现代工业上陶瓷材料的应用与发展.doc

现代工业上陶瓷材料的应用与发展阐述陶瓷材料的结构相、分类和陶瓷基复合材料的特性,以及陶瓷材料在车辆上的应用。介绍手机电池中正温度系数热敏电阻（PTC）和负温度系数热敏电阻（NTC）它们所起的不同作用。传统陶瓷陶瓷 传感器 PTC热敏电阻 NTC热敏电阻 特性 应用陶瓷是古老而又新型的材料，它是用天然或人工合成的无机粉状物料，经过成型和高温烧结而制成的一种多相固体材料。利用天然硅酸盐矿物(如粘土、长石、石英等)为原料制成的陶瓷叫普通陶瓷，也叫传统陶瓷。这类陶瓷原料来源广，成本低，用量大。天然原料中的杂质对陶瓷的性能不利，人们用纯度高的人工合成原料(如氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化物等)，用传统陶瓷工艺方法制造的陶瓷，也叫现代陶瓷或特种陶瓷。工业应用多属精细陶瓷在汽车上很早以前就有火花塞、窗玻璃、水泵的机械式密封使用了陶瓷。而且作为排放对策，触媒载体、氧传感器、爆震传感器等功能陶瓷相继出现。目前，已有许多发动机零件采用结构陶瓷制造，不久将来，陶瓷发动机将会出现。　　1.陶瓷的结构相 　　陶瓷一般由晶相、玻璃相和气相组成。(1)晶相 晶相是体现陶瓷材料性质的主要组成相。大多数陶瓷材料是由离子键(如MgO、CaO、Al203等)和共价键(如金刚石、SiC等)为主要结合键。晶体中非金属元素的原子直径大，可排列成不同的晶系，形成晶体骨架，金属原子的直径小，处于骨架的间隙中。 　　陶瓷晶体中主要的两类结构是硅酸盐结构和氧化物结构。陶瓷材料是多相多晶体材料，其物理化学性能主要由晶相决定。晶相中晶粒的大小对陶瓷的性能影响很大。晶粒越细，晶界越多，裂纹扩展越不容易，材料的强度越高。这一点和金属材料很相似。 　　(2)玻璃相 玻璃是非晶态材料，由熔融的液体凝固得到。陶瓷中玻璃相的作用是将分散的晶相粘结在一起;降低烧成温度;抑制晶体长大以及填充气孔空隙。但玻璃相的机械强度比晶相低，热稳定性差，在较低的温度下就开始软化。而且往往因带有一些金属离子而降低陶瓷的绝缘性能。工业陶瓷要控制玻璃相的数量，一般约为20%～40%。 　　(3)气相 陶瓷材料中往往存在许多气孔，体积约占5%～10%，这主要是由于原材料和生产工艺方面的原因造成的。较大的气孔往往是裂纹形成的原因;因此会降低材料的机械性能。另外，陶瓷材料的介电损耗也因之增大，并造成击穿强度下降。故一般应尽量降低材料的孔隙率。但在某些情况下，如用作保温的陶瓷材料和化工用的过滤陶瓷等，则需要有控制的增加气孔量。 　　2. 汽车用陶瓷的类型、性能和用途 　　陶瓷产品的种类繁多，性能各异，总体上可分为普通陶瓷和特种陶瓷。从组成上可分为氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷。现代陶瓷又称精细陶瓷，可分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。　　结构陶瓷因具有良好的综合性能：高温强度、高耐蚀性、高耐磨性、低膨胀系数、隔热性好及低密度，用它来替代耐热合金能大幅度地提高热机效率、降低能耗、节约贵重金属、达到轻量化效果。目前，已广泛用于制造发动机和热交换器零件。此外，结构陶瓷还被用来制造切削工具、轴承、泵的机械密封环等，实用效果也很好。结构陶瓷的优良机械性能要得以充分发挥，并用于大量生产的汽车零件，要解决性能的稳定性和再现性及不断完善加工技术、评价技术、接合技术等。功能陶瓷主要用于传感器，此外，还可用于各种执行元件、陶瓷加热器、导电材料、显示装置等。陶瓷传感器在温度传感器、位置传感器、速度传感器、气体传感器、湿度传感器、离子传感器、仓储等得到非常广泛的应用。用于汽车的传感器应具有的特性：要能长久适用汽车特有的恶劣环境(高温、低温、振动、加速、潮湿、噪声、废气);要小型轻量;重复使用性要好(精度达±0.5%～1%)、输出范围要广。汽车用温度传感器以热敏系为主;发动机冷却水温度调节也有采用感温铁氧体的。 　　(1)热敏电阻。过渡族金属氧化物系陶瓷半导体有随温度升高电阻下降的性能，把具有这种特性的半导体称为热敏电阻。热敏电阻的使用温度可达1000℃，被广泛用于防止排气净化触媒的过热。上述这种随温度升高电阻下降的热敏电阻称为NTC(负电阻温度系数)热敏电阻。 BaTiO3系半导体，在居里点以上电阻急剧增加，把这种具有正电阻温度系数的热敏电阻称为PTC热敏电阻。通过改变化学成分(更换Sr或Pb)来控制电阻急剧增加而产生的温度变化。可作为自行控制温度加热器或温度补偿用热敏电阻。这种PTC加热器被用于自动阻风门、各种传感器内加热体、进气加热器等。 　　(2)感温铁氧体。它由于利用了在居里点导磁率急剧变化的特性，被利用于温度转换。当温度上升时, 热运动剧烈, 其感温铁氧体的固有特性即自发极化消除。为使三元触媒工作, 必须使排气空燃比保持在理论空燃比, 即氧为零的状态, 为此采用氧化锆氧传感器。氧化锆管的内侧通入大气，外侧引入排气。温度升高，氧就离子