特种陶瓷分类和用途

特种陶瓷又称精细陶瓷，按其应用功能分类，大体可分为高强度、耐高温和复合结构陶瓷及电工电子功能陶瓷两大类。在陶瓷坯料中加入特别配方的无机材料，经过1360度左右高温烧结成型，从而获得稳定可靠的防静电性能，成为一种新型特种陶瓷，通常具有一种或多种功能，如：电、磁、光、热、声、化学、生物等功能；以及耦合功能，如压电、热电、电光、声光、磁光等功能。目前特种陶瓷已广泛应用到各行各业，下面我们来细分下特种陶瓷分类和主要用途:

（1）纳米陶瓷： 

它是指晶粒尺寸，晶界宽度，第二相分布，缺陷尺寸均在100nm以下,并具有纳米材料固有特征的陶瓷材料。必须指出，即使采用纳米粉料，坯体在烧成过程中往往发生晶体迅速成长，甚至出现二次重结晶等问题，结果导致产品已不是纳米陶瓷，而是微米陶瓷，因而失去了纳米材料的固有特性，也就不能称为纳米陶瓷.另一方面近来许多报道表明，一旦获得纳米陶瓷，将可望克服陶瓷材料的脆性，而且有显著的超塑性和高强度。 

（2）陶瓷分离膜： 

它是一种固态膜，主要有两部份构成，即膜支撑体及多孔膜。支撑体广泛采用含铝量高的氧化铝陶瓷。多孔膜主要由AL2O3，ZrO2，TiO2和SiO2等为主体构成。一般分离膜孔径为：2~50nm，有时达微米级，其品种，规格日趋多样化。分离膜通常具有化学稳定性好，能耐酸，耐碱，耐有机溶剂，机械强度高，耐磨性好，可反向冲洗；抗微生物能力强；耐高温；孔径分布范围窄，分离效率高等特点。目前许多产品已在废水处理、果汁生产、固液分离等方面获得应用，可望在环境工程，石油化工，生物工程，冶金工业及纳米粉料制备等众多领域获得广泛应用，市场前景颇好，社会经济效益显著。当前陶瓷膜分离技术发展迅速，正向着介孔膜及气气分离膜方向发展。 

（3）仿生复相陶瓷： 

为克服陶瓷材料的脆性，提高其韧性，国内外许多科学家们从对天然生物材料如竹，贝壳等的结构特征所进行的判析中得到启示，从而进一步对结构陶瓷的材料设计，制备工艺等多方面进行了研究。果然，获得了某些仿生复相陶瓷。主要技术措施有纤维、晶须补强，颗粒弥散，自补强（原位生长），多相补强以及表面改性等。例如，YTZP陶瓷材料，室温强度已达2000mpa以上，KIC已超过15，达到了可与某些金属材料比较的强度。又如，SiC陶瓷通N2形成Si3N4表面层，使强度和断裂韧性均有明显提高。总之复相特种陶瓷材料所具有的高强度，高耐磨性等特点，在高科技领域中的应用已取得显著效果，已成为结构陶瓷研究热点之一。 

（4）基板材料 

目前国内外主要采用Al2O3陶瓷作为集成电路基板材料，然而随着电子元器件向高性能、高密度、大功率、小型化、低成本方向发展，迫切希望采用高导热系数陶瓷基板，理论上最适宜的候选材料有金刚石（C）、立方氮化硼（BN）、氧化铍（BeO）、碳化硅（SiC）和氮化铝（AlN）等。由于AlN导热系数高达250W·m-1·K-1，虽比SiC及BeO略低，但比Al2O3略高8~10倍，其体积电阻率，击穿强度，介电损耗等电气性能可与Al2O3瓷媲美，且介电常数较低，机械强度也较高，热膨胀系数为4.4ppm/℃，接近于Si可进行多层布线。可以认为是最佳候选材料之一。目前日本德山曹达、东芝及美国一些公司已开始相当规模的应用，AlN陶瓷年总产量已逾千吨。国内目前AlN基板尚处于起步阶段，主要基本指标导热率大都在130~180 W·m-1·K-1。一些研究单位科技攻关产品性能已接近国际水平，但高性能、批量化、产品一致性和低成本化等方面的问题尚有待进一步解决。 

（5）电阻基体材料 

电阻是电路的基本元件，应用面广，需求量大。一般碳膜、金属膜电阻技术含量较低，产品价值不高，单件产品为微利，由于原材料、劳动力、能源等因素，目前国际市场有一定销路，但国内市场，价格竞争激烈。另一方面，高性能、超小型、大功率、高稳定性新型片式、无感电阻国内外市场广阔，具有良好的社会经济效益，由于技术和装备方面的问题，目前我国尚处于起步阶段。 

（6）电容器陶瓷介质材料 

近年来主要发展趋势是寻求大容量、小尺寸、高可靠、低价格的陶瓷电容器。与传统BaTiO3基介质材料相比，为提高介电常数和改善性能，出现了复合钙钛矿型材料。值得指出的是利用半导体p-n结的原理发展起来的晶界层电容器（GBLC）的出现，其视在介电常数较常规瓷介电容器的介电常数提高数倍至数十倍。以SrTiO3为基的晶界层电容器具有高介电常数，低介电损耗，低温度系数以及色散频率较高等优点，是最有发展前途的瓷料之一。目前，国内少数厂家已进入批量生产，然而在高性能、高合格率方面尚存在一定差距。可以相信，晶界层多层电容器（GBMLC）瓷料的出现将使电容器向小型化方向发展取得重大突破。 

（7）压电陶瓷材料 

压电陶瓷是实现机械能与电能相互转换重要的功能材料，广泛应用于音响设备、传感器、报警器、超声清洗、医疗诊断及通讯等许多领域。一般压电陶瓷材料为锆钛酸铅（PZT）系，有的瓷料中氧化铅含量高达60~70%左右，由于生产过程中产生的粉尘及烧结过程中的铅挥发，这不仅给工艺和产品质量稳定带来诸多问题，而且给生态环境和人类的健康带来危害，研究新型无铅压电陶瓷以减少对环境的污染己成为一项十分紧迫的任务。 

1961年前苏联学者Smolensky等人发现钛酸铋钠（Bi1/2Na1/2）TiO3，简称BNT为钙钛矿型（ABO3）铁电体。其居里点为320℃。极化困难限制其实际应用，直到80年代末，90年代初日本学者Takenaka等人用Ba++ 对Bi1/2Na1/2 进行A位置换，出现了BNT－BaTiO3系，即BNBT系压电陶瓷，解决了BNT难以极化问题；获得频率常数高，介电常数较小，具有很大各向异性的新体系。可望在超声领域中获得应用，近年来国内外一些学者大都以BNBT系为基进行改性研究，并已取得某些进展，然而寻求无铅高性能压电陶瓷新系统取代传统的PZT系统决非易事，还有许多工作要做。 

（8）微波陶瓷介质材料 

自从1971年Masse等人首次提出采用四钛酸钡（BaTi4O9）作为微波陶瓷介质材料以来，随着现代通讯技术的不断发展，尤其是移动通讯向着高可靠，小尺寸方向发展，对材料的要求越来越高。为满足不同用途的要求，微波陶瓷介质材料种类有很多。主要有：TiO2；2MgO·SiO2；Al2O3；MgTiO3；BaTi4O9；BaTi9O20；(Zr,Sn)TiO4；Ba(Zr,Ti)O3；MgTaO3；BaO-ZnO-Nb2O5-Ta2O5；（Ca,Sr,Ba）O-ZrO2；BaO-TiO2-SnO2-Ln2O3等系统。无论哪种系统，一般都希望微波陶瓷材料具有适宜的介电常数ε，尽可能高的品质因素Q0，尽可能低的频率温度系数τf，最好~0ppm/℃。我国目前通常按介电常数分为：低介ε≤20；中介ε~40；高介ε~100三大类。必须指出，高性能微波陶瓷的技术含量高，研制难度大，尤其是精确测定微波频率下的Q0。随着科学技术不断进步，使用频率越来越高，从几百兆正向着数十兆方向发展，近期可望达~40G。国际上美国已完成ε从2~250系列化研究工作，日、俄、德、法等少数国家已掌握高性能微波陶瓷的生产技术，由于技术垄断和保密等原因，微波陶瓷元器件的售价昂贵。当前为满足移动电话、汽车雷达、卫星通讯、全球定位系统、射频控制、基地站等民用及军工技术对微波陶瓷元器件日益增长的需要，在微波陶瓷材料取得进展的基础上，进一步研究开发高性能同轴谐振器、柱状、环状谐振器、补丁天线等微波陶瓷元器件已提到重要议事日程。 

（9）热敏陶瓷材料 

热敏陶瓷材料主要包括负温度系数（NTC），正温度系数（PTC）及具有临界温度的负温度系数（CTR）三大类材料。前两类热敏电阻应用最广，相对来说NTC热敏电阻已有相当大的生产规模，技术也较完善，PTC热敏陶瓷用途极为广泛，产品品种繁多，性能方面与国际水平的主要差距表现为高性能、稳定性、一致性等诸方面.这些差距正在缩小，为克服高温PTC材料含铅污染环境的缺点，NiO-ZnO-TiO2系新材料已经闻世，加热温度已达290℃，可望在温度传感，加热及控制等方面获得应用。

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