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能量 電容雖然爆發(fā)力很強 但是持續(xù)時間短 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用中能量損耗和發(fā)熱 3 介電常數(shù)的溫度系數(shù) 關系到電容器對工作環(huán)境的適應性和電路可靠性的重要指標 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 溫度補償型 型 溫度穩(wěn)定型 型 高介電常數(shù)型 型 半導體系型 型 介電常數(shù)恒定 土豪的空調 不管室內溫度是多少 空調一直全力以赴 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 溫度補償型 型 溫度穩(wěn)定型 型 高介電常數(shù)型 型 半導體系型 型 介電常數(shù)隨溫度改變 不同溫度下 電容器的容量不同 室內溫度發(fā)生變化 調節(jié)空調功率 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 溫度補償型 型 溫度穩(wěn)定型 型 高介電常數(shù)型 型 半導體系型 型 介電常數(shù)高 達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 溫度補償型 型 溫度穩(wěn)定型 型 高介電常數(shù)型 型 半導體系型 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 半導體系型 型 利用內部的半導體 加強 極化 得到大的介電常數(shù) 1000以內 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 外部電場與內部電場的滯后效應 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 如果晶胞中正負電荷中心不重合 即每一個晶胞具有一定的固有偶極矩 由于晶體結構的周期性和重復性 晶胞的固有偶極矩便會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 對于晶體 由于晶格的限制 取向無法隨機分布 所以在局部區(qū)域內形成鐵電疇 鐵電疇 電容器陶瓷 鐵電材料 型 對于BaTiO3 130 以上 為立方結構 當溫度低于130 以后 Ba原子可以沿a 也可以是b或c 方向移動 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 T 120 Ti4 處在各方幾率相同 穩(wěn)定地偏向某一個氧離子的幾率為零 對稱性高 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 對于BaTiO3 當兩個電疇為180 時 施加電場 橫向長大機制較弱 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晶體結構有立方相 四方相 斜方相和三方相等晶相 均屬于鈣鈦礦型結構的變體 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 雖然宏觀來說不導電 但是由于各種缺陷的存在 外電場作用下 缺陷區(qū)域會產(chǎn)生電荷的小范圍運動 進而產(chǎn)生極化 而且 一言不合 就會被擊穿 絕緣陶瓷 電子技術中首先要求絕緣材料不導電 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相對介電常數(shù) 30損耗因子 0 001介電強度 擊穿強度 5 0kV mm良好的導熱性 絕緣陶瓷 氮化硼 由于氮原子與硼原子之間為飽和的共價鍵結合 沒有自由電子存在 所以是很好的介電材料 它的另一個特點是導熱率高 與不銹鋼相當 一種導熱性很好的絕緣體 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 嚴格控制配方 避免雜質離子 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 充分利用中和效應和壓抑效應 以降低材料中玻璃相的電導率 3 由于玻璃相會導致空間電荷極化 甚至達到無玻璃相燒結 4 避免引入變價金屬離子 如鈦 鐵 鈷等離子 以免產(chǎn)生自由電子和空穴 引起電子式導電 使電性能惡化 5 嚴格控制溫度和氣氛 以免產(chǎn)生氧化還原反應而出現(xiàn)自由電子和空穴 6 當材料中引進產(chǎn)生自由電子 或空穴 的離子時 可引進另一種產(chǎn)生空穴 或自由電子 的不等價雜質離子 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補償 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構的不均勻以及雜質所造成的不均勻等 會在外界各種因素的長期作用下 發(fā)生一系列物理 化學的不可逆變化的過程 該過程稱為老化 老化會導致性能發(fā)生變化 如塑料老化 絕緣陶瓷 滑石瓷的化學組成 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 晶型轉變引起體積改變 極大的內應力引發(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度 加入適當?shù)木ЯＲ种苿?防止晶粒長大 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晶的原頑輝石 防止它的晶型轉化 c 加入能與MgSiO3生成固溶體的物質 例如加入少量MnO或MnSiO3 與其生成固溶體 必然會影響其晶型轉化 減低老化現(xiàn)象 d 控制冷卻制度 在900 以上進行快冷 以便生成細晶結構 防止老化 導電陶瓷 對于傳統(tǒng)陶瓷 人們利用陶瓷材料的電性能主要是其絕緣性能 而對于先進陶瓷材料 除了其絕緣性能外 人們更關心的是陶瓷材料的導電能力 目前高溫超導氧化物的導電能力已超過金屬 得到應用的先進陶瓷材料的電導率覆蓋了從良導體到絕緣體的范圍 導電陶瓷 該圖基于電子能級 對于離子電導完全不適用 導電陶瓷 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 材料實際上不導電 離子導電材料在結構上一般需要滿足三個條件 晶格中導電離子可能占據(jù)的位置比實際填充的離子數(shù)目多得多 臨近導電離子間的勢壘不太大 晶格中存在有導電離子運動的通道 如各種體積較大的八面體間隙和四面體間隙相互連通 導電陶瓷 離子導電常存在明顯的各向異性 例如 Al2O3在c方向上的電導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 離子導體 導電陶瓷 摻雜可能改變陶瓷材料的導電性 例如在ZnO中摻雜Al3 可以增加材料的導電性 原因是當三價的鋁替代了二價的鋅后 原先二價鋅的位置上變成了三價的離子 為了保持電中性 使得Al3 附近的鋅變成了一價 而一價鋅是不穩(wěn)定的 又會變成二價的鋅 同時放出一個電子 增加了材料的導電性 ZrO2固體電解質的應用 燃料電池 敏感陶瓷 敏感陶瓷 半導體陶瓷的共同特點是 它們的導電性隨環(huán)境而變化 根據(jù)這些陶瓷的電阻率 電動勢等物理量對熱 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 溫度控制與測量 等溫發(fā)熱體 過熱保護等 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的啟動器等 BaTiO3陶瓷是否具有正溫度系數(shù)效應 完全由其晶粒和晶界的電性能決定 只有晶粒充分半導體化 晶界具有適當絕緣性的BaTiO3陶瓷才有顯著的PTC效應 PTC 正溫度系數(shù) 熱敏電阻陶瓷 BaTiO3的半導體化可有二種途徑 強制還原法和施主摻雜法 強制還原法 是在真空 惰性氣體或還原氣體中加熱 使BaTiO3失氧 其內部產(chǎn)生氧缺位 這種方法不僅使晶粒半導體化而且晶界也被半導體化 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 其中五價離子摻雜對BaTiO3的電阻率影響較大 NTC 負溫度系數(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)是尖晶石結構或其它結構的氧化物陶瓷 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體陶瓷 它在68 附近電阻值產(chǎn)生突變 具有很大的負溫度系數(shù) 為適應各種用途 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 報警等 線性阻溫熱敏陶瓷 目前研究的典型線性熱敏陶瓷主要是CdO Sb2O3 WO3系列 這類陶瓷實際上是兩種鹽的機械混合物 其中CdWO4是絕緣體相 Cd2Sb2O7是半導體相 這類陶瓷的在 40 200 溫度范圍內阻溫特性呈線性關系 氣敏陶瓷 1962年田口尚義發(fā)現(xiàn)用SnO3燒結體制備元件的電阻率對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 氣敏陶瓷 氣敏過程是元件表面對氣體的吸附和脫附引起電阻率改變的過程 這是一個受多種因素控制的物理化學過程 吸附過程可以分為物理吸附和化學吸附兩種 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從元件表面奪取電子而以負離子的形式吸附 具有負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 當氧化性氣體吸附于n型半導體或者還原性氣體吸附于p型半導體時都會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型半導體或者氧化性氣體吸附了p型半導體都會引起元件載流子濃度的增加 電阻率降低 n型氣敏元件工作時的電阻率變化 氣敏陶瓷 氣敏元件的穩(wěn)定性和復原性 即在待測溫度和氣氛中 元件的電阻值具有穩(wěn)定的數(shù)值 離開待測氣氛后 被測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到初始值 定義元件電阻值恢復到90 的時間為復原時間 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)生結構變化或化學反應 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 因而無法適用于高頻 陶瓷質磁性材料電阻率高 10 106 m 可在從商用頻率到毫米波范圍以多種形態(tài)得到應用 而且其具有較高的高頻磁導率 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合氧化物 鐵氧體陶瓷具有高電阻 低損耗等優(yōu)點 它們在現(xiàn)代無線電電子學 自動控制 微波技術 電子計算機 信息存儲 激光調制等方面有著十分廣泛的應用 磁功能陶瓷 多晶體鐵氧體大多為固相燒結 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