1、1,第五章陶瓷材料,2,一、陶瓷材料與功能陶瓷 1、陶瓷材料的發(fā)展概況 2、功能陶瓷的定義、范圍和分類 3、功能陶瓷的性能與工藝特征 4、功能陶瓷的應用和展望 5、制備陶瓷材料的原料,3,1、陶瓷材料的發(fā)展概況 陶瓷在人類生活和社會建設中是不可缺少的材料，它和金屬材料、高分子材料并列為當代三大固體材料。,4,我國的陶瓷研究歷史悠久、成就輝煌，它是中華文明的偉大象征之一，在我國的文化和發(fā)展史上占有極其重要的地位。,5,陶瓷的研究進程分為三個階段 新石器時代 先進陶瓷階段 納米陶瓷階段,6,新石器時代 遠在幾干年前的新石器時代，我們的祖先就已經(jīng)用天然黏土作原料，塑造成各種器皿，再在火堆中燒成堅硬的

2、可重復使用的陶器，由于燒成溫度較低，陶瓷僅是一種含有較多氣孔、質(zhì)地疏松的未完全燒成制品。,7,8,釉 以石英、長石、硼砂、黏土等為原料制成的東西，涂在瓷器、陶器外面，燒制后發(fā)出玻璃光澤，可增加陶瓷的機械強度和絕緣性能。,9,以后大約在2000年前的東漢晚期，人們利用含鋁較高的天然瓷土為原料，加上釉的發(fā)明，以及高溫合成技術(shù)的不斷改進，使陶瓷步入瓷器階段，這是陶瓷技術(shù)發(fā)展史上意義重大的里程碑。,10,瓷器燒成溫度高，質(zhì)地致密堅硬，表面有光亮的釉彩。 隨著科學進步與發(fā)展，由瓷器又衍生出許多種類的陶瓷。,11,陶瓷都是以黏土為主要原料與其他天然礦物原料經(jīng)粉碎混煉成形一煅燒等過程制成的。 如常見的日用陶

3、瓷、建筑陶瓷、電瓷等傳統(tǒng)陶瓷。,12,由于陶瓷的主要原料取之于自然界的硅酸鹽礦物(如黏土、長石、石英等)，所以可歸為硅酸鹽類材料和制品。 從原始瓷器的出現(xiàn)到近代的傳統(tǒng)陶瓷，這一階段持續(xù)了四千余年。,13,先進陶瓷階段 20世紀以來，隨著人類對宇宙的探索、原子能工業(yè)的興起和電子工業(yè)的迅速發(fā)展，從性質(zhì)、品種到質(zhì)量等方面，對陶瓷材料均提出越來越高的要求。從而，促使陶瓷材料發(fā)展成為一系列具有特殊功能的無機非金屬材料。,14,如氧化物陶瓷、壓電陶瓷、金屬陶瓷等各種高溫和功能陶瓷。 這時，陶瓷研究進入第二個階段先進陶瓷階段。,15,先進陶瓷（Advanced ceramics）又稱現(xiàn)代陶瓷，是為了有別于傳

4、統(tǒng)陶瓷而言的。 先進陶瓷有時也稱為精細陶瓷(Fine Ceramics)、新型陶瓷(New Ceramics)、特種陶瓷(Special Ceramics)和高技術(shù)陶瓷(High-Tech. Ceramics)等。,16,在先進陶瓷階段，陶瓷制備技術(shù)飛速發(fā)展。 在成形方面，有等靜壓成形、熱壓注成形、注射成形、離心注漿成形、壓力注漿成形等成形方法； 在燒結(jié)方面，則有熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、反應燒結(jié)、快速燒結(jié)、微波燒結(jié)、自蔓延燒結(jié)等。,17,在先進陶瓷階段，采用的原料已不再使用或很少使用黏土等傳統(tǒng)原料，而已擴大到化工原料和合成礦物，甚至是非硅酸鹽、非氧化物原料，組成范圍也延伸到無機非金屬材料范圍。

5、,18,此時可認為，廣義的陶瓷概念已是用陶瓷生產(chǎn)方法制造的無機非金屬固體材料和制品的統(tǒng)稱。,19,但是，這一階段的先進陶瓷，無論從原料、顯微結(jié)構(gòu)中所體現(xiàn)的晶粒、晶界、氣孔、缺陷等在尺度上還只是處在微米級的水平，故又可稱之為微米級先進陶瓷。,20,納米陶瓷階段 到20世紀90年代，陶瓷研究已進入第三個階段-納米陶瓷階段。 所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相就有納米級尺度的陶瓷材料。它包括晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸等均在納米量級的尺度上。,21,22,23,24,25,納米陶瓷是當今陶瓷材料研究中一個十分重要的發(fā)展趨向，它將促使陶瓷材料的研究從工藝到理論、從性能到應用都提高

6、到一個嶄新的階段。,26,2、功能陶瓷的定義、范圍和分類,從性能上可把先進陶瓷分為結(jié)構(gòu)陶瓷(Structral ceramics)和功能陶瓷(Functional Ceramics)兩大類。,27,結(jié)構(gòu)陶瓷是指具有力學和機械性能及部分熱學和化學功能的先進陶瓷(現(xiàn)代陶瓷)，特別適于高溫下應用的則稱為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。,28,功能陶瓷是指那些利用電、磁、聲、光、熱、力等直接效應及其耦合效應所提供的一種或多種性質(zhì)來實現(xiàn)某種使用功能的先進陶瓷(現(xiàn)代陶瓷)。,29,功能陶瓷的特點 品種多、產(chǎn)量大、價格低、應用廣、功能全、技術(shù)高、更新快。,30,通過對復雜多元氧化物系統(tǒng)的化學、物理及組成、結(jié)構(gòu)、性能和使用效能

7、間相互關(guān)系的研究，已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一大批具有優(yōu)異性能或特殊功能的功能陶瓷，并可借助于離子置換、摻雜等方法調(diào)節(jié)、優(yōu)化其性能，功能陶瓷材料研究已開始從經(jīng)驗式的探索逐步走向按所需性能來進行材料設計。,31,3、功能陶瓷的性能與工藝特征,陶瓷功能的實現(xiàn)，主要取決于它所具有的各種性能，而在某一類性能范圍中，又必須針對具體應用，去改善、提高某種有效的性能，以獲得有某種功能的陶瓷材料。,32,例如，就陶瓷的電學功能而言，要改善壓電陶瓷在大功率使用下的功能，就必須首先改進陶瓷材料的機電損耗特性； 為改善濾波器陶瓷性能，則要從提高材料的頻率變化時間和溫度的穩(wěn)定性入手；,33,對于集成電路基片陶瓷，需改善其絕緣電阻和

8、導熱性能； 為改善作避雷器使用的壓敏陶瓷的功能，則需提高其通流容量和非線性系數(shù)。,34,一般來說，要從性能的改進來改善陶瓷材料的功能，需從以下兩個方面入手： 通過改變外界條件，即改變工藝條件以改善和提高陶瓷材料的性能，達到獲得優(yōu)質(zhì)材料的目的。,35,從材料的組成上直接調(diào)節(jié)、優(yōu)化其內(nèi)在的品質(zhì)，包括采用非化學式計量、離子置換、添加不同類型雜質(zhì)，使不同相在微觀級復合，進而形成不同性質(zhì)的晶界層等。,36,一般工藝條件是指原料的物理化學性質(zhì)和狀態(tài)、加工成型方法和條件、燒成制度和燒結(jié)狀態(tài)，以及成品的加工方法和條件等。 無論是改變組成還是改變工藝，最終都是通過材料微觀結(jié)構(gòu)的變化，才能體現(xiàn)出宏觀的功能變化。,

9、37,因此，要想達到自控設計材料，或者進行局部的性能改善，必須綜合考慮組成、工藝、微觀結(jié)構(gòu)等諸多因素，這是個系統(tǒng)工程。 下圖表示了陶瓷功能與組成、工藝、性能和結(jié)構(gòu)的關(guān)系。,38,陶瓷功能與組成、工藝、性能、結(jié)構(gòu)的關(guān)系,39,4、功能陶瓷的應用和展望 功能陶瓷的不斷開發(fā)，對科學技術(shù)的發(fā)展起了巨大促進作用，功能陶瓷的應用領域也隨之更為廣泛。,40,目前，功能陶瓷主要用于電、磁、光、聲、熱和化學等信息的檢測、轉(zhuǎn)換、傳輸、處理和存儲等，并已在電子信息、集成電路、計算機、能源工程、超聲換能、人工智能、生物工程等眾多近代科技領域顯示出廣闊的應用前景。,41,根據(jù)功能陶瓷組成結(jié)構(gòu)的易調(diào)性和可控性，可以制備超

10、高絕緣性、絕緣性、半導性、導電性和超導電性陶瓷；,42,根據(jù)功能陶瓷能量轉(zhuǎn)換和耦合特性，可以制備壓電、光電、熱電、磁電和鐵電等陶瓷； 根據(jù)功能陶瓷對外場條件的敏感效應，則可制備熱敏、氣敏、濕敏、壓敏、磁敏和光敏等敏感陶瓷。,43,二十世紀90年代，開始的納米功能陶瓷的研究，表明人們已開始深入到介于宏觀與原子尺度的納米層次來研究功能陶瓷的性能與結(jié)構(gòu)，以期進一步開拓功能陶瓷新的應用領域。,44,無論從應用的廣度，還是市場占有率來看，在當前及以后相當一段時間內(nèi)，功能陶瓷在現(xiàn)代陶瓷中仍將占據(jù)主導地位。 因此，功能陶瓷今后在性能方面應向著高效能、高可靠性、低損耗、多功能、超高功能以及智能化方向發(fā)展。,4

11、5,在設備技術(shù)方面向著多層、多相乃至超微細結(jié)構(gòu)的調(diào)控與復合、低溫活化燒結(jié)、立體布線、超細超純、薄膜技術(shù)等方向發(fā)展。,46,在材料及應用方面的主要研究方向應包括： 智能化敏感陶瓷及其傳感器； 高轉(zhuǎn)換率、高可靠性、低損耗、大功率的壓電陶瓷及其換能器；,47,超高速大容量超導計算機用光纖陶瓷材料； 多層封裝立體布線用的高導熱低介電常數(shù)陶瓷基板材料； 量大面廣、低燒、高比容、高穩(wěn)定性的多層陶瓷電容器材料等。,48,5、制備陶瓷材料的原料 陶瓷材料制品由多相的無機非金屬材料所構(gòu)成，所用原料大部分是天然的礦物原料或巖石原料，其中多為硅酸鹽礦物。,49,這些天然的礦物原料或巖石原料種類繁多，資源蘊藏豐富，且

12、分布極廣。 某些陶瓷材料制品對原料的要求很高，需要采用均一且高純度的人工合成原料。,50,(1)原料分類 通常，陶瓷原料的分類是根據(jù)不同的工藝特性、傳統(tǒng)習慣及原料性質(zhì)等不同角度進行的。綜合起來，可分為以下四類：,51,根據(jù)原料工藝特性分為：可塑性原料(也稱瘠性原料)、熔劑性原料。 根據(jù)原料的用途分為：瓷坯原料、瓷釉原料、色彩及彩料原料。,52,根據(jù)原料的礦物組成分為：黏土質(zhì)原料、硅質(zhì)原料、長石質(zhì)原料、鈣質(zhì)原料、鎂質(zhì)原料。 根據(jù)原料獲得的方式分為：礦物原料、化工原料。,53,陶瓷制品的結(jié)構(gòu)是決定其性能和品質(zhì)的內(nèi)因，而制品的結(jié)構(gòu)是由原料的種類和工藝過程來保證的。 陶瓷制品所選用的原料，首先是保證供

13、給其經(jīng)過加工后能生成所需要的晶相和玻璃相，其次是保證能適應在加工處理過程中制品的各種工藝性能。,54,綜合陶瓷制品對于原料的兩方面要求，根據(jù)原料的工藝特性可以把所需要的陶瓷原料主要歸納為三大類： 具有可塑性的黏土類原料、具有非可塑性的石英類原料和熔劑原料。,55,一般來說，黏土類原料往往是既有加工所需的可塑性，也能在燒成后形成結(jié)構(gòu)晶相的原料； 石英類原料既是非可塑性原料，同時也是能生成晶相的原料； 熔劑原料也具有非可塑性質(zhì)。,56,除上述的陶瓷坯體中所需的三大原料外，陶瓷釉料還常常需用各種特殊的熔劑原料，包括采用各種化工原料。 陶瓷工業(yè)中需用的輔助材料主要是石膏和耐火材料，以及各種外加劑如助磨

14、劑、助濾劑、解凝劑、增塑劑和增強劑等。,57,(2)黏土類原料 黏土類原料是日用陶瓷和工業(yè)用陶瓷的主要原料之一。 黏土是多種微細的礦物的混合體，其礦物的粒徑多數(shù)小于2um，主要是由黏土礦物和其他礦物組成的并具有一定持性的(其中主要是具有可塑性)土狀巖石。,58,我國黏土原料資源豐富，產(chǎn)地遍及全國。 黏土的主要礦物：高嶺石類、蒙脫石類、伊利石類和水鋁英石。 黏土的組成：黏土的組成可從幾個方面來分析，一般可從礦物組成、化學組成和顆粒組成三個方面來進行分析。,59,黏土的性質(zhì) 黏土的性質(zhì)對陶瓷的生產(chǎn)有很大的影響。它主要包括可塑性、結(jié)合性、離子交換性、觸變性、干燥收縮和燒成收縮、燒結(jié)溫度與燒結(jié)范圍和耐

15、火度等。,60,黏土的工藝性質(zhì) 主要取決于黏土的礦物組成、化學組成與顆粒組成。其中，礦物組成是基本因素。,61,黏土的加熱變化：黏土是陶瓷的主要原料，陶瓷在燒成過程中所發(fā)生的一系列物理和化學變化，是在黏土加熱變化的基礎上進行的，因此黏土的加熱變化是陶瓷制品燒成的基本理論基礎。 黏土在加熱過程中的變化包括兩個階段：脫水階段與脫水后產(chǎn)物的繼續(xù)轉(zhuǎn)化階段。,62,黏土在陶瓷生產(chǎn)中的作用：黏土之所以作為陶瓷制品的主要原料，是由于其賦予泥料具有可塑性和燒結(jié)性，這也是在發(fā)現(xiàn)和發(fā)明陶瓷制品的過程中，充分利用了黏土的這一特性，才創(chuàng)造出多姿多彩的各類陶瓷制品。,63,因此，有了黏土才有了與人類文明發(fā)展有重大關(guān)系的

16、陶瓷制品。 黏土作為主要原料對陶瓷生產(chǎn)的影響是巨大的，黏土不僅能保證陶瓷制品的成形，而且能決定燒后制品的性質(zhì)。,64,黏土作用概括為五個方面： 1)黏土的可塑性是陶瓷坯泥賴以成形的基礎。 2)黏土使注漿泥料與釉料具有懸浮性與穩(wěn)定性。 3)黏土一般呈細分散顆粒，同時具有結(jié)合性。,65,4)黏土是陶瓷坯體燒結(jié)時的主體，黏土中的Al2O3含量和雜質(zhì)含量是決定陶瓷坯體的燒結(jié)程度、燒結(jié)溫度和軟化溫度的主要因素； 5)黏土是形成陶器主體結(jié)構(gòu)和瓷器中莫來石晶體的主要來源。,66,(3)石英類原料 石英的種類。 自然界中的二氧化硅結(jié)晶礦物可以統(tǒng)稱為石英。其中最純的石英晶體統(tǒng)稱為水晶。 在陶瓷工業(yè)中，常用的石英

17、類原料和材料有下列幾種：脈石英、砂巖、石英巖、石英砂、隧石和硅藻土。,67,石英原料的性質(zhì) 石英的外觀視其種類不同而異，有的呈乳白色，有的呈灰白半透明狀態(tài)，表面具有玻璃光澤或脂肪光澤，莫氏硬度值為7，相對密度因晶型而異，波動于2.222.65g/cm3之間。 石英的主要化學成分為SiO2，常含有少量雜質(zhì)成分，如Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2等。,68,石英是具有強耐酸侵蝕力的酸性氧化物，除氫氟酸外，一般酸類對它都不產(chǎn)生作用。 當石英與堿性物質(zhì)接觸時，則能起反應而生成可溶性的硅酸鹽。 在高溫中與堿金屬氧化物作用生成硅酸鹽與玻璃態(tài)物質(zhì)。,69,石英在陶瓷生產(chǎn)中的作用 石英是作為瘠

18、性原料加入到陶瓷坯料中的，它是陶瓷坯體中主要組分之一，它在陶瓷生產(chǎn)中的作用不僅在坯體成形時，而且在燒成時都有重要的影響。其作用概括如下：,70,在燒成前是瘠性原料，可對泥料的可塑性起調(diào)節(jié)作用，能降低坯體的干燥收縮，縮短干燥時間并防止坯體變形。 在燒成時，石英的加熱膨脹可部分地抵消坯體收縮的影響，當玻璃質(zhì)大量出現(xiàn)時，在高溫下石英能部分熔解于液相中，增加熔體的強度，而未熔解的石英顆粒，則構(gòu)成坯體的骨架，可防止坯體發(fā)生軟化變形等缺陷。,71,在瓷器中，石英對坯體的力學強度有著很大的影響，合理的石英顆粒能大大提高瓷器坯體的強度，否則效果相反。同時，石英也能使瓷坯的透光度和白度得到改善。 在釉料中，二氧

19、化硅是生成玻璃質(zhì)的主要組分，增加釉料中石英含量能提高釉的熔融溫度與黏度，并減少釉的線脹系數(shù)。同時它是賦予釉以高的力學強度、硬度、耐磨性和耐化學侵蝕性的主要因素。,72,(4) 長石類原料 長石是陶瓷原料中最常用的熔劑性原料，在陶瓷生產(chǎn)中用作坯料、釉料、色料、熔劑等的基本組分，其用量較大，是陶瓷三大原料之一。 長石的種類和一般性質(zhì)：長石是地殼上分布廣泛的造巖礦物。,73,長石呈架狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)，化學成分為不含水的堿金屬與堿土金屬鋁硅酸鹽，主要是鉀、鈉、鈣和少量鋇的鋁硅酸鹽，有時含有微量的銫、鍶等金屬離子。,74,根據(jù)架狀硅酸鹽的結(jié)構(gòu)特點，長石可分為四種基本類型： 鈉長石、鉀長石、鈣長石和鋇長石。,

20、75,生產(chǎn)中的鉀長石，實際上是含鉀為主的鉀鈉長石； 而所謂的鈉長石，實際上是含鈉為主的鉀鈉長石。 鈉長石與鈣長石一般呈白色或灰白色，相對密度為2.62 gcm3，其他一般物理性質(zhì)與鉀鈉長石近似。,76,在鉀鈉長石中，含鉀長石較多的長石一般呈粉紅色或肉紅色，個別的可呈白色、灰色、淡黃色等，相對密度為2.562.59 g / cm3，莫氏硬度值為6-6.5，斷口呈玻璃光澤，解理清楚。,77,長石在陶瓷原料中是作為熔劑使用的，因而長石在陶資生產(chǎn)中的作用主要表現(xiàn)為它的熔融和熔化其他物質(zhì)的性質(zhì)。長石在陶瓷生產(chǎn)中的作用如下：,78, 長石在高溫下熔融，形成黏稠的玻璃熔體，是坯料中堿金屬氧化物(K2O、Na

21、2O)的主要來源，能降低陶瓷坯體組分的熔化溫度，有利于成瓷和降低燒成溫度。,79,熔融后的長石熔體能熔解部分高嶺土分解產(chǎn)物和石英顆粒。液相中Al2O3和SiO2互相作用，促進莫來石晶體的形成和長大，賦予了坯體的力學性能和化學穩(wěn)定性。,80,長石熔體能填充于各結(jié)晶顆粒之間，有助于坯體致密和減少空隙。 冷卻后的長石熔體，構(gòu)成了瓷的玻璃基質(zhì)，增加了透明度，并有助于瓷坯的力學性能和電氣性能的提高。,81,在釉料中長石是主要熔劑。 長石作為瘠性原料，在生坯中還可以縮短坯體干燥時間，減少坯體的干燥收縮和變形等。,82,(5)其他礦物原料 含堿硅酸鋁類；包括偉晶花崗巖、霞石正長巖、酸性玻璃熔巖（包括珍珠巖、

22、松脂巖、浮巖等)和鋰質(zhì)礦物原料(常見的有鋰輝石和鋰云母兩種)。,83,堿土硅酸鹽類：包括滑石與蛇紋石、硅灰石、透輝石和透閃石。 碳酸鹽類：包括方解石與石灰石、白云石和菱鎂礦。 鈣的磷酸鹽類：包括骨灰和磷灰石。 高鋁質(zhì)礦物類：包括高鋁礬土、硅線石。 工業(yè)廢渣類：包括磷礦渣、高爐礦渣、螢石礦渣、輝綠巖、粉煤灰、煤殲石和高嶺土和瓷石尾砂。,84,鋯英石：鋯英石的化學通式為ZrSiO4，理論上含ZrO2 67.2，SiO2 32.8。由于含有微量U、Th等放射性元素，因而帶有微量放射性。 鋯英石屬正方晶系，相對密度為3.9-4.9 g / cm3。莫氏硬度值為7-8。由于含有雜質(zhì)而呈現(xiàn)不同顏色，有無色

23、的，亦有淡黃、淺灰、淡黃綠、棕黃和淡紅褐色。,85,二、絕緣陶瓷 2.1 精密絕緣陶瓷在近代電子技術(shù)中的作用 2.2 絕緣陶瓷的性能與特征 2.3 常用絕緣陶瓷材料及其性能 2.4 絕緣陶瓷的應用,86,2.1 精密絕緣陶瓷在近代電子技術(shù)中的作用 絕緣材料在電氣電路或電子電路中所起的作用主要是根據(jù)電路設計要求將導體物理隔離，以防電流在它們之間流動而破壞電路的正常運行。,87,即，電子技術(shù)中首先要求絕緣材料不導電，即要求電阻率盡量高，絕緣強度也盡量高。 此外，絕緣材料還起著導體的機械支持、散熱及電路環(huán)境保護等作用。 一般將能起上述作用的陶瓷稱為絕緣陶瓷。,88,絕緣陶瓷可分為氧化物絕緣陶瓷和非氧

24、化物絕緣陶瓷兩大系列；無論是哪種系列的絕緣陶瓷，要成為一種優(yōu)異的絕緣陶瓷，它必須具備如下性能： 體積電阻率() = 1012cm 相對介電常數(shù)(r)=5.0kV/mm,89,除上述性能外，絕緣陶瓷還應具有良好的導熱性、與導體材料盡可能一致的熱膨脹性、耐熱性、高強性及化學穩(wěn)定性等。,90,高壓陶瓷絕緣子作為一種傳統(tǒng)的絕緣陶瓷已有100多年的歷史。 而精密絕緣陶瓷與高壓陶瓷絕緣子相比，則是后起之秀，它在近代電子技術(shù)中所起的作用是前者無法比擬的。,91,92,93,比如，在眾多的家用電器，如收錄機、彩色電視機和錄像機中，在一般的集成電路(IC)，大規(guī)模集成電路(LSI)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)

25、中，在大型電子計算機等高技術(shù)產(chǎn)品中，甚至在航空、航天等尖端科技領域中，精密絕緣陶瓷已較大量使用。,94,在當今世界上，每年要制造數(shù)百億件質(zhì)量相當高的集成電路，其中約20要采用精密絕緣陶瓷基片。 在計算機集成電路中采用多層絕緣陶瓷基片與封裝材料可以使高速計算機的工作效率翻番，其價值超過了陶瓷自身所具價值的成千上萬倍。 正因為精密絕緣陶瓷對各種電子裝置運行性能的改善有如此巨大的功效，所以對它們的研究開發(fā)尤為必要。,95,2.2 絕緣陶瓷的性能與特征 2.2.1 離子導電和絕緣性 2.2.2 陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)與絕緣性,96,2.2.1 離子導電和絕緣性 應用固體能帶理論，可以成功地解釋固體的絕緣性、半

26、導性和導電性。 固體能帶中那些被電子完全占滿的叫滿帶，未被電子占據(jù)的叫導帶，滿帶和導帶之間的距離稱之為禁帶寬度。,97,如果禁帶寬度足夠大(在幾個電子伏特以上)，滿帶的電子就難以被激發(fā)而超越禁帶進入導帶，也即認為電子幾乎無法遷移，那么固體便成為典型的絕緣體。 實際上，這種理想的絕緣體只有在絕對零度時才能獲得。,98,如果外界條件有所變化，例如溫度升高或者受到光照時，由于熱激發(fā)，滿帶中的部分電子就可能被激發(fā)而躍遷到導帶，從而使導電成為可能。 因此，在高溫時，絕緣體的相對導電性相似于半導體，只不過絕緣體的禁帶寬度比半導體大(絕緣體的禁帶寬度約4-5ev,而半導體約為1ev左右)。,99,由于絕緣體

27、有很大的禁帶寬度，而激發(fā)電子需很大的能量；因此，在室溫附近，實際上可認為電子幾乎不遷移。,100,很多絕緣陶瓷是典型的離子晶體或共價晶體。 在這種情況下，對具有足夠?qū)挾冉麕^(qū)的絕緣陶瓷而言，固體中的另一種導電機理-離子導電就變得十分重要了。它主要是通過離子擴散而發(fā)生的電導行為。,101,離子電導率隨溫度的升高呈指數(shù)增加。,102,離子電荷和擴散系數(shù)影響離子導電，擴散系數(shù)又與晶格缺陷及穿越缺陷的離子的電荷及其大小有關(guān)。 通常情況下，電荷及體積越小的離子越易擴散，其激活能的數(shù)值也越小。,103,因此，在絕緣陶瓷中應盡可能避免堿金屬離子的存在(尤其是鈉離子)，因為這些離子可形成相當強烈的電導，使材料

28、的絕緣性能劣化。,104,2.2.2 陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)與絕緣性 一般而言，絕緣陶瓷是粉體原料經(jīng)過成型和燒結(jié)而得到的多相多晶材料。 陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)主要可分為基質(zhì)、晶粒和氣孔三部分。,105,通常氣孔和晶粒的絕緣性能好，而基質(zhì)往往在高溫下顯示較大的導電性。 由于基質(zhì)部分雜質(zhì)濃度較高，在組織上又是連續(xù)相，所以陶瓷的絕緣性容易受基質(zhì)相的影響。,106,設基質(zhì)部分的電導率為m，晶粒的電導率為c ，則總的電導率()可用下式表示：,式中，-晶粒的體積分數(shù)； kc-晶粒的形狀系數(shù)。,107,若在考慮基質(zhì)和晶粒的電導率的兩種極端情況下，則如下式所示：,當 cm時，則,當 cm時，則,108,由上面兩式可知，基質(zhì)的

29、電導率支配著整個體系的電導率。,109,固體內(nèi)部存在的氣孔對絕緣性能的破壞不大，但當表面存在氣孔時，因易吸水和被污染將使表面絕緣性顯著劣化。 因此，原則上絕緣陶瓷應選擇氣孔少、沒有吸水性的致密材料，并根據(jù)使用情況的不同在其表面上釉以防止污染和吸潮。,110,通常情況下，材料的絕緣性與材料的純度、材料中雜質(zhì)含量的多少有關(guān)。 材料純度越高，雜質(zhì)含量越少，則它們的絕緣性能就越好。 這是因為絕緣陶瓷中若有雜質(zhì)引入，則會像摻雜半導體那樣，在禁帶中產(chǎn)生雜質(zhì)能級，從而使電荷載流子增加，電阻率下降，結(jié)果使絕緣強度下降。,111,2. 3 常用絕緣陶瓷材料及其性能,絕緣陶瓷材料按化學組成可分為氧化物系和非氧化物

30、系兩大類。 氧化物系絕緣陶瓷已得到廣泛應用，而非氧化物系絕緣陶瓷是70年代才發(fā)展起來的，,112,目前應用的主要有氮化物陶瓷，如Si3N4、BN、AlN等。 除多晶陶瓷外，近年來又發(fā)展了單晶絕緣陶瓷，如人工合成云母、人造藍寶石、尖晶石、氧化鈹及石英等。 絕緣陶瓷若按介電性能要求，則某些重要的物理性能應滿足下列關(guān)系式：,113,式中，-總電導率(1 cm)； -體積電阻率( cm)； -角頻率; 其值為2f, f為頻率； 0-真空中的介電常數(shù)（8.8510-12 F/m） -相對介電常數(shù)； tg -損耗因子。,114,某些重要的絕緣陶瓷材料的介電性能列于下表,絕緣陶瓷的介電性能,115,2.4

31、絕緣陶瓷的應用 絕緣陶瓷，不論是具有幾干年歷史的以粘土為代表的古老陶瓷材料，還是最近幾年才達到實用化的各種精細陶瓷材料，均共存于當今的人類生活中。 絕緣陶瓷的工業(yè)應用歷史較早，在1850年左右，陶瓷絕緣子作為電絕緣器材，使用于鐵路通信線路。,116,1880年美國在電力輸電線路中開始使用陶瓷絕緣子，目前，已能制造出耐壓500kV以上的超高壓輸電用高性能陶瓷絕緣子。 隨之，汽車陶瓷火花塞付諸應用，這是一種需求量極大的絕緣陶瓷。,117,隨著電子工業(yè)的發(fā)展，集成電路、大規(guī)模集成電路以及超大規(guī)模集成電路相繼問世，這類電路需要絕緣性能、導熱性能、熱膨脹匹配性能、高頻性能及快速響應性能等一系列性能優(yōu)良的絕緣陶瓷作為電路的基片與封裝材料。 于是，高性能的A12O3瓷和BeO瓷作為精密絕緣陶瓷而被大量使用在這類電路中，且性能與生產(chǎn)工藝不斷得以改進。,