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導電陶瓷
大有前途的導電陶瓷
陶城報 2003-01-17 00:00 閱讀：
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常見的陶瓷都是不導電的絕緣體，但２０年前，人們研制成功了能夠導電的陶瓷。
氧化鋯陶瓷是一種耐高溫、抗氧化的復合氧化物，是在純氧化鋯中加進１０％的氧化鐿制成的導電陶瓷。它能象金屬那樣把電能轉變成熱能，并能發(fā)光。
把導電陶瓷做成圓棒，作為在高溫氧化中的發(fā)熱元件，是再好不過的材料了。導電陶瓷在空氣中十分穩(wěn)定，不與氧發(fā)生反應，最高的發(fā)熱溫度高達２０００℃以上，而且可以長時間使用，壽命超過１０００小時以上。因此，導電陶瓷已成為現代冶金、陶瓷、玻璃工業(yè)中廣泛采用的高溫發(fā)熱體。
目前，世界上８０％的電能出自用汽輪機帶動發(fā)電機的火力發(fā)電，但機械能變成電能的效率只有３０～４０％，而６０％以上的能量被白白浪費掉了。如果采用磁流體發(fā)電就可以減少大量機械損失。磁流體發(fā)電機的氣流溫度高達２０００～３０００℃，速度為每秒８００～１０００米，氣流中還有１％腐蝕性極強的鉀離子。因此，要求電極材料既能耐高溫，又經得起高速粒子的沖擊，又能抵抗氧化鉀離子的腐蝕。磁流體發(fā)電機啟動速度高，一般從點燃到滿負荷，只需幾十秒鐘，因此，還要求電極材料要經得起急冷急熱的變化。在這樣嚴酷的條件下，有什么材料能經得起考驗呢？
能滿足耐高溫、耐腐蝕等苛刻要求的材料，恐怕只有穩(wěn)定氧化鋯陶瓷了。
美國在１９８３年發(fā)明的一種導電的抗腐蝕陶瓷材料，它適用于高溫腐蝕環(huán)境。這種氧化鎂摻雜氧化鉻導電陶瓷材料，特別適用于能量轉換裝置中的電極涂層上。
鈉—硫電池的金屬電極容易發(fā)生腐蝕，尤其在高溫條件下更是如此。腐蝕作用是多種多樣的，除因電極腐蝕而減少導電能力外，還可能在電極表面形成一種增加接觸電阻的表面層：另外，腐蝕性產物還能沉積，阻礙電解液的化學作用，影響活性材料的運載能力，若腐蝕物沉積在電極表面，就會使電極的結構、吸濕性、作用能力都發(fā)生變化，最終導致電池工作性能變壞，壽命縮短。
為了解決這個問題，美國在電極表面涂覆各種導電材料，如鋁、鉬、鎳，鉻及其各種合金。但是，所有這些金屬材料，在鈉—硫電池中都缺乏足夠的穩(wěn)定性。
美國人將其發(fā)明的這種導電陶瓷材料，涂覆于電極表面。因為這種材料不僅具有良好的抗腐蝕性能，而且具有足夠的導電性能，所以較好地解決了上述的問題。這種導電陶瓷材料制造工藝如下：
在氧化鉻Ｃｒ２Ｏ３中摻入０．５摩爾％的氧化鎂（ＭｇＯ）固溶體成分。將１５０克氧化物及０．４８克硝酸鹽溶劑加入１８０毫升的丙酮試劑中，經研磨后形成糊狀物質。用超聲波方法將制成物彌散，然后在低溫下攪動干燥。在１１００℃條件下，將干粉在空氣中焙燒１小時，取出后將其輕輕研磨。
然后，在鋼模中噴涂硅粉，使鋼模潤滑，并將經過上述方法處理過的１５０克干粉倒入鋼模中，不加任何粘合劑進行預壓處理。成型物用事先在乙醇中攪和成糊狀的氧化硼涂覆。將坯料放入石墨模子中，在下述環(huán)境條件下進行熱壓加工：氣壓２８毫帕，溫度１３００℃，加熱１小時，熱壓物密度可達９４％，即５．２１克／厘米３。
所得坯料在空氣中于１５００℃條件下退火６小時。再用金剛石研磨成所需的形狀。
這種導電陶瓷材料特性如下：粒度為１微米左右，在３５０℃下的電阻率為４．３至５．４歐姆·厘米。該陶瓷材料既可以用于涂層，又能割成密度大于９０％的熱壓物。
導電陶瓷材料可用各種方法涂覆在電極材料上，例如真空噴涂、等離子噴涂等，或采用濺射噴涂方法，在基片上進行導電陶瓷材料的涂覆工藝。電極上陶瓷涂層厚度一般為０．１至２０微米，陶瓷涂層電阻率小于１００歐姆·厘米，最小可達１０歐姆·厘米。
采用導電陶瓷材料涂覆于電極表面，既耐腐蝕，又耐高溫。電池中采用這種類型的電極后，電極表面具有足夠的電流密度。涂層的電阻率也相當穩(wěn)定，陶瓷和金屬表面接觸緊密，電極不發(fā)生腐蝕現象。電池運行性能良好。
穩(wěn)定氧化鋯陶瓷除有以上導電性能外，近年來更有一種超群的導電性能被發(fā)現，這就是它的超導性能。超導現象是１９１１年荷蘭科學家在實驗中偶然發(fā)現的，一般導電體都有電阻，但一些個別的物質，在一定的溫度條件下，會出現沒有電阻的超導現象。有超導能力的超導體，應用到工業(yè)中去，可實現遠距離無損耗輸電，可用來產生極強磁場等等。但在普通溫度條件下有超導能力的材料很難找。人們想不到穩(wěn)定氧化鋯陶瓷不單具有超導性能，而且其溫度要求最容易實現，于是穩(wěn)定氧化鋯陶瓷作為新的超導材料成為現代高科技的寵兒。
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