功能陶瓷材料总复习讲解学习

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

松弛极化

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Hysteresis loop、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

居里点Tc:顺电相→铁电相的转变温度

T>Tc 顺电相 T

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(Complex Perovskite)：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(Diffuse Phase Transition DPT)：顺电——铁电为渐变：介电峰宽化，T>Tc存在Ps和电滞回线。

频率色散(Frequency Dispersion)

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)，τ? =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'1/3B"2/3)O3

2、2、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

f<2GHz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