陶瓷材料功能陶瓷第1頁(yè)/共61頁(yè)①電容器陶瓷電池供電穩(wěn)定，但是功率密度（爆發(fā)力）太小。所以在閃光燈中，需要利用電容來存儲(chǔ)能量。電容雖然爆發(fā)力很強(qiáng)，但是持續(xù)時(shí)間短，一閃而過。第2頁(yè)/共61頁(yè)①電容器陶瓷第3頁(yè)/共61頁(yè)①電容器陶瓷第4頁(yè)/共61頁(yè)①電容器陶瓷電容器制造各項(xiàng)電氣性要求（1）介電常數(shù)希望高一些，利于電容器的小型化；（2）介電損耗要求小一些，以減少電容器在高頻應(yīng)用中能量損耗和發(fā)熱；（3）介電常數(shù)的溫度系數(shù)αε，關(guān)系到電容器對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性和電路可靠性的重要指標(biāo)。第5頁(yè)/共61頁(yè)①電容器陶瓷電容器陶瓷的分類陶瓷電容器可分為以下四類：溫度補(bǔ)償型（Ⅰ型）溫度穩(wěn)定型（Ⅱ型）高介電常數(shù)型（Ⅲ型）半導(dǎo)體系型（Ⅳ型）介電常數(shù)恒定，土豪的空調(diào)，不管室內(nèi)溫度是多少，空調(diào)一直全力以赴，吹到穿棉襖都不停。介電常數(shù)的溫度系數(shù)在4.7×10-3/℃到104/℃之間隨意獲得，電損耗小，電阻高，使用于高頻第6頁(yè)/共61頁(yè)①電容器陶瓷電容器陶瓷的分類陶瓷電容器可分為以下四類：溫度補(bǔ)償型（Ⅰ型）溫度穩(wěn)定型（Ⅱ型）高介電常數(shù)型（Ⅲ型）半導(dǎo)體系型（Ⅳ型）介電常數(shù)隨溫度改變，不同溫度下，電容器的容量不同，室內(nèi)溫度發(fā)生變化，調(diào)節(jié)空調(diào)功率。介電常數(shù)的溫度系數(shù)接近于零，電損耗小，使用于高頻，可用于制造微波濾波器第7頁(yè)/共61頁(yè)①電容器陶瓷電容器陶瓷的分類陶瓷電容器可分為以下四類：溫度補(bǔ)償型（Ⅰ型）溫度穩(wěn)定型（Ⅱ型）高介電常數(shù)型（Ⅲ型）半導(dǎo)體系型（Ⅳ型）介電常數(shù)高（達(dá)4000～8000，甚至更大），可以獲得大的容量，絕緣電阻高，電損耗大，高頻率下會(huì)急劇升溫。鐵電陶瓷，只能用于低頻第8頁(yè)/共61頁(yè)①電容器陶瓷電容器陶瓷的分類陶瓷電容器可分為以下四類：溫度補(bǔ)償型（Ⅰ型）溫度穩(wěn)定型（Ⅱ型）高介電常數(shù)型（Ⅲ型）半導(dǎo)體系型（Ⅳ型）通常來說，介電常數(shù)大，介電損耗就大。就不能用于高頻。介電常數(shù)大，介電損耗小第9頁(yè)/共61頁(yè)①電容器陶瓷介電常數(shù)大，介電損耗小半導(dǎo)體系型---Ⅳ型利用內(nèi)部的半導(dǎo)體，加強(qiáng)“極化”，得到大的介電常數(shù)（1000以內(nèi)，離鐵電材料還有很大的差距），小的介電損耗，可用于高頻。第10頁(yè)/共61頁(yè)為什么要用鐵電材料？

鐵電材料---Ⅳ型第11頁(yè)/共61頁(yè)電介質(zhì)+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–無外場(chǎng)時(shí)，電偶極子雜亂無章的排列+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–外場(chǎng)存在時(shí)，電偶極子沿外場(chǎng)排列+–+–+––+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–+–第12頁(yè)/共61頁(yè)①電容器陶瓷鐵電材料---Ⅳ型鐵電材料（外部電場(chǎng)與內(nèi)部電場(chǎng)的滯后效應(yīng)）鐵電材料并不一定含鐵，而是由于其電滯回線和鐵磁材料的磁滯回線相似。第13頁(yè)/共61頁(yè)第14頁(yè)/共61頁(yè)①電容器陶瓷在晶體中，如果晶胞中正負(fù)電荷中心不重合，即每一個(gè)晶胞具有一定的固有偶極矩，由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性和重復(fù)性，晶胞的固有偶極矩便會(huì)沿同一方向排列整齊，使晶體處于高度極化狀態(tài)。這種在無外電場(chǎng)作用下存在的極化現(xiàn)象稱為自發(fā)極化?；靖拍睿鹤园l(fā)極化第15頁(yè)/共61頁(yè)①電容器陶瓷鐵電材料---Ⅳ型對(duì)于晶體：由于晶格的限制，取向無法隨機(jī)分布。所以在局部區(qū)域內(nèi)形成鐵電疇。鐵電疇第16頁(yè)/共61頁(yè)①電容器陶瓷鐵電材料---Ⅳ型對(duì)于BaTiO3，130℃以上，為立方結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度低于130℃以后，Ba原子可以沿a（也可以是b或c）方向移動(dòng)（極化）。第17頁(yè)/共61頁(yè)Ti4+－O2-間距大（2.005A），故氧八面體間隙大，Ti4+離子能在氧八面體中振動(dòng)。T>120℃，Ti4+處在各方幾率相同（穩(wěn)定地偏向某一個(gè)氧離子的幾率為零），對(duì)稱性高，順電相。T<120℃，Ti4+由于熱漲落，偏離一方，形成偶極矩，按氧八面體三維方向相互傳遞，耦合，形成自發(fā)極化的小區(qū)域，即電疇。第18頁(yè)/共61頁(yè)①電容器陶瓷鐵電材料---Ⅳ型第19頁(yè)/共61頁(yè)①電容器陶瓷鐵電材料---Ⅳ型例如：對(duì)于BaTiO3，當(dāng)兩個(gè)電疇為180°時(shí)。施加電場(chǎng)，橫向長(zhǎng)大機(jī)制較弱。以在反向疇中形成新疇為主。第20頁(yè)/共61頁(yè)①電容器陶瓷鐵電材料---Ⅳ型第21頁(yè)/共61頁(yè)①電容器陶瓷鐵電材料---Ⅳ型

＞120℃—立方晶胞6℃～120℃—四方晶胞-90℃～6℃—斜方晶胞

＜-90℃—三方晶胞BaTiO3

晶體結(jié)構(gòu)有立方相、四方相、斜方相和三方相等晶相，均屬于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的變體，四方相、斜方相和三方相為鐵電相，立方相為順電相。第22頁(yè)/共61頁(yè)①電容器陶瓷鐵電材料---Ⅳ型第23頁(yè)/共61頁(yè)晶粒越小，單個(gè)晶粒里面的鐵電疇越小，相互影響越小。越容易極化。第24頁(yè)/共61頁(yè)提高居里溫度使居里峰變寬第25頁(yè)/共61頁(yè)改變相變溫度使介電常數(shù)峰值處于可利用的溫度范圍。加入溶質(zhì)原子，阻礙相變過程，提高居里溫度第26頁(yè)/共61頁(yè)提高居里溫度使居里峰變寬第27頁(yè)/共61頁(yè)②絕緣陶瓷絕緣陶瓷，雖然宏觀來說不導(dǎo)電，但是由于各種缺陷的存在，外電場(chǎng)作用下，缺陷區(qū)域會(huì)產(chǎn)生電荷的小范圍運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生極化。而且，一言不合，就會(huì)被擊穿。第28頁(yè)/共61頁(yè)②絕緣陶瓷電子技術(shù)中首先要求絕緣材料不導(dǎo)電，即要求電阻率盡量高。要成為一種優(yōu)異的絕緣陶瓷，必須具備以下性能：體積電阻率≥1012Ω·cm相對(duì)介電常數(shù)

≤30損耗因子≤0.001介電強(qiáng)度(擊穿強(qiáng)度)≥5.0kV/mm良好的導(dǎo)熱性第29頁(yè)/共61頁(yè)②絕緣陶瓷氮化硼由于氮原子與硼原子之間為飽和的共價(jià)鍵結(jié)合，沒有自由電子存在，所以是很好的介電材料。它的另一個(gè)特點(diǎn)是導(dǎo)熱率高（與不銹鋼相當(dāng)）。一種導(dǎo)熱性很好的絕緣體。第30頁(yè)/共61頁(yè)②絕緣陶瓷陶瓷的禁帶寬度Eg材料結(jié)合鍵Eg/eV材料結(jié)合鍵Eg/eVSi共價(jià)鍵1.1TiO2離子鍵3.05~3.8GaAs共價(jià)鍵1.53ZnO離子鍵3.2金剛石共價(jià)鍵6Al2O3離子鍵10BaTiO3離子鍵2.5~3.2MgO離子鍵>7.8第31頁(yè)/共61頁(yè)（1）選擇體積電阻率高的晶體材料為主晶相。（2）嚴(yán)格控制配方，避免雜質(zhì)離子，尤其是堿金屬和堿土金屬離子的引入，在必須引入金屬離子時(shí)，充分利用中和效應(yīng)和壓抑效應(yīng)，以降低材料中玻璃相的電導(dǎo)率。（3）由于玻璃相會(huì)導(dǎo)致空間電荷極化，甚至達(dá)到無玻璃相燒結(jié)。（4）避免引入變價(jià)金屬離子，如鈦、鐵、鈷等離子，以免產(chǎn)生自由電子和空穴，引起電子式導(dǎo)電，使電性能惡化。（5）嚴(yán)格控制溫度和氣氛，以免產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)而出現(xiàn)自由電子和空穴。（6）當(dāng)材料中引進(jìn)產(chǎn)生自由電子（或空穴）的離子時(shí)，可引進(jìn)另一種產(chǎn)生空穴（或自由電子）的不等價(jià)雜質(zhì)離子，以消除自由電子和空穴，提高體積電阻率這種方法稱作雜質(zhì)補(bǔ)償。第32頁(yè)/共61頁(yè)②絕緣陶瓷老化——電功能器瓷的普遍問題陶瓷材料是一種不均勻的多相系統(tǒng)，這種不均勻性包括材料結(jié)構(gòu)的不均勻以及雜質(zhì)所造成的不均勻等。會(huì)在外界各種因素的長(zhǎng)期作用下，發(fā)生一系列物理、化學(xué)的不可逆變化的過程，該過程稱為老化。老化會(huì)導(dǎo)致性能發(fā)生變化（如塑料老化）。第33頁(yè)/共61頁(yè)②絕緣陶瓷SiO2Al2O3MgO54.721.9027.9055.603.1526.00滑石瓷的化學(xué)組成老化的原因滑石瓷的老化即由于原頑輝石在冷卻、放置及使用過程中，晶型轉(zhuǎn)變引起體積改變。極大的內(nèi)應(yīng)力引發(fā)裂紋。第34頁(yè)/共61頁(yè)②絕緣陶瓷解決滑石瓷老化的措施

a.將原料磨到足夠的細(xì)度，加入適當(dāng)?shù)木ЯＲ种苿?，防止晶粒長(zhǎng)大，增加均勻性。

b.加入適量外加劑，以形成足夠的玻璃相并包裹細(xì)晶的原頑輝石，防止它的晶型轉(zhuǎn)化。

c.加入能與MgSiO3生成固溶體的物質(zhì)，例如加入少量MnO或MnSiO3，與其生成固溶體，必然會(huì)影響其晶型轉(zhuǎn)化，減低老化現(xiàn)象。

d．控制冷卻制度，在900℃以上進(jìn)行快冷，以便生成細(xì)晶結(jié)構(gòu)，防止老化。

第35頁(yè)/共61頁(yè)③導(dǎo)電陶瓷

對(duì)于傳統(tǒng)陶瓷，人們利用陶瓷材料的電性能主要是其絕緣性能；而對(duì)于先進(jìn)陶瓷材料，除了其絕緣性能外，人們更關(guān)心的是陶瓷材料的導(dǎo)電能力。目前高溫超導(dǎo)氧化物的導(dǎo)電能力已超過金屬，得到應(yīng)用的先進(jìn)陶瓷材料的電導(dǎo)率覆蓋了從良導(dǎo)體到絕緣體的范圍。第36頁(yè)/共61頁(yè)③導(dǎo)電陶瓷該圖基于電子能級(jí)，對(duì)于離子電導(dǎo)完全不適用！第37頁(yè)/共61頁(yè)③導(dǎo)電陶瓷

在許多離子晶體中，雖然離子遷移數(shù)接近于1，但是晶體中的載流子遷移率很低，材料實(shí)際上不導(dǎo)電。離子導(dǎo)電材料在結(jié)構(gòu)上一般需要滿足三個(gè)條件：晶格中導(dǎo)電離子可能占據(jù)的位置比實(shí)際填充的離子數(shù)目多得多；臨近導(dǎo)電離子間的勢(shì)壘不太大；晶格中存在有導(dǎo)電離子運(yùn)動(dòng)的通道，如各種體積較大的八面體間隙和四面體間隙相互連通。第38頁(yè)/共61頁(yè)③導(dǎo)電陶瓷

離子導(dǎo)電常存在明顯的各向異性。例如β-Al2O3在c方向上的電導(dǎo)比在其他方向上大許多，這是由于離子通道存在明顯的方向性。正離子在晶格中可能占據(jù)位置的投影圖（a）絕緣體；（b）離子導(dǎo)體第39頁(yè)/共61頁(yè)③導(dǎo)電陶瓷

摻雜可能改變陶瓷材料的導(dǎo)電性。

例如在ZnO中摻雜Al3+

可以增加材料的導(dǎo)電性，原因是當(dāng)三價(jià)的鋁替代了二價(jià)的鋅后，原先二價(jià)鋅的位置上變成了三價(jià)的離子。為了保持電中性，使得Al3+附近的鋅變成了一價(jià)，而一價(jià)鋅是不穩(wěn)定的，又會(huì)變成二價(jià)的鋅，同時(shí)放出一個(gè)電子，增加了材料的導(dǎo)電性。第40頁(yè)/共61頁(yè)ZrO2固體電解質(zhì)的應(yīng)用（燃料電池）第41頁(yè)/共61頁(yè)④敏感陶瓷第42頁(yè)/共61頁(yè)④敏感陶瓷

半導(dǎo)體陶瓷的共同特點(diǎn)是：它們的導(dǎo)電性隨環(huán)境而變化。根據(jù)這些陶瓷的電阻率、電動(dòng)勢(shì)等物理量對(duì)熱、濕、光、電壓及某些氣體、某些離子的變化特別敏感的特性，可把這些材料分別稱為熱敏、壓敏、氣敏、濕敏、光敏及離子敏感陶瓷等。第43頁(yè)/共61頁(yè)④敏感陶瓷第44頁(yè)/共61頁(yè)熱敏陶瓷按照熱敏陶瓷的阻溫特性，可把熱敏陶瓷分為：負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏陶瓷，陶瓷的電阻隨溫度的升高而降低；正溫度系數(shù)(PTC)熱敏陶瓷，電阻隨溫度的升高而增加；臨界溫度熱敏陶瓷C.T.R，電阻在特定的溫度范圍內(nèi)急劇變化；線性阻溫特性熱敏陶瓷。第45頁(yè)/共61頁(yè)

正溫度系數(shù)陶瓷的主要用途：溫度控制與測(cè)量、等溫發(fā)熱體、過熱保護(hù)等。此外，還可用于彩電消磁器、節(jié)能用電子整流器、程控電話保安器及冰箱電機(jī)的啟動(dòng)器等。

BaTiO3陶瓷是否具有正溫度系數(shù)效應(yīng)，完全由其晶粒和晶界的電性能決定。只有晶粒充分半導(dǎo)體化，晶界具有適當(dāng)絕緣性的BaTiO3陶瓷才有顯著的PTC效應(yīng)。PTC（正溫度系數(shù)）熱敏電阻陶瓷第46頁(yè)/共61頁(yè)BaTiO3的半導(dǎo)體化可有二種途徑：強(qiáng)制還原法和施主摻雜法。強(qiáng)制還原法-----是在真空、惰性氣體或還原氣體中加熱，使BaTiO3失氧，其內(nèi)部產(chǎn)生氧缺位。這種方法不僅使晶粒半導(dǎo)體化而且晶界也被半導(dǎo)體化，因此不適用于制造PTC陶瓷。施主摻雜-----常用離子半徑與Ba2+相近的三價(jià)金屬離子，如La3+、Ce3+、Nb3+、Y3+、Sb3+、Bi3+等置換其中的Ba2+離子，或用離子半徑與Ti4+相近而電價(jià)比它高的金屬離子，如Nb5+、Ta5+、W6+等置換其中的Ti4+離子。其中五價(jià)離子摻雜對(duì)BaTiO3的電阻率影響較大。第47頁(yè)/共61頁(yè)NTC（負(fù)溫度系數(shù)）熱敏電阻陶瓷NTC熱敏陶瓷的電阻率隨溫度的升高而降低，是具有負(fù)溫度-電阻系數(shù)的電阻陶瓷材料。NTC熱敏陶瓷大多數(shù)是尖晶石結(jié)構(gòu)或其它結(jié)構(gòu)的氧化物陶瓷，多數(shù)含有一種或多種過渡金屬氧化物，主要成分是CoO，NiO，MnO，CuO，ZnO，MgO，ZrO2等。第48頁(yè)/共61頁(yè)

臨界溫度熱敏陶瓷CTRCTR熱敏陶瓷主要指以VO2為基本成分的多晶半導(dǎo)體陶瓷。它在68℃附近電阻值產(chǎn)生突變，具有很大的負(fù)溫度系數(shù)。為適應(yīng)各種用途，可通過加入添加劑來改變它的臨界溫度。CTR熱敏電阻陶瓷的重要應(yīng)用首先是利用其在特定溫度附近電阻劇變的待性，可用于控溫、電路過熱保護(hù)、報(bào)警等。第49頁(yè)/共61頁(yè)

線性阻溫?zé)崦籼沾?/p>

目前研究的典型線性熱敏陶瓷主要是CdO-Sb2O3-WO3系列。這類陶瓷實(shí)際上是兩種鹽的機(jī)械混合物，其中CdWO4是絕緣體相，Cd2Sb2O7是半導(dǎo)體相。這類陶瓷的在-40~200℃溫度范圍內(nèi)阻溫特性呈線性關(guān)系。第50頁(yè)/共61頁(yè)氣敏陶瓷1962年田口尚義發(fā)現(xiàn)用SnO3燒結(jié)體制備元件的電阻率對(duì)各種可燃性氣體非常敏感，它在不同氣體中的電阻率不同、在濃度不同的同一種氣體中的電阻率也不相同，具有這種特性的陶瓷稱為氣敏陶瓷(gassensor)。用作檢測(cè)和分析氣體的種類和濃度，特別用于易燃、易爆和有毒氣體的檢測(cè)。第51頁(yè)/共61頁(yè)氣敏陶瓷

氣敏過程是元件表面對(duì)氣體的吸附和脫附引起電阻率改變的過程，這是一個(gè)受多種因素控制的物理化學(xué)過程。吸附過程可以分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種：第52頁(yè)/共61頁(yè)氣敏陶瓷

如果被吸附氣體的電子親合力大于氣敏元件表面的功函數(shù)，被吸附氣體的分子會(huì)從元件表面奪取電子而以負(fù)離子的形式吸附。具有負(fù)離子吸附的氣體稱為氧化性（或電子受容性）氣體，如O2、NO2等；第53頁(yè)/共61頁(yè)氣敏陶瓷

如果元件的功函數(shù)大于被吸附氣體的離子化能量，元件表面奪去被吸附氣體的電了從而以正離子形式吸附于元件表面。具有正離子吸附性質(zhì)的氣體稱為還原性（或電子供出性）氣體，如H2、CO、乙醇等。第54頁(yè)/共61頁(yè)氣敏陶瓷

氣敏元件吸附氧化性氣體或還原性氣體將使電阻率變化。

當(dāng)氧化性氣體吸附于n型半導(dǎo)體或者還原性氣體吸附于p型半導(dǎo)體時(shí)都會(huì)引起元件中載流子濃度的降低，電阻率升高；反之，如果還原性氣體吸附于n型半導(dǎo)體或者氧化性氣體吸附了p型