1、功能陶瓷材料總復習功能陶瓷材料總復習緒論什么是功能陶瓷？常見的功能陶瓷的分類、特性與用途。1、定義：指具有電、磁、光、聲、超導、化學、生物等特性，且具有相互轉化 功能的一類陶瓷。2、分類：電容器陶瓷、壓電、鐵電陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、導電、超導陶 瓷、生物與抗菌陶瓷、發光與紅外輻射陶瓷、多孔陶瓷。3、特性：性能穩定性高、可靠性好、資源豐富、成本低、易于多功能轉化和集 成化等4用途：在自動控制、儀器儀表、電子、通訊、能源、交通、冶金、化工、精 密機械、航空航天、國防等部門均發揮著重要作用。舉例：電容器陶瓷、諧振 器元器件基材料、壓電式動態力傳感器、壓電式振動加速度傳感器。介電陶瓷以感應的方式對

2、外電場作出響應，即沿著電場方向產生電偶極矩或電偶極矩的 改變，這類材料稱為電介質各種極化機制以及頻率范圍。極化機制：電子極化、離子極化、偶極子極化、空間電荷極化松弛極化頻率范圍：工頻 聲頻 無銭電頻率 紅外 可見光 紫外鐵電體，晶體在某溫度范圍內具有自發極化 Ps且自發極化Ps的方向能隨外電場而取向，稱為鐵電體。材料的這種性質稱為鐵電性。電疇:鐵電體中自發極化方向一致的微小區域鐵電體的特性：鐵電體特性包括電滯回線 Hysteresis loop電疇Domains、居里點Tc及居里點附近的臨界特性。電滯回線：鐵電體的P滯后于外電場E而變化的軌跡（如圖居里點Tc:順電相一鐵電相的轉變溫度T>

3、Tc順電相 T<Tc鐵電相居里點附近的臨界特性：介電常數隨溫度的變化顯示明顯的非線性，室溫介電常數一般為30005000,在居里溫度處(120C )發生突變，可達10000以上。 馳豫鐵電體：復合鈣鈦礦(Complex Perovskite):晶胞中某一個或幾個晶格位置被 2種以上離 子所占據。彌散相變(Diffuse Phase Transition DPT)：順電鐵電為漸變：介電峰寬化，T>Tc存在Ps和電滯回線。頻率色散(Frequency Dispersion)高介電常數，大的應變復合鈣鈦礦：晶胞中某一個或幾個晶格位置被 2種以上離子所占據/（血M W（砂 IQ XMg24

4、,*產,N產，屁強Pb（Mgl/3Nb2J3）O3 Pbhi3Nb2/3）°3介電陶瓷的改性機理。1居里區與相變擴張：熱起伏相變擴張、應力起伏相變擴張、成分起伏相變 擴散、結構起伏相變擴張2、鐵電陶瓷居里峰的展寬效應：展寬效應是指鐵陶瓷的&與溫度關系中的峰值擴張的盡可能的寬曠，平坦，即不 僅使居里峰壓低，而且要使峰的肩部上舉，從而使材料具有較小的溫度系數a, 又具有較大的&值。固溶緩沖型展寬效應和粒界緩沖型展寬效應 。3、鐵電陶瓷居里峰移動效應：鐵電體居里點及其他轉折點，隨著組成成分的 變化，作有規律地移動現象。移動效應僅僅指Tc及其它轉變點位置移動，而£

5、T曲線形狀不變。對BaTiO3 來說，主要指Tc的移動（居里峰的移動）。4、鐵電陶瓷重疊效應：重疊效應表象上是轉變點的重合，£峰值的重疊，而本 質上是結構上的相互重疊。半導體介質：按其結構、工藝可分為三類：表面阻擋層型，表面還原再氧化和 電價補償型晶界層型反鐵電體：反鐵電體是這樣一些晶體，晶體結構與同型鐵電體相近，但相鄰離 子沿反平行方向產生自發極化，凈自發極化強度為零，不存在類似于鐵電中的 電滯回線。MLCC :多層片式陶瓷元器件，MLCC的主要趨勢是發展微型化、大容量的以 賤金屬鎳為內電極的BME、MLCC,介質層。微波介質陶瓷定義：是指應用于微波頻段(主要是 UHF、SHF頻段

6、)電路中作為介質材料并 完成一種或多種功能的陶瓷主要性能要求：1、高的介電常數，以利于器件的小型化、2、咼的品質因子，保證優良的選頻特性、3、盡可能低小的諧振頻率溫度系數，以確保搞定頻率穩定性。微波介質陶瓷大致可以分為以下三大類：低介電常數類、中介電常數類、高介電常數類1、 低介電常數類微波介質陶瓷的介電常數為 2530，Q=(13) >104 (在f> 10GHz下)，t?=0。主要應用于厘米、毫米波段使用的衛星通訊以及軍事應用等通訊系統。如鋇基復合鈣鈦礦陶瓷 Ba(B'1/3B"2/3)O32、2、中等介電常數類是指其介電常數介于 30-70之間的微波介質陶瓷

7、，主要 應用于4GHz8GHz頻率范圍內的衛星通信及移動通訊基站。這類材料主要有BaTi4O9、3、高介電常數類指其介電常數大于 80的微波介質陶瓷，主要用于工作在 f<2GHz的低頻波段的民用移動通訊系統中作為介質諧振器件。這類材料主要包括簡稱為 BLT 的 BaO-Ln2O3-nTiO2 系列、CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2 系列和鉛基鈣鈦礦系列。壓電陶瓷：壓電陶瓷是指經直流高壓極化后，具有壓電效應的鐵電陶瓷材料 壓電效應：當給晶體施加應力則電荷發生位移，如果電荷分布不在保持對稱就 會出現凈極化，并將伴隨產生一個電場，這個電場就表現為壓電效應。正壓電效應：晶體受到機械力的作用

8、時，表面產生束縛電荷，其電荷密度大小與施加外力大小成線性關系，這種由機械效應轉換成電效應的過程稱為正壓電效應。力形變電壓逆壓電效應：晶體在受到外電場激勵下產生形變，且二者之間呈線性關系，這種由電效應轉換成機械效應的過程稱為逆壓電效應。電壓形變極化工藝：極化工藝是指在壓電陶瓷上加一個強直流電場，使陶瓷中的電疇沿電場方向取向排列。只有經過極化工藝處理的陶瓷，才能夠顯示壓電效應壓電陶瓷材料應用：振子方面、換能器方面準同型相界：四方鐵電相與三方鐵電相的交界，并不是一個明確的成分分界線，而是具有一定的成分范圍，在此區域內，陶瓷體內三方相和四方相共存摻雜改性：為了滿足不同的使用目的，我們需要具有各種性能的

9、PZT壓電陶瓷，為此我們可以添加不同的離子來取代 A位的Pb2+離子或B位的Zr4+,Ti4+ 離子，從而改進材料的性能。等價取代PZT摻雜改性i軟性取代改性異價取代硬性取代改性其它取代改性 等價取代：等價取代是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+等半徑較Pb2+離子小的二價 離子取代Pb2+離子，結果使PZT陶瓷的介電常數&增大T,機電耦合系數KP 增大T，壓電常數d增大T，從而提高PZT瓷的壓電性能。異價取代軟性取代改性：所謂“軟性取代改性”是指加入這些添加物后能使矯頑場強EC減 小J，極化容易，因而在電場或應力作用下，材料性質變“軟”。經軟性取代改性后的PZT瓷性能有如下變化：矯頑場

10、強EC減小；，機械品質因數 Qm減小介電常數&增加T，介電損耗tan S增加T,機電耦合系數KP增加T ,抗老化性 增加，絕緣電阻率P增加T。硬性取代改性：所謂“硬性取代改性”是指加入這些添加物后能使矯頑場強EC增 加T,極化變難，因而在電場或應力作用下，材料性質變“硬”。經硬性取代改性后的PZT瓷性能有如下變化：矯頑場強EC增加T,機械品質因數 Qm增加T;介電常數&減小J，介電損耗tan S減小機電耦合系數KP減小J ,抗老化性 降低，絕緣電阻率P減小J其它取代改性：非軟非硬添加劑如Ce4+、Cr3+和Si4+等，兼具軟性和硬性的 特征。無鉛壓電陶瓷材料體系迄今為止，可被考

11、慮的無鉛壓電陶瓷體系有：BaTiO3基無鉛壓電陶瓷；Bi1/2Na1/2TiO3 (BNT )基無鉛壓電陶瓷；鈮酸鹽 NaNbO3系無鉛壓電陶瓷；鉍層狀結構壓電陶瓷；鎢青銅結構無鉛壓電陶瓷。具體為：敏感陶瓷：敏感陶瓷是根據某些陶瓷的電阻率、電動勢等物理量對熱、濕、光、電壓及某種氣體、某種離子的變化特別敏感的特性而制得的敏感陶瓷分類：1物理敏感陶瓷：光敏陶瓷、熱敏陶瓷、磁敏陶瓷、聲敏陶瓷、壓敏陶瓷、力敏陶瓷2、化學敏感陶瓷氧敏陶瓷濕敏陶瓷生物敏感陶瓷也在積極開發之中，也獲得了不少驕人的成績。敏感陶瓷的結構與性能：陶瓷是由晶粒、晶界、氣孔組成的多相系統，通過人為的摻雜，可以造成晶粒表面的組分偏離，

12、在晶粒表層產生固溶、偏析及晶格缺陷等。另外，在晶界處也會產生異質相的析出、雜質的聚集、晶格缺陷及晶格各向異這些晶粒邊界層的組成、結構變化，顯著改變了晶界的電性能，從而導致整個 陶瓷電學性能的顯著變化。*熱敏陶瓷：熱敏陶瓷是一類電阻率、磁性、介電性等性質隨溫度發生明顯變 化的材料，主要用于制造溫度傳感器、線路溫度補償及穩頻的元件-熱敏電阻(thermistor)。PTC熱敏電阻的溫度曲線IQI I I”1.L丄0WSt 1201l 機20«誼廈(H圖143幾種用冋類型能墟電凰的fflfltW性曲線(l>TCr 2)- CTRi一IF關嘔 PTCi(4)-atU3S FTC半導化：

13、由于在常溫下是絕緣體，要使它們變成半導體，需要一個半導化。所謂半導化，是指在禁帶中形成附加能級：施主能級或受主能級。在室溫下，就 可以受到熱激發產生導電載流子，從而形成半導體。PTC電阻溫度特性及電壓-電流特性與電流-時間特性 在外加電壓VI射的動作亀流 外加電壓Vm 口阿的疲余電謙 毘大工作電壓Ke :ZlW恥泅T. :度T25Tibia Te費定電壓擊乎電壓1少/ V vVkJT*上事二亠 j* -二上 j* .* > *”i * m< *MiMISO越02 S3300電流-時間特性是指PTC熱敏電阻在施加電壓的過程中，電流隨時間變化的特 性。開始加電瞬間的電流稱為起始電流，達

14、到熱平衡時的電流稱為殘余電流PTC的應用：柜機空調用PTC器件、分體掛機空調PTC器件、暖風機用PTC 器件PTC效應機理：PTC熱敏電阻器有兩大系列：一類是采用BaTiO3為基材料制作 的；另一類是以氧化釩為基的材料。1、BaTiO3系PTC熱敏電阻陶瓷(1) BaTiO3陶瓷產生PTC效應的條件當BaTiO3陶瓷材料中的晶粒充分半導化，而晶界具有適當絕緣性時，才具有 PTC效應。PTC效應完全是由其晶粒和晶界的電性能決定，沒有晶界的單晶不具有PTC效應NTC :是Negative Temperature coefficient (負溫度系數)的縮寫，是以尖晶石結構為主的半導體功能陶瓷，具有

15、電阻值隨著溫度升高而減小的特性導電機理：(1)化學計量比偏離采用氧化或還原氣氛燒結，分別產生 p型和n型半導體，形成電子或空穴導 電。(2)摻雜在主成分中引入少量與主成分金屬離子種類不同、電價不等的金屬離子，產生不等價置換，從而產生產生 p型和n型半導體，實現電子或空穴導電。跳躍導電模型理論可以解釋大部分關于尖晶石結構的NTC熱敏電阻材料的性 質和現象NTC熱敏電阻的電壓電流特性NTC熱敏電阻的應用1）溫度補償：用于石英振蕩器（23個NTC）2）抑制浪涌電流：用于控制開關電源、電機、變壓器等在接通瞬時產生的大電流。3）溫度檢測：用于熱水器、空調、廚房設:2、辦公用品、汽車電控等。氣敏陶瓷：是”

16、1000-200 -1UU種對氣體敏感的陶瓷由于其具有靈敏度高、性能穩、結政元件（或稱陶瓷氣敏傳感器）構簡單、體積小、價格低廉、使用方便等優點，得到迅速發展。分類:氣敏陶瓷大致可分為半導體式、固體電解質式及接觸燃燒式三種氣敏陶瓷的性能：半導體表面吸附氣體分子時，半導體的電導率將隨半導體類型和氣體分子種類的不同而變化。*壓敏陶瓷 壓敏陶瓷是指電阻值隨著外加電壓變化有一顯著的非線性變化的 半導體陶瓷壓敏陶瓷的基本特性壓敏電阻陶瓷具有非線性伏-安特性，對電壓變化非常敏感。在某一臨界電壓以下，壓敏電阻陶瓷電阻值非常高，幾乎沒有電流；但當 超過這一臨界電壓時，電阻將急劇變化，并且有電流通過。隨著電壓的少

17、許增 加，電流會很快增大。壓敏電阻陶瓷的這種電流-電壓特性曲線如圖所示。1齊鈉二極管;2.SiC壓敏電阻；3. ZnO壓敏電阻;4. 線性電阻；5. ZnO壓敏電阻壓敏機理：晶界高阻態，晶粒導電。外加電壓達到壓敏電壓時，晶界發生隧道擊 穿，阻值由晶粒電阻決定。應用:過壓保護 穩定電壓磁性陶瓷：磁性瓷也叫鐵氧體。它是由鐵的氧化物與其它某些金屬氧化物用制造陶瓷的工藝方法制成的非金屬磁性材料。它的主要成分是Fe2O3,詵氧體的性能與用逵Br 'Rj嬌頑力(Lc1衽f;*Bf'hJ °R:/2tH-艮A砂里磁性陶瓷的類型與應用按晶體結構可以把它的分成三大類：壓敏電阻的I-U特

18、性曲線（1）尖晶石：AB2O4，主要有NiZn和MnZn。 A :四面體位置；B:八面體位置。（2）磁鉛石：MFe12O19, M2+ :二價金屬離子。主要有 BaFe12O19和SrFe12O19（3）石榴石：R3Fe5O12, R3+:三價稀土金屬離子按鐵氧體的性質及用途又可分為軟磁、硬磁、旋磁、矩磁、壓磁、磁泡等鐵氧體1、軟磁材料：特點：磁導率大，矯頑力小，磁滯回線窄。軟磁鐵氧體主要 用于制作各種電感元件，如天線磁芯、變壓器磁芯、濾波器磁芯以及錄音機和 錄像機磁頭和磁芯等磁記錄元件。2、硬磁材料：是指磁化后不易退磁而能長期保留磁性的一種鐵氧體材料， 也稱為永磁材料或恒磁材料。特點：剩余磁

19、感應強度大，矯頑力大，磁滯回線 寬。硬磁鐵氧體的晶體結構大致是六角晶系磁鉛石型，其典型代表是鋇鐵氧體 BaFe12O1Q這種材料性能較好，成本較低，不僅可用作電訊器件如錄音器、 電話機及各種儀表的磁鐵，而已在醫學、生物和印刷顯示等方面也得到了應 用。3、矩磁材料：特點：剩余磁感應強度大，接近飽和磁感應強度，矯頑力小，磁滯回線接近于矩形。重要的矩磁材料有錳鋅鐵氧體和溫度特性穩定的LiNi Zn鐵氧體、Li - Mn Zn鐵氧體。矩磁材料具有辨別物理狀態的特性， 如電子計算機的“ 1”和0”兩種狀態，各種開關和控制系統的“開”和“關”兩種狀態 及邏輯系統的“是”和“否”兩種狀態等。幾乎所有的電子計

20、算機都使用矩磁鐵氧體 組成高速存貯器。4、旋磁鐵氧體：又稱微波鐵氧體。在咼頻磁場作用下，平面偏振的電磁波在鐵 氧體中按一定方向傳播時，偏振面會不斷繞傳播方向旋轉的鐵氧體材料。具有 鐵磁共振線寬小、自旋波共振線寬大、在低頻段，飽和磁化強度低和磁晶各向 異性常數小、介質損耗低、穩定性高等性能。采用電子陶瓷工藝，熱壓燒結或 氧氣氛中燒結制造而成。主要用于制作毫米波鐵氧體器件。鐵氧體的性能與用途磁電效應：磁電阻效應（MR）、巨磁電阻效應（GMR）、龐磁電阻效應（CMR）、磁電極化效應磁電效應與多鐵性：外加電場可以改變介質的磁學性質，或者外加磁場能夠改 變介質的電極化性質，這種效應被稱作磁電效應巨磁電阻

21、效應（GMR）原理：電阻來自散射，散射越厲害，電阻越大BiFeO 100 K. T訐643 K, PjiC/cm2 YMnO? r/£ = 914 KJ廿 76 KP 6 jiC/cm2超導陶瓷：超導電現象 某些材料在溫度低于某一溫度時，電阻突然降到零的現愆度稱為轉變溫度或臨界溫度。象。具有導電性的材料稱為超導體，阻降e.g. TbMnOp TbMn,O；邁斯納效應：通過實驗發現當物體處于超導態時，超導體內部的磁場實際上為零 具有完全的抗磁性.這種現象叫做邁斯納效應。同位素效應：汞的超導轉變溫度與其同位素質量有關，同位素質量越小，轉變溫度就越高約瑟夫森隧道電流效應：約瑟夫遜在研究電子

22、對通過超導金屬間的絕緣層時指出,出曰/7k 7【'B 的殆冃斥 百戶"cm穿過A）時，超導電子可以結或物質從一特定的潭度下沒有電血.家電阻是 超導休的基機特施之一.稱處*電祖聶應.的超導結（約瑟夫遜妲孚贏的輸廣丸全4#斥J#場*即減力踐齊能 進入趨導體肉部-這一特征稀為克全我啟性 我遏斯轉效總.趨導石捧懸夕字的物理基礎應用：強磁場、大電流的強電應用和電子學（弱電）應用兩個方面。Eg1:2000A超導電纜、磁懸浮列車、核磁共振設備Eg2:無源微波器件、超導量子干涉儀（SQUID）、超導高速邏輯運算元件（超導計 算機）、超導紅外探測器等。多孔陶瓷定義:多孔陶瓷是一種經高溫燒成、體

23、內具有大量彼此相通并與材料表面也相貫 通的孔道結構的陶瓷材料。多孔陶瓷材料的特性： 化學穩定性好；通過材質的選擇和工藝控制，可制成適用于各種腐蝕環境的多孔陶瓷； 具有良好的機械強度和剛度；在氣壓、液壓或其他應力負載下，多孔陶瓷的 孔道形狀和尺寸不會發生變化 耐熱性好，用耐高溫陶瓷制成的多孔陶瓷可過濾熔融鋼水或高溫燃氣； 具有高度開口、內連的氣孔； 幾何表面積與體積比高； 孔道分布較均勻，氣孔尺寸可控，在孔徑為0.05 600 um范圍內，可以制出所選定孔道尺寸的多孔陶瓷制品。多孔陶瓷的制備與應用制備3.1粒狀陶瓷的制備：粒狀陶瓷一般是將粒狀陶瓷骨料和玻璃質、粘土質粘結 劑與成孔劑混合、成型、干

24、燥、燒成。其中，骨料包括AI2O3、SiC和玻璃等3.2蜂窩陶瓷的制備：蜂窩陶瓷是采用機械加工方法制成許多平行直線開孔， 孔徑110mm的薄壁多孔結構。3.3泡沫陶瓷的制備：泡沫陶瓷的結構是在三維空間重復的十二面體復雜圖形。泡沫陶瓷氣孔尺寸范圍可從1.2孔/cm的最大孔到39.37孔/cm的極細孔。 它采用特別嚴密的軟質泡沫塑料（如聚氨酯）為載體，進而加工成所需形狀、尺 寸等。應用：1在金屬熔體過濾凈化技術中的應用 2精過濾技術在其他領域的應用 3作催化 劑載體4作敏感元件5作為隔膜材料6降低噪聲7用于布氣納米陶瓷定義：納米陶瓷是指在陶瓷材料的顯微結構中，晶粒尺寸、晶界寬度、第二相 分布、氣孔

25、尺寸、缺陷尺寸等都處于納米水平的一類陶瓷材料。納米陶瓷的制備：納米陶瓷的制備包括納米粉體、納米薄膜及納米塊體材料的 制備。其中主要是納米塊體陶瓷材料的制備。塊體納米晶材料的制備方法主要有以下兩種方式：第一種是由小變大（納米微粒燒結成塊體納米晶材料）。即先由惰性氣體冷凝 法、沉淀法、溶膠-凝膠法、機械球磨法等工藝制成納米粉，然后通過原位加 壓、熱等靜壓，激光壓縮、微波放電等離子等方法燒結成大塊納米晶材料。第二種方式是由大變小，即非晶晶化法，使大塊非晶變成大塊納米晶材料，或 利用各種沉積技術（PVD、CVD等）獲得大塊納米晶材料。納米陶瓷的結構與性能結構：具有長程有序、不同晶相的晶粒組元；晶粒間的

26、界面組元。納米陶瓷的結構也一樣包含納米量級的晶粒、晶界和缺陷。在界面組元中，其特點是：原始密度降低；最鄰近原子配位數變化；晶界結構在納米材料中占的比例較高。陶瓷是由晶粒和晶界組成的一種多晶燒結體性能：納米材料的超細晶粒、高濃度晶界以及晶界原子鄰近狀況決定了它們具 有明顯區別于無定形態、普通多晶和單晶的特異性能 。1擴散和燒結性能：納米晶體材料具有較高的擴散率，較高的擴散率對蠕變、 超塑性、離子導電性等力學和電學性能有顯著的影響。擴散能力的增強產生的 另一個結果是可以使納米材料的燒結溫度大大降低。2.力學性能：納米陶瓷的基本特征是晶粒尺寸非常小，晶界占有相當大的比例，并且純度高，可使陶瓷材料的力學性能大為提高。3超塑性：納米陶瓷晶粒細化，晶界數量大幅度增加，擴散性高，可提高陶瓷 材料的韌