陶瓷材料-4-功能陶瓷.ppt

功能陶瓷 电容器陶瓷 绝缘陶瓷 装置陶瓷 导电陶瓷 敏感陶瓷 磁功能陶瓷 电容器陶瓷 电池供电稳定 但是功率密度 爆发力 太小 所以在闪光灯中 需要利用电容来存储能量 电容虽然爆发力很强 但是持续时间短 一闪而过 电容器陶瓷 电容器陶瓷 电容器陶瓷 电容器制造各项电气性要求 1 介电常数希望高一些 利于电容器的小型化 2 介电损耗要求小一些 以减少电容器在高频应用中能量损耗和发热 3 介电常数的温度系数 关系到电容器对工作环境的适应性和电路可靠性的重要指标 电容器陶瓷 电容器陶瓷的分类 陶瓷电容器可分为以下四类 温度补偿型 型 温度稳定型 型 高介电常数型 型 半导体系型 型 介电常数恒定 土豪的空调 不管室内温度是多少 空调一直全力以赴 吹到穿棉袄都不停 介电常数的温度系数在4 7 10 3 到104 之间随意获得 电损耗小 电阻高 使用于高频 电容器陶瓷 电容器陶瓷的分类 陶瓷电容器可分为以下四类 温度补偿型 型 温度稳定型 型 高介电常数型 型 半导体系型 型 介电常数随温度改变 不同温度下 电容器的容量不同 室内温度发生变化 调节空调功率 介电常数的温度系数接近于零 电损耗小 使用于高频 可用于制造微波滤波器 电容器陶瓷 电容器陶瓷的分类 陶瓷电容器可分为以下四类 温度补偿型 型 温度稳定型 型 高介电常数型 型 半导体系型 型 介电常数高 达4000 8000 甚至更大 可以获得大的容量 绝缘电阻高 电损耗大 高频率下会急剧升温 铁电陶瓷 只能用于低频 电容器陶瓷 电容器陶瓷的分类 陶瓷电容器可分为以下四类 温度补偿型 型 温度稳定型 型 高介电常数型 型 半导体系型 型 通常来说 介电常数大 介电损耗就大 就不能用于高频 介电常数大 介电损耗小 电容器陶瓷 介电常数大 介电损耗小 半导体系型 型 利用内部的半导体 加强 极化 得到大的介电常数 1000以内 离铁电材料还有很大的差距 小的介电损耗 可用于高频 为什么要用铁电材料 铁电材料 型 电容器陶瓷 铁电材料 型 铁电材料 外部电场与内部电场的滞后效应 铁电材料并不一定含铁 而是由于其电滞回线和铁磁材料的磁滞回线相似 电容器陶瓷 在晶体中 如果晶胞中正负电荷中心不重合 即每一个晶胞具有一定的固有偶极矩 由于晶体结构的周期性和重复性 晶胞的固有偶极矩便会沿同一方向排列整齐 使晶体处于高度极化状态 这种在无外电场作用下存在的极化现象称为自发极化 基本概念 自发极化 电容器陶瓷 铁电材料 型 对于晶体 由于晶格的限制 取向无法随机分布 所以在局部区域内形成铁电畴 铁电畴 电容器陶瓷 铁电材料 型 对于BaTiO3 130 以上 为立方结构 当温度低于130 以后 Ba原子可以沿a 也可以是b或c 方向移动 极化 Ti4 O2 间距大 2 005A 故氧八面体间隙大 Ti4 离子能在氧八面体中振动 T 120 Ti4 处在各方几率相同 稳定地偏向某一个氧离子的几率为零 对称性高 顺电相 T 120 Ti4 由于热涨落 偏离一方 形成偶极矩 按氧八面体三维方向相互传递 耦合 形成自发极化的小区域 即电畴 电容器陶瓷 铁电材料 型 电容器陶瓷 铁电材料 型 例如 对于BaTiO3 当两个电畴为180 时 施加电场 横向长大机制较弱 以在反向畴中形成新畴为主 电容器陶瓷 铁电材料 型 电容器陶瓷 铁电材料 型 120 立方晶胞 6 120 四方晶胞 90 6 斜方晶胞 90 三方晶胞 BaTiO3晶体结构有立方相 四方相 斜方相和三方相等晶相 均属于钙钛矿型结构的变体 四方相 斜方相和三方相为铁电相 立方相为顺电相 电容器陶瓷 铁电材料 型 晶粒越小 单个晶粒里面的铁电畴越小 相互影响越小 越容易极化 提高居里温度使居里峰变宽 改变相变温度使介电常数峰值处于可利用的温度范围 加入溶质原子 阻碍相变过程 提高居里温度 提高居里温度使居里峰变宽 绝缘陶瓷 绝缘陶瓷 虽然宏观来说不导电 但是由于各种缺陷的存在 外电场作用下 缺陷区域会产生电荷的小范围运动 进而产生极化 而且 一言不合 就会被击穿 绝缘陶瓷 电子技术中首先要求绝缘材料不导电 即要求电阻率尽量高 要成为一种优异的绝缘陶瓷 必须具备以下性能 体积电阻率 1012 cm相对介电常数 30损耗因子 0 001介电强度 击穿强度 5 0kV mm良好的导热性 绝缘陶瓷 氮化硼 由于氮原子与硼原子之间为饱和的共价键结合 没有自由电子存在 所以是很好的介电材料 它的另一个特点是导热率高 与不锈钢相当 一种导热性很好的绝缘体 绝缘陶瓷 陶瓷的禁带宽度Eg 1 选择体积电阻率高的晶体材料为主晶相 2 严格控制配方 避免杂质离子 尤其是碱金属和碱土金属离子的引入 在必须引入金属离子时 充分利用中和效应和压抑效应 以降低材料中玻璃相的电导率 3 由于玻璃相会导致空间电荷极化 甚至达到无玻璃相烧结 4 避免引入变价金属离子 如钛 铁 钴等离子 以免产生自由电子和空穴 引起电子式导电 使电性能恶化 5 严格控制温度和气氛 以免产生氧化还原反应而出现自由电子和空穴 6 当材料中引进产生自由电子 或空穴 的离子时 可引进另一种产生空穴 或自由电子 的不等价杂质离子 以消除自由电子和空穴 提高体积电阻率这种方法称作杂质补偿 绝缘陶瓷 老化 电功能器瓷的普遍问题陶瓷材料是一种不均匀的多相系统 这种不均匀性包括材料结构的不均匀以及杂质所造成的不均匀等 会在外界各种因素的长期作用下 发生一系列物理 化学的不可逆变化的过程 该过程称为老化 老化会导致性能发生变化 如塑料老化 绝缘陶瓷 滑石瓷的化学组成 老化的原因滑石瓷的老化即由于原顽辉石在冷却 放置及使用过程中 晶型转变引起体积改变 极大的内应力引发裂纹 绝缘陶瓷 解决滑石瓷老化的措施a 将原料磨到足够的细度 加入适当的晶粒抑制剂 防止晶粒长大 增加均匀性 b 加入适量外加剂 以形成足够的玻璃相并包裹细晶的原顽辉石 防止它的晶型转化 c 加入能与MgSiO3生成固溶体的物质 例如加入少量MnO或MnSiO3 与其生成固溶体 必然会影响其晶型转化 减低老化现象 d 控制冷却制度 在900 以上进行快冷 以便生成细晶结构 防止老化 导电陶瓷 对于传统陶瓷 人们利用陶瓷材料的电性能主要是其绝缘性能 而对于先进陶瓷材料 除了其绝缘性能外 人们更关心的是陶瓷材料的导电能力 目前高温超导氧化物的导电能力已超过金属 得到应用的先进陶瓷材料的电导率覆盖了从良导体到绝缘体的范围 导电陶瓷 该图基于电子能级 对于离子电导完全不适用 导电陶瓷 在许多离子晶体中 虽然离子迁移数接近于1 但是晶体中的载流子迁移率很低 材料实际上不导电 离子导电材料在结构上一般需要满足三个条件 晶格中导电离子可能占据的位置比实际填充的离子数目多得多 临近导电离子间的势垒不太大 晶格中存在有导电离子运动的通道 如各种体积较大的八面体间隙和四面体间隙相互连通 导电陶瓷 离子导电常存在明显的各向异性 例如 Al2O3在c方向上的电导比在其他方向上大许多 这是由于离子通道存在明显的方向性 正离子在晶格中可能占据位置的投影图 a 绝缘体 b 离子导体 导电陶瓷 掺杂可能改变陶瓷材料的导电性 例如在ZnO中掺杂Al3 可以增加材料的导电性 原因是当三价的铝替代了二价的锌后 原先二价锌的位置上变成了三价的离子 为了保持电中性 使得Al3 附近的锌变成了一价 而一价锌是不稳定的 又会变成二价的锌 同时放出一个电子 增加了材料的导电性 ZrO2固体电解质的应用 燃料电池 敏感陶瓷 敏感陶瓷 半导体陶瓷的共同特点是 它们的导电性随环境而变化 根据这些陶瓷的电阻率 电动势等物理量对热 湿 光 电压及某些气体 某些离子的变化特别敏感的特性 可把这些材料分别称为热敏 压敏 气敏 湿敏 光敏及离子敏感陶瓷等 敏感陶瓷 热敏陶瓷 按照热敏陶瓷的阻温特性 可把热敏陶瓷分为 负温度系数 NTC 热敏陶瓷 陶瓷的电阻随温度的升高而降低 正温度系数 PTC 热敏陶瓷 电阻随温度的升高而增加 临界温度热敏陶瓷C T R 电阻在特定的温度范围内急剧变化 线性阻温特性热敏陶瓷 正温度系数陶瓷的主要用途 温度控制与测量 等温发热体 过热保护等 此外 还可用于彩电消磁器 节能用电子整流器 程控电话保安器及冰箱电机的启动器等 BaTiO3陶瓷是否具有正温度系数效应 完全由其晶粒和晶界的电性能决定 只有晶粒充分半导体化 晶界具有适当绝缘性的BaTiO3陶瓷才有显著的PTC效应 PTC 正温度系数 热敏电阻陶瓷 BaTiO3的半导体化可有二种途径 强制还原法和施主掺杂法 强制还原法 是在真空 惰性气体或还原气体中加热 使BaTiO3失氧 其内部产生氧缺位 这种方法不仅使晶粒半导体化而且晶界也被半导体化 因此不适用于制造PTC陶瓷 施主掺杂 常用离子半径与Ba2 相近的三价金属离子 如La3 Ce3 Nb3 Y3 Sb3 Bi3 等置换其中的Ba2 离子 或用离子半径与Ti4 相近而电价比它高的金属离子 如Nb5 Ta5 W6 等置换其中的Ti4 离子 其中五价离子掺杂对BaTiO3的电阻率影响较大 NTC 负温度系数 热敏电阻陶瓷 NTC热敏陶瓷的电阻率随温度的升高而降低 是具有负温度 电阻系数的电阻陶瓷材料 NTC热敏陶瓷大多数是尖晶石结构或其它结构的氧化物陶瓷 多数含有一种或多种过渡金属氧化物 主要成分是CoO NiO MnO CuO ZnO MgO ZrO2等 临界温度热敏陶瓷CTR CTR热敏陶瓷主要指以VO2为基本成分的多晶半导体陶瓷 它在68 附近电阻值产生突变 具有很大的负温度系数 为适应各种用途 可通过加入添加剂来改变它的临界温度 CTR热敏电阻陶瓷的重要应用首先是利用其在特定温度附近电阻剧变的待性 可用于控温 电路过热保护 报警等 线性阻温热敏陶瓷 目前研究的典型线性热敏陶瓷主要是CdO Sb2O3 WO3系列 这类陶瓷实际上是两种盐的机械混合物 其中CdWO4是绝缘体相 Cd2Sb2O7是半导体相 这类陶瓷的在 40 200 温度范围内阻温特性呈线性关系 气敏陶瓷 1962年田口尚义发现用SnO3烧结体制备元件的电阻率对各种可燃性气体非常敏感 它在不同气体中的电阻率不同 在浓度不同的同一种气体中的电阻率也不相同 具有这种特性的陶瓷称为气敏陶瓷 gassensor 用作检测和分析气体的种类和浓度 特别用于易燃 易爆和有毒气体的检测 气敏陶瓷 气敏过程是元件表面对气体的吸附和脱附引起电阻率改变的过程 这是一个受多种因素控制的物理化学过程 吸附过程可以分为物理吸附和化学吸附两种 气敏陶瓷 如果被吸附气体的电子亲合力大于气敏元件表面的功函数 被吸附气体的分子会从元件表面夺取电子而以负离子的形式吸附 具有负离子吸附的气体称为氧化性 或电子受容性 气体 如O2 NO2等 气敏陶瓷 如果元件的功函数大于被吸附气体的离子化能量 元件表面夺去被吸附气体的电了从而以正离子形式吸附于元件表面 具有正离子吸附性质的气体称为还原性 或电子供出性 气体 如H2 CO 乙醇等 气敏陶瓷 气敏元件吸附氧化性气体或还原性气体将使电阻率变化 当氧化性气体吸附于n型半导体或者还原性气体吸附于p型半导体时都会引起元件中载流子浓度的降低 电阻率升高 反之 如果还原性气体吸附于n型半导体或者氧化性气体吸附了p型半导体都会引起元件载流子浓度的增加 电阻率降低 n型气敏元件工作时的电阻率变化 气敏陶瓷 气敏元件的稳定性和复原性 即在待测温度和气氛中 元件的电阻值具有稳定的数值 离开待测气氛后 被测气体能够在元件表面较快的解吸 元件电阻值能够较快恢复到初始值 定义元件电阻值恢复到90 的时间为复原时间 抗老化性和抗中毒性 抗老化性为元件可以经受不断的气体吸附和脱附过程而不发生明显的性能变化 如果气敏元件经过若干次的气体吸附和脱附后其性能即发生明显变化 称为元件老化 中毒是气敏元件在工作过程中发生结构变化或化学反应 使其失效 磁功能陶瓷 由于金属和合金磁性材料的电阻率低 10 8 10 6 m 损耗大 因而无法适用于高频 陶瓷质磁性材料电阻率高 10 106 m 可在从商用频率到毫米波范围以多种形态得到应用 而且其具有较高的高频磁导率 这也是其他金属和合金磁性材料难以比拟的 磁功能陶瓷 磁功能陶瓷主要指铁氧体陶瓷 铁氧体陶瓷是以氧化铁和其它铁族或稀土氧化物为主要成分的复合氧化物 铁氧体陶瓷具有高电阻 低损耗等优点 它们在现代无线电电子学 自动控制 微波技术 电子计算机 信息存储 激光调制等方面有着十分广泛的应用 磁功能陶瓷 多晶体铁氧体大多为固相烧结 液相量很少或不含液相 瓷体主要由晶粒 晶界 气孔和晶界夹杂物组成 磁功能陶瓷