文档介绍：第3节功能陶瓷
一、功能陶瓷概述
1、与传统陶瓷的区别
(1)原料许多是经过人工合成或者精制,不受天然条件的限制;
(2)突破传统陶瓷的化学成分限制,用多种金属氧化物、氮化物、碳化物、磷化物等,有时直接用金属原素和碳、硅等非金属原素。
与传统陶瓷相比,功能陶瓷具备了一些特殊性能(热、机械、化学、电磁、光)。
电子陶瓷
生物陶瓷
敏感陶瓷
磁性陶瓷
超导陶瓷
光学陶瓷
其功能的实现主要来自于它所具有的特定的电绝缘性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性、生物适应性等。
2、功能陶瓷分类
按电学性质:绝缘体陶瓷、介电陶瓷、半导体陶瓷、和导电陶瓷;
按热学性质:耐高温陶瓷、电热陶瓷。
二、材料的电性能
首先,我们了解一点材料的电学性能。
材料的导电性以其电导率来度量,表明材料在电场中传递电荷的能力。载流子数目n、每个载流子的电荷q以及载流子的迁移率,决定了材料的电导率或电阻率。
在材料中,产生电流的载流子有四种类型,即电子、空穴、正离子和负离子。若载流子是电子或空穴,则材料的电导为电子电导;若载流子是离子或空格点,则称为离子电导。
材料按其导电能力可分为四大类:
(1)超导体, 0,
(2)导体, ; ——金属及部分陶瓷和高分子材料
(3)半导体, ;
(4)绝缘体, , ——普通陶瓷与大部分高分子材料
金属的电导率随温度的升高而降低,半导体、绝缘体及离子材料的电导率则随温度升高而增大。
杂质原子使纯金属的电导率下降,这是由于溶质原子在固溶体内造成不规则的势场变化,影响自由电子的运动。
陶瓷材料中溶入杂质原子后,常常会使其导电性能提高。适当形式的晶体缺陷,对改善陶瓷材料的导电性有重要意义。
绝缘体虽不传导电荷,但在电场E中并非不反应。如相隔距离为d的两块电极板之间加一电压U,此时电场为伏特梯度:
若两板间无任何物质,则每板上的电荷密度D0与电场E成比例。如果在两电板间有材料m(即称电介质),其电荷密度可能由D0增到Dm,比率Dm/D0即为材料的相对介电常数,即
。因为在电场中,材料内部的电子或正负离子发生了位移。
不同材料及不同温度下的介电常数差别很大。Al2O3、AIN陶瓷的室温介电常数小于10,BaTiO3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3等铁电陶瓷的室温介电常数为几百至几千,通过调整材料组成,甚至可达10000~20000。
利用各种材料不一的介电常数及其温度特性,就可以制作不同性能规格的电容器或其他元件。
——指某些晶体材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。
材料的压电效应取决于晶体结构的不对称性,晶体必须有极轴,才有压电效应。
钛酸钡
Pb(Ti、Zr)O3(PZT)
压电效应的本质
机械作用(应力与应变)引起了晶体的极化,从而导致介质两端表面出现相反的束缚电荷。