复合材料制备与加工4课件.ppt

4.7 陶瓷基功能复合材料 陶瓷材料一般都有晶粒、晶界、晶界玻璃相、掺杂相及气孔等组元，从这个意义上来说，多数陶瓷材料都是复合材料。有目的地精确控制这些相的结构，就能获得特殊的功能材料。 （1）ZnO可变电阻（ZnO Varistor） 可变电阻（Varistor）是电阻值随电压变化而发生显著非线性变化的电阻体。 在临界电压以下，其电阻值非常高，基体上没有电流通过；而当超过临界电压时，其电阻值急剧下降，电流可以通过。 利用此特性，可以制作电路保护元件，以保护IC元器件及晶体管等不受异常电压的冲击。 ZnO可变电阻是由ZnO的n型氢化物半导体与低熔点的Bi2O3高电阻P型半导体为主要成分烧结而成。烧结体中ZnO为晶粒，Bi2O3为晶界。 （2）多层电容器 电容器是一种储存静电的装置。 70年代以来陶瓷电容器得到迅速发展，其中，发展最快的是多层陶瓷电容器----一种复合材料或复合结构，它是陶瓷介电体层与电极层相间成层并经烧结后所形成的层状结构。 一般陶瓷介电层为BaTiO4系列，与之固溶的成分有Ba、Ca、Sr、Na、Zr、Nb等。电极材料为Pt、Pd等贵金属，为了使电极材料不与基体陶瓷反应，制作时应尽可能降低烧结温度，如加入Bi2O3等低熔点的晶界相。这种陶瓷的一般烧结温度在1050-1200℃之间，有时可以降低到900℃。 （3）柔性压电陶瓷复合材料 由于其脆性，压电陶瓷材料的成型与加工，都存在一定的困难。 将压电陶瓷的粉未加入到易加工的树脂或高分子材料之中，可形成柔性的压电陶瓷复合材料。 这种复合材料的压电体，具有可塑性好、易加工、耐久性好等特点，已经在压电喇叭、电子乐器、电子血压计探头、超音检测元件等方面得到应用。 4.8 陶瓷与金属的接合 陶瓷材料与金属材料，在机械强度和耐高温性能等方面各有特长，在实际使用中，往往需要将陶瓷材料接合到金属材料上，或者在陶瓷材料表明形成金属层，或者在金属表面形成陶瓷层，因而陶瓷与金属的接合技术非常重要。 由于陶瓷材料与金属材料在热膨胀性、耐高温性及扩散反应特性上有比较大的差异，接合面的强度往往受两者热膨胀系数和中间层的特性所影响。 陶瓷与金属的接合方式，除简单的机械接合之外，还有夹杂粘结剂的接合、陶瓷表面金属化的接合、陶瓷/金属组分相互扩散的接合等。 人们在很早以前就掌握了将陶瓷与金属接合在一起的方法，例如，将金、银、铂等金属涂覆到陶瓷上，在还原气氛中烧结，就可以在陶瓷表层以形成耀眼的装饰线条。 现代工业上使用比较多的则是Mo和W等耐热金属的烧结法。在Mo中加入15-20％Mn和少量有机粘结剂，所制得粘稠的浆料，用印刷方法涂覆到陶瓷表面后，放入1300-1500℃ 的高温氢气炉中煅烧，即可获得粘接非常牢固的表面金属层。 氧化铝及硅酸盐等热膨胀系数大的陶瓷材料，比较适宜使用这种接合封装方法。 对于比较大的陶瓷部件，接合部位需要承受比较大的应力，高温粘接和扩散的接合方式更受重视。 例如，将氮化硅陶瓷与304不锈钢接合时，在陶瓷一侧放入Ti层（3?m厚）和Ag-28%Cu层(100?m厚)，而在金属一侧放入Ni-W-Ni金属层，接合在一起，并经1023K/20min和1123K/15min（高纯氢气保护环境）的两段升温热处理后，接合面的抗弯强度可以达到400MPa。 这是因为Ti、Zr、Mo等活性金属与金、银、铜等硬焊料，在高温下不仅其自身形成合金而湿润陶瓷和金属件，还与两侧的金属和陶瓷材料发生化学反应，生成过渡性氮化物，导致陶瓷与金属的气密连接。 这种方法比较适用于陶瓷体与金属部件的对接。 接合剂对于氮化硅陶瓷材料与不锈钢接合强度的影响 全陶瓷的材料部件，不仅成本高，而且难于保证结构的均匀性。在工业上，往往需要将一定厚度的陶瓷管封装到金属管的内部或者套在金属柱体的外部，形成径向结合的形式。 例如，高温气液体的输送管道（包括炮筒管内壁）需要陶瓷内衬，而轧辊等机械部件需要硬度高耐磨损性好的陶瓷外套管。陶瓷圆筒园管与金属的接合技术显得日益重要。 在金属圆筒的内壁，形成陶瓷内衬的方法，美国杜邦及通用汽车公司等发明了几种方法。 D为四层结构，陶瓷管内层与金属管外层之间加入隔热纤维层和松软海绵层。 丰田汽车公司在此基础上，又改进用氧化铝质水泥类做成陶瓷内管，放入金属管内后，在缝隙之间浇铸入磷酸盐和水玻璃类的浆料，在高温煅烧时，浆料与陶瓷发生反应而生成一定强度的接合复型管材。 A为在陶瓷管与金属管之间浇铸进低熔点的金属； B为双层，为用无机粘结剂粘接起来的陶瓷纤维体； C为陶瓷管与金属管之间加入多孔层，低熔点的金属被浇铸渗