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陶瓷相变

/phase transformation of ceramics/
条目作者高濂、王永令撰龚江宏修订
条目作者高濂、王永令撰

高濂、王永令撰

龚江宏修订

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最后更新 2022-01-20
浏览 302
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陶瓷在制备或使用过程中,在温度、应力或电场作用下,其晶体结构发生变化的现象。

英文名称
phase transformation of ceramics
所属学科
材料科学与工程

陶瓷相变对陶瓷性能有直接的影响。不加控制的相变往往会导致陶瓷性能的严重劣化。例如,不加稳定剂的氧化锆(ZrO2)陶瓷,在从烧结温度冷却到室温的过程中,会发生从四方相到单斜相的转变,从而导致严重开裂。而利用某些陶瓷的相变特点,并适当调控,则可以开发出具有优良性能的相变陶瓷。

纯氧化锆(ZrO2)一般具有三种晶型,分别为立方结构(c)、四方结构(t)和单斜结构(m)。其中,单斜相是ZrO2在常温下的稳定相,而立方相则是高温稳定相。在制备或使用过程中,材料中的四方相氧化锆晶粒会转变为单斜相。在制备的烧结过程中,相变是温度诱导的;而在使用过程中,相变则是应力诱导的。两类相变的结构均可用于使陶瓷增韧。但两者增韧机制不同,前者为微裂纹增韧,后者为应力诱导的相变增韧。氧化锆的相变现象很早就被观察到,但是相变增韧机制的提出及应用则是在20世纪70年代之后。

利用冲击波代替外加应力作用在铁电陶瓷上,迫使陶瓷发生结构相变而成为反铁电体,同时在微秒瞬间释放出30×10-6库/厘米2的电荷,从而在一般尺寸的陶瓷块上建立起几万以至几十万伏的高压、几百以至几千安的电流。理论计算能量密度可达每立方厘米几十焦耳,实际释放电能密度可达2焦/厘米3。利用这种相变陶瓷制成的爆电换能器,可用于点火,具有能量密度高、器件体积小、使用安全可靠、放电波形可控、精度高等优点。在军事上,这种相变陶瓷可制作特殊的脉冲大功率电流发生器。用于爆电换能器的PZT95/5陶瓷与一般锆钛酸铅(PZT)陶瓷的不同之处在于陶瓷组分比例有较大的变化。前者在室温条件下处于相图的铁电-反铁电相界,并靠近反铁电相一边,施加足够高的电场可迫使其相变为铁电体,在外加电场撤除后并不返回反铁电相,但在外来冲击波作用下可迫使其返回反铁电相。

利用温度诱导发生相变的陶瓷称为相变热释电陶瓷。与一般热释电陶瓷相比,其自发极化随温度变化会出现二次相变转折。第一次转折是从高温铁电相转变为低温铁电相,自发极化约有4微库/厘米2的变化。第二次相变转折与一般铁电陶瓷相同,从铁电相转变为顺电相。前者所产生的变化是可逆的,在这个相变区域的热释电系数非常高,比一般铁电陶瓷要高出一个数量级,达4.8×10-3库/(米2·开)。通过掺杂改性,可以做到在较宽的温度范围(0~70℃)内仍然具有较高的热释电系数。用相变热释电陶瓷制成的热释电探测器,其灵敏度可与TGS、PVF2等热释电材料相当,并具有价格低廉、易于做成大面积等优点。

透明PLZT陶瓷具有的光电效应(包括电控双折射和电控光散射)主要与应力诱导相变和电场诱导相变有关。具有较大光电效应的陶瓷,其组分往往是处于复杂的组成-温度相图中的相界线上。陶瓷的相变过程导致其自发极化变化,从而引起光轴偏转或数值变化、折射率变化和双折射的产生和变化。所有这些变化都可电控。这种陶瓷可制成电光开关、存储和显示装置。

钛酸钡(BaTiO3)基陶瓷具有PTC效应。陶瓷的电阻率随温度的升高而增加,并在居里温度处发生突变的现象称PTC效应。产生效应的主要原因有两方面:一是高价离子的取代提供了使绝缘陶瓷具有导电性能的自由电子;二是陶瓷发生相变。陶瓷是多晶体,导电受晶界势垒的影响,势垒阻碍电子贯穿晶界,使陶瓷体难以导电。欲产生PTC效应,可使陶瓷体从高温态降温,在通过居里温度时,陶瓷体内将出现自发极化,由自发极化产生的内电场补偿了晶界势垒,使积聚在晶界的大量自由电子容易穿过晶界而使陶瓷体导电。由于相变是在一定的温度范围内突然产生的,因而陶瓷体的电阻率也发生突变。已有的一些PTC陶瓷能在不到10℃的温度变化范围内,发生高达8~10个数量级的电阻率变化。

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