先进陶瓷应用2.docx

先进陶瓷应用引言在千姿百态的物质界，大自然所恩赐的天然材料（如矿物、岩石、木材、丝棉等）虽数量大，品种多，但就其品种远不能满足社会发展的需求。现代科技和人类生存所应用的材料，绝大多数品种是以自然资源和传统材料为基础，经加工改造而成的人工合成材料。正是这些人工材料，支撑着整个社会的科技与文明。故而，对自然资源的开发、传统材料的改造和新型材料的研制，已成为当今人们获取新材料的系统工程。材料工程技术将为科技进步不断开发出形形色色的具有特殊功能的新型材料和先进材料。功能奇异的先进陶瓷便是新材料技术发展的典范。陶瓷是用无机化合物粉料经高温烧结而成的、以多晶聚集体为基本结构的固体物质。传统陶瓷是以天然硅酸盐矿物（瓷石、粘土、长石、石英砂等）为原料，经粉碎、磨细、调和、塑形、干燥、锻烧等传统工艺制作而成。实际上瓷是在陶的基础上发展而成的比陶白净、细腻、质地致密且性能更为优良的硅酸盐材料。先进陶瓷与传统陶瓷区别在于：先进陶瓷是以高纯、超细的人工合成的无机化合物（可含或不含硅化物）为原料，采用精密控制的先进工艺烧结而成的、比传统陶瓷结构更加精细、性能更加优异的新一代陶瓷。先进陶瓷又称为精细陶瓷或高性能陶瓷。先进陶瓷按使用性能可分为先进结构陶瓷（其使用性能主要指强度、刚度、硬度、弹性、韧性等力学性能）和先进功能陶瓷（其使用性能主要指光、电、磁、热、声等功能性能）两大类；按其化学成分又可分为：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、氟化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷、铝酸盐陶瓷等。先进结构陶瓷是指以其优异的力学性能而用于各种机械结构部件的新型陶瓷。应用领域如陶瓷质密封套管、轴承、缸套、活塞及切削刀具等；先进功能陶瓷则是指利用材料的电、磁、光、声、热等直接的性能或其耦合效应来实现某种使用性能的新型陶瓷。如电容器陶瓷以其极高的抗电击穿性能用来制作高容抗陶瓷电容器；压电陶瓷以其能利用机械撞击或机械振荡产生电效应来制作压电点火装置的发火元件或传感器元件；热敏陶瓷可感知微小的温度变化，用于测温、控温；气敏陶瓷制成的气敏元件能对易燃、易爆、有害气体进行监测、控制和实现自动报警；而用光敏陶瓷制成的电阻器可用作光电控制，自动曝光和自动记数；磁性陶瓷是重要的信息记录材料，在计算机中完成记忆功能。此外，先进陶瓷材料还有高绝缘陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、介电陶瓷、耐热透明陶瓷、发光陶瓷、滤光陶瓷、吸波陶瓷、激光用陶瓷、核燃料陶瓷、推进剂陶瓷、太阳能光转换陶瓷、贮能陶瓷、陶瓷固体电池、阻尼陶瓷、生物技术陶瓷、催化陶瓷、特种功能薄膜陶瓷、纤维补强陶瓷、烧蚀陶瓷等。这些特种陶瓷在自动控制装置、仪器仪表、精密机械、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、航空航天技术等部门均发挥着重要作用。随着材料科学的发展和制造工艺的改进，陶瓷的内部组织构造渐趋精细化、致密化而使材料性能大幅度提高，以致出现新的特殊功能。在其发展过程中，大批的多功能、高性能先进陶瓷应运而生。压电陶瓷及其新型压电元器件基于过渡液相烧结机制，通过精选材料组成体系和添加物改性，研制了一系列高性能与低温烧结兼优的压电陶瓷材料。其中铌镁-锭镍-锆钛酸铅(pmn一pnn一pzt)四元系压电陶瓷通过添加适量lico3，和zno，烧结温度降至820一960℃，材料仍有很好的压电性能。例如:当烧结温度为900℃，压电常数(d33)为700pc /n，机电耦合系数kp为0. 74，室温介电常数(ε33 /εo)为3590，介电损耗(tanδ)为210 x 10-4。该低温烧结压电瓷料用于制备压电厚膜微泵。适当改性的铌镁-铌锌-锆钛酸铅(pmn一pzn一pzt)压电陶瓷为低烧片式多层压电变压器mpt提供了关键材料。该材料烧结温度在1000℃左右，kp为0.60, d33为300pc/n, tanδ小于或等于50x10-4，εt33/ εo为1050。所制备的mpt具有低驱动电压、高升压比、薄型片式化、无燃烧短路隐患、能量转换效率高、适合表面安装、无电磁干扰等诸多优点。mpt及其液晶显示器(lcd)背光电源的应用研究与产业化已取得新的进展。伴随着数字化信息技术的发展，低功耗、小型化、数字化、多功能的显示技术日益受到重视。液晶显示器(lcd)是片式压电变压器的重要应用领域之一。通过有限元分析和多普勒激光扫描测振仪对mpt半波与全波谐振的振动模态与机电谐振特性进行的分析表明，mpt谐振状态下沿长度方向的质点位移随输入电压的增大呈现规律变化，最大的位移发生在端部。对半波谐振而言，节点位置并非在mpt的正中间，为其最佳节点位置。这种非对称的位移分布可能与横-纵向振模mpt的结构不对称有关。驱动方式与条件的优化对改进mpt的负载特性与能力、提高其转换效率有重要影响。近些年来发展起来的超声波马达是一种基于压电陶瓷的逆压电效应及其超声波振动实现驱动的新型驱