陶瓷材料-4-功能陶瓷.ppt

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功能陶瓷 電容器陶瓷 絕緣陶瓷 裝置陶瓷 導(dǎo)電陶瓷 敏感陶瓷 磁功能陶瓷 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 電容器陶瓷 電容器陶瓷 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) 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) 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 型 溫度穩(wěn)定型 型 高介電常數(shù)型 型 半導(dǎo)體系型 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 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 型 溫度穩(wěn)定型 型 高介電常數(shù)型 型 半導(dǎo)體系型 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 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 型 溫度穩(wěn)定型 型 高介電常數(shù)型 型 半導(dǎo)體系型 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 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 型 溫度穩(wěn)定型 型 高介電常數(shù)型 型 半導(dǎo)體系型 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 電容器陶瓷 介電常數(shù)大 介電損耗小 半導(dǎo)體系型 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 為什么要用鐵電材料 鐵電材料 型 電容器陶瓷 鐵電材料 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 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(wú)外電場(chǎng)作用下存在的極化現(xiàn)象稱為自發(fā)極化 基本概念 自發(fā)極化 電容器陶瓷 鐵電材料 型 對(duì)于晶體 由于晶格的限制 取向無(wú)法隨機(jī)分布 所以在局部區(qū)域內(nèi)形成鐵電疇 鐵電疇 電容器陶瓷 鐵電材料 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 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 電容器陶瓷 鐵電材料 型 電容器陶瓷 鐵電材料 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 電容器陶瓷 鐵電材料 型 電容器陶瓷 鐵電材料 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 電容器陶瓷 鐵電材料 型 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 提高居里溫度使居里峰變寬 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 提高居里溫度使居里峰變寬 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 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 1012 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 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 絕緣陶瓷 陶瓷的禁帶寬度Eg 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(wú)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 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 絕緣陶瓷 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 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 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 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 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 導(dǎo)電陶瓷 離子導(dǎo)電常存在明顯的各向異性 例如 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 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 ZrO2固體電解質(zhì)的應(yīng)用 燃料電池 敏感陶瓷 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 敏感陶瓷 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 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 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 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 臨界溫度熱敏陶瓷CTR CTR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 線性阻溫?zé)崦籼沾?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 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) 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 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 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 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型半導(dǎo)體都會(huì)引起元件載流子濃度的增加 電阻率降低 n型氣敏元件工作時(shí)的電阻率變化 氣敏陶瓷 氣敏元件的穩(wěn)定性和復(fù)原性 即在待測(cè)溫度和氣氛中 元件的電阻值具有穩(wěn)定的數(shù)值 離開待測(cè)氣氛后 被測(cè)氣體能夠在元件表面較快的解吸 元件電阻值能夠較快恢復(fù)到初始值 定義元件電阻值恢復(fù)到90 的時(shí)間為復(fù)原時(shí)間 抗老化性和抗中毒性 抗老化性為元件可以經(jīng)受不斷的氣體吸附和脫附過程而不發(fā)生明顯的性能變化 如果氣敏元件經(jīng)過若干次的氣體吸附和脫附后其性能即發(fā)生明顯變化 稱為元件老化 中毒是氣敏元件在工作過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)變化或化學(xué)反應(yīng) 使其失效 磁功能陶瓷 由于金屬和合金磁性材料的電阻率低 10 8 10 6 m 損耗大 因而無(wú)法適用于高頻 陶瓷質(zhì)磁性材料電阻率高 10 106 m 可在從商用頻率到毫米波范圍以多種形態(tài)得到應(yīng)用 而且其具有較高的高頻磁導(dǎo)率 這也是其他金屬和合金磁性材料難以比擬的 磁功能陶瓷 磁功能陶瓷主要指鐵氧體陶瓷 鐵氧體陶瓷是以氧化鐵和其它鐵族或稀土氧化物為主要成分的復(fù)合氧化物 鐵氧體陶瓷具有高電阻 低損耗等優(yōu)點(diǎn) 它們?cè)诂F(xiàn)代無(wú)線電電子學(xué) 自動(dòng)控制 微波技術(shù) 電子計(jì)算機(jī) 信息存儲(chǔ) 激光調(diào)制等方面有著十分廣泛的應(yīng)用 磁功能陶瓷 多晶體鐵氧體大多為固相燒結(jié) 液相量很少或不含液相 瓷體主要由晶粒 晶界 氣孔和晶界夾雜物組成 磁功能陶瓷