1）了解和掌握在實驗室條件下製備功能陶瓷材料的典型工藝和原理，包括配方計算、稱量、混料、篩分、造粒、成型、排塑、燒結、加工、物理與電學效能測試等基本過程，本實驗以多功能tio2 壓敏陶瓷的製備和效能檢測為例項。
2）利用實驗找出材料的最優燒結工藝，包括燒結溫度和燒結時間。
2.1.1 敏感陶瓷的原理
敏感陶瓷材料是某些感測器中的關鍵材料之一，用於製作敏感元件，它是一類新型多晶半導體功能陶瓷。敏感陶瓷材料是指當作用於有這些材料製造的原件上的某乙個外界條件，如溫度、壓力、濕度、氣氛、電場、光及射線改變時，能引起該材料某種物理效能的變化，從而能從這種元件上準確迅速的獲得某種有用的訊號。按其相應的特性把這些材料分別稱作為熱敏、壓敏、溼敏、光敏、氣敏及離子敏感陶瓷。
敏感陶瓷就是通過微量雜質的摻入，控制燒結氣氛（化學計量比偏離）及陶瓷的微觀結構，可以使傳統絕緣陶瓷半導體化，並使其具備一定的效能。
陶瓷是由晶粒、晶界、氣孔組成的多相系統，通過人為摻雜，造成晶粒表面的組分偏離，在晶粒表層產生固溶、偏析及晶格缺陷；在晶界處產生異質相的析出、雜質的聚集，晶格缺陷及晶格各向異性等。這些晶粒邊界層的組成、結構變化，顯著改變了晶界的電效能，從而導致整個陶瓷電氣效能的顯著變化。
2.1.2 壓敏陶瓷的原理
壓敏半導體陶瓷是指電阻值與外加電壓成顯著的非線性關係的半導體陶瓷。使用時加上電極後包封即成為壓敏電阻器。製造壓敏電阻器的半導體陶瓷材料主要有sic、zno、batio3、fe2o3、sno2、srtio3、tio2 等。
其中batio3、fe2o3 利用的是電極與燒結體介面的非歐姆特性，而sic、zno、srtio3、tio2 利用的是晶界的非歐姆特性，目前在高壓領域中應用最廣、效能最好的是zno 壓敏陶瓷。
氧化鋅壓敏電阻器的i-v 特性曲線（左圖）及其示意圖（右圖）
由於大規模整合電流的廣泛使用，對變阻器的要求是更小更薄，具有更多功能和相對較低漏電流。根據這些新要求和壓敏功能與陶瓷顯微結構的關係，人們把研究的注意力集中到具有半導體晶界效應的tio2材料方面。
2.1.3 材料的微觀結構和設計
電子陶瓷的電阻是由晶粒和晶界的電阻組成的，壓敏電阻器是利用電子陶瓷的晶界效應，晶粒的電阻率要很小。晶界實在陶瓷的燒結過程中，隨著晶粒長大，部分新增劑偏析在晶粒之間形成的。
壓敏電阻器的阻值是隨著外加的電壓而變化的，當外加電壓低於壓敏電壓時，材料的晶界勢壘高，壓敏電阻表現為高阻狀態，這時的電阻主要**於晶界；當外加電壓達到壓敏電壓時，電阻將隨著電壓的增加而急劇下降，這使得晶界勢壘將被擊穿，其阻值主要由晶粒電阻所決定。考慮到壓敏電阻器的這種電阻變化特性，要求壓敏陶瓷的晶界勢壘b 要高，使境界稱為乙個高阻的晶界層，而晶層界的厚度t 要窄，即易發生隧道擊穿，並且晶粒的電阻率要很小，有利於壓敏陶瓷由高阻狀突變為低阻狀態。
2.1.4 試樣的製備與效能
a.新增劑的摻雜
為了降低晶粒的電阻率，就必須使tio2 晶粒半導體化。由於tio2 材料存在有本徵缺陷和鈦離子填隙，已經使得tio2 變成一種弱n 型半導體。為進一步降低材料的晶粒電阻摻入**離子，如5 價離子nb5+、ta5+和6 價離子w6+來替代ti4+形成晶格替位，可以發生如下缺陷反應：
sb2o5→2 sbti + 2e′+ oox +1/2o2 （g）
式中：sbti——佔據鈦離子格點位置帶有乙個正電荷的銻離子；
e′——乙個電子的電荷；
oox——佔據氧個點位置的原子；
tio2 材料中晶粒載流子濃度為：n=[ sbti]
從理論上說，隨著摻雜sb2o5 濃度的增加，載流子濃度不斷增加，晶粒的電阻率應當不斷下降，實際上開始時隨著sb2o5 含量的增加，晶粒電阻率急劇減小，但是當其含量超過一定值以後，晶粒的電阻率稍有增加。這可能是由於摻雜過多時，不能夠形成替位雜質，不能提供自由電子，而雜誌的增加，導致雜質散射作用增強。
b.燒結過程的控制
燒結溫度和保溫時間一直是工藝研究的主要內容，直接影響材料的半導化、緻密化及新增物在主成分中的擴散過程。燒結溫度顯著影響材料的電學效能。適當的燒結溫度，可使晶粒生長充分，並降低壓敏電壓、完善晶界的形成；過高的燒結溫度會使晶粒過分長大，導致晶界不穩定；過低的燒結溫度不利於勢壘的形成，壓敏效能較差。
適當的保溫時間是獲得一定高度晶界勢壘、形成良好壓敏特性晶界的必備條件。
tio2 壓敏電阻器在燒成時容易受氧分壓的控制，較低的氧分壓有利於晶粒的半導化，獲得較好的壓敏效能。在燒結後冷卻過程中，空氣中的氧沿晶界擴散，使晶界層絕緣化更加充分，但在高氧化氣氛條件下，非線性係數主要取決於表面氧化層。由此表明，工藝極大地影響tio2 壓敏電阻的微觀結構和電學效能。
對原料進行球磨的目的主要有兩個：（1）使物料粉碎至一定的細度；（2）使各種原料相互混合均勻。陶瓷工業生產中普遍採用的球磨機主要是靠內裝一定研磨體的旋轉筒體來工作的。
當筒體旋轉時帶動研磨體旋轉，靠離心力和摩擦力的作用，將研磨體帶到一定高度。當離心力小於其自身重量時，研磨體落下，衝擊下部研磨體及筒壁，而介於其間的粉料便受到衝擊和研磨，故球磨機對粉料的作用可分成兩個部分：（1）研磨體之間和研磨體與筒體之間的研磨作用；（2）研磨體下落時的衝擊作用。
為提高球磨機的粉碎效率，主要應考慮以下幾個影響因素：
1、球磨機轉速。當轉速太快時，離心力大，研磨體附在筒壁上與筒壁同步旋轉，失去研磨和衝擊作用。當轉速太慢時，離心力太小，研磨體公升不高就滑落下來，沒有衝擊能力。
只有轉速適當時，磨機才具有最大的研磨和衝擊作用，產生最大的粉碎效果。合適的轉速與球磨機的內徑、內襯、研磨體種類、粉料性質、裝料量、研磨介質含量等有關係。
2、研磨體的比重、大小和形狀。應根據粉料性質和粒度要求全面考慮，研磨體比重大可以提高研磨效率，而且直徑一般為筒體直徑的1/20，且應大、中、小搭配，以增加研磨接觸面積。圓柱狀和扁平狀研磨體因其接觸面積大，研磨作用強，而圓球狀研磨體的衝擊力較集中。
3、料、球、水的比例。球磨機筒體的容積是固定的。原料、磨球（研磨體）和水（研磨介質）的裝載比例會影響到球磨效率，應根據物料性質和粒度要求確定合適的料、球、水比例。
為使粉料更適合成型工藝的要求，在需要時應對已粉碎、混合好的原料進行某些預處理：
(1) 塑化：傳統陶瓷材料中常含有粘土，粘土本身就是很好的塑化劑；只有對那些難以成型的原料，為提高其可塑性，需加入一些輔助材料：
① 粘結劑：常用的粘結劑有：聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛、聚乙二醇、甲基纖維素、羧甲基纖維素、羥丙基纖維素、石蠟等。
② 增塑劑：常用的增塑劑有：甘油、酞酸二丁酯、草酸、乙酸二甘醇、水玻璃、粘土、磷酸鋁等。
③ 溶劑：能溶解粘結劑、增塑劑，並能和物料構成可塑物質的液體。如水、乙醇、丙酮、苯、醋酸乙酯等。
選擇塑化劑要根據成型方法、物料性質、製品效能要求、新增劑的**以及燒結時是否容易排除等條件，來選擇新增劑的種類及其加入量；
(2) 造粒：粉末越細小，其燒結效能越良好；但由於粉末太細小，其松裝比重小、流動性差、裝模容積大，因而會造成成型困難，燒結收縮嚴重，成品尺寸難以控制等困難。為增強粉末的流動性、增大粉末的堆積密度，特別是採用模壓成型時，有必要對粉末進行造粒處理。
常用的方法是，用壓塊造粒法來造粒：將加好粘結劑的粉料，在低於最終成型壓力的條件下，壓成塊狀，然後粉碎、過篩；
（3）漿料：為了適應注漿成型、流延成型、熱壓鑄成型工藝的需要，必須將陶瓷粉料調製成符合各種成型工藝效能的漿料。
將水分適當的粉料，置於鋼模中，在壓力機上加壓形成一定形狀的坯體。乾壓成型的實質是在外力作用下，顆粒在模具內相互靠近，並借內摩擦力牢固地把各顆粒聯絡起來，保持一定形狀。
在粉體變成的型坯中，顆粒之間結合主要靠機械咬合或塑化劑的粘合，型坯的強度不高。將型坯在一定的溫度下進行加熱，使顆粒間的機械咬合轉變成直接依靠離子鍵，共價鍵結合，極大的提高材料的強度，這個過程就是燒結。
陶瓷材料的燒結分為三個階段，公升溫階段，保溫階段和降溫階段。
在公升溫階段，坯體中往往出現揮發分排出、有機粘合劑等分解氧化、液相產生、晶粒重排與長大等微觀現象。在操作上，考慮到燒結時揮發分的排除和燒結爐的壽命，需要在不同階段有不同的公升溫速率。
保溫階段指型坯在公升到的最高溫度（通常也叫燒結溫度）下保持的過程。粉體燒結涉及組成原子、離子或分子的擴散傳質過程，是乙個熱啟用過程，溫度越高，燒結越快。在工程上為了保證效率和質量，保溫階段的最高溫度很有講究。
燒結溫度與物料的結晶化學特性有關，晶格能大，高溫下質點移動困難，不利於燒結。燒結溫度與材料的熔點有關係，對陶瓷而言是其熔點的0.7—0.
9倍，對金屬而言是其熔點的 0.4-0.7倍。
冷卻階段是陶瓷材料從最高溫度到室溫的過程，冷卻過程中伴隨有液相凝固、析晶、相變等物理化學變化。冷卻方式、冷卻速度快慢對陶瓷材料最終相的組成、結構和效能等都有很大的影響，所以所有的燒結實驗需要精心設計冷卻工藝。
由於燒結的溫度如果過高，則可能出現材料顆粒尺寸大，相變完全等嚴重影響材料效能的問題，晶粒尺寸越大，材料的韌性和強度就越差，而這正是陶瓷材料的最大問題，所以要提高陶瓷的韌性，就必須降低晶粒的尺寸，降低燒結溫度和時間。但是在燒結時，如果燒結溫度太低，沒有充分燒結，材料顆粒間的結合不緊密，顆粒間仍然是靠機械力結合，沒有發生顆粒的重排，原子的傳遞等過程，那麼材料就是不可用的。
材料是否燒結良好，需要一定的檢測手段。燒結的緻密程度一般表現在密度是否高、材料內部的氣孔的多少、表面的氣孔多少和大小以及吸水能力的強弱。在本實驗中，主要考察材料表面氣孔率、相對密度、吸水率以及線收縮率。
很多的實驗，在燒結的過程中，可能由於很多的原因而出現表面裂紋，有些會出現表面的凹陷，所以，燒結後檢測的第一步就是目測試樣。如果出現以上的問題，則試樣肯定是不合格的，其他的實驗可以不用做了。目測的專案有是否出現表面裂紋、是否有變形現象，是否表面出現凹陷或者突出。
工程材料課件ch01 4陶瓷材料的結構與效能
1.4 陶瓷材料的結構與效能 1.4.1 陶瓷材料的結構 一 陶瓷材料的製備過程 原料破碎 混合 成型 燒結 普通陶瓷的原料通常是由粘土 石英和長石組成。在加熱燒成或燒結和冷卻過程中，由這三部分組成的坯料相繼發生四個階段的變化 1 低溫階段 室溫 300 殘餘水分的排除。2 分解及氧化階段 300 ...
鐵電陶瓷材料的應用以及生產工藝之三
鐵電陶瓷材料，是指具有鐵電效應的一類功能性陶瓷材料，它是熱釋電材料的乙個分支。可用於大容量的電容器 高頻用微型電容器 高壓電容器 疊層電容器和半導體陶瓷電容器等，可以製作介質放大器和相移器等。利用其熱釋電性，可製作紅外探測器等。也用於製造光閥 光調製器 雷射防護鏡和熱電探測器等。廣泛應用於航天 軍工...
分離和提純設計性實驗指導材料
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