压电陶瓷应用研究进展

压电陶瓷应用研究进展（共7篇）

1.压电陶瓷应用研究进展 篇一

压电陶瓷的制备与应用 【摘要】本文主要概述了国内外关于压电陶瓷材料的发展历史进程和研究现状，提出压电陶瓷材料的制备方法，探讨了其发展趋势和应用前景。指出了现代压电陶瓷材料正在向着复合化，薄膜化，无铅化及纳米化方向发展。该材料应用前景广阔，是一种极有发展潜力的材料。【关键词】 压电陶瓷性能参数 制备方法应用

压电陶瓷是指把氧化物混合(氧化锫、氧化铅、氧化钛等)高温烧结、固相反应后而成的多晶体．并通过直流高压极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷的统称，是一种能将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。压电陶瓷是含高智能的新型功能电子材料,随着材料及工艺的不断研究和改良,压电陶瓷的技术应用愈来愈广。压电材料作为机、电、声，光、热敏感材料，在传感器、换能器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用，世界各国都高度重视压电陶瓷材料的研究和开发。

1、压电陶瓷的性能参数（1）机械品质因数

机械品质因数的定义是：Qm=×2∏，他表示在振动转换时，材料内部能量消耗的程度。机械品质因数越大，能量的损耗越小。机械品质因数可以根据等效电路计算而得：Qm=,式中R1为等效电阻，Ws为串联谐振频率，C1为振子谐振时的等效电容。当陶瓷片作径向振动时，可近似地表示为Qm=，式中C0为振子的静态电容，单位F；△f为振子的谐振频率fr与反谐振频率fa之差，单位Hz；Qm为无量纲的物理量。（2）基电耦合系数

机电耦合系数K是综合反映压电材料性能的参数，它表示压电材料的机械能与电能的耦合效应。机电耦合系数可定义为K2=（逆压电效应），K2=（正压电效应）没有量纲。机电耦合系数是压电材料进行机—电能量转换的能力反映，它与机—电效率是完全不同的两个概念。它与材料的压电常数、介电常数和弹性常数等参数有关，因此，机电耦合常数是一个比较综合性的参数。（3）弹性系数

根据压电效应，压电陶瓷在交变电场作用下，会产生交变伸长和收缩，从而形成与激励电场频率（信号频率）相一致的受迫振动。对于具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷称为压电陶瓷振子（简称振子）。实际上，振子谐振时的形变是很小的，一般可以看作是弹性形变。反映材料在弹性形变范围内应力与应变之间的参数为弹性系数。

压电陶瓷材料是一个弹性体，它服从胡克定律：在弹性限度范围内，应力与应变成正比。当数值为T的应力（单位为Pa）加于压电陶瓷片上时，所产生的应变S为S=sT、T=cS式中s为弹性柔顺系数，单位m2／N，c为刚性刚度系数，单位Pa。

2、压电陶瓷的制备过程

I、生产中广泛采用的压电陶瓷工艺，主要包括以下步骤：配料混合预烧粉碎成型排胶烧结被电极极化测试，如图2所示。

(1)配料、球磨混合

原料选用纯度高、细度小和活性大的粉料，根据配方或分子式选择所用原料，并按原料纯度进行修正计算，然后进行原料的称量。按化学配比配料以后，使用行星式球磨机将各种配料混合均匀。实验室常采用的是水平方向转动球磨方式，震动球磨是另一种常用的球磨方法，此外还有气流粉碎法等混合方法。(2)预烧、粉碎、成型、排胶和烧结 混合球磨后的原料进行预烧。预烧是使原料间发生固相化学反应以生成所需产物的过程，预烧过程中应注意温度和保温时间的选择。将预烧反应后的材料使用行星式球磨机粉碎。成型的方法主要有四种；轧膜成型、流延成型、干压成型和静水压成型。轧膜成型适用于薄片元件；流延成型适合于更薄的元件，膜厚可以小于10 m；干压成型适合于块状元件；静水压成型适合于异形或块状元件。除了静水压成型外，其他成型方法都需要有粘合剂，粘合剂一般占原料重量的3％左右。成型以后需要排胶。粘合剂的作用只是利于成型，但它是一种还原性强的物质，成型后应将其排出以免影响烧结质量。烧结是将坯体加热到足够高的温度，使陶瓷坯体发生体积收缩、密度提高和强度增大的过程。烧结过程的机制是组成该物质的原子的扩散运动。烧结的推动力是颗粒或者晶粒的表面能，烧结过程主要是表面能降低的过程。晶粒尺寸是借助于原子扩散来实现的。(3)被电极、极化、测量

烧结后的样品要被电极，可选用的电极材料有银、铜、金．铂等，形成电极层的方法有真空蒸发、化学沉积等多种。压电陶瓷中广泛采用的是，在烧结后的样品涂上银浆，在空气中烧制电极。为了防止空气在高压下电离、击穿，极化一般是在硅油中进行。为了获得优良的压电性能，需要选择合适的电场强度，适当的极化温度。极化样品放置24小时后，用压电常数测量仪测量d33，用高频阻抗分析仪(Agilent4294A等)测量介电常数、介电损耗、谐振频率等。

II溅射法(sp ut tering)是利用高速运动的荷能离子把靶材上的原子(或分子)轰击下来沉积在基片(加热或不加热)上形成薄膜的方法,采用射频磁控溅射能进一步增加电子的行程,加强电离和离子轰击效果,从而能有效提高溅射效率及薄膜的均匀性。

III、脉冲激光沉积(PLD)是80年代后期发展起来的新型薄膜制备技术。相对于其它薄膜制备技术, PLD具有沉积速度快、靶材和薄膜成分一致、生长过程中可原位引入多种气体、烧蚀物粒子能量高、容易制备多层膜及异质结、工艺简单、灵活性大、可制备的薄膜种类多、可用激光对薄膜进行多种处理等优点

IV、sol-gel法是通过将含有一定离子配比的金属醇盐和其它有机或无机金属盐溶于共同的溶液中,通过水解和聚合形成均匀的前驱体———溶胶,再经提拉、旋转涂覆、喷涂或电沉积法等将前驱体溶胶均匀地涂覆在基片上,然后烘干除去有机物,最后退火处理得到具有一定晶相结构的无铅压电陶瓷薄膜。

3、压电陶瓷的应用

近年来，随着宇航、电子、计算机、激光、微声和能源等新技术的发展，对各类材料器件提出了更高的性能要求，压电陶瓷作为一种新型功能材料，在日常生活中，作为压电元件广泛应用于传感器、气体点火器、报警器、音响设备、超声清洗、医疗诊断及通信等装置中。它的重要应用大致分为压电振子和压电换能器两大类。前者主要利用振子本身的谐振特性，要求压电、介电、弹性等性能稳定，机械品质因数高。后者主要是将一种能量形式转换成另一种能量形式，要求机电耦合系数和品质因数高。压电陶瓷的主要应用领域如下表所示： 应用领域

主要用途举例

电源

压电变压器 雷达、电视显像管、阴极射线管、盖克计数管、激光管和电子复印机等高压电源和压电点火装置

信号源

标准信号信号源

振荡器、压电音叉、压电音片等用作精密仪器中的时间和频率标准信号源

信号转换

电声换能器

拾声器、送话器、受话器、扬声器、蜂鸣器等声频范围的电声器件

超声换能器

超声切割、焊接、清洗、搅拌、乳化及超声显示等频率高于20Hz的超声器件

发射与接收

超声换能器

探测地质构造、油井固实程度、无损探伤和测厚、催化反应、超声衍射、疾病诊断等各种工业用的超声器件

水声换能器

水下导航定位、通信和探测的声呐、超声探测、鱼群探测和传声器等

信号处理

滤波器

通信广播中所用各种分立滤波器和复合滤波器，如彩电中频率波器；雷达、自控和计算机系统所用带通滤波器、脉冲滤波器等

放大器

声表面波信号放大器以及振荡器、混频器、衰减器、隔离器等

表面波导

声表面波传输线

4、结束语

压电陶瓷是一种重要的功能材料，具有优异的压电、介电和光电等电学性能，被广泛地应用于电子、航空航天、生物等高技术领域。近年来，各国都在积极研究和开发新的压电功能陶瓷，研究的重点大都是从老材料中发掘新效应，开拓新应用；从控制材料组织和结构入手，寻找新的压电材料。特别值得重视的是随着材料技术和工艺的发展，目前国际上对压电材料的应用研究十分活跃，许多新的压电器件，包括过去认为是难以实现的器材也被研制出来了。随着对材料的组成、制备工艺及结构的不断深入研究，更加新颖的压电器件将不断的映现出来。

【参考文献】

[1]张沛霖，钟维烈．压电材料与器件物理[M]．济南t山东科学技术出版社．1994． [2]陆雷、肖定全、田建华、朱建国.无铅压电陶瓷薄膜的制备及应用研究.[3]张雷、沈建新.压电陶瓷制备方法的研究进展.硅酸盐通报.[4]肖定全.关于无铅压电陶瓷及其应用的几个问题.电子元件与材料.2004.材料合成与制备方法论文 压电陶瓷的制备与应用 院系：物理与电子工程学院 专业：材料物理 姓名：李鹏洋

2.压电陶瓷应用研究进展 篇二

1 多孔陶瓷材料的特点

(1)气孔率高。

多孔陶瓷的重要特征是具有中较多的均匀可控的气孔。气孔有开口气孔和闭口气孔之分,开口气孔具有过滤、吸收、吸附、消除回声等作用,而闭口气孔则有利于阻隔热量、声音以及液体与固体微粒传递。

(2)强度高。

多孔陶瓷材料一般由金属氧化物、二氧化硅、碳化硅等经过高温煅烧而成,这些材料本身具有较高的强度,煅烧过程中,原料颗粒边界部分发生融化而粘结,形成了具有较高强度的陶瓷。

(3)物理和化学性质稳定。

多孔陶瓷材料可以耐酸、碱腐蚀,也能够承受高温、高压,自身洁净状态好,不会造成二次污染,是一种绿色环保的功能材料。

(4)过滤精度高,再生性能好。

用作过滤材料的多孔陶瓷材料具有较窄的孔径分布范围和较高的气孔率与比表面积,被过滤物与陶瓷材料充分接触,其中的悬浮物、胶体物及微生物等污染物质被阻截在过滤介质表面或内部,过滤效果良好。多孔陶瓷过滤材料经过一段时间的使用后,用气体或者液体进行反冲洗,即可恢复原有的过滤能力。

2 多孔陶瓷材料的制备方法

2.1 原料的选取

2.1.1 基本原料

(1)赤泥质陶瓷材料

赤泥是铝土矿制取氧化铝过程中产生的红色高含水量的粉泥状强碱性固体废料,可以分为烧结法赤泥和拜耳法赤泥。烧结法赤泥烧失量大,容易形成多孔结构,但烧成温度较窄;拜耳法赤泥较易在低温下烧成,制备的多孔陶瓷材料具有良好的理化性能,但在不添加致孔剂的情况下气孔率不高,因此可以联合使用两种赤泥制备多孔陶瓷材料[4,5]。

(2) 粉煤灰质陶瓷材料

粉煤灰的主要成分是Al2O3和SiO2,与制作陶瓷的粘土类原料相近,粉煤灰的缺陷在于成型性差。熊林[6]制得了气孔率41.52%,体积密度1.14g/cm3,吸水率36.38%的粉煤灰基多孔陶瓷。

(3)淤泥质陶瓷材料

淤泥基本由细小粉粒状颗粒组成,粘结性强、可塑性高、易于成型。但是由于水底地理位置的差异和水流状态的不同,淤泥在深度和广度方向上的化学成分有较大波动,对于产品性能将会有较大影响,故必须考虑进行预处理或添加添加剂以降低化学成分波动带来的不良影响[7]。

(4)硅藻土质陶瓷材料

硅藻土物理化学性能稳定、无毒,能形成高度渗透性的过滤层,故能截留各种杂质微粒,使滤液达到高度澄清。苏雪筠等[8]以硅藻土为主要原料,天然有机细粉为造孔剂,水玻璃为高温粘合剂,经半干压成型、常规烧成,制出了性能优良的硅藻土多孔陶瓷。

2.1.2 添加剂

(1)助熔剂

陶瓷助熔剂的主要作用是降低烧成温度,增加液相,扩大烧成范围,提高坯体的力学强度和化学稳定性。常用的助熔剂有长石、珍珠岩、滑石、蛇纹石、硅灰石、石灰石、白云石等。

(2)增塑剂

陶瓷增塑剂主要作用是提高陶瓷坯体的整体塑性,保证坯体具有一定的强度,使坯体在烧成前保持原有形状。常用的增塑剂有粘性土、木节土、球土等。

(3)粘结剂

粘结剂是指为了提高坯体的强度或防止粉末偏析而添加到陶瓷坯料中的具有粘结作用的添加剂。粘结剂一般选择易于在烧结前或烧结过程除掉的物质,如淀粉、石蜡、羧甲基纤维素、聚乙烯醇等。水玻璃具有较好的粘性,水分挥发后留下的硅酸钠可以作为陶瓷的成分,所以也常被用作粘结剂。

(4)致孔剂

加入致孔剂是为了提高陶瓷的气孔率、扩大比表面积。致孔剂主要有天然有机细粉、煤粉、石灰石、白云石、烧沸石、珍珠岩、浮石等。一般来讲,增加致孔剂的用量可以提高陶瓷的气孔率,但是会引起陶瓷强度下降,因此必须控制致孔剂的添加比例。以石灰石和白云石作致孔剂时,在煅烧过程分解生成的CaO和MgO具有助熔作用,如果在煅烧温度过高、时间过长,会与原料中的部分物质形成玻璃相,填充部分已形成的气孔,降低陶瓷的气孔率[9]。

2.2 制备工艺流程

多孔陶瓷材料的生产工艺一般由粉磨、成型及成孔、烘干和锻烧几部分组成,成型和成孔工艺是制备多孔陶瓷材料的关键,下面进行详细介绍。

2.2.1 成型工艺

(1)手工搓球成型法

手工搓球成型法是一种较为传统的球形陶瓷制备工艺,它不需要专门的设备,工艺简单,但难以控制成球形状和大小,工作效率低,一般适于进行试验研究和小批量生产。吴建峰等[10]以手工搓球的方法制备了体积密度可控,性能优异的可用于水处理的多孔陶瓷滤料。

(2)成球机成型法

成球机成型工艺是工业上常用的成球工艺,成球设备主要有成球盘成球机、单筒成球机和双向循环分级回转式成球机等。成球盘成球机设备简单,操作方便,但成球质量难以控制,并且存在一定程度的污染。单筒成球机主要由筒体和雾化喷水装置组成,其主要缺陷是产品颗粒强度低、粒径差别大、需重新分级、不能实现闭路循环生产[9]。双向循环分级回转式成球机具有双向循环的返料装置,实现成球、增强、筛分一体化,实现了成球生产的均衡性、连续性和高效性,能很好的满足工业造粒的要求。

(3)挤压成型法

挤压成型法是制备多孔陶瓷材料较为常用的一种方法,适宜批量生产,但是要求原料有较大的塑性。Chen等[11]采用高岭土和氧化铝为基本原料,以多种有机物为粘结剂,经单螺杆挤出机挤出形成管状坯料,后经干燥脱水和高温烧结制备出高岭土基多孔陶瓷。

(4)凝胶注模法

凝胶注模工艺利用有机单体的化学反应,使得陶瓷浆料原位凝固形成坯体,可获得微观均匀性好、强度较高、便于加工的素坯。Sepulveda[12]使用该工艺制备的多孔氧化铝陶瓷,弯曲强度高达26MPa,孔隙率高达90%。

(5)生物模板法

生物模板法利用天然生物材料或模拟生物材料本身的组织结构,来仿生制备遗传其组织特点的多孔陶瓷材料,制得的材料具有优越的复杂分级结构和有机/无机界面特性,在高温材料、骨骼移植材料和催化材料等方面具有较强的发展潜力[13]。

2.2.2 成孔工艺

(1)致孔剂法

致孔剂法是利用在陶瓷胚体中添加一定比例的致孔剂,利用致孔剂在胚体中占据一定体积,煅烧过程中致孔剂分解,从而形成孔隙的一种工艺,致孔剂法工艺简单,可以制造结构复杂的多孔陶瓷材料,是较为常见的一种生产工艺。Gregorová等[14]利用罂粟种子和马铃薯淀粉作致孔剂制备出具有孔梯度结构的Al2O3多孔陶瓷,其总气孔率达37.6%左右,开口气孔率可达32.4%左右,86%以上的气孔为开口气孔。

(2)颗粒堆积法

颗粒堆积法也称骨料堆积法或固态烧结法,该方法是以微细粉体为主要原料,利用微细粉体易于烧结的特点,在高温时生成液相并使其相互连接起来。此种方法往往需要在原料中加入助熔剂和粘结剂,并且成孔率不高。Deng等[15]以平均粒径为0.028μm,含3%(摩尔百分比)Y2O3的ZrO2粉体TZ-3Y为原料,压制成坯后在空气中于1100℃~1500℃烧结得到ZrO2多孔陶瓷。Tulyaganov等[16]以氧化铝、菱镁矿石粉、高岭土为基本原料,以碱土金属-铝硅酸盐为助熔剂制得具有孔梯度的堇青石基多孔陶瓷,且其孔隙结构可通过改变烧结时的升温速率进行有效调节。

(3)发泡法

发泡法是通过在原料中添加有机或者无机的发泡剂,利用发泡剂在高温烧制时发生反应挥发成气体,从而在胚体中产生孔隙的一种工艺。该工艺可制备各种孔径大小和形状的泡沫陶瓷,特别适于生产闭气孔的泡沫陶瓷制品。Fuji等[17]将堇青石粉料与作发泡剂的高分子化合物混合制备成浆料,在氮气的氛围中采用机械搅拌的方法使其发泡,并制坯成型,干燥烧结后获得了汽车尾气过滤器使用的多孔陶瓷。Altinkokn等[18,19]将原料配制成悬浊液而非泥浆,巧妙地利用水沸腾产生大量气泡的性质造孔,制备出最大孔隙率为95%的Al2O3/SiC多孔陶瓷。

(4)有机泡沫浸渍法

有机泡沫浸渍法是1963年由美国学者Schwartzwalder等[20]发明的,其原理是利用有机泡沫浸渍陶瓷浆料,干燥后烧去有机泡沫,从而获得具有有机泡沫一次反型结构的多孔陶瓷材料,适宜于制备具有高气孔率、高强度的产品,但是不宜制备具有小孔径闭气孔的多孔陶瓷,且密度难以控制。Tian等[21]将SiC浆料涂覆在平均孔径为1mm的聚氨酯泡沫上,于1800℃烧结制得SiC多孔陶瓷。该陶瓷不但孔隙结构一致、分布均匀、显孔隙率高、密度低,而且具有较高的抗压强度和抗弯强度。

(5)溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法的原理是利用金属醇盐的水解反应、高分子化合物的缩聚反应或者硝酸盐、硫酸盐、氯化物等无机盐的水解反应形成溶胶,并在溶胶的凝胶化过程中,胶体粒子间相互连接形成了网状结构,网状的孔隙中充满了溶液,溶液在干燥、烧结过程中挥发,得到纳米级孔隙,该法是制备具有纳米级孔隙的多孔陶瓷材料的重要方法。赵杰等[22]利用溶胶-凝胶法制备了SiO2透明溶胶,并结合浸渍提拉工艺制备SnO2纳米薄膜,薄膜表面粒子为粒径约5nm的球形,纳米薄膜使基体的比表面积大幅度增大,具有很好的气敏特性。

(6)自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成法(SHS)的优点在于节能高效,利用自身反应热来合成材料,反应时间短,缺点在于反应的速率和试样的烧结尺寸难以控制。张学军等[23]在高压氮气下引发SHS,合成出抗弯强度达430MPa,断裂韧度316MPa·m1/2的Si3N4-SiC-TiN多孔陶瓷。李靓等[24]在SHS 的基础上结合发泡技术创造出一种新方法——自蔓延高温合成喷射法,已成功制备出气孔率为65%孔径为毫米级和微米级的Al2O3-TiB2多孔陶瓷。

(7)冷冻干燥法

冷冻干燥法的原理是将湿态原料在低温下冷冻,使原料中的水分变成固态的冰,然后在真空环境下加热,使冰直接升华为水蒸汽而除去,这样就留下了开口多孔结构,经烧结便得到多孔陶瓷。张跃等[25]以α-氧化铝、聚丙烯酸铵、去离子水和聚乙烯醇为原料制模,冷冻后放入真空环境一段时间得到素坯,再经过高温烧结,制得了具有定向结构的多孔陶瓷材料。Fukasawa等[26]以水为溶剂,制备出同时含有单峰孔(10μm)和双峰孔(10μm和0.1μm)的复合孔结构氧化铝陶瓷。

3 多孔陶瓷材料的应用

3.1 过滤材料

由于多孔陶瓷材料具有较高的气孔率,当滤液通过时,其中的悬浮物、胶体及微生物等污染物质被阻截在过滤介质表面或内部,从来达到了分离净化的目的。李孟等[27]采用改性的陶瓷滤球粗粒化装置处理油田废水,对油的去除率可达90%以上且粗粒化效果明显,有利于随后的油水分离过程。此外,多孔陶瓷材料还可作为生物载体,将具有分解有机物能力的微生物吸附在陶瓷上,用于处理有机废水。

3.2 催化剂载体

由于多孔陶瓷材料具有较高的表面活性和吸附性能,将催化剂负载于多孔陶瓷材料上,可以有效地增加化学反应的接触面积,提高反应速率和转化率,从而提高催化效果。Kašpar等[28]研究的无机分离催化膜,结合了多孔陶瓷材料的分离和催化特性,具有广泛的应用前景和巨大的经济效益。

3.3 吸音材料

多孔陶瓷可通过多孔结构对声波引起的空气压力进行分散,可用作吸音材料,在改善声环境和噪声控制方面发挥着极大的作用。它可以减弱反射声、降低噪音、减少噪音污染,还可以调整声场分布、消除回声、控制反射声。

3.4 保温材料

多孔陶瓷由于气孔率高,使得其密度较小,热传导系数低,从而造成了巨大的热阻及较小的体积热容,使其成为传统的保温隔热材料。闭口气孔可以限制空气在材料中的流动,更利于保温。若将陶瓷内部气孔抽成真空并将气孔封闭,则可制得性能更加优异的“超能隔热材料”,其传热系数仅为硬质聚甲酸乙酯泡沫的千分之几。以陶瓷废料、高温砂、低温砂以及粘土等为原料制备多孔陶瓷建筑材料,材料强度高、密度小,不但可以减轻建筑结构的承重,而且具有良好的保温、隔热、隔音功能[29]。

此外,多孔陶瓷材料也可以用作发光器、传感器、细胞载体[30],还可应用在组织工程学[31]和药物输送系统[32]等方面。

4 多孔陶瓷材料发展前景展望

多孔陶瓷材料凭借其优越的性能已经广泛应用于环保、能源、化工等领域,近年来发展起来的各种陶瓷材料制备方法为制备结构可控、物理和化学性能优良的陶瓷材料提供了基础,拓展了多孔陶瓷的研究思路和应用领域。随着其应用范围的扩大,对多孔陶瓷材料的性能要求也越来越高,特别在孔径、形状的精确控制、热性能与机械性能的提高等方面提出了新的挑战。相信在不久的未来,通过科研工作者的不断努力得到改善,多孔陶瓷材料的研究与应用前景将更加广阔。

摘要：介绍了多孔陶瓷材料的特点,综述了近年来国内外在制备多孔陶瓷材料上的新理论、新进展,对多孔陶瓷的制备工艺,特别是原料的选取、成型工艺和成孔工艺进行了分析,并阐述了其在过滤、催化、吸音、保温等方面的应用。

3.压电陶瓷应用研究进展 篇三

【关键词】碳化硅陶瓷；陶瓷材料；陶瓷烧结；烧结法

0.引言

由于碳化硅陶瓷具有超硬性能，又具有高温强度和抗氧化性好、耐磨性能和热稳定性高、热膨胀系数小、热导率高、化学稳定性好等优点，可制备成各种磨削用的砂轮、砂布、砂纸以及各类磨料，广泛应用于机械制造加工行业。它还可以应用在军事方面，例如将碳化硅陶瓷与其他材料一起组成的燃烧室及喷嘴，这种技术已应用于火箭技术中。同时在航空、航天、汽车、机械、石化、冶金和电子等行业得到了广泛的应用，碳化硅密度居中，硬度和弹性模量较高，还可用于装甲车辆和飞机机腹及防弹防刺衣等。由于碳化硅产品具有操作简单方便，使用寿命长，使用范围广等优点，使碳化硅产品的市场发展前景广阔，因此受到很多国家的重视，一直是材料学界研究的重点，如何制得高致密度的碳化硅陶瓷也是研究者一直关心的课题。目前制备碳化硅陶瓷的方法主要有以下几种方法，由于制备方法的不同，碳化硅陶瓷材料的性能与制备工艺的不同有一定的相关性，本文对碳化硅陶瓷的制备方法及其应用进行了介绍。

1.反应烧结法制备陶瓷与应用

反应烧结法也可称为活化烧结或强化烧结法。需要指出活化烧结和强化烧结的机理有所不同。活化烧结的过程是指可以降低烧结活化能，使体系的烧结可以在较低的温度下以较快速度进行，并且使得烧结体性能得到提高的烧结方法。而强化烧结的过程泛指能增加烧结速率，或强化烧结体性能（通过合金化或者抑制晶粒长大）的所有烧结过程。可见它们的制备机理是存在差异的。反应烧结强调反应，这是一种化学过程，也就是有一种物质变成另外一种物质，例如，在制备碳化硅的过程中，就会在确定的温度下发生Si+C→SiC 的化学反应。这种反应过程就是将碳化硅粉料和碳颗粒制成多孔坯体，然后将多孔坯体干燥后利用马弗炉加热至1450～1470℃，在这样的条件下就可以使，熔融的硅渗入坯体内部与碳反应生成碳化硅。这一机理的探讨源于上世纪七十年代，当时由于世界范围内的石油危机，能源问题对世界各国的经济发展带来巨大的挑战，为了提高内燃发动机的效率，科学家们开始考虑使用高温陶瓷材料替代内燃机的金属部件，这样就可以提高效率。在1973年，英国人KennedyP和ShennanJV等开始了反应烧结制备碳化硅的深入研究[1]，1978年，英国剑桥大学的SawyerGR等人采用扫描电镜、透射电镜、光学显微镜和 X 射线衍射等手段对反应烧结碳化硅的微观结构进行了一系列的定量表征[2]，从碳化硅的制备机理给与了探讨；1990年，日本的LimCB等人研究了反应烧结碳化硅中强度、气孔率与微观结构的关系，随着研究的进一步深入，反应烧结碳化硅产品开始逐步走向商业化。

2.无压烧结法制备陶瓷与应用

无压烧结法是在常压条件，也就是在一个标准大气压的惰性气体气氛中进行烧结。这种烧结可以把粉状物料转变为致密体，这是一个传统的工艺过程。人类很早就开始利用这个工艺来生产陶瓷、粉末冶金、耐火材料、超高温材料等。我国古代就可以制备精美的工艺瑰宝，流传至今。

一般来说，粉体经过成型后，通过烧结得到的致密体是一种多晶材料，其显微结构由晶体、玻璃体和气孔组成。给人类美的享受。它的烧结过程直接影响显微结构中的晶粒尺寸、气孔尺寸及晶界形状和分布。无机材料的性能不仅与材料组成（化学组成与矿物组成）有关，还与材料的显微结构有密切的关系。但这种烧结方法只停留在观赏。在1956年，美国的AlliegroRA等人发现，加入某一物质可以使热压烧结碳化硅中发生促进烧结的作用，此后，实验证实，许多物质如：Al、Fe、Cr、Ca、Ni、Al+Fe、Zr和Mn等能够促进碳化硅的烧结过程。1975年，Prochazka S 等人在碳化硅坯体中加入不同的两种物质，通过无压固相烧结成功制备出碳化硅陶瓷。ProchazkaS等人的实验采用的是高纯的亚微米级β-SiC粉体，并在其中加入少量不同的两种物质，他们的研究结果对无压烧结法的机理带来了重要的影响因素，实验证明碳化硅的坯体通过固相烧结致密化，β-SiC在烧结过程中产生相变并发生晶粒长大，这种晶粒的大小与陶瓷的强度有关。由于碳化硅是高熔点的强共价键材料，这项研究结果报道后引起了许多研究者大量的关注，并且对碳化硅烧结过程的研究论文得到大量的引用。在 ProchazkaS的研究成果发表后不久，人们就发现 加入不同的两种物质对β-SiC的烧结促进作用同样适用于α-SiC。因此，使大部分碳化硅陶瓷产品得到大量应用。

3.液相烧结法制备陶瓷与应用

液相烧结法最早应用在7000年前，那就是古人用粘土烧制砖块。开发液相烧结技术是由爱迪生发明的电灯丝所驱动。碳化硅的液相烧结开始于1975年，LangeFF首次在碳化硅的热压烧结过程中加入了部分氧化铝以促进碳化硅坯体的致密化。当今的利用高新技术广泛采用液相烧结技术制造陶瓷，压电陶瓷，铁氧体和高温结构陶瓷。Al2O3在高温下与SiC粉料颗粒表面的SiO2反应形成液相，成为碳化硅颗粒之间的晶间相，通过液相传质过程使坯体致密化。

与添加不同的两种物质的碳化硅固相烧结不同的是，利用液相烧结过程中需要烧结助剂较少，这种添加剂的添加量通常只有百分之几，尽管用量较少，但在烧结完成后的晶间相中仍然会残留较多的氧化物。因此，液相烧结碳化硅的断裂方式通常是沿晶断裂，具有较高的强度和断裂韧性。ShinozakiSS和SuzukiK等人通过加入质量分数不低于3%的Al2O3，分别采用无压烧结和无压烧结与热等静压相结合的办法，系统地研究了它们的组织和力学性能。通过一系列不同的烧结制度，研究了晶粒生长、密度、强度和韦伯模数（强度分布的模数）的变化情况，并指出了晶粒的纵横比与断裂韧性之间的关系，实现了碳化硅陶瓷微观组织的原位控制技术。

4.结语

碳化硅材料因其优良的性能而得到越来越广泛的应用，不同制备工艺制得的产品性能有一定的差别。反应烧结法具有烧结温度低的优点，但烧结过程中会在坯体中留有部分残余硅，使材料的服役温度下降。液相烧结可以制备出不含残余硅的碳化硅陶瓷，但由于碳化硅的强共价键性，必须在坯体中加入氧化铝等作为烧结助剂形成液相才能使碳化硅坯体致密化。热压烧结、热等静压烧结和火花等离子体烧结碳化硅性能较高，其密度和强度通常要高于无压烧结，但在烧结过程也都需要加入B、C等作为添加剂促进坯体的烧结致密化且生产成本高，不适于制备异型件。可以实现工业化生产，满足工业和工程应用领域对相关材料日益苛刻的性能要求。

【参考文献】

[1]周平，王泌宝，李晓丽，等.碳化硅致密陶瓷材料研究进展[J].中国陶瓷，2012，（4）.

4.压电陶瓷应用研究进展 篇四

摘要：根据陶瓷材料的不同特性及用途对其进行了较为准确的分类，并对各类陶瓷的应用进行了概述。通过对各类陶瓷特性及应用领域的总结，对陶瓷材料未来的发展作出了新的展望，揭示了陶瓷材料的应用方向及发展趋势。一.陶瓷的分类及性质 1.1氧化物陶瓷 1.2非氧化物陶瓷 1.3纳米陶瓷 1.4陶瓷基复合材料 1.5电子陶瓷 1.6热、光学功能陶瓷 1.7生物、抗菌陶瓷和多孔陶瓷 二.陶瓷的生产 三.陶瓷材料的性能特点 四.陶瓷材料的发展趋势和前景 五.结 束 语 六.参考文献

一.陶瓷的分类及性质

陶瓷材料优异的特性在于高强度、高硬度、高的弹性模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗震性、高导热性能、低膨胀系数、质轻等特点，因而在很多场合逐渐取代昂贵的超高合金钢或被应用到金属材料所不可胜任的的场合，如发动机气缸套、轴瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。结构陶瓷可分为三大类：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、陶瓷基复合材料。

1.1氧化物陶瓷

氧化物陶瓷主要包括氧化镁陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化铍陶瓷、、氧化锆陶瓷、氧化锡陶瓷、二氧化硅陶瓷、莫来石陶瓷，氧化物陶瓷最突出的优点是不存在氧化问题。

氧化铝陶瓷，利用其机械强度较高，绝缘电阻较大的性能，可用作真空器件、装置瓷、厚膜和薄膜电路基板、可控硅和固体电路外壳、火花塞绝缘体等。利用其强度和硬度较大的性能，可用作磨料磨具、纺织瓷件、刀具等。

氧化镁陶瓷具有良好的电绝缘性，属于弱碱性物质，几乎不被碱性物质侵蚀，对碱性金属熔渣有较强的抗侵蚀能力。不少金属如铁、镍、铀、釷、钼、镁、铜、铂等都不与氧化镁作用。因此，氧化镁陶瓷可用作熔炼金属的坩埚，浇注金属的模子，高温热电偶的保护管，以及高温炉的炉衬材料等。

氧化铍陶瓷具有与金属相似的良好的导热系数，约为209.34W/（m.k），可用来做散热器件；氧化铍陶瓷还具有良好的核性能，对中子减速能力强，可用作原子反应堆的减速剂和防辐射材料；另外，利用它的高温比体积电阻较大的性质，可用来做高温绝缘材料；利用它的耐碱性，可以用来作冶炼稀有金属和高纯金属铍、铂、钒的坩埚。

1.2非氧化物陶瓷

非氧化物陶瓷包括碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷等。非氧化物陶瓷不同于氧化物陶瓷，在自然界中存在的很少，需要人工来合成原料，然后再按陶瓷工艺制成成品。氮化物、碳化物、硫化物的标准生成自由焓一般都大于相应氧化物，说明生成的氧化物更为稳定。所以，在原料的合成和陶瓷烧结时，易生成氧化物。氧化物原子间的化学键主要是离子键，非氧化物之间一般是键性很强的共价键，因此，非氧化物陶瓷难熔、难烧结。

碳化硅陶瓷共价键性极强，在高温下仍保持高的键和强度，强度降低不明显，且膨胀系数小，耐蚀性优良，可作高温结构零部件。碳化硅陶瓷由于熔点高、硬度大主要用作超硬材料、工具材料、耐磨材料，以及高温结构材料；利用它导热系数高、膨胀系数低的特点，可作导热材料、发热材料等。碳化硅陶瓷主要应用于石油工业、化学工业、汽车、飞机、火箭、机械矿业、造纸工业、热处理、核工业、微电子工业、激光等行业。

氮化物陶瓷种类很多，它包括氮化硅陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硼陶瓷、氮化钛陶瓷等。氮化硅陶瓷具有耐高温、耐磨性，在陶瓷发动机中用于燃气轮机的转子、锭子和涡形管；由于抗震性好、耐腐蚀、摩擦系数小、热膨胀系数小等特点，广泛应用于冶金和热加工工业中。

氮化铝陶瓷可作为熔融金属用坩埚、保护管、真空蒸度用容器，还可用作真空中蒸镀Au的容器、耐热转、耐热夹具等。电绝缘电阻高、优良的介电系数和低的介电损耗，机械性能好，耐腐蚀，透光性强，根据以上特性可用作高温构件、热交换材料、浇注模具材料以及非氧化电炉的炉衬材料等。

氮化硅陶瓷硬度高、熔点高、化学稳定性好且具金黄色金属光泽是一种较好的耐熔耐磨材料，代金装饰材料。在机械加工工业中，在刀具上涂TiN涂层，提高耐磨性。

1.3纳米陶瓷

纳米陶瓷又称纳米结构材料，纳米复合材料是21世纪的新材料。它的研究是从微米复合向纳米复合方向发展，纳米陶瓷材料不仅能在低温条件下象金属材料那样任意弯曲而不产生裂纹，而且能够象金属材料那样进行机械切削加工甚至可以做成陶瓷弹簧。纳米陶瓷可作防护材料、高温材料、人工器官的制造、临床应用、以碳化硅为吸收剂的吸收材料、以陶瓷粉末为吸收剂的吸收材料、以及压电性能的应用。它的应用领域为微包覆、超级过滤、吸附、除臭、触媒、固定氧、传感器、光学功能元件、电磁功能元件等。

1.4陶瓷基复合材料

复合材料是两种或两种以上不同化学性质或不同组织相的物质，以微观或宏观形式组合而成的材料。基于提高韧性的陶瓷基复合材料可分为两类：氧化锆相变增韧和陶瓷纤维强化复合材料。

1.5电子陶瓷

电子陶瓷包括绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷、敏感陶瓷、磁性材料及导电、超导陶瓷。根据电容器陶瓷的介电特性将其分为六类：高频温度补偿型介电陶瓷、高频温度稳定型介电陶瓷、低频高介电系数型介电陶瓷、半导体型介电陶瓷、叠层电容器陶瓷、微波介电陶瓷。其中微波介电陶瓷，具有高介电常数、低介电损耗、谐振频率系数小等特点，广泛应用于微波通信、移动通信、卫星通信、广播电视、雷达等领域。

1.6热、光学功能陶瓷

耐热陶瓷、隔热陶瓷、导热陶瓷是陶瓷在热学方面的主要应用。其中，耐热陶瓷主要有Al2O3、ZrO2、MgO、SiC等，由于它们具有高温稳定性、可作为耐火材料应用到冶金行业及其他行业。隔热陶瓷具有很好的隔热效果，被广泛应用于各个领域。

陶瓷材料在光学方面包括吸收陶瓷、陶瓷光信号发生器和光导纤维，利用陶瓷光系数特性在生活中随处可见，如涂料、陶瓷釉。核工业中，利用含铅、钡等重离子陶瓷吸收和固定核辐射波在核废料处理方面广泛应用。

1.7生物、抗菌陶瓷和多孔陶瓷

生物陶瓷材料可分为生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷，生物陶瓷除了用于测量、诊断、治疗外，主要是用于作生物硬质组织的代用品，可应用于骨科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼科及普通外科等方面。

抗菌材料主要应用于家庭用品、家用电器、玩具及其他领域，家用电器是目前应用最广泛，使用量最大的行业之一。近几年来我国的抗菌材料行业发展很快，在无机抗菌剂、有机抗菌剂、光催化型抗菌剂的产业化及应用开发等领域迅速发展。

多孔陶瓷具有透光率高、比表面积大、低密度、低传导率、耐高温、耐腐蚀等优点被应用于汽车尾气处理，工业污水处理，熔融金属过滤，催化剂载体，隔热、隔音材料等。近几年，多孔陶瓷的应用扩展到了航空领域、电子领域、医用材料领域及生物领域等，已引起全球材料界的高度重视，并迅速发展。

二.陶瓷的生产

(1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合）

普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料）

特种陶瓷（人工的化学或化工原料---各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物）(2)坯料的成形（可塑成形，注浆成形，压制成形）(3)烧成或烧结

三.陶瓷材料的性能特点

众所周知，金属材料(纯金或合金)的化学健大都是金属键，是由金属键和充满其间的电子云所组成，金属键没有方向性．因此金属有很好的塑性变形性能。而作为无视非金属化合物的陶瓷来讲，其化学定是高于健和共价键。这种化学性有很强的方向性和很高的结合能。因此，陶瓷材料很难产生塑性变形．脆性大，裂纹敏感性强。这就是陶瓷材料的致命弱点。但也正是由于它具有这种化学健类型，使结构陶瓷具有一系列比金属材料优异的特殊性能。①高硬度，决定了它具有优异的耐磨性； ②高焰点。决定了它具有杰出的耐热性；

③高化学稳定性．决定了它具有良好的耐蚀性。尽管陶瓷材料有如此优异的特殊性能．但由于其致命的缺点——脆性，因而限制了其特性的发挥和实际应用。因此，陶瓷的韧化使成为世界瞩目的陶瓷材料研究领域的核心课题。(1)硬度 是各类材料中最高的。（高聚物<20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）(2)刚度 是各类材料中最高的（塑料1380MN/m2，钢207000MN/m2)(3)强度 理论强度很高（E/10--E/5）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。（E/1000--E/100）。耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度。(4)塑性： 在室温几乎没有塑性。

(5)韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。

(6)热膨胀性低。导热性差，多为较好的绝热材料（λ=10-2～10-5w/m﹒K）(7)热稳定性—抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220℃）

(8)化学稳定性：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐）(9)导电性—大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO，Fe3O4等）(10)其它：不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低

四.陶瓷材料的发展趋势和前景 4.1纳米陶瓷材料

“纳米”(nm)是一个尺度的度量，1nm=0.000000001m,即10-9 m。纳米材料就是材料中至少有一相的晶粒尺寸小于100nm的材料。纳米陶瓷是纳米材料的一个分支，是指平均晶粒尺寸小于100nm的陶瓷材料。纳米陶瓷除了保持陶瓷耐磨损、耐腐蚀等优良性能外，还赋予陶瓷高的韧性，将彻底改变陶瓷为“易碎品”的形象。纳米陶瓷的烧结性能极佳，其烧结温度比普通陶瓷粉体的低几百度。不少纳米陶瓷已实现在1000℃以下致密化，而且有可能继续降低。低温烧结可以节省能源，有利于环境的净化，还可以用于陶瓷材料的连接，使陶瓷材料的物理化学性能甚至力学性能都保持一致。纳米陶瓷的显微硬度极高。纳米陶瓷在功能方面也有着重要的应用。如纳米氧化锌陶瓷的非线性伏安特性。

4.2.梯度材料

为适应同一时间内不同的使用环境，在同一材料内从不同方向上由一种功能逐步连续分布为另一种功能的材料称为梯度功能材料，简称梯度材料。

4.3.智能材料

同时具备自检查功能（传感器功能）、信息处理功能以及指令和执行功能的材料。它具有自诊断、自调节、自修复等功能。

4.4纳米材料的发展前景

近几十年来，陶瓷材料的应用及发展是非常迅速的，陶瓷材料作为继金属材料、高分子材料后最有潜力的发展材料之一，它在各方面的综合性能明显优于现在使用的金属材料和高分子材料。陶瓷材料的应用前景还是相当广阔的，尤其是能源、信息、空间技术和计算机技术的快速发展，更加拉动了具有特殊性能材料的应用。先进陶瓷材料的制备技术日新月异，世界科学技术的发展令人瞩目，展望未来，纳米陶瓷材料的发展已经取得惊人的成绩，有了重大突破。相信在不久的将来，陶瓷材料会有更好、更快的发展，展示出其重要的应用价值。

五.结 束 语 通过一个学期对新材料的学习，拓展了我的知识面，使我重新认识了不少东西，陶瓷材料的发展，超导材料的用途，高分子材料在各个方面的应用，纳米材料的好处与发展前景，合金的优越性，汽车材料应用前景、研究现状，还有我国材料学的发展状况。所以以后还得在平时的学习生活中多多了解一些有关材料的知识。

5.远红外陶瓷材料功能与应用 篇五

远红外陶瓷以能够辐射出比正常物体更多的远红外线（红外辐射率更高）为主要特征功能。利用这一特殊性能，远红外陶瓷的应用主要分为2个方面：高温区的应用和常温区的应用。在高温区主要应用于锅炉的加热，烤漆，木材、食品的加热和干燥等；在常温区主要应用于制造各种远红外保暖材料，如远红外陶瓷粉、远红外陶瓷纤维、远红外陶瓷聚酯，以及远红外功能陶瓷等。如目前一些远红外陶瓷材料已经开始应用于运动训练康复、燃油炉灶节能、室内空气净化以及人体保健方面。利用远红外陶瓷材料对燃油进行红外辐射，可以使燃油的粘度和表面张力降低，利于雾化和充分燃烧。远红外陶瓷涂料（含纳米氧化钛涂料）具有催化氧化功能，在太阳光（尤其是紫外线）照射下，生成OH-，能有效除去室内的苯、甲醛、硫化物、氨和臭味物质，并具有杀菌功能。各类远红外陶瓷涂料在居室、公共建筑物、交通工具上推广应用，将会改善人们的生活环境。

传统制备工艺

远红外陶瓷材料可以分为红外激光材料、红外透射材料和红外辐射材料。其核心技术是原料的选择、配方的比例以及陶瓷的烧结。

传统的远红外陶瓷材料制作工艺是利用具有远红外辐射性能的无机非金属微粉（又称：远红外辐射陶瓷粉）不同的红外光谱特性，经过一定的工艺成型、烧结而成。

传统的远红外陶瓷粉的制备方法有液相沉淀法和固相合成法2种，其基本工艺如下：液相沉淀法制备工艺：配料→溶解→加表面活性剂→沉淀→过滤水洗→脱水处理→干燥→气流粉碎→性能检测→备用。固相合成法工艺：配料称量→球磨混合→高温合成→磨细→过筛→性能检测→备用。烧结主要采用常规烧结或热压烧结。

例如：以石英、长石、硬质高岭土为主要原料，其制备工艺包括：将原料分别粉碎过筛，将灰色千枚岩、黑电气石、石英等与粘合剂混合、造粒、烘干，烧制成陶粒；稀土等如上步骤烧制成陶粒；将石英、长石、滑石分别煅烧制成熟料；将陶粒粉与熟料等经混合等工艺，烧制成远红外陶瓷。

制备工艺新进展 随着对远红外陶瓷材料研究的进一步深入，有许多更新的制备方法不断出现。如：共沉淀法、水解沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法、微乳液法(反胶束法)等。一些研究者甚至探索出了更新的制备远红外陶瓷超细粉的思路，如高温喷雾热解法、喷雾感应耦合离子法等。这些方法的生产工艺与传统的化学制粉工艺截然不同，是将分解、合成、干燥甚至煅烧过程合并在一起的高效方法，但这些方法尚不成熟，需要进一步的研究和探索。

目前，先进的陶瓷烧结工艺有：气氛加压烧结、热等静压烧结、微波烧结、等离子体烧结、陶瓷自蔓延烧结等。另外，大量先进设备(如XRD 衍射仪、红外光谱吸收仪、热分析仪、扫描电子显微镜等)的应用，使科技工作者对陶瓷的微观结构有了更深刻的了解，促进了远红外陶瓷制品综合性能的提高。

浅 析 光 辐 射 材 料 在 治 理 大 气 污 染 中 的 作 用

[摘要]介绍了远红外光辐射陶瓷材料及用其制成的各种涂料特性及应用，探讨了其节约能 源、降低大气污染的机理，指出远红外光辐射陶瓷材料是人类治理大气环境污染的新途径。

[关键词]光辐射材料;远红外陶瓷;大气污染;燃料;涂料

自然界有无数的远红外辐射源:太阳、星星、城 市、乡村、矿山、河川、湖泊、海洋、洞穴、高山、树木、大气、云雾、建筑物、各种金属及人体，还有人造光辐 射陶瓷材料，它们都能发射出远红外电磁波射线。

远红外陶瓷材料就是一种人造的光辐射源，它 能依据人们所需要的波长而辐射特定波段的光，而 且它们的穿透力强，穿透大气时损耗很少。在保健 医疗各个方面已开发了多种产品，制成的各种远红 外保健衣、救心卡、敷贴布等等商品，用于促进人体 血液循环，调理身体健康，治疗多种慢性疾病，已得 到多方的验证与市场化的推广。它所发出的电磁 波，亦称之为“生命波”，日本人亦有称之为“育成光 线”。这种电磁波仅包含远红外线电磁波中的一小 段，相当于人 体温度对应发射的那段波长，近几年来远 红外陶瓷材料的应用，已延伸到环境保护的多方面。

远红外陶瓷材料用于节能、减轻大 气污染的机理

自然界有无数的远红外辐射源，有效地利用它 们发射出的远红外电磁波射线，激活燃料，使其分 散、雾化而提供最佳的燃烧气氛，以实现燃料的充分 燃烧，节约燃料，降低污染物向环境的排放，直接关 系到是否节能与减轻环境污染的重要问题。

红外线电磁波射线都是由物质内部的运动变 化，如分子、离子和原子等的转动、振动、电子跃迁等 的辐射而产生。绝对温度高于 0k(-273.15)的 物体都能产生红外辐射。基于物质内部结构中存在 非对称性的电荷，其电荷电中心不重合所形成偶极 距分子中的原子，受到环境中能量的激发而伸缩振 动或转动，成为远红外辐射的电磁波。对陶瓷材 料而言，其中组成分子结构中的多原子分子在振动 时，改变分子的对称性而使偶极距发生变化的那种 振动方式，就会吸收红外线，在红外光谱中产生吸收 带，这种振动方式被称为是“红外活性”。但振动过 程中偶极距不改变，即偶极距经常为零的振动方式 被称为是“非红外活性”，虽然分子可按这种方式振 动，但由于它周围的电磁场不产生任何干扰或影响，结果就不产生红外发射和吸收。振动过程中产生的 偶极距变化越大，或组成分子的原子电负性相差越 大，振动过程中的偶极距变化也就越大，红外吸收带 就越强，发射的电磁波就越强。

远红外陶瓷材料产生的电磁波对燃料辐射的强 弱，与材料辐射的波段、强度(照射深度)、能量转化 效率和温度有关，当其发射的辐射波长范围与被辐 射体吸收波长完全匹配而产生共振并在振幅增加 时，才能使燃油吸收的辐射能达到最大的利用效果。

燃油是包括一系列的碳氢化合物液态燃料(燃 煤也是可转化为气态的碳氢化合物，在燃烧炉中才 进行燃烧反应)，在燃油中的分子具有碳链结构，各 分子之间是处于团聚和一种相互“缠绕”的状态，因 而通常表现为具有一定的粘度，影响它在燃烧时雾 化和蒸发。燃油选用那个波段的波长，应以其吸收 特性在标准光谱图上吸收的区间为准(在特定工作 温度下)。但当它们的分子吸收带与远红外陶瓷材 料所发射的辐射波段相匹配，产生共振，随即燃油分 子吸收了红外辐射能，分子的活化能降低，运动加 剧，分子链很快地“伸展”开来，分子结构发生变 化，使碳链断裂，由大分子变成小分子，分子间凝聚 力减小，宏观表现为燃油吸收红外辐射能后粘度和表面张力降低，变得容易蒸发，从而使燃油的雾化和 蒸发量提高。因此，燃油分子处于细微化的活跃状 态进入燃烧室，与空气充分混合，从而使燃烧充分，污染物排放量减少，因而达到节油及减轻污染的 目的。远红外光辐射陶瓷材料用于制备各 种环保涂料

在用于环保涂料方面，新型光辐射材料的发射 率，是各种远红外陶瓷材料单体发射的光谱的叠加，取决于辐射源的实际工作温度，视被辐射体的光谱 特性及其工作环境等具体情况而定，不是发射率越 高越好，只有选择性与被辐射体相互匹配的波段，才 能充分发挥辐射源的效率，减少被辐射物吸收无效 辐射能造成的损耗。因为各种类型环保涂料功能不 同，如室内、外空气净化，改善环境小气候，养身保健 等，所选用的波段应有所区别。对室内、外空气净 化，只有选定与污染物的波段相匹配时才能有效降 解它们，达到净化空气的目的。

有些无机光催化材料仅需要在温度和湿度的作 用下，即使在缺乏光照(指紫外线、可见光波段)的环 境中也能产生远红外辐射，对污染物进行降解，它只 是通过物理吸附、化学吸附、离子吸附和分解，产生 强氧化剂,就足以消除有害物质的污 染，使得在阴暗的环境中达到降解污染物、净化环境 的目的。这与通常所说的光催化反应除污的作用原 理有所不同。

电气石就是其中的一类。它是 20 世纪 90 年代 末发现的可用于环境净化的多元素天然矿物，是以 含硼为特征的 的环状结构硅酸盐 矿物。目前，人们已利用电气 石自身发射远红外射线及热差变化所产生正负电磁 场的物理效应来净化环境，降低大气中有害离子对 人体的危害，增加空气中的负离子成分，活化人体机 能，提高人体健康水平。在环保、医疗、日用化工、建 筑装潢、水处理、空气净化以及屏蔽电磁辐射、隐蔽 目标等领域，电石气也已得到应用。

另一类环保涂料是利用了多波段光催化陶瓷材 料。该材料除了含有远红外波段外，并有红外、可见 光或微量自然辐射物，是在主要组分中加入少量稀 土氧化物和微量过渡金属氧化物，提高远红外陶瓷 粉体材料晶格振动活性，而具有激活催化作用，从而 显著提高远红外陶瓷粉的全辐射发射率。这种多波 段光催化材料的电性极化现象，可以电离空气中的 水分子，达到释放羟基负离子降解污染物的效果。由于其大大利用了太阳光全波段能量，又增强了远 红外光谱的能量，从而提高了净化环境的效果。

如具有空气净化功能的外墙涂料(包含有纳米 级二氧化钛的环保涂料)，可在阳光的辐射下，尤其 是在紫外线的辐射下(辐射波段 200～ 780nm)，使 稀土氧化物固体表面生成空穴和电子。如烃类、苯、甲醛、硫化物、氨等，并具有除 臭、杀菌功效，能与那些有毒有害气体反应生成无害 的物质。

由于太阳光的热大部都集中在 200～400nm 波长范围内，能量密度最高的是波长为425nm的阳光，而能量的绝大部分都存在于波长短于 150nm 的太阳光之中。因此，为了最有效地吸收太阳 能，就必须对波长短于 150nm 范围内的太阳光具 有最大的吸收率，来提高光辐射的利用效率。

这种多功能触媒环保涂料适用于新建筑物和房 屋装修的除臭和杀菌外，还适用于影剧院、会议厅、夜总会、幼儿园、学校、写字楼、宾馆等公共场所的防 臭、除臭、防霉、杀菌和改善空气质量，大大减轻人们 抽烟对环境造成的污染。对于轿车、公共汽车、火 车、飞机等交通工具，它能净化由人体臭气或抽烟所 形成的污浊空气，并且能够防霉去霉。在家居环境 里，它能清除宠物和洗手间残留不去的臭味,同时发 挥杀菌防病的功能，并可用于降低交通干线上车辆 尾气的污染。

结语

光辐射材料是一种取之不尽的能源，是人类发 展，保护环境、治理环境所寻找的清洁能源。人类面 对的问题是要在自然界无数辐射源照射下繁衍、发 展、创新，人类活动给这个环境所带来新的污染物与 自然界存在的那些污染物、有危害的污染源，都有待 时日的推移，考核其是否在有效地自然降解。

6.钙质废料在陶瓷生产中的应用研究 篇六

关键词：钙质,废料,钙长石,陶瓷,抗折强度

0引言

传统陶瓷工业中应用范围宽广的组分是粘土、长石和石英的混合物,三组分瓷烧结后所得到的相通常是玻璃、莫来石和石英[1]。石英和莫来石垂直于c轴的热膨胀系数分别为14×10-6/℃和4.5×10-6/℃,平行于c轴的热膨胀系数分别为9×10-6/℃和5.7×10-6/℃,这致使陶瓷在烧成过程中,两相之间会产生应力,有时在晶界上还会引起裂纹或破裂。适当减少瓷坯中石英相含量, 向体系中引入与莫来石平均热膨胀系数(5.3×10-6/℃) 相差较小的钙长石(4.82×10-6/℃),均有利于提高陶瓷的力学性能。

钙长石相同其它高强度晶相复合时,可以降低产品烧成温度、优化产品性能[2,3,4,5,6,7,8]。M.U.Taskiran[9]等人以硅灰石、煅烧氧化铝、石英、乌克兰球土和氧化镁作为原料,在1200 ~ 1225 ℃烧成温度下得到以钙长石、方石英和刚玉为主晶相的瓷坯,抗折强度可达110 MPa。 Shanjun Ke[10]等人以球土、石英、矾土以及不同钙源物为原料在最佳烧成温度下(1200 ℃、1215 ℃和1230 ℃) 制得了以钙长石、刚玉和镁铝尖晶石为主晶相的日用瓷, 最大抗折强度接近110 MPa。

本文以工业生产过程中产生的钙质废料作为钙源, 添加到陶瓷坯料中,制备出以钙长石、莫来石和石英为主晶相的日用瓷,提高了陶瓷性能,降低了陶瓷烧成温度。 在此基础上,本文研究了在不同烧成温度下,晶相组成和显微结构对陶瓷性能的影响规律。

1试验

1.1试验原材料

试验原材料的主要成分见表1。陶瓷坯料由广东昌隆陶瓷股份有限公司提供,过80目标准筛 ;钙质废料为广州某工厂所提供。

1.2样品制备

向陶瓷坯料浆料中掺入5% 钙质废料,混合均匀, 经过干燥、造粒、过100目筛、干压成型后,在设定温度下烧成,高温保温时间3 h。

1.3表征方法

采用荷兰Panlytical公司的X’pert PRO X射线衍射仪测定样品的x射线衍射谱,对样品进行物相分析。 测试条件为 : Cu靶 / 石墨单色器,测试步长为0.003 °, 工作电压为40 KV,工作电流为30 m A,扫描角度为5 ~ 90 °。

将样品在3%HF酸中浸泡4 h, 用蒸馏水 冲洗浸蚀面后, 在烘箱中烘干。 采用荷兰FEI公司Nova Nano SEM 430型场发射高倍电子显微镜对处理好的样品进行测试,观察样品的显微结构。

2结果与讨论

2.1实验结果

按照国家标准GB/T 3299-2011(煮沸法)测定样品吸水率,根据国家轻工行业标准QB/T 1642-2012测定样品显气孔率,采用3点抗压法测量陶瓷样品的抗折强度。测试结果见表2。

注 :I1:原坯料烧结后的样品 I2:掺入 5% 钙质废料的坯体烧结后的样品

由表2可知,在1160 ~ 1260 ℃烧成温度下,样品I2的显气孔率和吸水率均小于样品I1,抗折强度远大于样品I1,烧成收缩略大于样品I1;当烧成温度为1210 ℃ 时样品I2性能最佳,显气孔率和吸水率分别为0.13% 和0.08%,抗折强度为125.2 MPa,烧成收缩为11.52% ; 烧成温度超过1210 ℃后,样品I2的性能略有下降。样品I2在1180 ~ 1260 ℃烧成温度下的性能优于样品I1在1320 ℃烧成温度下的性能。但在样品I21320 ℃烧成温度下变形。以上研究表明,向坯体中添加钙源可保持瓷坯的良好性能,同时又能降低烧成温度,但烧成温度不宜过高。

2.2结果分析

2.2.1样品的XRD图谱分析

图1为原坯料样品在不同烧成温度下的XRD图谱,在1160 ~ 1260 ℃烧成温度范围下,石英相衍射峰均比较尖锐且强度高,莫来石的特征衍射峰强度较弱 ; 在1320 ℃烧成温度下,石英相衍射峰强度有所减弱 , 莫来石相衍射峰强度略有增加。图2为掺入5% 钙质废料坯体在不同烧成温度下所得样品的XRD图谱,在1160 ~ 1260 ℃烧成温度下,随着烧成温度升高,钙长石相和石英相衍射峰强度逐渐减弱,莫来石相衍射峰强度逐渐增强,玻璃相的漫射峰有一定程度的增强。说明在1160 ~ 1260 ℃烧成温度下,原坯料烧结后的瓷坯以残余石英相为主晶相,含有较少的莫来石晶相 ;向原坯料中引入钙质废料,有利于低温下钙长石相的生成,瓷坯中以钙长石、 莫来石和石英为主晶相。

2.2.2样品中主晶相的转变分析

为了进一步确定掺入5% 钙质废料坯体烧结后的样品中主晶相含量与烧成温度的关系,利用Maud软件, 采用Rietveld法对XRD衍射数据精修后拟合计算出各个物相的相对含量。物相的晶体学结构 *.cif文件分别为石英 (ICSD#34636)、莫来石 (ICSD#66448)、钙长石(ICSD#86320)。同时为了尽可能地减少玻璃相对晶相含量测试结果的干扰,选择25 ~ 50 °的扫描曲线,结果如表3所示。

从表3中可以看出,在1160 ~ 1260 ℃烧成范围内,石英相随着温度的升高逐渐减少,钙长石 / 莫来石两相总含量则随温度升高不断增加,且钙长石相逐渐减少,莫来石相快速增加。相对于样品在1160 ℃烧成温度下的晶相相对含量,在1260 ℃烧成温度下,钙长石减少了59.44%,石英减少了62.78%,而莫来石增加了131.33% ;相对于原坯料在1320 ℃烧成温度下的晶相相对含量,含钙质坯体烧结样品在1160 ℃烧成温度下,石英减少了38.76%,钙长石和莫来石两相含量之和增加了62.11%。

结合XRD图谱分析,以上结果的产生可能有两方面的原因。一方面钙质废料使体系中钙源增加,促进了钙长石的生成,同时钙长石的生长需要硅源,可能消耗了一定量的石英 ;烧成温度升高时,钙长石熔融,增加了玻璃相含量,加快了莫来石的形成。当温度过高时, 玻璃相大幅度增加,导致瓷坯变形。

2.2.3烧结样品断面的SEM分析

原坯料在1320 ℃烧成温度下的样品显微结构见图3a,图中针状莫来石含量较少并且分布不均匀。对于含钙质坯体样品,当烧成温度为1210 ℃和1235 ℃时,样品中有大量针状结构晶体交联在一起(见图3b,3c),分布比较均匀,石英含量较少 ;当烧成温度升至1260 ℃ 时,样品中针状结构晶体减少,棒状结构晶体增多。结合XRD图谱以及精修分析可知,含钙质样品烧结的瓷坯中以针状结构交联的晶体为莫来石 / 钙长石复相结构, 这种结构在一定程度上增加了瓷坯中微裂纹扩展的阻力, 比单一针状莫来石的显微结构更有利于瓷坯力学性能的提升 ;随着烧成温度的升高,钙长石相逐渐减少,针状交联的莫来石 / 钙长石复相结构逐渐被条状的莫来石所代替,从而使瓷坯的力学性能有所降低。据此,含钙质废料坯体的烧成温度控制在1210 ℃和1235 ℃时效果最佳。

(a :原坯料烧结后样品 b ~ d: 含钙质废料坯体烧结后的样品)

3结论

(1) 掺入5% 钙质废料坯料在1210 ℃和1235 ℃烧成温度条件下,样品的性能最佳,吸水率分别为0.08% 和0.1%,抗折强度分别为118 MPa和125.2 MPa,优于原坯料1320 ℃烧成温度下的样品。

(2) 在1160 ~ 1260 ℃烧成温度范围内,含5% 钙质废料坯体烧结样品中有钙长石相生成,莫来石相显著增多,石英相显著减少,瓷坯的晶相组成得到了优化。

(3) 在1210 ℃和1235 ℃烧成温度下,呈针状交联的莫来石 / 钙长石复合主晶相优化了材料的显微结构, 增加了裂纹扩展的阻力,使样品的抗折强度大大提高。当烧成温度升至1260 ℃时,含5% 钙质废料坯体烧结样品中钙长石相减少,大部分针状交联的莫来石 / 钙长石复相结构被棒状莫来石替代,样品的吸水率有所升高,抗折强度降低。在1320 ℃烧成温度下,含钙质废料的坯体变形。

7.压电加速传感器应用电路分析 篇七

【关键词】压电加速传感器；测量电路；应用电路

0.引言

在现代工业和自动化生产中，需要大量非电物理量的测量以及过程控制，其中涉及到大量动态测量问题，压电加速传感器利用压电效应，可以有效的测量加速度、压力、力等参数，被广泛应用于现代工业和自动化生产中，但压电加速传感器所产生的电荷量很小，如果采用一般测量电路工作，输入阻抗过小会造成电阻迅速泄漏产生测量误差，因此必须有与之配套的测量电路，才能保证压电加速传感器的工作可靠性。目前一般采用电荷放大器作为压电加速传感器的测量电路，但这种电荷放大器电路较为复杂，性价比不高且稳定性不强。下面，本文拟采用TL081运放芯片优化压电加速传感器的测量电路，以简化电路降低功耗，降低压电加速传感器测量电路的制作与调试成本，促进压电加速传感器的推广运用。

1.压电加速传感器的电输出特性

1.1晶体压电效应

某些晶体在受到外力作用时，其内部产生极化现象并在表面产生相反的电荷，当外力消失后又会回复至不带电状态，外力作用方向发生变化时，所产生电荷极性会随之改变，同时所产生的电荷与外力大小成正比关系，这种现象称为压电效应，压电加速传感器正是利用晶体的这种压电效应作为转换原理进行工作的自发式传感器。

1.2压电加速传感器的工作原理

压电加速传感器的结构可以简化为质量块、压电元件、支座三个部分，支座直接与待测物刚性固定，待测物运动时支座会与待测物一起运动，处于中间的压电元件因质量块和支座的原因，受到惯性力的作用而在晶体表面产生交变电荷。在振动频率处于一定范围时，该电荷的大小与作用力成正比。电信号经放大器放大后，即可利用一般的测量仪器来测量电荷的大小，再对比转化为物体加速度。

1.3压电加速传感器的测量电路

由于压电加速传感器内阻很高，所产生的电信号十分微弱，很难直接对该电信号进行显示和记录，必须进行阻抗变换和信号放大处理。目前，一般采用增加前置放大电路的方法，一方面将微弱的电信号方大， 另一方面将高阻抗变为低阻抗。由于压电传感器的等效电路有电压输出和电荷输出两种，因此前置放大电路也有电压放大和电荷放大两种。电压放大器将高阻抗变为低阻抗，同时将电压信号放大；电荷放大器则是将输出电压正比于输入电荷。

2.电荷放大器电路分析

2.1电荷放大器基本原理分析

压电加速传感器测量电路中所使用的电荷放大器，实际上是一种负反馈放大电路，通过电荷放大器，能获得同输入电荷成比例的输出电压，将高内阻电荷源转化为低内阻电压源。电路输入电缆长度和运算放大器频响都会对电荷放大器的频率上限产生影响，如果输入电缆过长，将会增加杂散电容和导线自身电阻，从而对放大器的高频特性产生不良影响。

2.2电荷放大器电路分析

电荷放大器一般包括电荷转换元件、适调放大器元件、滤波器、过载指示器、稳压电源等几个部分。电荷转换元件是电荷放大器的核心元件，将压电传感器的电荷信号转化为电压信号，在理想情况下电荷转换元件部分电路的输入电阻应当达到无穷大。目前所采用的集成高阻输入级运放，其输入阻抗已经可达1012Ω，有效降低了场效应管的需要，极大的简化了电荷转化元件。T1081芯片输入阻抗为1012Ω，同时还集成了内部调零电路，能有效的满足电荷转换元件输入电阻的需要，可以有效的提高电荷转换电路集成度，并降低系统成本。不过，为了保证测量精度，其反馈电容的精度必须保证在0.5%以下，一般采用精密聚苯乙烯电容。

2.3电荷放大器噪音干扰和漂移分析

电荷放大器对噪音干扰极为敏感，其主要干扰源主要存在于分布电容耦合至输入端，以及电缆引入线。当50赫兹市电通过分布电容耦合至输入端以及电缆引起入线时，会产生极大的干扰信号，因此必须在电荷放大器输入端做好屏蔽以等效交流干扰源。此外，电荷放大器对漂移也极为敏感，电荷放大器的漂移主要来源于输入电路存在的失调电压和失调电流，在构建电路时，一般在放大器级间增加隔真电容，以减少直流漂移，最终实现电荷放大器的零漂移。

2.4电荷放大器低通滤波元件分析

压电加速传感器实际上是一个阻尼振动系统，其高频段存在一个极高的共振峰，会造成高频噪声，使输入信号失真并形成干扰。为了避免高频噪声所造成的信号失真和干扰效应，需要在电荷放大器中增加低通滤波器，从而补偿高频幅频。此外，不少系统的电荷放大器设计通频带一般都高于实际需要，无用的高频频带也会对低频测量带来负面影响，利用低通滤波器可以使无用高频分量衰减，而让低频交流分量顺利通过。目前所使用的滤波器有LC和RC两类，无源RC线路简单，具有较好的抗干扰性，低频范围工作性能较好，但其阻抗频率的谐振性能较差，在使用中需要增加运算放大器等有源元件构成有源RC低通滤波系统。

2.5输出放大电路分析

输出放大电路包括高通滤波和同相电压放大两部分，在电荷转换时电路直流放大倍数极大，使得输出零点跳动增加，同时还存在直流漂移的影响，因此必须在低通滤波系统后面增加一个高通滤波系统，以减去直流漂移的影响。但增加了高通滤波系统后信号会产生衰减，同时整机的增益还需改变，因此还需要在高通滤波系统后面增加同相电压放大器，以保证输出信号与压电加速传感器输出信号同相位。

2.6稳压电源和过载指示电路分析

在压电加速传感系统中，需要先将军220V市电转化为了20V交流，再将20V交流进行整流，最终再将整流的电压接入作为供电电源。为了避免整流后的直流电压纹波电压的影响，需要在电源端接入滤波电容，以避免纹波电压的干扰。过载指示电路则是为了监视电荷放大器的工作状态，当电压过载时发出指示信号。

【参考文献】

[1]陶玉贵.压电加速度传感器测量电路研究[J].科技视界，2011（02）.

[2]王兴举，李进盟.压电式传感器测量电路的性能分析[J].传感器世界，2007（05）.