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        幾種典型陶瓷絕緣材料的性能及制備方法(圖文)

        來源:博美特 點擊量:日期:2020-10-22

          絕緣材料的制備方法有很多種,其中典型的制備方法有熔融紡絲、擠出紡絲、溶液浸漬、溶膠-凝膠法、化學氣相反應、化學氣相沉積、靜電紡絲和溶液吹塑紡絲。除了上述方法,還有聚合物轉化法、水熱合成法等。通過上述制備方法,可以制備多種陶瓷絕緣材料。絕緣材料按化學成分分為氧化物絕緣材料和非氧化物絕緣材料。下面介紹幾種典型的陶瓷絕緣材料。

        氧化物絕緣材料

          1氧化鋯絕緣材料

          氧化鋯的熔點高達2700,在1900時不與鋁、鉑、鐵、鎳等熔融金屬反應,因此具有優異的化學穩定性。同時,氧化鋯因其高電阻率、高折射率、耐腐蝕和低熱膨脹系數而被廣泛用作隔熱材料和陶瓷隔熱材料。二氧化鋯在低溫下呈單斜晶型,當溫度升高到1100以上時轉變為四方晶型,在1900以上轉變為立方晶型。純氧化鋯的三種晶型在不同的溫度下可以發生轉變,在冷卻過程中純氧化鋯的體積膨脹為8個點(即從四方晶型轉變為單斜晶型)。因此,為了防止純氧化鋯在冷卻過程中的晶型轉變,在制備過程中加入了適量的穩定劑,如Y2O3、CaO和MgO。

          1996年,Oppermann等人shouci制備了氧化鋯連續纖維。制備方法如下:先將異丙醇鋯水解制備氧化鋯沉淀,然后用水洗滌沉淀,過濾,加入鹽酸形成鋯溶膠。然后在聚乙烯醇水溶液中加入鋯溶膠和醋酸釔,離心過濾得到氧化鋯連續纖維。氧化鋯基絕緣材料仍然以短纖維為主,制備的氧化鋯纖維直徑大,只能作為絕緣材料,不能廣泛應用于其他領域。靜電紡絲法與溶膠-凝膠法相結合是一種制備氧化鋯絕緣材料的新方法,具有直徑細、連續的特點。邵等人用聚乙烯醇和氧氯化鋯制備了靜電紡絲前驅體溶液,然后shouci用靜電紡絲技術制備了直徑為50 ~ 200 nm的氧化鋯絕緣材料。王等以氧氯化鋯為原料,采用吹塑法制備了力學性能優異的氧化鋯絕緣海綿。Rodrguez-Miraso等人以PVP和醋酸鋯為原料,采用靜電紡絲技術成功制備了氧化鋯絕緣材料,并將其應用于催化。
        2鈦酸鋇絕緣材料

          2鈦酸鋇絕緣材料
               鈦酸鋇廣泛應用于電子陶瓷器件領域。由于其許多優異的性能,鈦酸鋇在電子陶瓷器件領域具有重要的地位。鈦酸鋇是一種無鉛壓電陶瓷,zui早發現并廣泛應用于工業。鈦酸鋇的晶體結構為ABO3 _ 3鈣鈦礦晶體結構,鈦酸鋇有兩種晶型,即四方晶系和立方晶晶系。這兩種晶型可以在不同的溫度下轉變。當溫度降至居里溫度以下時,鈦酸鋇從立方晶體系變為四方體系。晶體轉變過程中存在相變潛熱,相變過程中還會發生自發ji化跳躍和幾何尺寸突變。它具有介電損耗低、介電常數高、鐵電性和壓電性等優異的電學性能,使其在工業生產中廣泛用作壓電材料。

          溶膠-凝膠法是一種廣泛使用的制備方法,鈦酸鋇盧啟芳等人用溶膠-凝膠法成功制備了橫截面為橢圓形、纖維直徑為5 ~ 10m的鈦酸鋇纖維。溶膠-凝膠法具有方法簡單、煅燒溫度低的優點,用這種方法制備的纖維直徑均勻,但用這種方法制備的絕緣材料由于纖維致密性差,纖維韌性差,不利于廣泛應用。因此,為了解決纖維密度差的問題,研究人員通過摻雜其他物質來改善其性能:劉等人通過摻雜鈣來改變其材料性能;通過添加鎂,劉等人發現,鎂的添加也能增強其材料性能,并使研究者對纖維形態有了更深入的了解。同時發現zuijia煅燒條件為煅燒溫度為1000,升溫速度為2/min時,纖維形態和晶型zuijia。

          將靜電紡絲技術與高溫煅燒技術相結合,也可以制備鈦酸鋇絕緣材料。蔣等人利用靜電紡絲技術成功制備了絕緣材料,并通過改變煅燒溫度、煅燒工藝等煅燒參數獲得了不同的纖維形態。Yuh等人利用醋酸鈦鋇酸四丁酯靜電紡絲成功制備了直徑為80 ~ 190 nm的鈦酸鋇絕緣材料。
        氧化鋅絕緣材料

          3氧化鋅絕緣材料

          氧化鋅在自然條件下屬于纖鋅礦結構。因此,ZnO的結構可以看作是由氧陰離子組成的致密的六方結構,但結構中一半的四面體空隙被鋅離子占據,zui終形成[ZnO4]陰離子配位四面體。氧化鋅的不對稱結構使其具有良好的ji性晶體特性。氧化鋅具有明顯的ji性生長習性和優異的壓電、熱釋電性能。同時,ZnO還具有以下優點:激子結合能高,直接帶隙3.37eV,導電性優異,熱導率高,摻雜后硬度大,是目前II-VI半導體材料中zui硬的一種。氧化鋅具有很強的壓電效應和機電耦合功能,可用作智能減震器和傳感器。氧化鋅也可以廣泛用作紫外探測器。3 . 1氧化鋅的制備方法

          (1)模板受限輔助生長法:將所需材料沉積在受限環境中,然后用化學方法去除模板,得到所需的絕緣材料。李[57]等用模板法在15 ~ 90 nm波長下制備了ZnO光纖陣列。模板法制備絕緣材料的缺點是在結晶過程中容易產生缺陷,同時在制備過程中難以jingque控制纖維組成,在去除模板過程中容易破壞纖維形態。

          (2)氣相生長法:制備氧化鋅絕緣材料的方法有很多,如熱蒸發法、VLS生長法和化學氣相沉積法。王等人制備了各種形貌的ZnO納米結構,不同的ZnO納米結構主要是通過氣相熱升華得到的。氣相法制備的ZnO一般為單晶或結晶度高的ZnO絕緣材料,存在反應溫度高、催化劑選擇困難、催化劑易污染原料等缺點,改變了催化劑的催化性能。

          (3)液相法:液相法制備ZnO納米結構的優點是可以低能耗制備不同形貌的ZnO納米結構,可以廣泛應用。王等在75 ~ 90溶液法合成了不同形貌的氧化鋅單晶納米結構。

          (4)靜電紡絲:2004年,楊和viswanathamurti[64]等人shouci以醋酸鋅和聚乙烯醇為原料,通過靜電紡絲制備了ZnO納米連續纖維。同時,制備了摻雜氧化鋅的絕緣材料(如鈷和鈦)和氧化鋅復合絕緣材料(氧化鋅-氧化鎳)。王[65]等通過靜電紡絲成功制備了形貌良好、直徑均勻、纖維直徑約為150納米的氧化鋅絕緣材料。
        3 . 2氧化鋅絕緣材料的氧化鋅改性

          3 . 2氧化鋅絕緣材料的氧化鋅改性

          由于氧化鋅具有許多優異的性能,它被廣泛應用于化學、半導體等領域。為了使氧化鋅的應用范圍更廣,氧化鋅絕緣材料的改性成為研究的zhondian,改性方法主要包括以下三類:

          (1)興奮劑。氧化鋅絕緣材料的摻雜有四種:1)施主雜質摻雜,獲得n型導電性;2)摻雜受體雜質,獲得p型電導;3)摻雜稀土元素以獲得所需的光學性能;4)摻雜過渡族元素,獲得所需的磁性。

          氧化鋅是一種高電阻材料,因此在氧化鋅的制備過程中容易產生氧空位和鋅隙原子,使氧化鋅呈現出N型導電性的特點。ZnO摻雜改性后,能改變帶隙寬度和電阻率,有可能轉變為P型。、族元素是常見的施主摻雜元素,如鋁、銦、錫等。(2)表面改性。氧化鋅絕緣材料的表面改性主要通過浸漬、沉積、衍生和螯合等一系列操作來完成。改性氧化鋅絕緣材料的表面活性或光譜響應范圍顯著提高,從而提高了光電響應靈敏度和光催化活性[68]。因此,表面改性氧化鋅可用于紫外探測器、光敏開關、氣體或光敏傳感器、抗菌消毒等。

          (3)復合。氧化鋅絕緣材料的光學、電學和催化性能可以通過這些復合結構來控制和有效優化[69]。目前,按材料種類,主要有ZnO-金屬復合材料、ZnO-聚合物復合材料和ZnO-半導體復合材料。根據形成的結構,主要有核殼結構、異質結構、包覆結構等。

          4Al2O3絕緣材料

          4 . 1 Al2O  3絕緣材料的基本性能

          氧化鋁纖維是一種新型高性能無機纖維。氧化鋁纖維主要分為三種:長纖維、短纖維和晶須。

          長纖維又叫連續纖維,拉伸強度好,耐高溫,耐腐蝕,導熱系數小。金屬氧化物粉末、無機鹽、水和聚合物可用作制備長纖維的原料。同時,在制備長纖維的過程中,工藝簡單,對生產設備要求低。氧化鋁短纖維由于是由微晶組成的,所以具有晶體材料和纖維材料的所有優點,并且由于其良好的耐快速冷卻和加熱性能,可以用作耐熱和隔熱材料。晶須廣泛應用于功能材料中。
        4 . 2 Al2O  3絕緣材料的制備方法

          4 . 2 Al2O  3絕緣材料的制備方法

          Al2O3絕緣材料的制備方法有很多,主要方法如下:

          (1)熔融法:用這種方法制備的氧化鋁纖維,氧化鋁含量低。制備方法如下:首先將無機氧化物熔融形成熔體(形成熔體的主要途徑是電加熱),然后通過不同的成纖方法將熔體形成Al2O3絕緣材料。該方法工藝簡單,成本低廉,易于操作,用該方法制備的纖維不需要高溫煅燒,因此用該方法制備的纖維可以很好地避免晶粒長大的問題。然而,這種方法的缺點是,當熔體中氧化鋁含量增加時,熔體的粘度將增加,導致纖維形成困難。

          (2)溶膠-凝膠法:制備方法如下:原料主要是鋁醇鹽或無機鹽,同時選擇有機酸作為催化劑,配制含鋁醇鹽或無機鹽的溶液形成溶膠,通過不同的成纖工藝將溶膠形成所需的纖維,zuihou通過熱處理將凝膠纖維形成氧化鋁絕緣材料。曹等用溶膠-凝膠法制備了直徑均勻、機械強度高的氧化鋁絕熱材料。

          (3)浸漬法:選擇親水性好的粘膠纖維作為浸漬法的基體纖維,選擇無機鋁鹽作為浸漬液。將基體纖維完全浸漬在浸漬溶液中,然后將浸漬過的基體纖維干燥、燒結和編織以獲得氧化鋁纖維。該工藝的優點是可以制備不同形態的纖維,纖維強度高。缺點是制備成本高,不能廣泛應用。(4)漿料法:漿料法,又稱杜邦法,是將氧化鋁粉末分散在水中,同時在水中加入分散劑、流變助劑和燒結助劑,制成均勻的漿料,然后將漿料擠出成纖維,干燥燒結,得到氧化鋁纖維。該工藝制備的絕緣材料直徑均勻,直徑較大。日本三井礦業公司采用料漿法制備氧化鋁含量為95個點的連續氧化鋁纖維

          (5)靜電紡絲法:氧化鋁絕緣材料也可以用經典的靜電紡絲法制備。熊貓[77]等通過靜電紡絲成功制備了直徑為20 ~ 50 nm的多孔氧化鋁纖維。Azad等人通過靜電紡絲結合高溫煅燒成功制備了纖維直徑約為150nm的高純-Al2O3纖維。
        5固體電解質絕緣材料

          5固體電解質絕緣材料

          固體電解質具有電導率高、化學穩定性好、與電ji材料相容性好的優點。固體電解質在全固態電池中的應用可以提高電池的循環壽命和能量密度,解決傳統鋰電池中有機電解質anquna性能低的問題。一維絕緣材料廣泛應用于固體電解質中,具有以下優點:一維絕緣材料可以為電子轉移提供通道;絕緣材料比表面積大,可增加電ji與電解液的接觸面積,縮短充放電時間;絕緣材料可以適應體積膨脹,因此可以延長電池的循環壽命,yizhi退化。

          氧化物固體電解質因其良好的穩定性而受到廣泛關注,其中石榴石型結構體系和鈣鈦礦型結構體系具有代表性。傅等人通過靜電紡絲和高溫煅燒制備了LLZO絕緣材料,并shouci將LLZO纖維膜與復合制備了三維鋰離子導電陶瓷網絡。由于其優異的性能,可廣泛應用于鋰離子電池等儲能系統。劉等人成功制備了LLTO復合納米絕緣材料,并通過靜電紡絲技術制備了平行LLTO絕緣材料,證明平行絕緣材料可以提高固體電解質的離子電導率。

          觀點

          近年來,隨著科學技術的進步和工業水平的逐年提高,絕緣材料以其優異的性能被廣泛應用于航空、軍工、民用等諸多領域。目前,絕緣材料的產品結構簡單,價格低廉,因此改進絕緣材料的生產工藝是提高絕緣材料性能的重中之重。納米技術是21世紀的新技術。將納米技術應用于絕緣材料的制備,將大大提高絕緣材料的性能。同時,從微觀的角度來看,當絕緣材料的直徑達到納米級時,絕緣材料的性能會有顯著的提高,這將大大有助于擴大絕緣材料的應用范圍。因此,絕緣材料的發展將具有良好的發展前景和廣闊的應用前景。



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