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几种典型陶瓷绝缘材料的性能及制备方法(图文)

来源:博美特 点击量:日期:2020-10-22

  绝缘材料的制备方法有很多种,其中典型的制备方法有熔融纺丝、挤出纺丝、溶液浸渍、溶胶-凝胶法、化学气相反应、化学气相沉积、静电纺丝和溶液吹塑纺丝。除了上述方法,还有聚合物转化法、水热合成法等。通过上述制备方法,可以制备多种陶瓷绝缘材料。绝缘材料按化学成分分为氧化物绝缘材料和非氧化物绝缘材料。下面介绍几种典型的陶瓷绝缘材料。

氧化物绝缘材料

  1氧化锆绝缘材料

  氧化锆的熔点高达2700,在1900时不与铝、铂、铁、镍等熔融金属反应,因此具有优异的化学稳定性。同时,氧化锆因其高电阻率、高折射率、耐腐蚀和低热膨胀系数而被广泛用作隔热材料和陶瓷隔热材料。二氧化锆在低温下呈单斜晶型,当温度升高到1100以上时转变为四方晶型,在1900以上转变为立方晶型。纯氧化锆的三种晶型在不同的温度下可以发生转变,在冷却过程中纯氧化锆的体积膨胀为8个点(即从四方晶型转变为单斜晶型)。因此,为了防止纯氧化锆在冷却过程中的晶型转变,在制备过程中加入了适量的稳定剂,如Y2O3、CaO和MgO。

  1996年,Oppermann等人shouci制备了氧化锆连续纤维。制备方法如下:先将异丙醇锆水解制备氧化锆沉淀,然后用水洗涤沉淀,过滤,加入盐酸形成锆溶胶。然后在聚乙烯醇水溶液中加入锆溶胶和醋酸钇,离心过滤得到氧化锆连续纤维。氧化锆基绝缘材料仍然以短纤维为主,制备的氧化锆纤维直径大,只能作为绝缘材料,不能广泛应用于其他领域。静电纺丝法与溶胶-凝胶法相结合是一种制备氧化锆绝缘材料的新方法,具有直径细、连续的特点。邵等人用聚乙烯醇和氧氯化锆制备了静电纺丝前驱体溶液,然后shouci用静电纺丝技术制备了直径为50 ~ 200 nm的氧化锆绝缘材料。王等以氧氯化锆为原料,采用吹塑法制备了力学性能优异的氧化锆绝缘海绵。Rodrguez-Miraso等人以PVP和醋酸锆为原料,采用静电纺丝技术成功制备了氧化锆绝缘材料,并将其应用于催化。
2钛酸钡绝缘材料

  2钛酸钡绝缘材料
       钛酸钡广泛应用于电子陶瓷器件领域。由于其许多优异的性能,钛酸钡在电子陶瓷器件领域具有重要的地位。钛酸钡是一种无铅压电陶瓷,zui早发现并广泛应用于工业。钛酸钡的晶体结构为ABO3 _ 3钙钛矿晶体结构,钛酸钡有两种晶型,即四方晶系和立方晶晶系。这两种晶型可以在不同的温度下转变。当温度降至居里温度以下时,钛酸钡从立方晶体系变为四方体系。晶体转变过程中存在相变潜热,相变过程中还会发生自发ji化跳跃和几何尺寸突变。它具有介电损耗低、介电常数高、铁电性和压电性等优异的电学性能,使其在工业生产中广泛用作压电材料。

  溶胶-凝胶法是一种广泛使用的制备方法,钛酸钡卢启芳等人用溶胶-凝胶法成功制备了横截面为椭圆形、纤维直径为5 ~ 10m的钛酸钡纤维。溶胶-凝胶法具有方法简单、煅烧温度低的优点,用这种方法制备的纤维直径均匀,但用这种方法制备的绝缘材料由于纤维致密性差,纤维韧性差,不利于广泛应用。因此,为了解决纤维密度差的问题,研究人员通过掺杂其他物质来改善其性能:刘等人通过掺杂钙来改变其材料性能;通过添加镁,刘等人发现,镁的添加也能增强其材料性能,并使研究者对纤维形态有了更深入的了解。同时发现zuijia煅烧条件为煅烧温度为1000,升温速度为2/min时,纤维形态和晶型zuijia。

  将静电纺丝技术与高温煅烧技术相结合,也可以制备钛酸钡绝缘材料。蒋等人利用静电纺丝技术成功制备了绝缘材料,并通过改变煅烧温度、煅烧工艺等煅烧参数获得了不同的纤维形态。Yuh等人利用醋酸钛钡酸四丁酯静电纺丝成功制备了直径为80 ~ 190 nm的钛酸钡绝缘材料。
氧化锌绝缘材料

  3氧化锌绝缘材料

  氧化锌在自然条件下属于纤锌矿结构。因此,ZnO的结构可以看作是由氧阴离子组成的致密的六方结构,但结构中一半的四面体空隙被锌离子占据,zui终形成[ZnO4]阴离子配位四面体。氧化锌的不对称结构使其具有良好的ji性晶体特性。氧化锌具有明显的ji性生长习性和优异的压电、热释电性能。同时,ZnO还具有以下优点:激子结合能高,直接带隙3.37eV,导电性优异,热导率高,掺杂后硬度大,是目前II-VI半导体材料中zui硬的一种。氧化锌具有很强的压电效应和机电耦合功能,可用作智能减震器和传感器。氧化锌也可以广泛用作紫外探测器。3 . 1氧化锌的制备方法

  (1)模板受限辅助生长法:将所需材料沉积在受限环境中,然后用化学方法去除模板,得到所需的绝缘材料。李[57]等用模板法在15 ~ 90 nm波长下制备了ZnO光纤阵列。模板法制备绝缘材料的缺点是在结晶过程中容易产生缺陷,同时在制备过程中难以jingque控制纤维组成,在去除模板过程中容易破坏纤维形态。

  (2)气相生长法:制备氧化锌绝缘材料的方法有很多,如热蒸发法、VLS生长法和化学气相沉积法。王等人制备了各种形貌的ZnO纳米结构,不同的ZnO纳米结构主要是通过气相热升华得到的。气相法制备的ZnO一般为单晶或结晶度高的ZnO绝缘材料,存在反应温度高、催化剂选择困难、催化剂易污染原料等缺点,改变了催化剂的催化性能。

  (3)液相法:液相法制备ZnO纳米结构的优点是可以低能耗制备不同形貌的ZnO纳米结构,可以广泛应用。王等在75 ~ 90溶液法合成了不同形貌的氧化锌单晶纳米结构。

  (4)静电纺丝:2004年,杨和viswanathamurti[64]等人shouci以醋酸锌和聚乙烯醇为原料,通过静电纺丝制备了ZnO纳米连续纤维。同时,制备了掺杂氧化锌的绝缘材料(如钴和钛)和氧化锌复合绝缘材料(氧化锌-氧化镍)。王[65]等通过静电纺丝成功制备了形貌良好、直径均匀、纤维直径约为150纳米的氧化锌绝缘材料。
3 . 2氧化锌绝缘材料的氧化锌改性

  3 . 2氧化锌绝缘材料的氧化锌改性

  由于氧化锌具有许多优异的性能,它被广泛应用于化学、半导体等领域。为了使氧化锌的应用范围更广,氧化锌绝缘材料的改性成为研究的zhondian,改性方法主要包括以下三类:

  (1)兴奋剂。氧化锌绝缘材料的掺杂有四种:1)施主杂质掺杂,获得n型导电性;2)掺杂受体杂质,获得p型电导;3)掺杂稀土元素以获得所需的光学性能;4)掺杂过渡族元素,获得所需的磁性。

  氧化锌是一种高电阻材料,因此在氧化锌的制备过程中容易产生氧空位和锌隙原子,使氧化锌呈现出N型导电性的特点。ZnO掺杂改性后,能改变带隙宽度和电阻率,有可能转变为P型。、族元素是常见的施主掺杂元素,如铝、铟、锡等。(2)表面改性。氧化锌绝缘材料的表面改性主要通过浸渍、沉积、衍生和螯合等一系列操作来完成。改性氧化锌绝缘材料的表面活性或光谱响应范围显著提高,从而提高了光电响应灵敏度和光催化活性[68]。因此,表面改性氧化锌可用于紫外探测器、光敏开关、气体或光敏传感器、抗菌消毒等。

  (3)复合。氧化锌绝缘材料的光学、电学和催化性能可以通过这些复合结构来控制和有效优化[69]。目前,按材料种类,主要有ZnO-金属复合材料、ZnO-聚合物复合材料和ZnO-半导体复合材料。根据形成的结构,主要有核壳结构、异质结构、包覆结构等。

  4Al2O3绝缘材料

  4 . 1 Al2O  3绝缘材料的基本性能

  氧化铝纤维是一种新型高性能无机纤维。氧化铝纤维主要分为三种:长纤维、短纤维和晶须。

  长纤维又叫连续纤维,拉伸强度好,耐高温,耐腐蚀,导热系数小。金属氧化物粉末、无机盐、水和聚合物可用作制备长纤维的原料。同时,在制备长纤维的过程中,工艺简单,对生产设备要求低。氧化铝短纤维由于是由微晶组成的,所以具有晶体材料和纤维材料的所有优点,并且由于其良好的耐快速冷却和加热性能,可以用作耐热和隔热材料。晶须广泛应用于功能材料中。
4 . 2 Al2O  3绝缘材料的制备方法

  4 . 2 Al2O  3绝缘材料的制备方法

  Al2O3绝缘材料的制备方法有很多,主要方法如下:

  (1)熔融法:用这种方法制备的氧化铝纤维,氧化铝含量低。制备方法如下:首先将无机氧化物熔融形成熔体(形成熔体的主要途径是电加热),然后通过不同的成纤方法将熔体形成Al2O3绝缘材料。该方法工艺简单,成本低廉,易于操作,用该方法制备的纤维不需要高温煅烧,因此用该方法制备的纤维可以很好地避免晶粒长大的问题。然而,这种方法的缺点是,当熔体中氧化铝含量增加时,熔体的粘度将增加,导致纤维形成困难。

  (2)溶胶-凝胶法:制备方法如下:原料主要是铝醇盐或无机盐,同时选择有机酸作为催化剂,配制含铝醇盐或无机盐的溶液形成溶胶,通过不同的成纤工艺将溶胶形成所需的纤维,zuihou通过热处理将凝胶纤维形成氧化铝绝缘材料。曹等用溶胶-凝胶法制备了直径均匀、机械强度高的氧化铝绝热材料。

  (3)浸渍法:选择亲水性好的粘胶纤维作为浸渍法的基体纤维,选择无机铝盐作为浸渍液。将基体纤维完全浸渍在浸渍溶液中,然后将浸渍过的基体纤维干燥、烧结和编织以获得氧化铝纤维。该工艺的优点是可以制备不同形态的纤维,纤维强度高。缺点是制备成本高,不能广泛应用。(4)浆料法:浆料法,又称杜邦法,是将氧化铝粉末分散在水中,同时在水中加入分散剂、流变助剂和烧结助剂,制成均匀的浆料,然后将浆料挤出成纤维,干燥烧结,得到氧化铝纤维。该工艺制备的绝缘材料直径均匀,直径较大。日本三井矿业公司采用料浆法制备氧化铝含量为95个点的连续氧化铝纤维

  (5)静电纺丝法:氧化铝绝缘材料也可以用经典的静电纺丝法制备。熊猫[77]等通过静电纺丝成功制备了直径为20 ~ 50 nm的多孔氧化铝纤维。Azad等人通过静电纺丝结合高温煅烧成功制备了纤维直径约为150nm的高纯-Al2O3纤维。
5固体电解质绝缘材料

  5固体电解质绝缘材料

  固体电解质具有电导率高、化学稳定性好、与电ji材料相容性好的优点。固体电解质在全固态电池中的应用可以提高电池的循环寿命和能量密度,解决传统锂电池中有机电解质anquna性能低的问题。一维绝缘材料广泛应用于固体电解质中,具有以下优点:一维绝缘材料可以为电子转移提供通道;绝缘材料比表面积大,可增加电ji与电解液的接触面积,缩短充放电时间;绝缘材料可以适应体积膨胀,因此可以延长电池的循环寿命,yizhi退化。

  氧化物固体电解质因其良好的稳定性而受到广泛关注,其中石榴石型结构体系和钙钛矿型结构体系具有代表性。傅等人通过静电纺丝和高温煅烧制备了LLZO绝缘材料,并shouci将LLZO纤维膜与复合制备了三维锂离子导电陶瓷网络。由于其优异的性能,可广泛应用于锂离子电池等储能系统。刘等人成功制备了LLTO复合纳米绝缘材料,并通过静电纺丝技术制备了平行LLTO绝缘材料,证明平行绝缘材料可以提高固体电解质的离子电导率。

  观点

  近年来,随着科学技术的进步和工业水平的逐年提高,绝缘材料以其优异的性能被广泛应用于航空、军工、民用等诸多领域。目前,绝缘材料的产品结构简单,价格低廉,因此改进绝缘材料的生产工艺是提高绝缘材料性能的重中之重。纳米技术是21世纪的新技术。将纳米技术应用于绝缘材料的制备,将大大提高绝缘材料的性能。同时,从微观的角度来看,当绝缘材料的直径达到纳米级时,绝缘材料的性能会有显著的提高,这将大大有助于扩大绝缘材料的应用范围。因此,绝缘材料的发展将具有良好的发展前景和广阔的应用前景。



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