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1、第四章 无机非金属材料第一节 陶瓷概述 第二节 普通陶瓷材料 第三节 结构陶瓷材料 第四节 功能陶瓷材料 第五节 无机建筑材料功能陶瓷材料n功能陶瓷材料是指 具有电、光、磁及 部分化学功能的多 晶无机固体材料， 其功能的实现主要 来自于它所具有的 特定电绝缘性、半 导体性、导电性、 压电性、铁电性、 磁性、生物适应性 。功能陶瓷材料n电子陶瓷的功能特点及应用陶瓷离子导电原理压电陶瓷工作原理n生物陶瓷的功能特点及应用电子陶瓷n陶瓷固体电解质稀土化合物固体电解质稀土化合物作稳定剂的固体电解质稀土化合物作掺杂剂的固体电解质稀土离子交换的固体电解质n压电陶瓷n光电陶瓷n电光陶瓷陶瓷固体电解质 n陶瓷固
2、体电解质：是处于固体状态而能像液体 （酸、碱、盐在溶解和熔融状态下）那样发生 离子快速迁移、具有离子导电性的陶瓷材料， 又称陶瓷快离子导体n用途：能源、冶金、环保、电化学器件等领域 ，比如，ZrO2高温燃料电池，-Al2O3钠硫电池 等等陶瓷固体电解质n稀土化合物固体电解质n稀土化合物作稳定剂的固体电解质n稀土化合物作掺杂剂的固体电解质n稀土离子交换的固体电解质1 稀土化合物固体电解质n它是具有快离子导 电性的稀土化合物 ，是氧离子或氟离 子导体。n稀土化合物氧离子 导体的代表 CeO2 萤石结构1 稀土化合物固体电解质n在CeO2中引入低价阳离子氧化物 作为稳定剂将立方萤石结构稳定到低温作为
3、掺杂剂氧离子通过这种缺陷结构进行传导，从而改善 了CeO2的氧离子导电性缺陷反应方程式1 稀土化合物固体电解质n另一类氧离子导体是三价稀土氧化物， 如Y2O3、La2O3等 掺入四价阳离子产生间隙氧离子掺入二价阳离子产生氧离子空位2 稀土化合物作稳定剂的固体电解质n很多种固体电解质材料高电导只存在于高温相，必须 将这些高温导电相稳定到低温才能实用，常用方法是 加入另一化合物使之形成固溶体而使高温相稳定下来 ，加入的化合物就是稳定剂nZrO2是一种最重要的氧离子导体。稀土稳定氧化锆体 系有ZrO2-Y2O3，ZrO2-Yb2O3，ZrO2-Sm2O3等等稀土化合物在这里兼有掺杂功能。3 稀土化合
4、物作掺杂剂的固体电解质4 稀土离子交换的固体电解质n-Al2O3是一类很重要的固体电解质材料 ，如Na2OnAl2O3（n=5.33-8.5）。其中 ，Na2+可以被多种稀土离子交换，可获 得具有高离子导电 性的功能材料压电陶瓷n压电陶瓷 具有压电效应的陶瓷材料 钛酸钡（BaTiO3），钛酸铅（PbTiO3），锆钛酸铅（ PZT, PbZrO3-PbTiO3 ）等等n正压电效应 当外力作用于晶体时，发生与应力成比例的介质极化 ，同时在晶体两端将出现正负电荷，这种由于形变而 产生的电效应，称为正压电效应n逆压电效应 当在晶体上施加电场引起极化时，将产生与电场成比 例的变形或压力，称为逆压电效应压
5、电陶瓷n材料的压电效应取决于晶体结构的对称性 ，晶体必须有极轴（不对称），才有压电 效应。同时，材料必须是绝缘体。n以BaTiO3为例，分析材料的压电效应BaTiO3的压电效应四方相居里温度 Tc 立方相对称结构，无压电效应非对称结构，有压电效应abc自发极化BaTiO3的压电效应电畴陶瓷内总的极化强度为零外加强电场EBaTiO3的压电效应电畴陶瓷内总的极化强度为零外加强电场EBaTiO3的压电效应电畴陶瓷内总的极化强度为零外加强电场极化后，陶瓷内存在剩余极化强度陶瓷内存在的剩余极化强度以偶极矩形 式显示出来。陶瓷的一端出现正束缚电 荷，另一端出现负束缚电荷。BaTiO3的压电效应陶瓷内存在的
6、剩余极化强度以偶极矩形 式显示出来。陶瓷的一端出现正束缚电 荷，另一端出现负束缚电荷。压电陶瓷n表征压电材料的参数是机电耦合系数KK=通过压电效应转化的电能/输入的机械能 K值的大小与材料的形状及振动方式有关n应用：生活用具如煤气灶点火器、打火 机等，唱机的唱头，应力计，闪光灯， 超声波发生器等等生物陶瓷n生物陶瓷是用于人体器官替换、修补及外科矫形等的 陶瓷材料n优点： 良好的力学性能，并且及其稳定 在体内难于溶解，不易氧化，不易腐蚀变质 耐磨，有一定的润滑性，不易产生疲劳现象 和人体亲和性好，几乎看不到与人体组织的排斥作用 组成范围比较宽，可以根据实际应用的要求设计组成 ，以调节性能医用不锈
7、钢钛合金陶瓷人造骨头生物陶瓷n生物陶瓷是用于人体器官替换、修补及外科矫形等的 陶瓷材料n优点： 良好的力学性能，并且及其稳定 在体内难于溶解，不易氧化，不易腐蚀变质 耐磨，有一定的润滑性，不易产生疲劳现象 和人体亲和性好，几乎看不到与人体组织的排斥作用 组成范围比较宽，可以根据实际应用的要求设计组成 ，以调节性能n生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷生物惰性陶瓷n氧化铝陶瓷 优良的耐腐蚀能力，强度、硬度高，高的耐磨性，良好的 生物相容性 髋关节的球，假肢和牙科种植材料n氧化锆陶瓷（部分稳定化的氧化锆） 生物相容性好，在人体内稳定性高，比氧化铝断裂韧性高 ，耐磨性高 牙根、骨、股关节、复合陶瓷人工骨等n碳素类陶瓷（碳素、碳纤维、热解石墨等） 具有接近于自然骨的弹性模量，疲劳性能最优，强度不随 循环载荷作用而下降，生物相容性较好 人工心脏瓣膜，人工血管，韧带等生物活性陶瓷n生物活性陶瓷具有优异的生物相容性，能与骨 形成骨性结合面，结合强度高，稳定性好，植 入骨还具有诱导骨细胞生长的趋势，能逐步参 与代谢，甚至完全与生物骨齿结合成一体n磷酸钙陶瓷 生物活性玻璃陶瓷 Na2O-K2O-MgO-CaO-SiO2-P2O5陶瓷 BGC人工骨
