HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Wuhan 430074, Hubei, P. R. China 中国·武汉 Tel(027)
《计算材料学》课程设计
指导老师：江建军
教授
电子科学与技术系 2004 年 6 月
电子 0102B3 组
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HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Wuhan 430074, Hubei, P. R. China 中国·武汉 Tel(027)
微波介质陶瓷的介电特性数值计算
万文涛 洪毅 黄文佳 陈婷 杨伟伟 王旭曦 袁大双 黄钏 饶伟 贺策林 李树平 （华中科技大学电子科学与技术系，武汉 430074）
摘要：对于微波介质陶瓷,建立数学模型,
讨论了介电常数与组分，温度，频率的关系。对于组分，重
点讨论运用蒙特卡罗有限元法计算出波介质陶瓷的宏观介电常数 ε m ，结果显示由二维模型和三维模型计 算得出的介电常数 ε m 大小位于串并联模型之间,而且由二维模型计算得出的介电常数 ε m 比由三维模型得 出的结果小，因为实际的一个由两相构成的微波介质陶瓷的相都是以三维形式分布的,所以由三维模型计 算出的介电常数 ε m 比用二维计算的结果要精确；对于频率，介电常数随它的变化不明显；由于温度的变 化灰引起结构以及组成物质的相的变化，只讨论了BaTiO3一类MWDC和温度的变化关系。
关键词：微波介质陶瓷；蒙特卡罗有限元法；介电常数；二相化合物
Dielectric Properties Culculated of MicroWave Dielectric Ceremoes(MWDC) ( Department of Electronics Science & Technology,Huazhong university,Wuhan 430074,China)
Abstract: As to the MicroWave Dielectric Ceremoes, the mathematics model is established,and the relations between dielectric constant and many factors is discussed,such as component,temperature and frequency.In the aspect of component, great importance is taken to using monte carlo and finite element method to culculate the macro dielectric constant of MWDC 。 The results are displayed in curves ,which use two-dimension and three-dimension models and are manifested between the results of serial model and parallel
model.Furthermore,the values which are simulated in two-dimension model are smaller than the ones in three-dimension,for the two-phase MWDC are distributed in three dimensions actually.So it’s preciser to use the three-dimemsion model.In the frequency of microwave,the dielectric constant doesn’t vary obviously.Besides, the changes of temperature can lead to the varieties of the construction and phases of materials,so we only discuss the changes with temperature of BaTiO3。 Keywords:MWDC,Monte Carlo method,finite element method,two-phased materies
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螂微波介质陶瓷（MWDC）是应用于微波频段(主要是UHF、SHF频段，300MHz～300GHz)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，是近年来国内外对微波介质材料研究领域的一个热点方向。近年来，移动通讯、卫星通信、军用雷达、全球卫星定位系统（GPS）、蓝牙技术、无线局域网等现代通信技术得到了快速发展。这些通信装置中使用的微波电路一般由谐振器、滤波器、振荡器、衰减器、介质天线、微波集成电路基片等元件组成，微波介质陶瓷（MWDC）是其制备的关键基础材料。用微波介质陶瓷制作的元器件具有体积小、质量轻、性能稳定、价格便宜等优点。目前微波陶瓷材料和器件的生产水平以日Murata公司、德EPCOS公司、美Trans-Tech公司、Narda MICROW A VE-WEST公司、英Morgan Electro Ceramics、Filtronic等公司为最高。其产品的应用范围已在300MHz～40GHz系列化，年产值均达十亿美元以上。国外介质陶瓷材料发展具有综合领先水平的是日本、美国等发达国家。日本在介质陶瓷材料领域中一直以全列化、产量最大、应用领域最广、综合性能最优，占据了世界电子陶瓷市场50％的份额。美国在电子陶瓷的技术研发方面走在世界前列，但是产业化应用落后于日本，大部分技术停留在实验室阶段。目前，美国电子陶瓷产品约占世界市场份额的30%，居全球第二位。目前世界电子陶瓷的市场规模达到1300亿美元左右。未来几年需求量每年将以15～20%的速度增长，到2015年需求量将突破2100亿美元。 我国特陶企业集中分布在北京、上海、天津、江苏、山东、浙江、福建、广东等沿海城市和地区以及华中部分城市地区，西南西北等偏远地区以原军工三线企业为主。在我国电子陶瓷行业中，股份制和三资企业具有最强的竞争力。国内微波介质陶瓷材料及器件的生产，在技术水平、产品品种和生产规模上与国外相比有较大差距。我国特种陶瓷产业目前主要存在产业规模小、技术创新弱、研发投入少、品牌知名度不高、工艺和装备水平低、能耗高、融资困难、无序竞争等问题，特别是企业缺乏创新能力，产业缺乏创新平台，严重制约了特种陶瓷产业由量向质的飞跃提升。我国从事特种陶瓷开发研制的高校、科研院所和生产企业已超过300家，其中研发生产功能陶瓷的单位占63.6%，研发生产结构陶瓷的单位占36.4%。中国科学院、上海硅酸盐研究所、清华大学等对我国特种材料研究起到了重要的推动作用。目前微波介质陶瓷已在便携式移动电话、汽车电话、无绳电话、电视卫星接收器、军事雷达等方面被用来广泛制造微波介质滤波器和谐振器，在现代通信工具的小型化、集成化过程中正发挥着越来越大的作用。2009年国内通信设备市场投资达1743亿人民币，增速14.6%；预计2010年和2011年的电信设备市场投资为1850亿元和1880亿元，无疑会给微波介质陶瓷行业带来巨大需求。预计到2015年，我国电子陶瓷产品需求量将突破280亿元。 本研究咨询报告在大量周密的市场调研基础上，主要依据了国家统计局、国家商务部、国家海关总署、国家发改委、国务院发展研究中心、国家信息中心、中国通信企业协会、中国陶瓷工业协会、国内外相关刊物的基础信息以及各产业研究单位等公布和提供的大量资料。本报告对我国微波介质陶瓷行业发展现状、发展趋势、竞争格局、投资前景等进行了分析，是微波介质陶瓷制造企业、研究单位、销售企业以及相关企业和单位、计划投资于微波介质陶瓷行业的企业等准确了解目前中国微波介质陶瓷市场发展动态，把握行业发展趋势，制定市 场策略的必备的精品。 滤波器的用途 羂[日期：2010-01-04] 聿来源：深圳市西凯士电气有限公司作者：a dmin 蚆[字体：大中小]
微波介质陶瓷材料体系研究综述 （桂林理工大学） 摘要：介绍了微波介质陶瓷的应用及其性能要求,按照应用频域的不同,对微波介质 陶瓷的材料体系进行分类讨论,将其划分为低频端、中频端以及高频端等三大类,指明了微波介质陶瓷的发展展望。 关键词: 微波陶瓷;介质陶瓷 引言 微波介质陶瓷是近十多年来发展起来的一种新型的功能陶瓷材料。它是指应用于微波频率（主要是300MHz-30GHz频段）电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷材料，是制造微波介质滤波器和谐振器的关键材料。它具有高介电常数、低介电损耗、温度系数小等优良性能,适于制造多种微波元器件,能满足微波电路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。用微波介质陶瓷材料做成的各类高性能器件,已被广泛应用于卫星电视、雷达、移动通讯、电子计算机及现代医学等众多领域[1]。随着移动通信的发展,微波介质陶瓷已成为高技术陶瓷研究的重点项目之一[2]。 1 微波介质陶瓷的应用及性能要求 1．1微波介质陶瓷的应用 微波介质陶瓷应用范围广泛,在微波电路中的应用主要有如下几个方面[ 3, 4]: (1)用作微波电路的介质基片,起着电路元器件及线路的承载、支撑、绝缘的作用;(2)用作为微波电路的电容器,起着电路或元件之间的耦合及储能作用;(3)用作微波电路的介质天线, 起着集中吸收储存电磁波能量的作用;(4)用作微波电路的介质波导,起着引导电磁波沿一定方向传播的作用；(5)用作微波电路的介质谐振器件,起着类似一般电子电路中LC谐振电路的作用。其中,最后一项的应用是最主要
的。因为实现微波设备的小型化、高稳定性和廉价的途径是微波电路的集成化,早期金属谐振腔和金属波导体积和重量过大,大大限制了微波集成电路的发展, 由微波介质陶瓷做成的介质谐振器,可按设计要求将若干谐振器耦合在一起, 制成一系列为满足微波电路各方面需要的腔体块状微波器件,如:滤波器、稳频震荡器及放大器等介质谐振式选频器件,体积小、重量轻介质谐振器件的出现能排除微波电路小型化与集成化方向上的最大障碍。陶瓷介质微波器件体积小、损耗低、稳定好、承受功率高、可在恶劣条件下工作, 最高应用频率可达90GHz,不仅在民用中广泛应用,而且在军用通信中受到重视。腔体块状陶瓷介质微波器件有分体和联体两种结构,前者是由几个谐振器耦合而成; 后者是在一个陶瓷块体上制作几个谐振器及其间的耦合结构,使器件体积大大减小,但小型化有限,不能满足移动通信市场日益发展的要求。利用低温烧结微波介质陶瓷与导体浆料的共烧技术和精细叠层工艺,制成片式多层微波频率器件具有小型化、可表面贴装、性能优良、可靠性高、可承受波峰焊和再流焊等诸多优点。LTCC技术的出现,微波器件小型化得到迅速发展,如天线、双工器、滤波器、平衡--不平衡转换等叠层微波器件获得广泛应用[5]。 1.2微波介质陶瓷的性能要求[6~8] 评价微波介质陶瓷介电性能的参数主要有三个：相对介电常数εr、品质因数Q·f、谐振频率τf。应用于微波电路的介质陶瓷,除了必备的机械强度、化学稳定性及经时稳定性外,还应满足如下介电特性的要求: (1)在微波频率下材料相对介电常数εr应大,以便于器件小型化。由微波传输理论可知: 微波在介质体内传输,无论采用何种模式,谐振器的尺寸都大约在λ/2~λ/4的整数倍间。微波在介质体内传输时的波长λ与它在自由空间传输时的波长λ0有如下关系:λ=λ0/ε0.5。所以,相同的谐振频率下,εr 越大,介质谐振器的尺寸就越小,电磁能量越能集中于介质体内,受周围环境的影响也小。这既有利于介质谐振器件的小型化,也有利于其高品质化。另一方面,谐振频率越高,波长越短,介质谐振器的尺寸在相对介电常数不是很大的情况下也可以很小,不同的应用领域,对εr的要求不同,通常要求εr>10。 (2)在微波频率下的介电损耗tanδ应很小,即介质的品质因子Q(=1/tanδu )要高,
微波介质谐振器的发展 和应用前景 公司内部编号：（GOOD-TMMT-MMUT-UUPTY-UUYY-DTTI-
微波介质谐振器的发展和应用前景 成都微波技术支持工程师：郑国全 一、微波是什么 微波是指频率300MHz-3000GHz的电磁波，是无线电波中的一个频段，即波长在1米（不含1米）到0.1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”，微波作为一种电磁波具有波粒二象性。 二、微波的特性 微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。从电子学和物理学观点来看，微波这段电磁频谱具有不同于其他波段的如下重要特点： 穿透性 微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。微波透入介质时，由于介质损耗引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，物料内外加热均匀一致。 选择性加热 物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此对于食品，含水量的多少对微波加热效果影响很大。 热惯性小 微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。 似光性和似声性 微波波长很短，比地球上的一般物体（如飞机，舰船，汽车建筑物等）尺寸相对要小得多，或在同一量级上。使得微波的特点与几何光学相似，即所谓的似光性。因此在微波频段工作，能使电路元件尺寸减小，系统更加紧凑。可以制成体
功能陶瓷材料概述 功能陶瓷由于其在电、磁、声、光、热、力等方面优异的性能，广泛应用于电子电力、汽车、计算机、通讯等领域，在科学技术发展和实际生产生活中发挥着越来越重要的作用。主要阐述了功能陶瓷电学、光学、磁学、声学、力学等基本性质，并介绍了功能陶瓷的种类和应用以及未来发展趋势。 标签： 功能陶瓷；性质;应用 1 前言 功能陶瓷是具有电、磁、声、光、热、力、化学或生物功能等的介质材料。它有别于我们所熟知的日用陶瓷、艺术陶瓷、建筑陶瓷等，而是指在电子、微电子、光电子信息和自动化技术以及能源、环保和生物医学领域中所使用的陶瓷材料。功能陶瓷以其独特的声、光、热、电、磁等物理特性和生物、化学以及适当的力学等特性，在相应的工程和技术中发挥着关键作用，如制造电子线路中电容器用的电介质瓷，制造集成电路基片和管壳用的高频绝缘瓷等。 2 功能陶瓷基本性质 功能陶瓷是利用其对电、光、磁、声、热等物理性质所具有的特殊功能而制造出的陶瓷材料。其电学、光学、磁学、声学、热学、力学等性质是研究和运用的重点。功能陶瓷的这些性质与其组成、结构和工艺等有着密切关系。 功能陶瓷电学性质可以用电导率、介电常数、击穿电场强度和介质损耗来表示，是功能陶瓷材料很重要的基本性质之一。光学性质指其在可见光、红外光、紫外光及各种射线作用时表现出的一些性质。表征磁学性质的参数有磁导率、磁化率、磁化强度、磁感应强度等。材料在外力作用下都会发生相应的形变甚至破坏，有必要研究材料的力学性能，功能陶瓷材料也具有弹性模量、机械强度、断裂韧度等表征力学性能的参数。 3 功能陶瓷种类及其应用 功能陶瓷的发展始于20世纪30年代，经历从电介质陶瓷→压电铁电陶瓷→半导体陶瓷→快离子导体陶瓷→高温超导陶瓷的发展过程，目前已发展成为性能多样、品种繁多、使用广泛、市场占有份额很高的一大类先进陶瓷材料。目前已经研究比较深入并大量使用的功能陶瓷有绝缘陶瓷、介电陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷和结构陶瓷等，下面将介绍几种主要的功能陶瓷及其应用。 3.1 绝缘陶瓷
第24卷 第5期 2002年5月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNAL OF W UHAN UN I VERSI T Y OF TECHNOLOG Y V o l .24 N o.5 M ay .2002文章编号:167124431(2002)0520043204 陶瓷材料的微波烧结特性及应用3 王 念 周 健(武汉理工大学) 摘 要: 介绍了微波烧结陶瓷材料的应用历史、基本原理,分析了陶瓷材料的微波烧结特性和微波烧结在氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷及透明陶瓷方面的应用,指出了应用中存在的一些亟待解决的问题,展望了微波烧结陶瓷材料的应用前景。 关键词: 微波加热; 微波烧结; 陶瓷材料 中图分类号: TQ 17012文献标识码: A 收稿日期:2001212208. 作者简介:王 念(19772),男,硕士生;武汉,武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室(430070).3武汉市晨光计划(20005004034)1 微波是一种电磁波,它遵循光的有关定律,可以被物质传递、吸收或反射,同时还能透过各种气体,很方便地实现在各种气氛保护下的微波加热及有气相参与的合成反应[1]。材料在微波场中可简要地分为下列三种类型[2]:(1)微波透明型材料:主要是低损耗绝缘体,如大多数高分子材料及部分非金属材料,可使微波部分反射及部分穿透,很少吸收微波。这类材料可以长期处于微波场中而不发热,可用作加热腔体内的透波材料。(2)全反射微波材料:主要是导电性能良好的金属材料,这些材料对微波的反射系数接近于1,仅极少数 入射的微波能量能透入,可用作微波加热设备中的波导、微波腔体、搅拌器等。 (3)微波吸收型材料:主要是一些介于金属与绝缘体之间的电介质材料,包括纺织纤维材料、纸张、木材、陶瓷、水、石蜡等。 微波加热技术早在20世纪40年代末期就已产生,50年代美国的V on H i ppel 在材料介质特性方面的开创性研究为微波加热的应用奠定了基础[3]。微波烧结就是利用微波加热原理来对材料进行的烧结。作为一种新型的陶瓷加工技术,微波烧结的应用时间并不长。加拿大的W .R .T inga 等人在60年代末期最早尝试了用微波加热及烧结陶瓷材料,并获得了初步成功[2]。进入80年代以后,人们对微波烧结技术进行了广泛而深 入的研究,并成功的制备出了A l 2O 3、B 4C 、Y 2O 32Zr O 2、Si O 2、T i O 2、ZnO 等陶瓷材料[3]。 1 微波烧结陶瓷材料的基本原理 1.1 微波烧结的微观机理 陶瓷材料在微波电磁场的作用下,会产生如电子极化、原子极化、偶极子转向极化和界面极化等介质极化[4],参加极化的微观粒子种类不同,建立或消除极化的时间周期也不一样。由于微波电磁场的频率很高,使材料内部的介质极化过程无法跟随外电场的变化,极化强度矢量P 会滞后于电场强度矢量E 一个角度,导致与电场同相的电流产生,这就构成了材料内部的耗散。在微波波段,主要是偶极子转向极化和界面极化产生的吸收电流构成材料的功率耗散。 微波烧结的成功与否,关键取决于材料自身的特性,如介电性能、磁性能以及导电性能等。当微波穿透和传播到介电材料中时,内部电磁场使电子、离子等产生运动,而弹性惯性和摩擦力使这些运动受到阻碍,从而引起了损耗,这就产生了体加热[5]。从满足微波烧结的角度出发,陶瓷材料应具有的最重要特性是损耗正切 tg ?[6],它表征了材料将所吸收的微波能转化为热能的能力;同时为达到材料与微波的最佳耦合状态,一个 适中的相对介电常数Ε 和较高的介电损耗因子Ε 是必须的,因为Ε 表征了微波通过材料的能力,而Ε 则表
陶瓷材料 【摘要】：陶瓷材料是我们日常生活中一种非常重要的材料，尤其是在我们中国，制作陶瓷自古以来就是我们的专长。到了现代陶瓷的概念和功能发生了一系列的变化，本文主要对陶瓷材料的性能，应用以及发展前景做一个简单的概述 【关键字】：陶瓷，材料 正文： 1，概述：传统的陶瓷材料是粘土、石英、长石等硅酸盐材料，而现代陶瓷材料是无机非金属材料的统称。 陶瓷材料是一种天然或人工合成的粉状化合物, 经过成型或高温烧结,由金属元素和非金属的无机化合物构成的多相固体材料。陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、原料丰富、成本低廉等诸多优点而被人一直关注。现在,陶瓷材料、金属材料、高分子材料被称为三大主要固体材料。 2，性能： (1)力学性能：陶瓷材料具有极高的硬度和优良的耐磨性，弹性模量高，钢度大抗拉强度低抗压强度很高，陶瓷的塑性、韧性低，脆性大，在室温下几乎没有塑性。 (2)机械性能:大多数陶瓷的硬度都比金属高的多,特别好, 常用作耐磨零件(如轴承, 刀具).它具有高的弹性模量和高脆性,具有低的抗拉强度和高的抗压强度, 具有较强的耐热功能,具有耐高温的特性, 其熔点一般大于2000℃。此外, 陶瓷材料还具有热膨胀系数较小、导热性较低、热容量较小等机械特性。 (3)电学性能：大多数陶瓷材料有较高的电阻率、较小的介电常数和介电损耗, 因此它可以用作绝缘材料。少数的陶瓷材料可以用作半导体材料,而且已经成为无线电技术和高新技术领域不可或缺的材料。有的陶瓷材料还具有超导特性,，具有超导特性的陶瓷已经成为高温超导材料中的重要组成部分。 (4)化学性能：陶瓷材料具有抗高温氧化、抗腐蚀的能力。它不仅对酸、碱、盐具有良好的抵抗作用,而且还对熔融金属具有抗蚀作用。所以陶瓷材料常用作化学反应的发生器、用作离子交换膜。有的陶瓷材料还可以含载体对化学反应有催化作用。 (5)生物性能：陶瓷材料的生物功能主要表现在可以修复或替换人体的某些组织、器官或增强脏器功能的方面。比如人造腔膜、心脏起搏器用电池板、助听器用振动板等。另外, 有的陶瓷材料还具有人体感知功能。 (6)光学性能：某些陶瓷材料具有光吸收、光反射及光偏移的特性,还有的具有分光性、感光性及导光性。一些先进光学陶瓷材料还具有良好的透光性。利用陶瓷材料的这些光特性可以制造出许多光学产品, 例如制作特种灯具(比如Na灯) 的灯管材料、陶瓷感光计等等。 3，应用： （1），纳米陶瓷材料：纳米陶瓷是指在纳米技术的基础上研究开发的具有更高更多特性陶瓷材料。在陶瓷材料的显微结构中, 相粒尺寸、第二相分布、气孔尺寸等量纲均在纳米量级( 0.1nm至100nm) 的水平上, 因此使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。我们都知道普通陶瓷材料的显微组织主要由晶体相、玻璃相及气相组成, 各相的组成、结构、数量、形状与分布都对陶瓷材料的性能有直接的影响, 而玻璃相及气相的含量较大会使陶瓷的强度、硬度和抗热冲击等性能降低。纳米陶瓷材料的出现很好地克服了普通陶瓷材料这些缺点。并且对材料的力学、电学、化学、光 学、磁学等性能产生重要影响, 为替代普通陶瓷材料的应
陶瓷概述 学号：姓名： [摘要]：陶瓷是陶器和瓷器的总称。人们早在约8000年前的新石器时代就发明了陶器。除了使用于食器、装饰上外，陶瓷在科学、技术的发展中亦扮演着重要角色。陶瓷原料是地球原有的大量资源黏土经过淬取而成。在今日文化科技中有各种创意的应用。陶瓷材料大多是氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等。如今，陶瓷工艺真正飞速发展。 [关键词]：陶瓷历史；陶瓷材料；新品种陶瓷；新品种陶瓷特点 1.陶瓷的概念及发展历史 1.1什么是陶瓷 陶瓷是以粘土为主要原料以及各种天然矿物经过粉碎混炼、成型和煅烧制得的材料以及各种制品。陶器和瓷器的总称。陶瓷的传统概念是指所有以粘土等无机非金属矿物为原料的人工工业产品。它包括由粘土或含有粘土的混合物经混炼，成形，煅烧而制成的各种制品。由最粗糙的土器到最精细的精陶和瓷器都属于它的范围。对于它的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物(如粘土、石英等)，因此与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业，同属于“硅酸盐工业”的范畴。 1.2陶瓷的发展历史 陶瓷的发展史是中华文明史的一个重要的组成部分，中国作为四大文明古国之一，为人类社会的进步和发展做出了卓越的贡献，其中陶瓷的发明和发展更具有独特的意义，中国历史上各朝各代有着不同艺术风格和不同技术特点。中国是世界上最早应用陶器的国家之一，而中国瓷器因其极高的实用性和艺术性而备受世人的推崇. 在中国，制陶技艺的产生可追溯到纪元前4500年至前2500年的时代，汉族劳动人民在科学技术上的成果以及对美的追求与塑造，在许多方面都是通过陶瓷制作来体现的，并形成各时代非常典型的技术与艺术特征。 夏朝以前发展的标志是彩陶。其中有较为典型的仰韶文化、以及在甘肃发现的稍晚的马家窑与齐家文化等等，解放后在西安半坡史前遗址出土了大量制作精美的彩陶器，令人叹为观止. 汉朝，陶器受到了更为确切的重视,在这一时期，烧造技艺有所发展，较为坚致的釉陶普遍出现，汉字中开始出现“瓷”字。同时，通过新疆、波斯至叙利亚的通商路线，中国与罗马帝国开始交往，促使东西方文化往来交流，从此一时期的陶瓷器物中也可以看出外来影响的端倪。 唐代，陶瓷的工艺技术改进巨大，许多精细瓷器品种大量出现，即使用当今的技术鉴测标准来衡量，它们也算得上是真正的优质瓷器。尤其以唐三彩最为出名。唐末五代十国出现了一个陶瓷新品种——柴窑瓷（萧窑），质地之优被广为传颂，但传世者极为罕见。
We live in a world of material possessions,that largely define our social relationships and economic quality of life .we distinguish six categories that encompass the materials available to practicing engineers:metals,ceramics,glasses,polymers,composites,and semiconductors. Ceramics is the most ancient material that widely used as the engineering material since about 8000 years ago.and it also be developed for the airspace and electronics industries.Ceramics can be divided into two categories:structual ceramic and fuctional ceramic . the raw materials of trantional ceramic contains clay,kaolinite,montmorillonite and other materials that can improve and change the property of ceramics.there materials are abundent and economical,many of the traditional ceramics that we use are made of these materials called silicates.With the development of the ceramic,it has been more and more advanced . When we first discuss a material,we often talk about it’s structual and property and then application.The structure of ceramic cotains three phases:crystal phase,glass phase and gaseous phase(i.e.pore)Because it’s crystal structual,ceramics often called crystalline ceramics by looking at the SiO2-based silicates.It’s network of the structure contribute to the property of it’s s pecial hardness and excellent temperature resistance and other phsical and chemical properties.The role of glass phase is to fill the crystalline gap,improve the density,lower the sintering temperature and
陶瓷材料 陶瓷可以大致定义为金属元素与非金属元素的化合物。这里“陶瓷”一词来自英语“Ceramic”，大致相当于我国的“无机非金属材料”。因此，陶瓷所包括的范围远不止金属与非金属的化合物。除了以上定义所覆盖的材料外，以二氧化硅为主体的玻璃，碳化硅等无机非金属化合物都被归入陶瓷的范畴。碳材料也被算作陶瓷家族的一员。但上述定义为陶瓷材料的分类提供了方便，可以按照化合物中的非金属元素分成氧化物、氮化物、碳化物、氢化物、卤化物等。卤化物一般不用作材料，只以溶液形式作试剂使用。但在光学透镜和分析样品载体方面，卤化物还是有一定应用的。 Ceramic一词的远祖是希腊文“keramos”，意为“灼烧过的泥土”。人类使用陶器与瓷器的年代甚至要早于使用金属。直到现代，一提起陶瓷，人们不免想起饭碗、茶杯等用具，很难想到日常接触的砖头、水泥、混凝土也是陶瓷，更难想像近年来出现的高科技陶瓷了。 大约在60年代，人们开始开发新一代的陶瓷材料。被开发的陶瓷材料有的是传统材料的新利用，如氧化铝、碳化硅、氮化硅等，有的则是人工合成的新材料如碳化钨、碳化铌等。半稳定的氧化锆更是高科技的产物。人们给新一代陶瓷材料冠以各种各样的名称：高科技陶瓷、高性能陶瓷、精细陶瓷、新型陶瓷、高增值陶瓷、工程陶瓷及先进陶瓷等。在本书中我们倾向于使用“先进陶瓷”一词。 先进陶瓷的工业化应用还只是近十几年的事情。先进陶瓷有许多性质是其它材料所难以企及的，如耐热性、硬度、耐磨、化学稳定性、韧性等。陶瓷制造的发动机部件正在悄悄地取代金属部件，光导纤维已全面占领了通信领域，陶瓷燃料电池正在试制之中。陶瓷的高硬度与高耐磨性被用来制造磨擦构件与切削工具，其寿命比金属材料要长数十倍。图5-1画出了陶瓷的部分应用。 图5-1 陶瓷的应用 陶瓷由于本身就是化合物，不容易再进一步发生化学反应，受环境的影响最小；陶瓷加工过程中对环境造成的影响也最小，陶瓷的废弃物对环境也不会有太大的不利影响。在金属、陶瓷、聚合物、复合材料四类材料中，陶瓷是最为环境友好的一类材料。由于地壳组成的特点，铝、硅、氧、氮、碳都是最丰富的元素，人类已经在问自己：是否要回归陶瓷时代？ 5.1 陶瓷的性质 5.1.1孔隙度与密度
陶瓷材料的分类及发展前景 学校: 太原理工大学 学院: 材料科学与工程 专业：无机0801 姓名：孙佩
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。 引言 陶瓷材料在人类生活和现代化建设中是不可缺少的一种材料。它是继金属材料，非金属材料之后人们所关注的无机非金属材料中最重要的材料之一。它兼有金属材料和高分子材料的共同优点，在不断改性的过程中，已经使它的易碎性有了很大的改善。陶瓷材料以其优异的性能在材料领域独树一帜，受到人们的高度重视，在未来的社会发展中将发挥非常重要的作用。陶瓷材料按其性能及用途可分为两大类：结构陶瓷和功能陶瓷。现代先进陶瓷的性能稳定、高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、耐酸耐碱、耐磨损、抗氧化以及良好的光学性能、声学性能、电磁性能、敏感性等性能远优于金属材料和高分子材料；而且，先进陶瓷是根据所要求的产品性能，经过严格的成分和生产工艺制造出来的高性能材料，因此可用于高温和腐蚀介质的环境当中，是现代材料科学发展最活跃的领域之一。在此，笔者将对先进陶瓷的种类及应用领域做详细的介绍。 1.结构陶瓷 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。氧化镁在空气中易吸潮水化生成Mg(OH)2，在制造过程中必须注意。为了减少吸潮，应适当提高煅烧温度，增大粒度，也可增加一些添加剂，如TiO2、Al2O3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，
0 绪论 项目1 陶瓷颜料概述 0.1 陶瓷颜料的任务和作用陶瓷颜料是陶瓷装饰材料的重要组成之一。在学习陶瓷颜料工艺学之前，明确什么是陶瓷装饰材料，它包括哪些内容是很有必要的。 “陶瓷装饰材料” 是指用来装饰陶瓷制品的固体颜料、液体颜料、贴花纸等材料，具体来讲：应包括新彩颜料、粉彩颜料、古彩颜料、广彩颜料、釉中彩颜料、釉下彩颜料、颜色釉釉用颜料、坯体用颜料、金水、钯水、金粉、各色电光水、陶瓷贴花纸等。 随着社会的不断发展，陶瓷生产发展到今天，人们要求陶瓷制品不仅具有一定的使用价值，同时必须具有较高的艺术欣赏价值。为了提高陶瓷产品的艺术价值，除了对产品进行较高水平的艺术造型设计以外，大力发展陶瓷装饰材料，将其广泛应用于陶瓷的彩饰加工，以提高陶瓷的艺术价值。将尤其重要。 陶瓷颜料为陶瓷生产中重要的装饰材料,广泛应用于陶瓷彩绘装饰, 贴花纸印刷装饰，颜色釉装饰及坯体装饰等方面, 它的出现大大提升陶瓷产品的艺术价值及经济价值。 0.2 陶瓷颜料的发展历程瓷器是中国伟大的发明之一，是我国劳动人民辛勤劳作的结晶。据考古研究证明，远在三国时期我国就能生产出真正的瓷器。当然，在发明瓷器以前，人们已经积累了丰富的制作陶器的经验，据资料报道，远在新石器时代早期，我们祖先久开始了陶器制作。 由此可见，我国陶瓷器的生产具有悠久的历史，陶瓷装饰材料同陶瓷器生产一样历史悠久。远在商前时期，即公元前十六世纪追溯到新石器时代，当时并未发明釉的装饰，仅只在陶器上加绘红彩和黑彩形成陶器。商周时期是陶向瓷逐渐过渡时期，是我国釉的最早发明阶段，人们在钙釉中引入铁着色元素、釉色呈现浅黄或灰中略带青，汉代我国出现了以Cu 2着色的铅铜绿釉，东汉中晚期出现了以铁着色还原气氛下烧成的青釉瓷器，即著名的青瓷，唐代是我国陶瓷发展的鼎盛时期，陶瓷装饰发展迅速，从单色釉装饰发展为多色釉装饰，着色元素从铁、铜两种发展到钴，色彩绚丽的唐三彩即为当时的代表作，以河南洛阳最为有名，三色主要为青、绿、黄等，其中有蓝色的，俗称“蓝三彩” 。宋代我国的瓷器已达到历史较高水平。当时生产瓷器最著名的五大民窑为“哥、汝、定、官、钧” ，此前以影青瓷著名。钧窑的铜红釉勘称一绝，驰名中外的瓷都景德镇发展于这一时期。宋代装饰方法由原来的刻划花发展到自由描绘、色彩由单色发展到三色，斗彩、青花瓷亦在此出现，“斗彩”是有烧制青花瓷器上加红、黄、绿、紫等色，经炉火彩烤而成，实际上是釉下青花和釉上彩绘的综合装饰。元代开创了青花釉里红装饰，为我国陶瓷装饰材料的发展作出重大贡献，明代陶瓷装饰效果达到新境界，其代表作“祭红”釉厚如脂、光莹庄重，“霁红”釉汁晶莹如红宝石，并进一步发展了青花、青花斗彩、三彩，并创立了五彩，五彩是在斗彩的基础上发展起来的，并非五种颜色，而是多种颜色的意思。并有少数用锑黄装饰陶瓷制品，清代陶瓷装饰材料有珐琅彩、粉彩、古彩、青花加紫、素三彩等，素三彩是在素烧坯上施以绿或黄、淡紫、茄紫等色，三种颜料，浓淡不一，互相配合，光泽美丽，黑的更为名贵，颜色釉方面也有较大发展，人们利用窑变制作出名贵的郎窑红茶叶末，三阳开泰等珍品，十八世纪，五十年代国外（德国）发明金水、贴花 纸，电光水等装饰材料在我国得到应用。 在发明瓷器之前，人类就积累了丰富的制陶经验。早在八千年前的新石器时代便产生了陶器。当时，陶器是由应用而产生的。装饰则随陶器面世而开始，随陶器发展而发展。从最早的灰陶编织物饰纹、到南方陶器的网纹和红陶的绘画出现，逐渐形成了众多的彩陶装饰、彩陶的色料有高铁质的红色。黑色和白色三种。变现形式有红地黑花或红
陶瓷材料的概述 姓名：卢光举 学号：0905020102
陶瓷材料的概述 微波介质陶瓷材料介电性能间的制约关系 综述：微波介质陶瓷材料的三个主要参数相对介电常数εr、品质因数Q和谐振频率温度系数之间存在一定的关系。采用一维双原子线性振动模型,分析了微波介质陶瓷材料的εr、Q影响因素和它们之间的相互制约关系;采用Clausius-Mosotti方程,分析了谐振频率温度系数的影响因素以及它和εr之间的相互制约关系。讨论了提高高介微波介质陶瓷材料性能的途径,发现采用同电价质量较轻的离子取代,在基本不影响介电常数的情况下具有提高材料的Q·f 值的可能性。 【作者】朱建华；梁飞；汪小红；吕文中； 《电子元件与材料 , Electronic Components $ Materials》, 2005年03期陶瓷材料抗冲击响应特性研究进展 综述：从陶瓷材料的本构关系及损伤模型,抗冲击响应实验研究包括实验技术、 应变率效应、Hugoniot弹性极限和动态屈服强度以及失效波现象等方面,对弹丸冲击下陶瓷材料的抗冲击响应特性研究进行了较为系统的回顾,最后分析了陶瓷材料抗冲击响应特性数值模拟技术的研究现状,探讨了陶瓷材料抗冲击响应特性研究的发展趋势。 【作者】侯海量；朱锡；阚于龙； 兵工学报 , Acta Armamentarii, 2008年01期 热障涂层用氧化物稳定的ZrO2陶瓷材料研究现状 综述：综述了氧化物稳定的热障涂层用ZrO2陶瓷的研究情况。指出氧化物稳定的ZrO2陶瓷材料主要适用于在1000℃左右工作的热障涂层,而不易用作新型高温热障涂层表面陶瓷层材料。随着航空发动机技术的发展,化学式为A3+2B4+2O7焦绿石结构的陶瓷材料有望替代氧化物稳定的ZrO2陶瓷,根据声子导热理论和晶体化学原理,选用合适的氧化物对A3+2B4+2O7型陶瓷材料进行掺杂进一步降低其热导率并改善热膨胀系数,将为热障涂层技术应用开辟广阔的空间。 【作者】张红松；陈晓鸽；徐强；王富耻；刘玲； 中国陶瓷 , China Ceramics, 2008年03期 热敏陶瓷材料Mn2.25-x Ni0.75Co x O4微结构与电学性能研究 综述：采用氧化物固相法制备Mn2.25-xNi0.75CoxO4(0.8≤x≤1.2)系列 NTC(negative temperature coefficient)热敏电阻粉体材料.利用激光粒度分析、XRD、SEM和电性能测试等手段,表征了煅烧材料的颗粒尺寸、陶瓷体的物相、形貌以及陶瓷材料的电学特性与Co含量的关系.结果表明:在1130～1230℃烧结温度范围内,该材料体系的B值和电阻率ρ25℃随Co含量的变化范围分别为
一、陶瓷材料发展历史及其概念的内涵 陶瓷是人类生活和生产中不可缺少的一种材料。陶瓷产品的应用范围遍及国民经济各个领域。它的发展经历了从简单列复杂、从粗糙到精细、从无油到施釉、从低温到高温的过程。随着生产力的发展和技术水平的提高．各个历史阶段赋予陶瓷的涵义和范围也随之发生变化。 传统的陶瓷和日启陶瓷、建筑陶瓷、电瓷等是采用粘土类及其它天然矿物原料经过粉碎加工、成型、烧结等过程而得到的器几由于它使用的原料主要是硅酸盐矿物，所以归属于硅酸盐类材料。生产的发展与科学技术的进步要求充分利用陶瓷材料的力学性质和物理化学性质，因而制造出许多斯的品种，使陶瓷从古老的工艺与艺术领域进入现代材料科学的行列中。这些陶瓷新品种，如高温陶瓷(氧化物：Al2O3、SiO2、莫莱石、非氧化物．SiC、Si3N4)、超硬刀具及耐磨陶瓷(CBN、Si3N4。、Al2O3+TiC、B4C等)、介电陶瓷(Ba TiO3)、压电陶瓷(PZT)、集成电路板用高导热陶瓷(AlN)、高耐腐蚀性的化工及化学陶瓷等常称为特种陶瓷。特种陶瓷的生产过程虽然基本上还是沿用粉末原料处理一成型一烧结这种传统的工艺方法．但所采用的原料已不单单是天然矿物。而是扩大到经过人工提纯加工或合成的化工原料，组成范围已扩展到无机非金属材料的范围。 现代陶瓷材料是以特种陶瓷为基础由传统陶瓷发展起来的又具有与传统陶瓷不同时鲜明特点的一类新型陶瓷。它早已超出了传统陶瓷的概念和范畴．是高新技术的产物。因此说陶瓷材料是一门古老而又年轻的学科。 所谓现代陶瓷材料即无机非金属材料．它垦与金属和有机材料相并列的三大类现代材料之一，也是除金属材料和有机材料以外，其它所有材料的统认本章讨论的对象是现代陶瓷材料或称现代无机非金属材料。 现代陶瓷材料具有高新技术内涵。与传统材料相比．主要具有以下三个特点： (1)以现代科技发展的要求为背景．是现代科技发展的产物，为高新技术产品。 (2)制造工艺复杂，需要现代科技成果的指导．因而为技术知识密集型产品。 (3)具有优异的威特殊的性能，能满足商新技术产业的要求。 二、陶瓷材料的分类 随着生产与科学技术的发展．陶瓷材料及产品种类日益增多．为了便于掌握各种材例或产品的特征，通常以不同的角度加以分类。 1.按化学成分分类 (1)氧化物陶瓷。氧化物陶瓷种类繁多，在陶瓷家族中占有非常重要的地位。最常用的氧化物陶瓷是用Al2 O3、SiO2、MgO、ZrO3、CeO2，CaO．Cr2O3及莫莱石(3Al2O3.2SiO4)和尖晶石(MgAl2O3)等。陶瓷中的Al2 O3和SiO2相当于金属材料中的钢铁和铝合金一样被广泛应用，表11.1中列出了一些氧化物陶瓷．硅酸盐亦属氧化物系列。如ZrsiO4。Call已等，还有复合氧化物如BaT吗、CgyiO；等亦属此类。