(精品)第2章 第3节 功能陶瓷.ppt
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1、第第3 3节节 功功 能能 陶陶 瓷瓷一、功能陶瓷概述一、功能陶瓷概述1 1、与传统陶瓷的区别、与传统陶瓷的区别(1 1)原原料料许许多多是是经经过过人人工工合合成成或或者者精精制制,不不受受天天然然条条件件的限制;的限制;(2 2)突突破破传传统统陶陶瓷瓷的的化化学学成成分分限限制制,用用多多种种金金属属氧氧化化物物、氮氮化化物物、碳碳化化物物、磷磷化化物物等等,有有时时直直接接用用金金属属原原素素和和碳碳、硅等非金属原素。硅等非金属原素。与与传传统统陶陶瓷瓷相相比比,功功能能陶陶瓷瓷具具备备了了一一些些特特殊殊性性能能(热、机械、化学、电磁、光热、机械、化学、电磁、光)。电电 子子 陶陶
2、瓷瓷生生 物物 陶陶 瓷瓷敏敏 感感 陶陶 瓷瓷磁磁 性性 陶陶 瓷瓷超超 导导 陶陶 瓷瓷光光 学学 陶陶 瓷瓷 其其功功能能的的实实现现主主要要来来自自于于它它所所具具有有的的特特定定的的电电绝绝缘缘性性、半半导导体体性性、导导电电性性、压压电电性性、铁铁电电性性、磁磁性性、生生物物适应性等。适应性等。2 2、功能陶瓷分类、功能陶瓷分类按按电电学学性性质质:绝绝缘缘体体陶陶瓷瓷、介介电电陶陶瓷瓷、半半导导体体陶陶瓷、和导电陶瓷;瓷、和导电陶瓷;按热学性质按热学性质:耐高温陶瓷、电热陶瓷。:耐高温陶瓷、电热陶瓷。二、材料的电性能二、材料的电性能首先,我们了解一点材料的电学性能。首先,我们了解
3、一点材料的电学性能。1导电性导电性材材料料的的导导电电性性以以其其电电导导率率来来度度量量,表表明明材材料料在在电电场场中中传传递递电电荷荷的的能能力力。载载流流子子数数目目n、每每个个载载流流子子的的电电荷荷q以以及及载载流流子子的的迁迁移移率率,决决定了材料的电导率定了材料的电导率 或电阻率或电阻率。在材料中,产生电流的载流子有四种类型,即在材料中,产生电流的载流子有四种类型,即电子、空穴、正离电子、空穴、正离子和负离子子和负离子。若载流子是电子或空穴,则材料的电导为。若载流子是电子或空穴,则材料的电导为电子电导电子电导;若;若载流子是离子或空格点,则称为载流子是离子或空格点,则称为离子电
4、导离子电导。材料按其导电能力可分为四大类:材料按其导电能力可分为四大类:(1)超导体超导体,0,(2)导体导体,;金属及部分陶瓷和高分子材料金属及部分陶瓷和高分子材料(3)半导体半导体,;(4)绝缘体绝缘体,普通陶瓷与大部分高分子材料普通陶瓷与大部分高分子材料金金属属的的电电导导率率随随温温度度的的升升高高而而降降低低,半半导导体体、绝绝缘体及离子材料的电导率则随温度升高而增大。缘体及离子材料的电导率则随温度升高而增大。杂杂质质原原子子使使纯纯金金属属的的电电导导率率下下降降,这这是是由由于于溶溶质质原原子子在在固固溶溶体体内内造造成成不不规规则则的的势势场场变变化化,影影响响自自由由电电子的
5、运动。子的运动。陶陶瓷瓷材材料料中中溶溶入入杂杂质质原原子子后后,常常常常会会使使其其导导电电性性能能提提高高。适适当当形形式式的的晶晶体体缺缺陷陷,对对改改善善陶陶瓷瓷材材料料的的导导电性有重要意义电性有重要意义。2介电性介电性绝绝缘缘体体虽虽不不传传导导电电荷荷,但但在在电电场场E中中并并非非不不反反应应。如如相相隔隔距距离离为为d的两块电极板之间加一电压的两块电极板之间加一电压U,此时电场为伏特梯度:,此时电场为伏特梯度:若若两两板板间间无无任任何何物物质质,则则每每板板上上的的电电荷荷密密度度D0与与电电场场E成成比比例例。如如果果在在两两电电板板间间有有材材料料m(即即称称电电介介质
6、质),其其电电荷荷密密度度可可能能由由D0增增到到Dm,比率,比率Dm/D0即为材料的相对介电常数,即即为材料的相对介电常数,即相对介电常数总是大于相对介电常数总是大于1.01.0。因为在电场中,材料内部的电子。因为在电场中,材料内部的电子或正负离子发生了位移。或正负离子发生了位移。不不同同材材料料及及不不同同温温度度下下的的介介电电常常数数差差别别很很大大。Al2O3、AIN陶陶瓷瓷的的室室温温介介电电常常数数小小于于10,BaTiO3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3等等铁铁电电陶陶瓷瓷的的室室温温介介电电常常数数为为几几百百至至几几千,通过调整材料组成,甚至可达千,通过调整材料组成,甚至
7、可达1000020000。利利用用各各种种材材料料不不一一的的介介电电常常数数及及其其温温度度特特性性,就就可可以制作不同性能规格的电容器或其他元件。以制作不同性能规格的电容器或其他元件。3压压电电性性指指某某些些晶晶体体材材料料按按所所施施加加的的机机械械应应力力成成比比例例地地产生电荷的能力。产生电荷的能力。材料的压电效应取决于晶体结构的材料的压电效应取决于晶体结构的不对称性不对称性,晶,晶体必须有极轴,才有压电效应。体必须有极轴,才有压电效应。钛酸钡钛酸钡Pb(Ti、Zr)O3(PZT)压电效应的本质压电效应的本质压电效应的本质压电效应的本质机械作用机械作用机械作用机械作用(应力与应变应
8、力与应变应力与应变应力与应变)引起了晶体的极化引起了晶体的极化引起了晶体的极化引起了晶体的极化,从,从而导致而导致介质两端表面介质两端表面出现相反的束缚电荷出现相反的束缚电荷出现相反的束缚电荷出现相反的束缚电荷。例:例:BaTiOBaTiO3 3陶瓷的压电机理陶瓷的压电机理BaTiOBaTiO3 3晶晶晶晶体体体体中中中中,氧氧氧氧形形形形成成成成八八八八面面面面体体体体,TiTi位位位位于于于于氧氧氧氧八八八八面面面面体体体体的的的的中中中中心心心心,BaBa处处处处于于于于八八八八个个个个八面体的间隙。八面体的间隙。八面体的间隙。八面体的间隙。BaBaOOTiTi陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷由许多由许
9、多排列无序的小晶粒排列无序的小晶粒构成,具有构成,具有各向各向各向各向同性同性同性同性,不显示压电性不显示压电性不显示压电性不显示压电性。经电场处理后,陶瓷经电场处理后,陶瓷存在剩余极化强度存在剩余极化强度存在剩余极化强度存在剩余极化强度,它它它它是以是以束缚电荷的形式束缚电荷的形式束缚电荷的形式束缚电荷的形式表现出来,且由表现出来,且由各向同性各向同性变成变成各向异各向异性性,从而,从而具有压电性具有压电性具有压电性具有压电性。由于束缚电荷的作用,在陶瓷片两极板上吸附了一由于束缚电荷的作用,在陶瓷片两极板上吸附了一层表面电荷,这些层表面电荷,这些吸附电荷吸附电荷吸附电荷吸附电荷与片内与片内束
10、缚电荷束缚电荷束缚电荷束缚电荷数量相等,数量相等,符号相反,起符号相反,起屏蔽和抵消屏蔽和抵消屏蔽和抵消屏蔽和抵消片内极化强度对外界的作用。片内极化强度对外界的作用。TiTi电场处理后的陶瓷片电场处理后的陶瓷片电场处理后的陶瓷片电场处理后的陶瓷片当在瓷片上加一个与极化方向平行的外力时,在应力当在瓷片上加一个与极化方向平行的外力时,在应力的作用下的作用下瓷片发生形变瓷片发生形变瓷片发生形变瓷片发生形变,即,即极化方向极化方向极化方向极化方向c c轴被压缩轴被压缩轴被压缩轴被压缩,使,使Ti4+位移位移变小,变小,片内极化强度变小片内极化强度变小片内极化强度变小片内极化强度变小,因而释放出部分原来
11、被吸附的表,因而释放出部分原来被吸附的表面电荷,这就是被压缩后出现的面电荷,这就是被压缩后出现的正压电效应正压电效应。TiTi电场处理后的陶瓷片电场处理后的陶瓷片电场处理后的陶瓷片电场处理后的陶瓷片外力的作用外力的作用当在瓷片上施加与极化方向相同的当在瓷片上施加与极化方向相同的电场电场电场电场时,此时时,此时增增增增大了极化强度大了极化强度大了极化强度大了极化强度,表示,表示Ti4+位移增大,晶胞位移增大,晶胞c轴变长,瓷片发轴变长,瓷片发生生伸长形变伸长形变伸长形变伸长形变,此时,电能变为机械能,此时,电能变为机械能(逆压电逆压电)。TiTi电场处理后的陶瓷片电场处理后的陶瓷片电场处理后的陶
12、瓷片电场处理后的陶瓷片电场的作用电场的作用正正压压电电效效应应压压电电材材料料在在应应力力作作用用下下产产生生形形变变,极极化化状状态态发发生生变变化化,引引起起介介质质表表面面带带电电,表表面面电电荷荷密密度度与与应应力力成成正比。正比。P电介质矢量;电介质矢量;d是压电常数;是压电常数;应力。应力。逆逆压压电电效效应应反反之之,施施加加激激励励电电场场,材材料料(介介质质)将将产产生机械变形,应变与电场强度成正比。生机械变形,应变与电场强度成正比。S弹性强度;弹性强度;E电场强度;电场强度;压电常数。压电常数。具有压电效应的材料可分为四类:具有压电效应的材料可分为四类:(1)压压电电单单晶
13、晶材材料料,如如水水晶晶、NiNbO3、Bi2GeO3、Li2GeO3、Li3BO4等;等;(2)压压电电陶陶瓷瓷材材料料,如如BaTiO3、PbTiO3、Pb(Ti、Zr)O3(PZT)、改性改性PZT和其他三元系陶瓷材料;和其他三元系陶瓷材料;(3)压电薄膜压电薄膜,如,如ZnO、CdS、AIN等;等;(4)高分子压电材料,高分子压电材料,如聚偏氟乙烯等。如聚偏氟乙烯等。本节中我们将讨论到压电陶瓷材料。本节中我们将讨论到压电陶瓷材料。4、压电效应、压电效应材料的电极化派生出的性质:材料的电极化派生出的性质:压电性、热释电、电致伸缩压电性、热释电、电致伸缩等。等。什么叫压电效应?什么叫压电效
14、应?我们前面讨论过我们前面讨论过什么叫热释电?什么叫热释电?温度变化时,引起电介质自发极化,产生表面的束缚温度变化时,引起电介质自发极化,产生表面的束缚电荷,且未被外界自由电荷所补偿。电荷,且未被外界自由电荷所补偿。什么叫电致伸缩?什么叫电致伸缩?压力大、应力大,或电场较强时,产生电致伸缩,压力大、应力大,或电场较强时,产生电致伸缩,即在外电场较强时,材料会产生一种应变,这种应变和即在外电场较强时,材料会产生一种应变,这种应变和电场强度的平方成正比。电场强度的平方成正比。电致伸缩电致伸缩-压电特性压电特性一、电介质陶瓷一、电介质陶瓷物质在电场中:物质在电场中:导体导体导电;导电;绝缘体绝缘体极
15、化,正负电荷发生局部移动而显出电性。极化,正负电荷发生局部移动而显出电性。什么叫电介质?什么叫电介质?电介质是电阻率高于电介质是电阻率高于108m的材料,能耐较高电压而不被击穿。的材料,能耐较高电压而不被击穿。电电介介质质是是以以极极化化方方式式传传递递电电的的物物质质,主主要要是是绝绝缘缘体体,半半导导体体纯纯硅硅、纯锗也属于电介质。纯锗也属于电介质。电介质分为两种:电绝缘陶瓷和电容器陶瓷。电介质分为两种:电绝缘陶瓷和电容器陶瓷。1、电绝缘陶瓷、电绝缘陶瓷主主要要用用于于电电子子设设备备中中安安装装、固固定定、支支撑撑、保保护护、绝绝缘缘、隔隔离离以以及及连连接接各各种种无无线线电电零零件件
16、和和器器件件。(高高频频绝绝缘缘子子、插插座座、瓷瓷管管基基板板、瓷环等)。瓷环等)。绝绝缘缘陶陶瓷瓷中中应应用用最最广广的的氧氧化化物物是是Al2O3,达达90%以以上上,机机械械强强度度高、绝缘性好、热导率小,耐腐蚀,高、绝缘性好、热导率小,耐腐蚀,常用作电子电路的基片。常用作电子电路的基片。半导体元件和电路对材料的半导体元件和电路对材料的要求:高性能、小体积;导热率要求:高性能、小体积;导热率大、密度高、容易小型化。大、密度高、容易小型化。BeO陶陶瓷瓷的的优优点点是是热热导导率率高高,高高温温下下绝绝缘缘性性好好适宜作散热片。适宜作散热片。SiC、BN和和AlN(碳碳化化硅硅、立立方方
17、氮氮化化硼硼和和氮氮化化铝铝)也属于导热率高,散热快的材料。也属于导热率高,散热快的材料。SiCSiC的晶体结构和金刚石相似,其中的晶体结构和金刚石相似,其中部分硅代替了部分碳的位置。部分硅代替了部分碳的位置。这种结构强固、致密,机械强这种结构强固、致密,机械强度高,适宜用作电子线路的基板。度高,适宜用作电子线路的基板。SiC、BN和和AlN结构结构“等电子体系等电子体系”:因为因为B、Al+3价,价,N-3价;价;B、Al外层有外层有3个电子,个电子,N外层有外层有5个电子,个电子,构成构成“等电子体系等电子体系”。2、电容器陶瓷、电容器陶瓷电容器的性能要求电容器的性能要求:耐较高电压,不易
18、被击穿,介电常数高,高:耐较高电压,不易被击穿,介电常数高,高频下可靠地工作。频下可靠地工作。电容器陶瓷的特点电容器陶瓷的特点:介电常数高:介电常数高因此体积可以做得很小。因此体积可以做得很小。电容器的介电材料电容器的介电材料:金红石(:金红石(TiO2),钛酸酸钙(),钛酸酸钙(CaTiO3,加少,加少量量ZrO2),钛酸镁(),钛酸镁(MgTiO3)可用于高频。可用于高频。2MgOSiO2、Al2O3、BaTi4O9、(Zr,Sn,Ti)O2可用于集成电可用于集成电路基片、元件路基片、元件介电常数达到介电常数达到10105 5的电容器陶瓷,可以使电容器微型化。的电容器陶瓷,可以使电容器微型
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