功能陶瓷材料总复习

功能陶瓷材料总复习绪论什么是功能陶瓷？常见的功能陶瓷的分类、特性与用途。1、定义：指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷。2、分类：电容器陶瓷、压电、铁电陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、导电、超导陶瓷、生物与抗菌陶瓷、发光与红外辐射陶瓷、多孔陶瓷。3、特性：性能稳定性高、可靠性好、资源丰富、成本低、易于多功能转化和集成化等4用途：在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作用。举例：电容器陶瓷、谐振器元器件基材料、压电式动态力传感器、压电式振动加速度传感器。介电陶瓷以感应的方式对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质各种极化机制以及频率范围。极化机制：电子极化、离子极化、偶极子极化、空间电荷极化频率范围：铁电体，晶体在某温度范围内具有自发极化Ps,且自发极化Ps的方向能随外电场而取向，称为铁电体。材料的这种性质称为铁电性。电畴:铁电体中自发极化方向一致的微小区域铁电体的特性:铁电体特性包括电滞回线Hysteresisloop、电畴Domains、居里点Tc及居里点附近的临界特性。电滞回线:铁电体的P滞后于外电场E而变化的轨迹（如图松弛极化居里点Tc:顺电相→铁电相的转变温度TTc顺电相TTc铁电相居里点附近的临界特性:介电常数随温度的变化显示明显的非线性，室温介电常数一般为3000～5000，在居里温度处（120℃）发生突变，可达10000以上。驰豫铁电体:复合钙钛矿(ComplexPerovskite)：晶胞中某一个或几个晶格位置被2种以上离子所占据。弥散相变(DiffusePhaseTransitionDPT)：顺电——铁电为渐变：介电峰宽化，TTc存在Ps和电滞回线。频率色散(FrequencyDispersion)高介电常数，大的应变复合钙钛矿:晶胞中某一个或几个晶格位置被2种以上离子所占据介电陶瓷的改性机理。1、居里区与相变扩张:热起伏相变扩张、应力起伏相变扩张、成分起伏相变扩散、结构起伏相变扩张2、铁电陶瓷居里峰的展宽效应:展宽效应是指铁陶瓷的ε与温度关系中的峰值扩张的尽可能的宽旷，平坦，即不仅使居里峰压低，而且要使峰的肩部上举，从而使材料具有较小的温度系数α，又具有较大的ε值。固溶缓冲型展宽效应和粒界缓冲型展宽效应。3、铁电陶瓷居里峰移动效应：铁电体居里点及其他转折点，随着组成成分的变化，作有规律地移动现象。移动效应仅仅指Tc及其它转变点位置移动，而ε－T曲线形状不变。对BaTiO3来说，主要指Tc的移动（居里峰的移动）。4、铁电陶瓷重叠效应：重叠效应表象上是转变点的重合，ε峰值的重叠，而本质上是结构上的相互重叠。半导体介质：按其结构、工艺可分为三类：表面阻挡层型，表面还原再氧化和电价补偿型晶界层型反铁电体：反铁电体是这样一些晶体，晶体结构与同型铁电体相近，但相邻离子沿反平行方向产生自发极化，净自发极化强度为零，不存在类似于铁电中的电滞回线。MLCC：多层片式陶瓷元器件，MLCC的主要趋势是发展微型化、大容量的以贱金属镍为内电极的BME、MLCC,介质层。微波介质陶瓷定义：是指应用于微波频段（主要是UHF、SHF频段）电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷主要性能要求：1、高的介电常数，以利于器件的小型化、2、高的品质因子，保证优良的选频特性、3、尽可能低小的谐振频率温度系数，以确保搞定频率稳定性。微波介质陶瓷大致可以分为以下三大类：低介电常数类、中介电常数类、高介电常数类1、低介电常数类微波介质陶瓷的介电常数为25~30，Q=(1~3)×104(在f≥10GHz下)，τƒ=0。主要应用于厘米、毫米波段使用的卫星通讯以及军事应用等通讯系统。如钡基复合钙钛矿陶瓷Ba(B'1/3B2/3)O32、中等介电常数类是指其介电常数介于30-70之间的微波介质陶瓷，主要应用于4GHz～8GHz频率范围内的卫星通信及移动通讯基站。这类材料主要有BaTi4O9、3、高介电常数类指其介电常数大于80的微波介质陶瓷，主要用于工作在f2GHz的低频波段的民用移动通讯系统中作为介质谐振器件。这类材料主要包括简称为BLT的BaO-Ln2O3-nTiO2系列、CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2系列和铅基钙钛矿系列。压电陶瓷:压电陶瓷是指经直流高压极化后，具有压电效应的铁电陶瓷材料压电效应：当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果电荷分布不在保持对称就会出现净极化，并将伴随产生一个电场，这个电场就表现为压电效应。正压电效应：晶体受到机械力的作用时，表面产生束缚电荷，其电荷密度大小与施加外力大小成线性关系，这种由机械效应转换成电效应的过程称为正压电效应。力→形变→电压逆压电效应：晶体在受到外电场激励下产生形变，且二者之间呈线性关系，这种由电效应转换成机械效应的过程称为逆压电效应。电压→形变极化工艺：极化工艺是指在压电陶瓷上加一个强直流电场，使陶瓷中的电畴沿电场方向取向排列。只有经过极化工艺处理的陶瓷，才能够显示压电效应压电陶瓷材料应用：振子方面、换能器方面准同型相界：四方铁电相与三方铁电相的交界，并不是一个明确的成分分界线，而是具有一定的成分范围，在此区域内，陶瓷体内三方相和四方相共存掺杂改性：为了满足不同的使用目的，我们需要具有各种性能的PZT压电陶瓷，为此我们可以添加不同的离子来取代A位的Pb2+离子或B位的Zr4+,Ti4+离子，从而改进材料的性能。等价取代：等价取代是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+等半径较Pb2+离子小的二价离子取代Pb2+离子，结果使PZT陶瓷的介电常数ε增大↑，机电耦合系数KP增大↑,压电常数d增大↑,从而提高PZT瓷的压电性能。异价取代软性取代改性：所谓“软性取代改性”是指加入这些添加物后能使矫顽场强EC减小↓，极化容易，因而在电场或应力作用下，材料性质变“软”。经软性取代改性后的PZT瓷性能有如下变化：矫顽场强EC减小↓，机械品质因数Qm减小↓；介电常数ε增加↑，介电损耗tanδ增加↑,机电耦合系数KP增加↑,抗老化性增加，绝缘电阻率ρ增加↑。硬性取代改性：所谓“硬性取代改性”是指加入这些添加物后能使矫顽场强EC增加↑，极化变难，因而在电场或应力作用下，材料性质变“硬”。经硬性取代改性后的PZT瓷性能有如下变化：矫顽场强EC增加↑，机械品质因数Qm增加↑；介电常数ε减小↓，介电损耗tanδ减小↓,机电耦合系数KP减小↓,抗老化性降低，绝缘电阻率ρ减小↓其它取代改性：非软非硬添加剂如Ce4+、Cr3+和Si4+等，兼具软性和硬性的特征。无铅压电陶瓷材料体系迄今为止，可被考虑的无铅压电陶瓷体系有：BaTiO3基无铅压电陶瓷；Bi1/2Na1/2TiO3（BNT）基无铅压电陶瓷；铌酸盐NaNbO3系无铅压电陶瓷；铋层状结构压电陶瓷；钨青铜结构无铅压电陶瓷。具体为：敏感陶瓷：敏感陶瓷是根据某些陶瓷的电阻率、电动势等物理量对热、湿、光、电压及某种气体、某种离子的变化特别敏感的特性而制得的敏感陶瓷分类：1、物理敏感陶瓷：光敏陶瓷、热敏陶瓷、磁敏陶瓷、声敏陶瓷、压敏陶瓷、力敏陶瓷2、化学敏感陶瓷氧敏陶瓷湿敏陶瓷生物敏感陶瓷也在积极开发之中，也获得了不少骄人的成绩。敏感陶瓷的结构与性能：陶瓷是由晶粒、晶界、气孔组成的多相系统，通过人为的掺杂，可以造成晶粒表面的组分偏离，在晶粒表层产生固溶、偏析及晶格缺陷等。另外，在晶界处也会产生异质相的析出、杂质的聚集、晶格缺陷及晶格各向异性等。这些晶粒边界层的组成、结构变化，显著改变了晶界的电性能，从而导致整个陶瓷电学性能的显著变化。***热敏陶瓷：热敏陶瓷是一类电阻率、磁性、介电性等性质随温度发生明显变化的材料，主要用于制造温度传感器、线路温度补偿及稳频的元件--热敏电阻(thermistor)。PTC热敏电阻的温度曲线半导化：由于在常温下是绝缘体，要使它们变成半导体，需要一个半导化。所谓半导化，是指在禁带中形成附加能级：施主能级或受主能级。在室温下，就可以受到热激发产生导电载流子，从而形成半导体。PTC电阻温度特性及电压-电流特性与电流-时间特性电流-时间特性是指PTC热敏电阻在施加电压的过程中，电流随时间变化的特性。开始加电瞬间的电流称为起始电流，达到热平衡时的电流称为残余电流PTC的应用：柜机空调用PTC器件、分体挂机空调PTC器件、暖风机用PTC器件PTC效应机理：PTC热敏电阻器有两大系列:一类是采用BaTiO3为基材料制作的；另一类是以氧化钒为基的材料。1、BaTiO3系PTC热敏电阻陶瓷（1）BaTiO3陶瓷产生PTC效应的条件当BaTiO3陶瓷材料中的晶粒充分半导化，而晶界具有适当绝缘性时，才具有PTC效应。PTC效应完全是由其晶粒和晶界的电性能决定，没有晶界的单晶不具有PTC效应NTC：是NegativeTemperaturecoefficient(负温度系数)的缩写，是以尖晶石结构为主的半导体功能陶瓷，具有电阻值随着温度升高而减小的特性.导电机理：（1）化学计量比偏离采用氧化或还原气氛烧结，分别产生p型和n型半导体，形成电子或空穴导电。（2）掺杂在主成分中引入少量与主成分金属离子种类不同、电价不等的金属离子，产生不等价置换，从而产生产生p型和n型半导体，实现电子或空穴导电。跳跃导电模型理论可以解释大部分关于尖晶石结构的NTC热敏电阻材料的性质和现象。NTC热敏电阻的电压电流特性NTC热敏电阻的应用1）温度补偿：用于石英振荡器（2~3个NTC）2）抑制浪涌电流：用于控制开关电源、电机、变压器等在接通瞬时产生的大电流。3）温度检测：用于热水器、空调、厨房设备、办公用品、汽车电控等。气敏陶瓷:是一种对气体敏感的陶瓷材料，陶瓷气敏元件(或称陶瓷气敏传感器)由于其具有灵敏度高、性能稳定、结构简单、体积小、价格低廉、使用方便等优点，得到迅速发展。分类:气敏陶瓷大致可分为半导体式、固体电解质式及接触燃烧式三种气敏陶瓷的性能:半导体表面吸附气体分子时，半导体的电导率将随半导体类型和气体分子种类的不同而变化。***压敏陶瓷压敏陶瓷是指电阻值随着外加电压变化有一显著的非线性变化的半导体陶瓷压敏陶瓷的基本特性压敏电阻陶瓷具有非线性伏--安特性，对电压变化非常敏感。在某一临界电压以下，压敏电阻陶瓷电阻值非常高，几乎没有电流；但当超过这一临界电压时，电阻将急剧变化，并且有电流通过。随着电压的少许增加，电流会很快增大。压敏电阻陶瓷的这种电流-电压特性曲线如图所示。1.齐钠二极管；2.SiC压敏电阻；3.ZnO压敏电阻；4.线性电阻；5.ZnO压敏电阻压敏机理:晶界高阻态，晶粒导电。外加电压达到压敏电压时，晶界发生隧道击穿，阻值由晶粒电阻决定。应用:①过压保护②稳定电压磁性陶瓷：磁性瓷也叫铁氧体。它是由铁的氧化物与其它某些金属氧化物用制造陶瓷的工艺方法制成的非金属磁性材料。它的主要成分是Fe2O3，磁性陶瓷的类型与应用按晶体结构可以把它的分成三大类：（1）尖晶石：AB2O4，主要有NiZn和MnZn。A：四面体位置；B：八面体位置。（2）磁铅石：MFe12O19，M2+：二价金属离子。主要有BaFe12O19和SrFe12O19压敏电阻的I-U特性曲线（3）石榴石：R3Fe5O12，R3+：三价稀土金属离子按铁氧体的性质及用途又可分为软磁、硬磁、旋磁、矩磁、压磁、磁泡等铁氧体1、软磁材料：特点：磁导率大，矫顽力小，磁滞回线窄。软磁铁氧体主要用于制作各种电感元件，如天线磁芯、变压器磁芯、滤波器磁芯以及录音机和录像机磁头和磁芯等磁记录元件。2、硬磁材料：是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料，也称为永磁材料或恒磁材料。特点：剩余磁感应强度大，矫顽力大，磁滞回线宽。硬磁铁氧体的晶体结构大致是六角晶系磁铅石型，其典型代表是钡铁氧体BaFe12O19。这种材料性能较好，成本较低，不仅可用作电讯器件如录音器、电话机及各种仪表的磁铁，而已在医学、生物和印刷显示等方面也得到了应用。3、矩磁材料：特点：剩余磁感应强度大，接近饱和磁感应强度，矫顽力小