2O)的主要来源，能降低陶瓷坯体组分的熔化温度，有利于成瓷和降低烧成温度。,熔融后的长石熔体能熔解部分高岭土分解产物和石英颗粒。液相中Al2O3和SiO2互相作用，促进莫来石晶体的形成和长大，赋予了坯体的力学性能和化学稳定性。,长石熔体能填充于各结晶颗粒之间，有助于坯体致密和减少空隙。冷却后的长石熔体，构成了瓷的玻璃基质，增加了透明度，并有助于瓷坯的力学性能和电气性能的提高。,在釉料中长石是主要熔剂。长石作为瘠性原料，在生坯中还可以缩短坯体干燥时间，减少坯体的干燥收缩和变形等。,(5)其他矿物原料含碱硅酸铝类；包括伟晶花岗岩、霞石正长岩、酸性玻璃熔岩（包括珍珠岩、松脂岩、浮岩等)和锂质矿物原料(常见的有锂辉石和锂云母两种)。,碱土硅酸盐类：包括滑石与蛇纹石、硅灰石、透辉石和透闪石。碳酸盐类：包括方解石与石灰石、白云石和菱镁矿。钙的磷酸盐类：包括骨灰和磷灰石。高铝质矿物类：包括高铝矾土、硅线石。工业废渣类：包括磷矿渣、高炉矿渣、萤石矿渣、辉绿岩、粉煤灰、煤歼石和高岭土和瓷石尾砂。,二、导电陶瓷 传统陶瓷是良好的绝缘体，这是人所共知的。在现今社会，凡是有电的地方，都可以看到各种用传统陶瓷制成的绝缘器件。由此给人们留下了一个错觉:陶瓷材料都是绝缘体。在精细陶瓷中，不仅有良好的绝缘体，也有电子导电体、离子导电体、半导体及其他导电材料。,1、电子导电陶瓷,在氧化物陶瓷中，离子的外层价电子通常受到原子核的较大吸引力，束缚在各自的离子上，即使施加一个不高的外电场，这些价电子也不能自由运动而成为所谓的自由电子。所以氧化物陶瓷通常是不导电的绝缘体。但是，如果把某些氧化物加热，或者用其它的方法激发，使外层电子获得足够的能量，足以克服原子核对它的吸引力，摆脱原子核对它的控制，而成为自由电子。于是，这种氧化物陶瓷就成了电子导体或半导体。,新型的高温电子导电陶瓷：氧化锆陶瓷；氧化钍陶瓷；由复合氧化物组成的铬酸镧陶瓷。用途：可作为高温设备的电热材料。与金属电热体相比，最大的优点：更耐高温和有良好的抗氧化能力。,金属电热材料：最常见的镍铬丝：在空气中的最高使用温度只有1100;昂贵的抗氧化性能好的铂丝、铑丝:在空气中的最高使用温度也只有1600。采用难熔金属钽、钼、钨作电热体，使用温度可以提高到2000，但必须以氢、氮、氩等气体保护或者在真空下工作，否则，它们就会很快氧化而失去使用价值。,常用的两种陶瓷导电材料:碳化硅及二硅化钼，它们的使用温度也比不上氧化锆、氧化钍及铬酸镧陶瓷。碳化硅的最高使用温度为1450;二硅化钼的最高使用温度为1650，但它的机械强度不高，质地很脆。,氧化锆陶瓷优点：稳定氧化锆陶瓷的最高使用温度为2000，它在高温下的导电性能很好，基本上为电子导电。缺点：在低温特别是在室温情况下的导电性能还不理想，作为电热材料时，必须在高温设备中用热源进行预热;另外，氧化锆的负电阻温度系数较大，即温度升高时电阻大大降低，使得通过的电流大大增加，给操作控制带来不少困难。,氧化钍陶瓷最高使用温度可达到2500，它与稳定氧化锆陶瓷电热体一样，低温时的导电性能还有待改进。,以复合氧化物制成的铬酸镧导电陶瓷新型电热材料，它的使用温度可达1800，在空气中的使用寿命在1700小时以上。用于1500-1800的高温电炉，可称得上是最好的电热材料。同时，铬酸镧陶瓷不仅可作通常情况下的电热材料，而且与氧化锆陶瓷组成的复合材料，是磁流体发电机优先考虑的电极材料。,2、离子导电陶瓷,在电解质溶液中，电导主要来自带电离子的运动;而在固态离子型晶体中，带电离子倍受限制，但仍能以扩散的形式发生，从而产生离子导电。离子在晶体中扩散是通过取代晶格空位的方式进行的。一般情况下，这类运动取向混乱，宏观上不产生电流。然而，在电场作用下，离子沿电场方向运动的几率增大，从而产生离子电流。,阴离子导电陶瓷稳定的氧化锆陶瓷在高温时不仅产生电子导电，也会因氧离子的运动而产生离子导电。因此，凡是在高温情况下需要测量或控制氧气含量的地方，都可以采用氧化锆陶瓷氧气敏感元件，这种元件在节能和防止大气污染方面都发挥作用。,阳离子导电陶瓷-氧化铝陶瓷就是一种有代表性的阳离子导电体，是一种只允许钠离子通过的导电陶瓷。-氧化铝是用氧化钠和氧化铝在高温下合成的铝酸盐。可以作为离子选择电极的选择膜，即离子浓度传感器。利用它只允许某一种阳离子通过的特性，可准确而又迅速地测定被测离子的浓度，可用于金属提纯等方面。,二、介电铁电陶瓷,陶瓷材料在电场作月下，带电粒子被束缚在固定位置上，仅发生微小位移，即形成电极化而不产生电流者为绝缘体。带电粒子在电场下作微小位移的性质称为介电性。介电材料主要是通过控制其介电性质，使之呈现不同的比介电系数、低介质损耗和适当的介电常数温度系数等性能，以适应各种用途的要求。,1、陶瓷的介电和铁电特性及极化,一般介电陶瓷材料在电场下产生的极化可分为四种：电子极化；离子极化；偶极子趋向极化；空间电荷极化。,电子极化：是在电场作用下，使原来处于平衡状态的原子正、负电荷重心改变位置，即原子核周围的电子云发生变形而引起电荷重心偏离，形成电极化。离子极化：是处在电场中多晶陶瓷体内的正、负离子分别沿电场方向位移，形成电极化。,偶极子趋向极化：是非对称结构的偶极子在电场作用下，沿电场方向趋向与外电场一致的方向而产生电极化。,空间电荷极化：是陶瓷多晶体在电场中，空间电荷在晶粒内和电畴中移动，聚集于边界和表面而产生的极化。,通常极化是由以上四种极化叠加引起的。,介电陶瓷的性质与陶瓷多晶体的晶体结构是密切相关的。在晶体的32种对称点群中，有11种具有对称中心。晶格上为非极性原子或分子，在电性上完全中性的，称为各向同性介电体。有20种点群结构晶体，其结构上无对称中心的，称为压电晶体。压电晶体中有10种点群的晶体是极性晶体，具有热释电性，称为热释电晶体。其中在外电场作用下能够随电场改变电偶极子方向的晶体称为铁电晶体。,几个概念,介电陶瓷的铁电特性表现为本身具有自发极化。当施加外界电场时，自发极化方向沿电场方向趋于一致；当外电场反向，而且超过材料矫顽电场Ec值时，自发极化随电场而反向;当电场移去后，陶瓷中保留部分极化量，即剩余极化。自发极化与电场之间存在着一定的滞后关系，这种滞后特性类似于铁磁材料B-H曲线的滞后特性，它是表征铁电材料的必要条件。,2、介电陶瓷材料,应用:陶瓷电容器和微波介质元件方面。二次世界大战后，由于收录机、电视机、录相机以及通讯技术的飞速发展和近年来计算机技术、摄影技术、汽车及钟表技术的进步，促使陶瓷电容器的制作技术有了巨大的发展，微波技术的发展对微波介质陶瓷元件的扩大应用起了推动作用。,(1)温度补偿电容器用介电陶瓷主要用途：高频振荡电路中作为补偿电容介质性能要求：具有稳定的电容温度系数和低介电损耗。通过对系统中的陶瓷烧结和介电性能的详细研究，得到温度补偿电容介质陶瓷材料与复合，可扩大温度补偿电容器陶瓷的应用范围。,(2)、微波介质陶瓷用途：制作微波电路元件。要求：材料在微波频率下具有高介电常数、低介质损耗、低膨胀系数和低介电常数温度系数。通常使用的陶瓷材料有：MgO-SiO2系陶瓷；MgO-CaO-TiO2系陶瓷MgO-La2O3-TiO2系陶瓷BaO-TiO2系陶瓷ZrO2-SnO2-TiO2系陶瓷,(3).高介电容器陶瓷 高介电常数的陶瓷主要是铁电陶瓷材料，其中以钛酸钡为基，添加各种添加物，可以制得介电常数很高的电容器用陶瓷材料。若以Sr,Sn,Zr等离子置换钙钛矿型结构的多元复合化合物，使居里点移至常温，则介电常数可增大到近2000，介电常数的温度系数也随之增加。,(4)高压电容器陶瓷 钛酸钡陶瓷材料虽具有高介电常数，但在高压下使用，其介电常数随电压的变化较大，这主要是由于的铁电特性影响。钛酸锶陶瓷的介电常数虽比陶瓷低，但其绝缘性能却好得多，而且其介电常数随电压的变化小，介电损耗亦小，这类电容器广泛应用于电视机、雷达高压电路及避雷器、断路器等方面。,三、气敏陶瓷和湿敏陶瓷,1、气敏陶瓷 气敏陶瓷的电阻值将随其所处环境的气氛而变，不同类型的气敏陶瓷，将对某一种或某几种气体特别敏感，其阻值将随该种气体的浓度(分压力)作有规则的变化，其检测灵敏度通常为百万分之一的量级，个别可达十亿分之一的量级，远远超过动物的嗅觉感知度，故有“电子鼻”之称。,气敏陶瓷一般都是某种类型的金属氧化物，通过掺杂或非化学计量比的改变而使其半导化。其气敏特性，大多通过待测气体在陶瓷表面附着，产生某种化学反应(如氧化、还原反应)、与表面产生电子的交换(俘获或释放电子)等作用来实现的，这种气敏现象称为表面过程。,原 理,气体与敏感陶瓷的作用部位通常只限于表面，故其敏感特性如电阻值与被测气体浓度的关系，就和敏感体的烧结形式(几何形状)关系甚大，常见的有薄膜型、厚膜型和多孔烧结体型。尽管三种敏感体的工艺差别较大，但从显微结构上看，它们都属多晶、多相体系。,SnO2气敏陶瓷是目前应用最广泛的材料，可掺杂Pd、In、Ga、CeO2等活性物质提高其灵敏度。SnO2气敏陶瓷对可燃性气体，如氢、甲烷、丙烷、乙醇、丙酮、一氧化碳、城市煤气、天然气都有较高的灵敏度。,ZnO也是很重要的气敏材料，掺以Pt和Pd以后，可提高其灵敏度。ZnO掺Pt后对丁烷和丙烷等气体的灵敏度高;ZnO掺Pd后对氢和CO的灵敏度高。,-Fe2O3气敏陶瓷主要用于检测异丁烷气体和石油液化气。它是利用-Fe2O3和Fe3O4之间的氧化还原过程中，Fe3+和Fe2+转变时的电子变换检测还原性气体。,ZrO2气敏陶瓷主要用于氧气的检测。它是靠被测气体和参比气体(空气)处于气敏陶瓷两侧，按照浓差电池的原理，由于两侧氧的活性浓度或分压的不同，因而形成化学势的差异，使高浓度一侧的氧通过气敏陶瓷中的氧空位以离子的状态向低浓度一侧迁移，形成离子电导，在陶瓷两侧产生氧浓差电势。,2、湿敏陶瓷 水分在一般物质表面的附着量，以及潮气在木材、布匹、烟草等多孔性或微粒状物质中吸收情况，与大气的湿度密切相关。合适的湿度对于生物、生活、生产都非常重要，因此湿度的测量、控制与调节，对于工农业生产、气象环卫、医疗健康、生物食品、货物储运、科技国防等领域均具有十分重要的意义。,17世纪，人们发现随着大气湿度的变化，人的头发会出现伸长或缩短的现象，由此制成毛发湿度计。18世纪时，人们利用水分向大气蒸发时必须吸收潜热的效应，研制成干湿球湿度计。上述湿度计都属于湿度的非电测量方法，其主要缺点是灵敏度、准确性和分辨率等特性都不够高，且难于和现代的指示、记录与控制设备直接相连。陶瓷湿度传感器测试范围宽、响应速度快、工作温度高、耐污染能力强。因此湿敏陶瓷成为人们主要研制、开发的湿敏材料。,目前，湿敏陶瓷主要有：氧化物涂覆膜型、多孔烧结体型、厚膜型、薄膜型等。按测湿范围有高湿型(适用于相对湿度大于70%RH）、中湿型(30%-80%RH)、低湿型(小于30%RH)、全湿型(0%-100%RH)。,五、生物陶瓷,用于人体组织和器官的修复并代行其功能的人造材料称为生物材料或生物医学材料。从医用的角度来看，生物材料属功能材料范畴。对生物材料的要求既不同于医药，更不同于普通工业材料，具有其特殊性。,1、生物材料的必要条件,生物学条件:(1)生物相容性好，对机体无免疫排异反应，种植体不致引起周围组织产生局部或全身性反应，最好能与骨形成化学结合，具有生物活性;（2）对人体无毒、无刺激、无致畸、致敏、致突变和致癌作用;（3）无溶血、凝血反应。,化学条件:（1）在体内长期稳定，不分解、不变质;（2）耐侵蚀，不产生有害降解产物;（3）不产生吸水膨润、软化变质等变化。力学条件:（1）具有足够的静态强度，如抗弯、抗压、拉伸、剪切等;（2）具有适当的弹性模量和硬度;耐疲劳、摩擦、磨损、有润滑性能。,其它:(1)具有良好的孔隙度、体液及软硬组织易于长入:(2)易加工成型，使用操作方便;(3)热稳定好，高温消毒不变质。生物陶瓷占据了相对的优势。,2、生物陶瓷的特点,陶瓷是经高温处理工艺所合成的无机非金属材料，因此它具备许多其他材料无法比拟的优点。首先，由于它是在高温下烧结制成，其结构中包含着键强很大的离子键和共价键，所以它不仅具有良好的机械强度、硬度，而且在体内难溶解，不易腐蚀变质，热稳定性好，便于加热消毒，耐磨性能好，不易产生疲劳现象，满足种植学的要求。,其次，陶瓷的组成范围比较宽，可以根据实际应用的要求设计组成，控制性能变化。第三，陶瓷成型容易，可以根据使用要求，制成各种形态和尺寸，如颗粒型、柱形、管形;致密型或多孔型，也可制成骨螺钉、骨夹板;制成牙根、关节、长骨、领骨、颅骨等。,第四，通常认为陶瓷烧成后很难加工，但是随着加工装备及技术的进步，现在陶瓷的切削、研磨、抛光等已是成熟的工艺。近年来又发现了可以用普通金属加工机床进行车、铣、刨、钻孔等的“可切削性生物陶瓷”，利用玻璃陶瓷结晶化之前的高温流动性，制成了铸造玻璃陶瓷。,3、生物陶瓷材料,植入材料中氧化铝是一种一直使用得很满意的实用生物材料。视制造方法的不同，有单晶氧化铝、多晶氧化铝和多孔质氧化铝三种产物。氧化铝生物相容性良好，在人体内稳定性高。机械强度较大，单晶氧化铝。轴方向具有相当高的抗弯强度(1300Mpa)，因而临床上用来制作人工骨、人工牙根、人工关节和固定骨折用的螺栓。,氧化铝也存在几个问题:(1)与骨不发生化学结合，时间一长，骨固定会发生松弛;(2)机械强度不十分高;(3)杨氏模量过高（380GPa）;(4)摩擦系数和磨耗速度不低。为把氧化铝陶瓷牢固地固定在骨头上，可把陶瓷制成多孔质形态，使骨头长入陶瓷空隙，但这样会降低陶瓷的机械强度。使用在金属表面形成多孔性氧化铝薄层的复合法，既能保证强度又能形成多孔性。,部分稳定化的氧化锆和氧化铝一样，生物相容性良好，在人体内稳定性高，而且比氧化铝的断裂韧性值更高，耐磨性也更为优良，用作生物材料有利于减小植人物的尺寸和实现低摩擦、磨损，因而在人工牙根和人工股关节制造方面的应用引人注目。,碳素材料石墨质轻而且具有良好的润滑性和抗疲劳特性，弹性模数与致密的人骨大小相同，在人体内不发生反应和溶解。生物亲和性良好，耐蚀，对人体组织的力学刺激小，因而是一种优良的生物材料。,1975年，美国和日本发表了高密度羟基磷灰石多晶的研究结果。羟基磷灰石能与骨直接化学结合，其抗弯强度为200MPa，压缩强度为1000MPa，杨氏弹性模量为I100Gpa.1985年，美国将其制成颗粒状用作齿槽骨的填充材料。日本将其制成多孔状用作额骨、颧骨、鼻软骨等的填补材料，致密的经基磷灰石制成人工耳小骨。,精细功能陶瓷定义精细功能陶瓷种类气敏陶瓷 原理和例子电子、离子导电陶瓷类别,