纳米陶瓷的发展及研究现状刘刚
纳米陶瓷的发展及研究现状_刘刚
纳米陶瓷的发展及研究现状
刘刚王铀
( 哈尔滨工业大学材料学院150001)
摘要综述了纳米陶瓷材料近年来的发展与应用, 重点论述了纳米陶瓷的制备、性能及应用现状, 并对纳米陶瓷的未来
发展进行了展望。
关键词纳米陶瓷发展性能应用
材料、能源与信息被称为现代文明的三大支柱, 可
见材料对人类发展的重要性。材料不仅是人类进化的
标志, 而且是现代化的物质基础与先导。新型材料的
研究、开发与应用能够极大地推动社会生产力的发展,
提高国家的综合国力。
1 纳米材料
1. 1 纳米材料的概念和发展
纳米材料是指晶粒尺寸小于100 nm 的单晶体或
多晶体, 是介于宏观和微观之间的一种介观体系[ 1] 。
大约在1861 年, 随着胶体化学的建立, 科学家提
出并对直径为1~ 100 nm 的粒子进行研究; 直到20 世
纪60 年代科学家们才有意识地提出纳米粒子, 并把纳米粒子作为研究对象来探索其中的奥秘; 在20 世纪80 年代末、90 年代初掀起了纳米科技的热潮, 1990 年7 月在美国巴尔的摩召开的全世界第一届纳米科学技术学术会议, 标志着/ 纳米热潮0 的到来。纳米材料被认为是21 世纪最有前途的材料[ 2~ 3] 。
1. 2 纳米粒子的特性
纳米数量级的介观粒子具有许多微观和宏观物质
所不具有的独特性质, 主要包括表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、KUBO 效应等。1. 2. 1 表面效应
当粒子直径远远大于原子直径时( > 0. 1 Lm) 表面
原子可以忽略, 但当粒子直径逐渐接近原子直径时, 表面原子的数目及作用就不能忽略, 而且这时粒子的比
表面积、表面能和表面结合能都发生了很大的变化, 人们把这种特殊效应称为表面效应[ 4~ 5] 。由于表面原子数量的增多, 原子配位不足及高的表面能, 使这些表面原子具有高的活性, 极不稳定, 容易与其他原子结合, 这是纳米具有强烈活性的根源。
1. 2. 2 体积效应
当物质的体积减小时, 可以改变物质本身的性质,
因为纳米粒子是由有限个原子或分子组成, 改变了原
来无数个原子或分子组成的集体属性, 如金属纳米微
粒的电子结构与大块金属截然不同, 这就是纳米粒子
的体积效应。
1. 2. 3 量子尺寸效应
量子尺寸效应又称为小尺寸效应, 当粒子尺寸降
低到纳米级别时, 金属费米能级附近的电子能级由准
连续变为离散能级的现象和半导体微粒存在不连续的
最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能
级、能隙变宽现象均成为量子尺寸效应。从而导致了
纳米微粒磁、光、声、热、电, 以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。
1. 2. 4 宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势
垒的能力称为隧道效应[ 6] 。
近年来, 人们发现一些宏观量( 如微颗粒的磁化强度和
量子相干器中的磁通量等) 也具有隧道效应, 被称为宏
观量子隧道效应。对于纳米颗粒, 这一特性的研究对
发展微电子器件具有重要的理论与实际意义, 它同量
子尺寸效应一起确定了微电子器件进一步微型化的极
限, 也限定了采用磁带进行信息储存的最短时间。
1. 3 纳米材料的性能及其应用
由于纳米颗粒具有上述的奇特性质, 使得纳米材# 8 # 陶瓷2006. No. 1
料出现了许多优良的性能。由于纳米晶体材料有很大
的比面积, 杂质在界面的浓度便大大降低, 从而提高了材料的力学性能。纳米材料晶界原子间隙的增加和气
孔的存在, 使其杨氏模量减小了30% 以上; 由于纳米
晶粒减小到纳米量级, 使纳米材料的强度和硬度比粗
晶高4~ 5 倍。
纳米材料具有超顺磁性, 其原因为: 在小尺寸下,
当各项性能减小到与热运动能可相比拟时, 磁化方向
就不再固定在一个易磁化方向, 易磁化方向做无规律
的变化, 结果导致超顺磁性的出现。纳米材料另一个
重要的磁学性质是磁热效应, 这将有广泛的用途。
纳米材料与粗晶相比比热容较大, 纳米微粒的熔
点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体低得多。
纳米颗粒的表面效应和量子效应对其光学性能有
很大影响, 主要表现为: 宽频带强度吸收、蓝移和红移。另外, 纳米材料的荧光性能、紫外到可见光的发射光谱等光学性能都有自己新的特点。
由于纳米材料具有较高的化学活性, 使其在化学
领域具有很大的应用前景, 纳米材料可以作为化学反
应的催化剂或催化剂的载体, 还可以提高化学反应的
选择性等。
正是由于纳米材料的这些优异的性能, 使得纳米
材料在许多领域取得了广泛的应用, 也产生了许多新
兴的学科, 比如纳米电子学、纳米材料学、纳米生物学、纳米制造学、纳米显微学等等。其中纳米材料学中的
纳米陶瓷的研究更是取得了巨大的进步, 不但提高了
陶瓷的传统性能, 而且还在一定程度上克服了陶瓷材
料的缺点, 极大地扩大了陶瓷材料的应用范围和领域。
2 陶瓷材料
2. 1 陶瓷的概念
传统上的陶瓷概念是以粘土和其他天然矿物为原
料, 经过粉碎、成形、烧结等工艺过程所制得的各种制品, 亦即/ 普通陶瓷0的概念。
随着人们对陶瓷材料需求的增加、工业生产的需
求, 以及各国对陶瓷工艺的研究和陶瓷产业巨大的进步, 陶瓷生产所采用的原料已经扩大到化工原料和人
工合成矿物原料, 其组成范围已经从传统的硅酸盐领
域扩展到无机非金属材料。因此, 广义的陶瓷概念是
泛指一切经高温处
理而获得的无机非金属材料。
2. 2 陶瓷的发展
陶瓷工业有着悠久的历史和光辉的成就, 我国是
世界上最早发明陶器的几个国家和地区之一, 远在距
今8 000 年前的新石器时代我国就有了陶器制品, 距今约3 000 年的殷商发明了釉料, 到了公元1~ 2 世纪的
东汉我国出现了瓷器, 这是陶瓷发展过程中的一次重
大飞跃。以后, 经过几个朝代的发展, 我国的陶瓷工艺达到了顶峰, 我国的瓷器对世界影响很大。时至宋朝,
中国的制瓷技术流传到国外, 大约从16 世纪起, 西方
国家开始仿制中国的瓷器。
陶瓷虽然有许多其他材料无法取代的优点, 但随
着工业生产和科学技术的进步, 人们迫切需要一些强
度更高、绝缘性能更好的陶瓷。经过人们的研究发现, 降低陶瓷中玻璃相的含量可以提高陶瓷的强度, 增大
其绝缘性能。因此, 玻璃相含量比传统陶瓷低, 其性能更好的陶瓷不断出现, 人们把这种陶瓷称作先进陶瓷
或高科技陶瓷。
从传统陶瓷到先进陶瓷, 是陶瓷发展过程中的第
二次重大飞跃[ 7] 。两者的区别在于, 在原材料、制备工艺、显微结构等方面存在相当大的差别或侧重。传统
陶瓷多数采用天然矿物原料或经过处理的天然原料,
而先进陶瓷则多数采用合成的化学原料, 有时甚至是
经特殊工艺合成的化学原料。传统陶瓷的制备工艺比较稳定, 其侧重点在效率、质量控制等方面, 对材料显微结构的要求并不十分严格, 而先进陶瓷则必须在粉体的制备, 成形烧结方面采取许多特殊的措施, 并控制材料显微结构。
先进陶瓷虽然在很大程度上提升了陶瓷材料的性
能, 但还不能很好地克服陶瓷的致命弱点) ) ) 脆性。研究表明, 陶瓷的微观结构对陶瓷的性能有很大的影响, 绝大部分先进陶瓷的晶粒尺寸为1~ 10Lm, 如果晶粒的粒径能够降到0. 01~ 0. 1 Lm, 这时, 晶粒中将有10% ~ 30%的原子处在晶粒的表面, 即晶界上。此时, 晶粒内原子排列严格有序的结晶状态和晶界区域原子排列无序的非晶状态之间的差别都变得模糊了。这已经不是传统意义上的陶瓷了, 而是一种崭新的陶瓷, 我们称它为纳米陶瓷。从先进陶瓷发展到纳米陶瓷是陶瓷发展过程中的第三次飞跃, 它将给人们提供更新更好的材料以及解决陶瓷脆性的可能。
2006.No. 1 陶瓷# 9 #
3 纳米陶瓷
3. 1 纳米陶瓷的概念及其发展
所谓纳米陶瓷, 是指显微结构中的物相具有纳米
级尺度的陶瓷材料, 也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第
二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。
陶瓷材料的脆性大、不耐热冲击、不均匀、强度差、
可靠性低、加工困难等缺点大大地限制了陶瓷的应用。
随
着纳米技术的广泛应用, 希望以纳米技术来克服陶
瓷材料的这些缺点, 如降低陶瓷材料的脆性, 使陶瓷具
有像金属一样的柔韧性和可加工性。因此纳米陶瓷被
认为是解决陶瓷脆性的战略途径[ 8] 。同时, 纳米陶瓷
也为改善陶瓷材料的烧结性和可加工性提供了一条崭
新的途径。
正是由于纳米科学和陶瓷工艺学的发展与完善,
使纳米陶瓷概念的提出有了理论基础。再加之研究手
段和设备的进步, 比如电子显微镜, 透射电子显微镜以
及高分辨电镜和分析电镜等现代表征技术的发展, 使
纳米陶瓷的研究、分析成为可能。另外由于纳米材料
的特殊性能, 其与陶瓷材料结合不仅可以提高陶瓷本
身一些重要的性能, 而且也克服了陶瓷的缺点) ) ) 脆
性、热冲低等, 使纳米陶瓷有了发展的空间与必要。
在这种情况下, 科研工作者在20 世纪80 年代中
期开始了纳米陶瓷的研究, 并且逐步取得了一些重要
得成果。1987 年, 德国的Karch 等首次报道了所研制
得纳米陶瓷具有高韧性与低温超塑性行为。目前, 各
国都相继加大了对纳米陶瓷研究的力度, 以便能使传
统的性能优良的陶瓷材料与新兴的纳米科技结合, 从
而产生/ 1+ 1> 20的效果, 使纳米陶瓷具有更高的特殊
的使用性能, 将其应用到工业生产、国防保护等领域必
然会取得巨大的经济效益。
虽然纳米陶瓷的研究时间还不长, 许多理论尚未
清楚, 但经过各国工作者的辛勤努力, 在纳米陶瓷研究
方面还有许多成果, 无论是对纳米陶瓷的制备工艺还
是性能都有很大的提高。例如, 美国的/ Morton International. s AdvancedMaterials Group0公司开发了一条生产
SiC 陶瓷的革命性工艺) ) ) CVD 原位一步合成纳米陶
瓷工艺。我国的科研工作者对该工艺进行了研究, 也
取得了一些成果[ 9] 。
3. 2 纳米陶瓷的制备
3. 2. 1 粉体要求
要做纳米陶瓷, 首先必须制备纳米陶瓷粉体, 而要
真正得到纳米陶瓷, 并且达到人们所期望的性能, 就必
须对纳米陶瓷粉体有一些必要的要求。首先必须保证
陶瓷粉体到达纳米级别; 其次要求纳米粉体纯度高及
表面的清洁度高、尺寸分布狭窄、几何形状归一( 接近
球形) 、晶相稳定; 另外一个重要的要求就是无团聚或
团聚低。
纳米颗粒随着尺寸的减小, 颗粒之间的静电吸引
力、范德华作用力、毛细管作用力等较弱的相互作用显
得越来越重要, 形成了所谓的软团聚。当颗粒尺寸<
50 nm 时, 颗粒之间的范德华力非常强, 另一方面, 颗
粒比表面积的增加, 水蒸汽在颗粒之间凝结的趋势加
剧, 在颗粒之间形成化学键, 加剧了团聚, 形成硬团
聚[ 10] 。团聚的存在致使成形的坯堆积密度低和形态
不均匀,
会使烧结温度提高, 也造成烧结体的结构瑕疵、裂纹。软团聚可以在压块过程中以较低压力消除,
而硬团聚不易消除, 粉体制备过程中可通过选择合适
的沉淀条件、沉淀前或干燥过程的特殊处理、最佳焙烧
条件的选择的方法防范团聚的形成。在团聚已经形成
后, 可采用沉积或沉降、研磨、超声波处理、加入分散
剂、高的成形压力等方法去除。
3. 2. 2 粉体的制备
纳米粉体的制备方法可分为物理法和化学法。另
外, 根据合成粉体的条件不同, 可以分为气相法、液相
法( 湿化学方法) 及固相法。
气相法制得的陶瓷粉体纯度高、团聚较少、烧结性
能较好, 但其设备昂贵、产量较低, 不易普及。固相法
设备简单、操作方便, 但所得粉体纯度不高、粒度分布
较大, 适合对粉体要求比较低的生产场合。因此, 目前
固相法在实验室使用较多, 要实现大规模工业化生产
还有一定的距离。液相法设备简单、无需高真空等苛
刻的物理条件、易放大、粉体纯净、团聚少, 很容易实现
工业化生产, 因此很有发展前途, 是现在和今后制备纳
米陶瓷粉体的重要方法。
目前我国能够生产CaCO3、SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2、CeO2、CaO、Fe2O3、SiC、Si3N4 等陶瓷粉末, 生产规模较大的是纳米CaCO3 粉体[ 11] 。今后纳米陶瓷粉体制备的
重点有以下几点:
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1) 研究制备过程中纳米粉体的形成、生长机制及
各种条件的影响、纳米粉体在化学制备过程中的团聚体形成机理等;
2) 纳米陶瓷粉体新制备方法和工艺条件的研究与
开发, 开发制备高效率、低成本的制备技术;
3) 研究纳米粉体生产过程中对环境的副作用, 防
止环境污染;
4) 加速纳米粉体工业生产和应用的进程[ 12] 。
实际生产中应根据陶瓷粉体的具体要求、经济效
果、可操作性等实际因素选择合理的制备方法。
3. 2. 3 素坯成形
成形就是通过一定的成形工艺使陶瓷粉体变成具
有一定形状、体积和强度, 可供烧结的坯体的过程。成形是烧成的前一个工序, 成形体的性能, 如坯体的相对密度和结构的均匀性直接影响着烧成过程及烧结体的性能。素坯相对密度较高则其烧结体的相对密度也高, 这是因为高密度素坯中颗粒间的接触点较多, 在相同的烧结条件下, 由于物质迁移的通道多, 坯体致密化的速度大大提高, 为了降低烧成温度则必须提高素坯的相对密度。所以对成形坯体的要求是要有较高的相对密度和均匀的结构。
如前所述, 纳米陶瓷粉体因其粒度小的特点, 容易
形成团聚体而导致素坯中颗粒堆积的不均匀。另外,
它的单位体积中颗粒的接触点多, 成形中摩擦阻力加
大, 因而使
坯体密度下降。此外, 纳米粉体表面吸附的杂质也有可能对成形造成影响而使其难以成形。因此
选择合适的成形方法对制备满足生产要求的素坯是十
分重要的。
陶瓷素坯成形的方法主要分为干法和湿法, 纳米
陶瓷成形分类见图1。
图1 纳米陶瓷成形分类
干法成形有工艺简单、操作方便、效率高等优点,
是目前使用较多的成形方法。例如, 冷等静压、超高
压、橡胶等静压成形等, 都已成功的应用到纳米陶瓷的
成形中。国内研究者以ZrOCl2 及Y( NO3) 3 为原料, 通
过湿化学方法合成无团聚的纳米ZrO2( 3Y) 粉体。干
压后, 在200 MPa 下冷等静压成形体积为0. 1 .的素
坯, 在450 e 下无压烧结, 得到纳米Y- TZP 陶瓷[ 13] 。
但是干法成形的缺点也很明显, 如模具损耗大, 成
本高, 素坯易分层等。
湿法成形能够控制坯体中颗粒的团聚及杂质含
量, 减少坯体缺陷并可成形复杂形状的陶瓷部件而发
展很快, 近年来湿法的成形应用得到了很大的进步, 并在某些领域取得了很好的应用。例如, 离心注浆成形
是通过调节pH 值等手段使粉体在液体中均匀分散,
而后高速离心使颗粒沉降获得素坯[ 14] , 以及靠有机单体聚合来完成坯体固化的凝胶浇注成形和靠化学势成
形的渗透固化法等[ 15] 。
但湿法成形工艺复杂、操作困难、条件苛刻、实际
应用没有干法成形方法成熟。今后纳米陶瓷素坯成形
方法应从以下几个方面着手:
1) 进行颗粒的改性处理。利用表面修饰技术减少
颗粒间的阻力, 提高素坯的相对密度及均匀性。
2) 对于干法成形, 在进一步提高压力的同时, 采用
连续加压、分段加压等手段提高素坯的相对密度、结构均匀性。高濂采用高达3 GPa 压力的超高压成形法制
得了相对密度为60%的3%( 摩尔分数) Y2O3 的TZP 陶瓷素坯, 可在1 050 e 下无压烧结致密化[ 16] , 素坯的烧结性能得到明显改善。袁望治根据图2 曲线, 采用二
次施压法进行成形, 在二次施压时使颗粒重排, 有效地降低了烧结温度[ 17] 。
图2 纳米ZrO2 ( 3Y) 粉体成形密度与压力对数的曲线2006.No. 1 陶瓷# 1 1 #
3) 进一步发展传统的干压成形方法, 同时加大对
湿法成形等新成形方法的研究力度。
纳米粉末由于晶粒尺寸小, 比表面积巨大, 利用传
统的成形方法易出现开裂等现象, 因此逐渐产生了一些特殊的成形方法以提高素坯的成形强度等。
渗透固化成形方法是一种较新的纳米陶瓷湿法成
形的方法, 这种方法最初被运用到蛋白质悬浮液的固化, 近年来人们将其用于纳米陶瓷的成形, 并获得了成功。有人用该方法可以使粒径仅8 nm 的ZrO2 颗粒成形, 素坯的相对密度达47% 以上[ 18] 。另外, 国际上
出
现的新的方法还有脉冲电磁力成形法等。
4) 添加剂的使用。研究添加剂( 如粘结剂) 对纳米
陶瓷( 特别是氧化物纳米陶瓷) 素坯成形致密度影响的理论机理以及如何应用等问题。
5) 研究大体积、结构复杂的成形技术, 便于实现工
业化生产。
近年来, 采用高压、超高压成形制备纳米陶瓷成为
了研究热点, 但这些方法获得的样品小( 一般在1 g 以下, 最大也不超过5 g ) 。而橡胶等静压成形( Rubber Isostatic Pressing, RIP) 方法不仅可以获得较高的压力, 同时也能获得较大的试样。因此该方法应该成为以后的研究热点。
3. 2. 4 纳米陶瓷的烧结
陶瓷材料的烧结是指素坯在高温下的致密化过
程。烧结是陶瓷制备过程中最关键的一步。纳米陶瓷的烧结过程与普通陶瓷不同, 主要表现为烧结温度低、烧结初期缩短。普通陶瓷的烧结一般不考虑晶体的生长, 而纳米陶瓷的烧结过程则必须考虑控制晶粒的生长, 否则就失去了纳米陶瓷的意义。因此对纳米陶瓷而言, 烧结更是及其关键的一步。要制得高质量的纳米陶瓷, 首先需要研究烧结过程中陶瓷坯体的显微结构变化, 然后考虑运用适当的方法与工艺过程来实现。图3 纳米陶瓷烧成的分类
由于纳米陶瓷烧成的研究时间不长, 目前应用到
纳米陶瓷烧结中的方法不多, 主要是把某些普通陶瓷的烧成方法加以改进用到纳米陶瓷的烧成中。根据烧成条件的不同, 我们将现有的烧成方法按图3 分类。目前人们对烧结的研究主要有以下几个方面, 也
是烧结今后研究的工作重点:
1) 改变传统的烧结制度, 使其适合纳米陶瓷烧结
的要求。在无压烧结中, 由于温度是惟一可控因素, 为
了控制晶粒生长, 已经设计出如等速烧成、等温烧成、
快速烧成、分段烧成等烧成制度。例如, 有研究者就采
用两步烧结的方法成功制备了晶粒仅60 nm 的Y2O3
纳米陶瓷。
2) 提高烧结压力。压力烧结是在加热坯体的同时
施加一定的压力, 使样品的致密化驱动力既有晶粒间
的表面张力, 也有外压的作用。加压方式有固体加压、
气体加压。但传统的压力烧结往往不能有效的降低烧
结温度, 主要原因是因为普通热压所施加的压力过低,
因此, 超高压烧结应运而生。并且人们利用超高压烧
结成功获得了相对密度高达98. 2% , 晶粒不到100 nm
的纳米Al2O3 陶瓷[ 19] 。
3) 采用快速烧结技术。陶瓷在烧结初期, 容易引
起颗粒的粗化, 研究表明, 快速烧结能抑制晶粒生
长[ 20~ 21] , 因此快速烧结的方法的应用不断扩大, 如快
速无压烧结[ 22] 、放电等粒子烧结( SPS) [ 23] 、微波烧结、激光烧结[ 24] 等。哈尔滨工业大学的研究者[ 25] 采用化
压电陶瓷发电技术研究报告综述
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1.国内外研究现状和发展趋势 （1）多尺度杂化纳米抗菌材料的国内外研究进展 Ag+、Zn2+和Cu2+等金属离子具有抗菌活性，且毒性小、安全性高而被广泛用作抗菌剂使用。但是，由于其存在易变色、抗菌谱窄、长效性差、耐热性和稳定性不好等缺点而成为其进一步发展的障碍。相比而言，纳米银、纳米金、纳米铜、纳米氧化锌等纳米材料则可以在一定程度上克服这些问题。例如纳米银，在抗菌长效性和变色性方面均比银离子（多孔纳米材料负载银离子）抗菌剂有显著改善，而且其毒性也更低（Adv. Mater. 2010）；关于其抗菌机理，被认为是纳米银释放出银离子而产生抗菌效果（Chem. Mater 2010，ACS Nano 2010）。纳米金也有类似的效果（Adv. Mater. Res.2012），尽管活性比纳米银稍差，但其对耐药菌株表现出良好的抗菌活性(Biomaterials 2012)。铜系抗菌材料可阻止“超级细菌”（NDM-1）的传播（Lancet Infec.Dis. 2010）。活性氧化物是使用时间最长、使用面最广泛的一类长效抗菌剂，其中氧化锌是典型代表，特别是近年来随着纳米技术的发展，一系列低维结构氧化锌的出现，为氧化锌系抗菌材料提供了极大的发展空间，由于其良好的安全性，氧化锌甚至可用于牙科等口腔材料（Wiley Znter Sci.，2010）。本项目相关课题组多年的研究发现，ZnO的形貌差异、结构缺陷和极化率等都会影响其抗菌活性（Phys. Chem. Chem. Phys. 2008）；锌离子还可以与多种成分杂化，产生协同抗菌活性而提高其抗菌性能（Chin. J. Chem. 2008, J. Rare Earths 2011）。 利用杂化纳米材料结构耦合所带来的协同作用提高纳米材料的抗菌活性是近年来的研究热点。例如：纳米铜与石墨烯杂化体系中存在显著的协同抗菌作用（ACS Nano2010）。用络氨酸辅助制备的Ag-ZnO杂化纳米材料，表现出良好的抗菌和光催化性能（Nanotechnology 2008）；但是Ag的沉积量过大，催化活性反而有所降低（J. Hazard. Mater. 2011）。以壳聚糖为媒质，通过静电作用合成得到均匀的ZnO/Ag纳米杂化结构，结果显示，ZnO/Ag纳米杂化结构比单独的ZnO 和单独纳米Ag的抗菌活性都高，表现出明显的协同抗菌作用（RSC Adv. 2012）。Akhavan等用直接等离子体增强化学气相沉积技术，结合溶胶-凝胶技术把锐钛
浅析先进陶瓷材料的研究现状及发展趋势
龙源期刊网 https://www.docsj.com/doc/9a7736127.html, 浅析先进陶瓷材料的研究现状及发展趋势 作者：孙彬 来源：《科技资讯》2017年第27期 摘要：随着现阶段各种高新技术日新月异的发展，先进陶瓷材料已经成为了新材料领域 中的翘楚，也是很多技术创新领域需要用到的关键材料，受到了很多发达国家和工业化企业的极大关注，先进材料的发展以及应用也在很大程度上对于工业的发展和进步产生一定的影响。本文旨在探讨先进陶瓷材料的研究现状及发展趋势。 关键词：工业陶瓷材料先进研究环保发达国家 中图分类号：TQ174.7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）09（c）-0217-02 随着先进陶瓷的各种优势越来越明显，很多自动化控制、人工智能、电子智能技术领域都需要先进陶瓷的入驻，可以说，先进陶瓷的市场产量和覆盖范围已经发展到了一个不可忽视的阶段。 1 先进陶瓷的具体应用以及性能优势对比 先进陶瓷，根据各自的优点以及应用范围，大体可以分为两大类，也就是功能陶瓷和结构陶瓷，具体的应用范围以及性能优势，如表1所示。 2 国内外对于先进陶瓷材料的研究现状 2.1 国外对于先进陶瓷材料的研究现状 现阶段，全球各个国家对于先进陶瓷材料进行研究应用的趋势越来越明显。 举例来说，以美国和日本为代表，在对于先进陶瓷材料的研究和应用方面远远领先于其他国家。美国的宇航局和航空局大规模的应用了先进陶瓷。比如说在航空发动机上用陶瓷来替代其他材料；提出了关于先进陶瓷的多个计划，在每年对于先进材料的研究和应用上，投入多达35亿美元。这些都是为了提高他们在国际上的综合竞争能力。而日本也提出了对于先进陶瓷 研究和开发的一项计划，名曰“月光计划”，另外，欧盟各国尤其是以工业闻名的德国，都对先进陶瓷进行了研究和开发，法国也紧随其后，主要集中在对新能源材料进行重点的研究和突破。 综合来说，这些发达国家，比如美国、日本、欧盟，它们在先进陶瓷领域每年的平均增长率高达12%，其中欧盟较为领先，多达15%～18%，美国则是9.29%，日本是7.2%。现阶 段，全球先进陶瓷的最大市场集中在美国和日本，其次就是欧盟国家，甚至可以说，先进陶瓷在发达国家更加受到重视和人们的欢迎。
无铅压电陶瓷的研究现状与发展前景
无铅压电陶瓷的研究现状与发展前景 Tadashi Takenaka，Hajime Nagata Faculty of Science and Technology，Tokyo University of Science，Y amazaki 2641，Nada， Chiba-ken 278-8510，Japan 摘要：钙钛矿结构的陶瓷和铋层结构BLSF陶瓷因具有优良的绝缘性、铁电性和压电性，成为污染环境的含铅压电陶瓷的良好替代材料。钙钛矿陶瓷广泛应用于高能换能器，具有较高的压电常数d33(>300pC/N)和高的居里温度Tc(>200℃)。采用固相法制备的BaTiO3，即(1-x) BaTiO3-x(Bi0.5K0.5)TiO3[BTBK-100x]陶瓷,Tc随着x的增加而增加。BTBK-20+MnCO30.1wt%陶瓷显示出高的Tc（~200℃），同时机电耦合系数k33=0.35。固相法得到的a Bi0.5Na0.5)TiO3-b BaTiO3-c Bi0.5K0.5)TiO3[BNBK(100a/100b/100c)陶瓷,相对于BNBK(85.2/2.8/12)的d33和Tc 分别为191pC/N和301℃。另一方面，BLSF陶瓷是优良的高温压电传感器和具有高机械品质因数Qm的陶瓷共振器，并且在低温下谐振频繁(Tc-f r)。施主掺杂Bi4Ti3O12的陶瓷例如Bi4Ti3-x Nb x O12[BINT-x]和Bi4Ti3-x V x O12[BIVT-x]表现出高的Tc（~650℃）。BINT-0.08陶瓷初始晶粒的k33值为0.39并在350℃时保持这一值。基于固相体系的Bi3TiTaO9(BTT)Sr x-1Bi4-x Ti2-x Ta x O9[SBTT2(x)](1≤x≤2)在x=1.25的P型半导体中表现出高的Qm值(=13500)。 关键词：铁电性，压电性，钙钛矿，铋层结构铁电体 1. 前言 压电性是电子和机电材料表现出来的重要性质。应用最广泛的压电材料是三元系的PbTiO3-PbZrO3(PZT)。然而，近年来为了环境保护人们期望使用无铅材料。例如，欧盟将在电子和电器设备(WEEE)方面执行立法草案,限制有毒物质(RoHS)的排放和控制生活交通工具(ELF)。因此，无铅压电材料作为PZT陶瓷的替代材料吸引了广泛的注意力。 无铅压电材料，如压电单晶，有钙钛矿结构的铁电陶瓷，以及钨青铜和铋层结构铁电陶瓷(BLSF)已有报道。然而，没有哪种材料显示出优于PZT体系的压电性能。为了替代PZT体系，要求划分和发展各种应用领域的压电性能。例如，钙钛矿陶瓷能够应用于高能态的调节器。另一方面，铋层结构铁电陶瓷(BLSF)可应用于陶瓷过滤和谐振器的可选择材料。 本文将详细介绍钙钛矿铁电陶瓷和BLSF陶瓷的绝缘性、铁电性和压电性，这两种陶瓷是可优先选择并能减少对环境损害的无铅压电材料。
纳米科技的发展及未来的发展方向
纳米科技的发展及未来的发展方向 论文 理学院 08光信息科学与技术 张箐 0836017
纳米科技的发展及未来的发展方向 一：纳米科技的起源： 纳米是长度度量单位，一纳米为十亿分之一米。纳米科技这一初始概念是已故美国著名物理学家、诺贝尔物理学奖得主费恩曼(R．Feynman)于1959年在美国加州理工学院作题为“在低部还有很大空间”的讲演中提出的。费恩曼指出：如果人类能够在原子或分子尺度上来加工材料、制备装置，则将会有许多激动人心的新发现。他还强调：人们需要新型的微型化仪器来操纵纳米结构并测定其性质。费恩曼憧憬说：试想，如果有一天，人们可以按自己的意志来安排一个个原子，将会产生怎样的奇怪现象。 与所有的天才假想一样，费恩曼的科学思想起初并未被接受。然而科技的迅猛发展很快证明了费恩曼是正确的。继费恩曼之后，许多科学家又尽情发挥想像力，从不同角度继续编织纳米技术的神奇梦想。 纳米科技的迅速发展是在1980年代末1990年代初。1980年代初，宾尼希(C．Binnig)和罗雷尔(H．Rohrer)等人发明了费恩曼所期望的纳米科技研究的重要仪器－－扫描隧穿显微镜(scanning tunneling microscopy，STM)。STM 不仅以极高的分辨率揭示出了“可见”的原子、分子微观世界，同时也为操纵原子、分子提供了有力工具，从而为人类进入纳米世界打开了一扇更加宽广的大门。 与此同时，纳米尺度上的多学科交叉迅速形成了一个有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域。1990年，纳米技术获得了重大突破。美国IBM公司阿尔马登研究中心（Almaden Research Center）的科学家使用STM把35个氙原子移动到各自的位置，组成了“IBM”三个字母，这三个字母加起来不到3纳米长。 1990年7月，第一届国际纳米科学技术大会和第五届国际扫描隧穿显微
压电陶瓷应用研究进展
压电陶瓷应用研究进展 程院莲,鲍 鸿,李 军,李小亚 (广东工业大学自动化学院,广东广州510090) 摘 要:阐述了压电陶瓷在振子、换能器及光电等方面的应用及近年来所取得的最新成果;给出了具体的最新应用实例。 关键词:压电陶瓷;超声换能器;压电驱动器 中图分类号:TN712+ 5 文献标识码:A 文章编号:1672-4984(2005)02-0012-03 Research progress in applications of piezoelectric ceramic C HENG Yuan -lian,BAO Hong,LI Jun,LI Xiao -ya (College of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510090,China) Abstract:The applications to the aspects such as piezoelectric resonators ,piezoelectric transducer,photo devices,and the newest research outcomes made in the recent years are expounded,some newest application examples are also given Key words:Piezoelectric ceramic;Ultrasonic transducer;Piezoactuator 收稿日期:2004-06-09;收到修改稿日期:2004-08-17基金项目:广东省教育厅科研基金项目资助(030058)作者简介:程院莲(1978-),女,硕士研究生,主要从事检测技术与自动化装置研究。 1 引 言 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料,它具有压电效应。所谓压电效应是指由应力诱导出极化(或电场),或由电场诱导出应力(或应变)的现象,前者为正压电效应,后者为负压电效应,两者统称为压电效应。目前为止,压电陶瓷的这种压电效应已被应用到与人们生活密切相关的许多领域,遍及工业、军事、医疗卫生、日常生活等。可见压电陶瓷应用的研究意义非常重大。随着新工艺和新材料的出现,压电陶瓷应用日新月异,本文描述了一些压电陶瓷新应用成果。 2 压电陶瓷的广泛应用 压电陶瓷的应用十分广泛。大体说来,可分为频率控制、换能传感和光电器件等方面。2 1 压电陶瓷频率控制器件 压电频率控制器件有滤波器、谐振器和延迟线等,这类器件使用于道倍机、微机、彩电延迟电路等中。压电陶瓷片(压电振子)在外加交变电压作用下,会产生一定频率的机械振动。在一般情况下这种振动的振幅很小,但是当所加电压的频率与压电 振子的固有机械振动频率相同时会引起共振,振幅 大大增加。这时,交变电场通过逆压电效应产生应变,而应变又通过正压电效应产生电流,电能和机械能最大限度地互相转换,形成振荡。利用压电振子这一特点,可以制造各种滤波器、谐振器等,其频率稳定性好,精度高,适用频率范围宽,体积小,不吸潮,寿命长,特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性,所以目前已取代了相当大一部份电磁振荡器和滤波器,而且这一趋势还在不断发展中。2 2 压电换能器及传感器 压电陶瓷在交变电场作用下,会产生伸缩振动,从而向介质中发射声波。当交变电场的频率与压电陶瓷的固有机械频率相近时会产生共振,它能发出很强的超声波振动。因而可利用所产生的高强度超声波来改变物质的性质和状态,如超声清洗、超声乳化以及制作各种超声切割器、焊接装置及烙铁,对塑料甚至金属进行加工等。压电晶体产生的超声波在介质中传播,遇到障碍物时,大部分声能被折回形成回波,回波再被压电晶体接收转变成电信号,电信号的幅度与给定频率下的声信号的幅度成比例。根据此电信号的各种参量,可以进行超声医疗,对金属进行无损探测以及探测水下物体等。其中把声能转换为电能的换能器叫作接收器或水听器;把电能转换为声能的换能器叫作发射器。声纳就是这方面的一个广泛应用,有些声纳用同一只换能器来发射和接收声音;另一些则使用分开的发射器和水听器。其 第31卷第2期 2005年3月中国测试技术 C HINA MEASUREME NT TECHNOLOGY Vol 31 No 2Mar,2005
纳米材料的发展及研究现状
纳米材料的发展及研究现状 在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。 纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方厘米400g的磁性纳米棒阵列的量子磁盘，成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器，价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件，用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。 纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单
元的尺度（1～100urn）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。1研究形状和趋势纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为下一世纪前20年的主导技术，带动纳米产业的发展。世纪之交世界先进国家都从未来发展战略高度重新布局纳米材料研究，在千年交替的关键时刻，迎接新的挑战，抓紧纳米材料和柏米结构的立项，迅速组织科技人员围绕国家制定的目标进行研究是十分重要的。纳米材料诞生州多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入90年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基
纳米二氧化钛的现状与发展概要
纳米二氧化钛的现状与发展 作者：未知时间：2007-11-24 15:17:00 国外纳米TiO2的生产现状 20世纪80年代以前，纳米TiO2的研究开发目的主要是作为精细陶瓷原料、催化剂、传感器等，需求量不大，没有形成大的生产规模。80年代以后，开发的纳米TiO2用作透明效应和紫外线屏蔽剂，为纳米TiO2打开了市场，使纳米TiO2的生产和需求大大增加，成为钛白工业和涂料工业的一个新的增长点。 由于纳米TiO2在催化及环境保护等方面具有广阔的应用前景，并可用于日用产品、涂料、电子、电力等工业部门，因此，纳米TiO2展现出巨大的市场前景。日本、美国、英国、德国和意大利等国对纳米TiO2进行了深入的研究，并已实现纳米TiO2的工业化生产。目前全世界已经有十几家公司生产纳米TiO2，总生产能力估计在(6000～10000)t/a，单线生产能力一般为(400～500)t/a。 根据莎哈里本公司统计，2003年全球纳米TiO2销售量仅为1800t左右，其消费量与产品应用见表1。 表1 2003年全球纳米TiO2消费量与产品应用 近几年，有关纳米TiO2的新建装置已很少报道，主要是已建成装置的生产能力已远远超出市场的实际消费量，多数厂家处于开工不足或停产的状态。主要原因是目前国际上公认的纳米TiO2制备和应用技术还有待于提高，技术要点和难点主要表现在以下几个方面：①国际上纳米TiO2的价格为(30～40)万元/t，其成本大致是销售价格的2/5，原料和工艺路线的选择是降低生产成本的关键因素；②纳米TiO2的晶型和粒度控制技术；③金红石型纳米TiO2的表面处理技术；④纳米TiO2应用分散技术；⑤纳米TiO2应用功能的提升技
电子工程师必备知识
电子工程师的设计经验笔记(经典) 关键字：电子工程师设计经验 电子工程师必备基础知识(一) 运算放大器通过简单的外围元件，在模拟电路和数字电路中得到非常广泛的应用。运算放大器有好些个型号，在详细的性能参数上有几个差别，但原理和应用方法一样。 运算放大器通常有两个输入端，即正向输入端和反向输入端，有且只有一个输出端。部分运算放大器除了两个输入和一个输出外，还有几个改善性能的补偿引脚。 光敏电阻的阻值随着光线强弱的变化而明显的变化。所以，能够用来制作智能窗帘、路灯自动开关、照相机快门时间自动调节器等。 干簧管是能够通过磁场来控制电路通断的电子元件。干簧管内部由软磁金属簧片组成，在有磁场的情况，金属簧片能够聚集磁力线并使受到力的作用，从而达到接通或断开的作用。 更多阅读：电容性负载的稳定性—具有双通道反馈的RISO(1) 电子工程师必备基础知识(二) 电容的作用用三个字来说：“充放电。”不要小看这三个字，就因为这三个字，电容能够通过交流电，隔断直流电;通高频交流电，阻碍低频交流电。 电容的作用如果用八个字来说那就：“隔直通交，通高阻低。”这八个字是根据“充放电”三个字得出来的，不理解没关系，先死记硬背住。 能够根据直流电源输出电流的大小和后级(电路或产品)对电源的要求来先择滤波电容，通常情况下，每1安培电流对应1000UF-4700UF是比较合适的。 电子工程师必备基础知识(三) 电感的作用用四个字来说：“电磁转换。”不要小看这四个字，就因为这四个字，电感能够隔断交流电，通过直流电;通低频交流电，阻碍高频交流电。电感的作用再用八个字来说那就：“隔交通直，通低阻高。”这八个字是根据“电磁转换”三个字得出来的。
纳米科技的发展现状及前景
纳米技术(nanotechnology），也称毫微技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。 1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容 从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念： 第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。 第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。 第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开，将纳米技术划分为6大分支：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学，促进了纳米技术的发展。由于该技术的特殊性，神奇性和广泛性，吸引了世界各国的许多优秀科学家纷纷为之努力研究。纳米技术一般指纳米级(0.1一100nm)的材料、设计、制造，测量、控制和产品的技术。纳米技术主要包括：纳米级测量技术：纳米级表层物理力学性能的检测技术：纳米级加工技术；纳米粒子的制备技术；纳米材料；纳米生物学技术；纳米组装技术等。关键突破 1990年，IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排，纳米技术取得一项关键突破。他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母。这证明费曼是正确的，二个字母加起来还没有3个纳米长。不久，科学家不仅能够操纵单个的原子，而且还能够“喷涂原子”。使用分子束外延长生长技术，科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法，每次只造出一层分子。目前，制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德· 费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。 纳米技术包含下列四个主要方面：
PZT压电陶瓷国内外发展现状及趋势
PZT压电陶瓷国内外发展现状及趋势 摘要：PZT压电陶瓷是目前最有效地实现机械能与电能的转换的陶瓷，所以在现代工业上有着广泛的应用。本文对压电陶瓷的发展现状及制作流程进行了介绍，以及对复合、无铅压电陶瓷发展趋势作出简要的预测。 关键词：压电陶瓷，发展状况，制作流程，趋势，复合材料，无铅 前言 压电陶瓷作为功能陶瓷的重要组成部分，在19世纪80年代，居里兄弟发现压电效应后，得到了迅速的研究及发展。目前具有压电效应的研究在三个方面：压电陶瓷、压电高分子、压电晶体，最具有压电效应的是压电陶瓷。压电陶瓷作为一种重要的力、热、电、光敏感性强的功能材料，已经在传感器、超声换能器、微位移器和其它电子元器件等方面得到了广泛的应用。并且因其低成本、高压电转换的优点，随着加工工艺的进步及优化，它在航空航天、电子、信息等高科技方面有着很高的研究及应用价值。 1、压电陶瓷的基本原理及概念 压电效应，顾名思义是压电陶瓷所特有的性质，在某些电介质上加载负荷后，使其电荷产生极化现象，在其表面正负电荷分离；当去除外力后，极化现象不消失，称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加电场，电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的
变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。 晶体构造上不存在对称中心是产生压电效应的必要条件。当没有外力作用时晶体的正反电荷中心重合，晶体对外不显极化，单位体积中的电偶极矩为零，因而表面净电荷为零。但是当晶体沿某一方向加载机械力时，晶体发生形变时，正负电荷中心分离，晶体就对外呈现极化。对于有对称中心的电介质无论有无外力作用都不可能发生压电效应。 在压电陶瓷中，综合性能最好的为1954年美国贾菲等人发现的PbZrO3—PbTiO3(PZT)系固溶体系统,占压电陶瓷总产量的70%。纯的PbZrO3和PbTiO3的熔融温度均在1573K以上，但含杂质的PbZrO3与PbTiO3的熔融温度远比纯的低。由液相冷却可形成Pb(Ti，Zr)O3。固溶体．冷却温度在居里温度以上时，其结构为立方晶系钙钛矿型，到居里温度时发生相变并发生自发极化转成铁电相。PZT的晶格常数随组成的不同而不同，在四方铁电相区域，随着PbZrO3含量的增加a(=b)轴显著增大，c轴稍有缩短，晶胞体积增大，使得它有良好的机电耦合系数和机械品质因素。此后，研究者们利用掺杂的办法利用三元系不断改进其压电性能。 机电耦合系数：压电振子在振动过程中，将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能，这种表示能量相互变换的程度用机电耦合系数表示，即：k33=E c/E e.通常用K33表示。 机械品质因数：压电振子在谐振时贮存的机械能与在一个振动周期内损耗的机械能之比称为机械品质因数，它是一个无因次的物理
压电陶瓷测量基本知识
压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则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，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1 、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，I C为同相分量，I R为异相分量，I C与总电流I的夹角为，其正切值为
2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时， 材料内部能量消耗程度的一个参数， 它也是衡 量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。 机械品质因数越大， 能量的损耗越小。产生能量损耗 的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数 Q m 的定义为: 谐振时振子储存的机械能 c Qm 谐振时振子每周所 损失的机械能 2 兀 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中 R 1为等效电阻 （Q ） , s 为串联谐振角频率（Hz ）, C 1为振子谐振时的等效电容 （F ），L 1为振子谐振时的等效电感。 Q m 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的 Q m 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波 测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的 Q m 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性， 即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。 其产生的电荷与施加 tan 1 CR 其中3为交变电场的角频率, R 为损耗电阻，C 为介质电容。 s R 1C 1 s L 1 图1交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时）
高温压电陶瓷材料研究进展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2008年第27卷第1期 ·16· 化 工 进 展 高温压电陶瓷材料研究进展 李庆利，曹建新，赵丽媛，吕剑明，范冠锋 （贵州大学化学工程学院，贵州 贵阳 550003） 摘 要：随着高新技术的迅速发展，对压电器件工作温度的要求越来越高，因此高温压电陶瓷材料成为近几年研究的热点之一。介绍了国内外学者对钙钛矿结构、钨青铜结构和铋层状结构压电陶瓷进行改性，获得一系列高温压电陶瓷材料的研究现状。展望了高温压电陶瓷材料的发展前景，并对其今后的研究方向提出了建议。 关键词：高温压电陶瓷；改性；钙钛矿结构；钨青铜结构；铋层状结构 中图分类号：TM 282 文献标识码：A 文章编号：1000–6613（2008）01–0016–05 Research progress in high temperature piezoceramics LI Qingli ，CAO Jianxin ，ZHAO Liyuan ，Lü Jianming ，F AN Guanfeng (College of Chemical Engineering ，Guizhou University ，Guiyang 550003，Guizhou ，China) Abstract ：Along with the rapid development of high-technology ，the operation temperature of piezoelectric devices are getting higher and higher ，consequently ，the high temperature piezoceramics has become one of the research focuses of piezoceramics. In this paper ，the research status of modified perovskite ，tungsten bronze and bismuth layer structure of high temperature piezoceramics is introduced. The prospect of the high temperature piezoceramics is presented ，and suggestions for its future research are made. Key words ：high temperature piezoceramics ；modification ；perovskite structure ；tungsten bronze structure ；Bi-layer structure 作为一种新型功能材料，高温压电陶瓷被广泛应用于航空航天、核能、冶金、石油化工、地质勘探等许多特殊领域。但是，目前商业化应用的锆钛酸铅体系压电陶瓷的居里温度一般在250～380 ℃，由于热激活老化过程，其安全使用温度被限制在居里温度的1/2处。压电性能优良，使用温度低于400 ℃的高温压电陶瓷材料已经不能满足当前高新技术发展的要求。此外，商用高温传感器所采用的压电材料仅限于LiNbO 3等单晶材料，生产工艺复杂，价格极其昂贵，而且国内目前尚无性能优良、使用温度高于350 ℃的高温压电陶瓷传感器产品，国外对这类器件的研究 报道也很少[1－ 4]。因此，高温压电陶瓷材料成为近几年来研究的热点，各种新成果、新技术不断涌现。本文综述了高温压电陶瓷材料的最新研究进展。 1 钙钛矿结构高温压电陶瓷材料 2.1 改性钛酸铅压电陶瓷 纯钛酸铅在常温下为四方钙钛矿型结构，介电 常数小，压电性能高，压电各向异性大，居里温度 高（T C =490 ℃） ，因而适于在高温下工作。但是，由于纯钛酸铅陶瓷难以烧结，当晶体冷却通过居里点时，在内应力作用下易自行开裂；大的轴向比率使得其矫顽场大，难以极化。为此，很多研究者采用掺杂形成固熔体的方法来解决这一问题，并取得 了较好的研究成果（见表1[5－ 12]） 。 宴伯武等[5]选用居里点较高的复合钙钛矿型化 合物Pb (Cd 4/9Nb 2/9W 3/9 )O 3（T C =495 ℃）对PbTiO 3进行B 位取代，并掺杂适量MnO 2抑制晶粒的过分生长，以形成均匀细密的内部结构，制备了0.2PCNW-0.8PT-x MnO 2陶瓷。这种陶瓷材料在 x =1.0%时，系统k t 可达0.45， T C ≥480℃，T 33ε在200收稿日期：2007–07–13；修改稿日期：2007–08–13。 基金项目：贵州省优秀科技教育人才省长专项基金（2005-111）及贵州省科技攻关计划项目［黔科合GY 字（2006）3030］。 第一作者简介：李庆利（1981—），男，硕士研究生。E –mail pie_ql@https://www.docsj.com/doc/9a7736127.html, 。联系人：曹建新，教授，硕士生导师，主要从事高性能无机材料研究。电话 0851–4733010；E –mail jxcao@https://www.docsj.com/doc/9a7736127.html, 。
纳米技术的现状、应用、发展趋势及存在问题
纳米技术的现状、应用、发展趋势及存在问题 21世纪，信息科学技术、生命科学技术和纳米科学技术是科学技术发展的主流。人们普遍认为，纳米技术是信息和生命科学技术能够进一步发展的共同基础。纳米技术所带动的技术革命及其对人类的影响，远远超过电子技术。 纳米生物技术是国际生物技术领域的前沿和热点问题，在医药卫生领域有着广泛的应用和明确的产业化前景，特别是纳米药物载体、纳米生物传感器和成像技术以及微型智能化医疗器械等，将在疾病的诊断、治疗和卫生保健方面发挥重要作用。 目前，国际上纳米生物技术在医药领域的研究已取得一定的进展。美国、日本、德国等国家均已将纳米生物技术作为21世纪的科研优先项目予以重点发展。 纳米技术：于细微之处显神奇 纳米技术是在纳米尺度内，通过对物质反应、传输和转变的控制来实现创造新的材料、器件和充分利用它们的特殊的性能，并且探索在纳米尺度内物质运动的新现象和新规律。由于纳米正好处于原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带，被称为纳米世界，也是物理、化学、材料科学、生命科学以及信息科学发展的新领地。纳米材料中包含了若干个原子、分子，使得人们可以在原子层面上进行材料和器件的设计和制备。几十个原子、分子或成千个原子、分子"组合"在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于大块物体的性质，这种"组合"被称为"超分子"或"人工分子"。"超分子" ·石墨烯·分子筛·碳纳米管·黑磷·类石墨烯·纳米材料 江苏先丰纳米材料科技有限公司是国际上提供石墨烯产品很早的公司之一，现专注于石墨烯、
的性质，如它的熔点、磁性、电容性、导电性、发光性和颜色及水溶性都有重大变化。当"超分子"继续长大或以通常的方式聚集成大块材料时，奇特的性质又会失去。通俗来说，纳米材料一方面可以被当作一种"超分子"，充分地展现出量子效应；而另一方面它也可以被当作一种非常小的"宏观物质"，以至于表现出特性。同时，许多化学和生物反应的过程也发生在纳米尺度的层面上，因此探测纳米尺度内物理、化学和生物性质的变化，将加深对生命科学的理解。对由数量不多的电子、原子或分子组成的体系中新规律的认识和如何操纵或组合他们，是当今纳米科学技术的主要问题之一。当前纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农业等方面。 在纳米材料制备科学和技术研究方面一个重要的趋势是加强控制工程的研究，这包括颗粒尺寸、形状、表面、微结构的控制。由于纳米颗粒的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应都同时在起作用，它们对材料某一种性能的贡献大小、强弱往往很难区分，是有利的作用，还是不利的作用更难以判断，这不但给某一现象的解释带来困难，同时也给设计新型纳米结构带来很大的困难。如何控制这些效应对纳米材料性能的影响，如何控制一种效应的影响而引出另一种效应的影响，这都是控制工程研究亟待解决的问题。国际上近一两年来，纳米材料控制工程的研究主要有以下几个方面：一是纳米颗粒的表面改性，通过纳米微粒的表面做异性物质和表面的修饰可以改变表面带电状态、表面结构和粗糙度；二是通过纳米微粒在多孔基体中的分布状态（连续分布还是孤立分布）来控制量子尺寸效·石墨烯·分子筛·碳纳米管·黑磷·类石墨烯·纳米材料 江苏先丰纳米材料科技有限公司是国际上提供石墨烯产品很早的公司之一，现专注于石墨烯、
纳米材料国内外研究进展
纳米材料国内外研究进展 一、前言 从人类认识世界的精度来看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代(工业革命之前)、毫米时代(工业革命到20世纪初)、微米和纳米时代(20世纪40年代开始至今)[1]。自20世纪80年代初, 德国科学家 Gleiter[2]提出“纳米晶体材料”的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体，并对其各种物性进行系统的研究以来，纳米材料已引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1～100nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料(纳米微粒)，一维材料(直径为纳米量级的纤维)，二维材料(厚度为纳米量级的薄膜与多层膜),以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体(体材料与微粒膜)[3]。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次，是交叉学科跨世纪的战略科技领域。 二、国内外研究现状 1984年德国科学家Gleiter首先制成了金属纳米材料, 同年在柏林召开了第二届国际纳米粒子和等离子簇会议, 使纳米材料成为世界性的热点之一；1990年在美国巴尔的摩召开的第一届NST会议, 标志着纳米科技的正式诞生；l994年在德国斯图加特举行的第二届NST会议,表明纳米材料已成为材料科学和凝聚态物理等领域的焦点。近年来，世界各国先后对纳米材料给予了极大的关注，对纳米材料的结构与性能、制备技术以及应用前景进行了广泛而深入的研究，并纷纷将其列人近期高科技开发项目。2004年度纳米科技研发预算近8.5亿美元，2005年预算已达到10亿美元，而且在美国该年度预算的优先选择领域中，纳米名列第二位。现在美国对纳米技术的投资约占世界总量的二分之一[4]。 自70年代纳米颗粒材料问世以来，80年代中期在实验室合成了纳米块体材料, 至今已有 30多年的历史, 但真正成为材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点是在 80年代中期以后。因此 ,从其研究的内涵和特点来看大致可划分为三个阶段[5]。 第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索，用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在80年代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。 第二阶段(1994年前)人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复