文档介绍：第四章 功能陶瓷
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第四章 功能陶瓷
功能陶瓷主要是指利用除机械性能外的陶瓷的其它物理性能，包括导电和半导体性能、绝缘性和介电性、磁性和热学性能、各种敏感特性，机、电、磁、光、热等物理性能之间的耦合和转换 MSE, CQU
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传统硅酸盐陶瓷、氧化物陶瓷是离子晶体。在离子晶体中，离子导电和电子导电都存在。但一般情况下，以离子导电为主，电子导电很微弱。然而，材料含变价离子，生成非化学计量化合物或引入不等价杂质时，将产生大量自由电子或空穴，电子导电增强，称为半导体。离子晶体热缺陷造成的离子电导称为本征离子电导，杂质造成的离子电导称为杂质电导。
杂质载流子的电导活化能比正常晶格上离子的要低得多。在低温时，即使杂质数量不多也会造成很大的电导率。在低温时，杂质电导其主导作用，高温时本征电导起主导作用。
玻璃基本上是离子电导，电子电导可忽略。玻璃结构较松散，电导活化能比晶体低，其电导率比相同组成的晶体大。陶瓷通常由晶相和玻璃相组成，其导电性在很大程度上决定于玻璃相。
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缺陷对陶瓷导电的影响
晶体缺陷对陶瓷导电行为的影响比较复杂。陶瓷中点缺陷对材料电性能影响较大，一般都是陶瓷材料的电导有所增加。
例如立方ZrO2，其结构中的正离子作立方密堆积，负离子占据全部四面体间隙，而全部八面体间隙空着，这就便于其他例子在其间移动。如果在立方ZrO2中加入8at%的Y2O3，Y3+部分替代Zr4+后在晶格中形成部分氧离子空位，可使ZrO2的立方相在低温时稳定和称为离子导电的固体电解质。
和点缺陷不同，位错、层错、晶界等晶体缺陷一般会降低陶瓷材料的导电性。
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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。
陶瓷体中晶粒度大小对导电性能的影响不大。气孔相的存在极可能提高材料的导电性，也可能降低材料的导电性。
当气孔的数量不是很大且分布均匀时，电导率表现为随气孔率的增加而降低；而当气孔率较高时，气孔的存在对材料导电性能的影响与材料本身的导电性有关。一般来说，对于电导率高的材料，较高的气孔率犹如在导体中加了绝缘层，会降低材料的电导率，而对于电导率较低的材料，较高的气孔率会提高材料的电导率，其原因是电荷可以沿气孔表面迁移，这与表面扩散的情况有些类似。
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离子电导行为
如果材料的离子迁移数等于1，或者说离子电导率比电子电导率大许多，并几乎为材料中总的电导率值，亦即材料中的载流子几乎全部为离子，材料的导电行为称为离子导电。
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。
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离子导电常存在明显的各向异性。
例如β-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
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离子电导率与温度T的关系满足Arrhenius关系：
(4-9)
下标‘ion’代表参与导电的某种离子，A为指前因子，为一常数，E为活化能。
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可以通过掺杂来改变陶瓷材料的电导率和电导激活能。
例如在ZrO2-M2O3(M=Y、Sc、In、Gd等)体系中，随掺杂正离子半径的减小，材料的电导率增加。
掺杂ZrO2的Arrhenius图
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如果掺杂源相同但掺杂浓度不同，材料电导率的极大值对应了一定的掺杂浓度。
ZrO2-Y2O3体系中电导率与Y2O3浓度的关系曲线
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离子导体