《先進(jìn)陶瓷材料及進(jìn)展》 第五章 功能陶瓷

1、l了解了解功能陶瓷的分類、特性和用途功能陶瓷的分類、特性和用途。l掌握掌握功能陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢功能陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。l掌握掌握功能陶瓷的基本性質(zhì)功能陶瓷的基本性質(zhì)。 5.0 教學(xué)基本要求 第五章 功能陶瓷l 掌握掌握絕緣陶瓷、介電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷絕緣陶瓷、介電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷 、壓、壓電陶瓷、熱釋電陶瓷、生物陶瓷、多孔陶瓷、電陶瓷、熱釋電陶瓷、生物陶瓷、多孔陶瓷、功能陶瓷薄膜等性能、特征及應(yīng)用。功能陶瓷薄膜等性能、特征及應(yīng)用。 5.0 教學(xué)基本要求 第五章 功能陶瓷l 功能陶瓷功能陶瓷是區(qū)別于我們大家熟知的日用陶瓷、是區(qū)別于我們大家熟知的日用陶瓷、藝術(shù)陶瓷、建筑陶瓷、電工陶瓷以

2、及單純考慮藝術(shù)陶瓷、建筑陶瓷、電工陶瓷以及單純考慮力學(xué)性質(zhì)的結(jié)構(gòu)陶瓷，它是指在微電子、光電力學(xué)性質(zhì)的結(jié)構(gòu)陶瓷，它是指在微電子、光電子信息和自動化技術(shù)以及生物醫(yī)學(xué)、能源和環(huán)子信息和自動化技術(shù)以及生物醫(yī)學(xué)、能源和環(huán)保工程等基礎(chǔ)產(chǎn)品領(lǐng)域中所用的陶瓷材料。保工程等基礎(chǔ)產(chǎn)品領(lǐng)域中所用的陶瓷材料。l 功能陶瓷的功能陶瓷的分類、特性和用途分類、特性和用途參見參見表表5-1。 5.1 概述 第五章 功能陶瓷大類大類系列系列細(xì)類細(xì)類結(jié)構(gòu)陶瓷氧化物氧化鋁,氧化鎂,氧化鋯,氧化鈾,氧化鈹?shù)确茄趸锾蓟?氮化物,硼化物,硅化物等功能陶瓷電功能陶瓷絕緣陶瓷,介電陶瓷,鐵電陶瓷,壓電陶瓷,半導(dǎo)體陶瓷磁功能陶瓷鐵氧體光功

3、能陶瓷透明陶瓷、透明鐵電陶瓷生物與化學(xué)功能陶瓷濕敏陶瓷,氣敏陶瓷,載體用陶瓷,生物陶瓷表表5-1 5-1 先進(jìn)陶瓷的分類先進(jìn)陶瓷的分類 5.1 概述 第五章 功能陶瓷 5.1 概述 第五章 功能陶瓷一一 已經(jīng)形成大量產(chǎn)品的功能陶瓷已經(jīng)形成大量產(chǎn)品的功能陶瓷l 高頻絕緣零件瓷。高頻絕緣零件瓷。l 電阻基體和電感基體瓷。電阻基體和電感基體瓷。l 電真空瓷。電真空瓷。l 電容器瓷。電容器瓷。l 鐵電陶瓷。鐵電陶瓷。 5.1 概述 第五章 功能陶瓷l 壓電陶瓷。壓電陶瓷。l 半導(dǎo)體陶瓷。半導(dǎo)體陶瓷。l 導(dǎo)電陶瓷。導(dǎo)電陶瓷。l 超導(dǎo)陶瓷。超導(dǎo)陶瓷。l 磁性瓷。磁性瓷。 5.1 概述 第五章 功能陶瓷l

4、光電子材料。光電子材料。l 生物陶瓷。生物陶瓷。l 環(huán)境保護(hù)用陶瓷。環(huán)境保護(hù)用陶瓷。l 環(huán)境協(xié)調(diào)型陶瓷環(huán)境協(xié)調(diào)型陶瓷材料和技術(shù)。材料和技術(shù)。 5.1 概述 第五章 功能陶瓷二二 新材料及其應(yīng)用新材料及其應(yīng)用l 在上述工業(yè)生產(chǎn)的各大類陶瓷材料和制品在上述工業(yè)生產(chǎn)的各大類陶瓷材料和制品中，每一類都不斷出現(xiàn)新材料和新應(yīng)用。中，每一類都不斷出現(xiàn)新材料和新應(yīng)用。l 此外，還有如下幾類：此外，還有如下幾類： l 納米陶瓷納米陶瓷。l 陶瓷薄膜陶瓷薄膜。l 多功能材料多功能材料。l 復(fù)合材料復(fù)合材料。 5.1 概述 第五章 功能陶瓷三三 我國功能陶瓷工業(yè)的發(fā)展趨勢我國功能陶瓷工業(yè)的發(fā)展趨勢l 原料生產(chǎn)專業(yè)化

5、。原料生產(chǎn)專業(yè)化。l 廣泛深入的技術(shù)協(xié)作。廣泛深入的技術(shù)協(xié)作。l 全面質(zhì)量管理全面質(zhì)量管理(total quality management(total quality management，即即TQM)TQM) 。l 新工藝、新設(shè)備研究不斷用于生產(chǎn)。新工藝、新設(shè)備研究不斷用于生產(chǎn)。一一 電學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)l 電導(dǎo)率電導(dǎo)率l 介電常數(shù)介電常數(shù)l 介質(zhì)損耗角正切值介質(zhì)損耗角正切值l 擊穿電場強(qiáng)度擊穿電場強(qiáng)度 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 電導(dǎo)率電導(dǎo)率 測量陶瓷料體積電阻和和表面電阻，測量陶瓷料體積電阻和和表面電阻，再根據(jù)陶瓷試樣的幾何尺寸計算得到的。再根據(jù)陶瓷試樣的幾何尺寸計算得

6、到的。hsRvv(5-1) 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷測量電極測量電極環(huán)電極環(huán)電極高壓電極高壓電極陶瓷體陶瓷體 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷測量電極測量電極陶瓷體陶瓷體環(huán)電極環(huán)電極圖圖 1三電極系統(tǒng)三電極系統(tǒng)式中，式中，h為樣品厚度，為樣品厚度，cm；s為電極的面積，為電極的面積，cm2； Rv、R s分別為試樣的體積電阻分別為試樣的體積電阻()和和表面電阻表面電阻()。D1為試樣的測量電極直徑，為試樣的測量電極直徑，cm；D2為環(huán)電極內(nèi)徑，為環(huán)電極內(nèi)徑，cm。 (5-2) 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷12ln2DDRss 5.2 功能陶瓷的基

7、本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 體積電阻率體積電阻率v的單位通常用的單位通常用cm。v的倒數(shù)的倒數(shù)v稱為材料的體積電導(dǎo)率，比電導(dǎo)或?qū)щ娤捣Q為材料的體積電導(dǎo)率，比電導(dǎo)或?qū)щ娤禂?shù)，是陶瓷材料的特性參數(shù)，其單位為數(shù)，是陶瓷材料的特性參數(shù)，其單位為S/cm（S：Siemens，西門子）。，西門子）。l 表表5-2列出了常見陶瓷材料的室溫電導(dǎo)率，這列出了常見陶瓷材料的室溫電導(dǎo)率，這些陶瓷材料電導(dǎo)率的大小相差約些陶瓷材料電導(dǎo)率的大小相差約1017以上。以上。 表表5-2 5-2 常見陶瓷材料的室溫電導(dǎo)率常見陶瓷材料的室溫電導(dǎo)率材料材料電導(dǎo)率電導(dǎo)率/ /（S/cmS/cm）材料材料電導(dǎo)率電導(dǎo)率/ /（S/cmS

8、/cm）SnOSnO2 2-CuO-CuO陶瓷10103 3BaTiOBaTiO3 3陶瓷1010-10-10SiCSiC陶瓷1010-1-1TiOTiO2 2（金紅石）（金紅石）陶瓷1010-11-11LaCrOLaCrO3 3陶瓷1010-2-2-Al-Al2 2O O3 3（剛玉陶瓷）1010-14-14 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 介電常數(shù)介電常數(shù)是衡量電介質(zhì)材料在電場作用下的是衡量電介質(zhì)材料在電場作用下的極化行為或儲存電荷能力的參數(shù)，極化行為或儲存電荷能力的參數(shù)，又稱介電又稱介電系數(shù)或電容率系數(shù)或電容率，是材料的特征參數(shù)。，是材料的特征參數(shù)。 5.2 功能陶瓷的基

9、本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 設(shè)真空介電常數(shù)為設(shè)真空介電常數(shù)為1，則非真空電介質(zhì)材料，則非真空電介質(zhì)材料的介電常數(shù)的介電常數(shù)r(稱為相對介電常數(shù)稱為相對介電常數(shù))為為0QQr (5-3) 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷Q0真空介質(zhì)時電極上電荷量；真空介質(zhì)時電極上電荷量；Q同一電場和電同一電場和電極系統(tǒng)中為非真空電介質(zhì)時電極上電荷量。極系統(tǒng)中為非真空電介質(zhì)時電極上電荷量。相對介電常數(shù)相對介電常數(shù)r 可由式可由式(5-4)求出：求出： 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷shCr0(5-4)式中，式中，C為試樣的電容量，為試樣的電容量，pF；h為試樣兩電為試樣兩電極之間的距離，

10、極之間的距離，cm；s為電極的面積，為電極的面積，cm2；11010941F/cm，即真空介電常數(shù)。，即真空介電常數(shù)。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 功能陶瓷室溫時的介電常數(shù)大致為功能陶瓷室溫時的介電常數(shù)大致為2至幾十至幾十萬，因具體陶瓷材料不同，其數(shù)值有很大差萬，因具體陶瓷材料不同，其數(shù)值有很大差異，因此使用的范圍和條件也不同。異，因此使用的范圍和條件也不同。l 陶瓷材料介電常數(shù)不同是由于其微觀上存在陶瓷材料介電常數(shù)不同是由于其微觀上存在不同的極化機(jī)制決定的。不同的極化機(jī)制決定的。陶瓷介質(zhì)中存在的極化方式陶瓷介質(zhì)中存在的極化方式:l 位移式極化位移式極化。l 松弛式極化松弛

11、式極化。l 此外還有此外還有自發(fā)極化、轉(zhuǎn)向極化、界面極自發(fā)極化、轉(zhuǎn)向極化、界面極化、諧振式極化化、諧振式極化等特殊極化方式。等特殊極化方式。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 陶瓷在電場作用下存儲電能，同時電導(dǎo)和陶瓷在電場作用下存儲電能，同時電導(dǎo)和部分極化過程不可避免地要消耗能量，即部分極化過程不可避免地要消耗能量，即將一部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿认牡?。將一部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿认牡簟 單位時間所消耗的電場能叫單位時間所消耗的電場能叫介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 在直流電場作用下，陶瓷材料的介質(zhì)損耗在直流電場作用下，陶瓷材料的介質(zhì)損耗由電導(dǎo)過程

12、引起，即介質(zhì)損耗取決于陶瓷由電導(dǎo)過程引起，即介質(zhì)損耗取決于陶瓷材料的電導(dǎo)和電場強(qiáng)度，表示為材料的電導(dǎo)和電場強(qiáng)度，表示為P=U2/R=GU2 (5-5)P為介質(zhì)損耗；為介質(zhì)損耗；U為試樣上的電壓；為試樣上的電壓；R為試為試樣的電阻；樣的電阻；G為試樣的電導(dǎo)，為試樣的電導(dǎo)，G=1/R。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 在交流電場作用下，陶瓷材料的介質(zhì)損耗由在交流電場作用下，陶瓷材料的介質(zhì)損耗由電導(dǎo)和部分極化過程共同引起，陶瓷電容器電導(dǎo)和部分極化過程共同引起，陶瓷電容器可等效為一個理想電容器（無介質(zhì)損耗的電可等效為一個理想電容器（無介質(zhì)損

13、耗的電容器）和一個純電阻并聯(lián)或串聯(lián)組成的有介容器）和一個純電阻并聯(lián)或串聯(lián)組成的有介質(zhì)損耗的電容器。質(zhì)損耗的電容器。l 等效電路如圖等效電路如圖5-1所示。所示。?cRp?r?CsRscr???c=/Cp?r=/ Rpc = ? /Csr = ? Rs(a) (a) 并聯(lián)并聯(lián)圖圖 5-1 5-1 有損耗電容器等效電路及矢量圖有損耗電容器等效電路及矢量圖(b) (b) 串聯(lián)串聯(lián) 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷 圖圖5-1中的中的角稱為角稱為介質(zhì)損耗角介質(zhì)損耗角。Tg是有損是有損耗電容器每周期消耗的電能與其所儲存電能的耗電容器每周期消耗的電能與其所儲存電能的比值。由并聯(lián)等效電路得出比值

14、。由并聯(lián)等效電路得出ppcpcpcrcaRCRRRURUIIPPtg11/（5-6） 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷Pa=U2/Rp，為有功功率；，為有功功率；Pc=U2/Rc =CU2，為無功功率；為無功功率；為角頻率；為角頻率；Cp為并聯(lián)等效電容；為并聯(lián)等效電容；Rp為并聯(lián)等效電阻。為并聯(lián)等效電阻。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷由串聯(lián)等效電路得出由串聯(lián)等效電路得出sscrRCUUtg（5-7）式中，式中，Cs串聯(lián)等效電容；串聯(lián)等效電容；Rs串聯(lián)等效電阻。串聯(lián)等效電阻。因此因此ssppRCRC1（5-8） 單位體積的介質(zhì)損耗功率為單位體積的介質(zhì)損耗功率為22Et

15、gshUCtgshtgPshPPca（5-9） 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l （5-9）中）中tg稱為稱為損耗因數(shù)損耗因數(shù)，外界條件一，外界條件一定，它是介質(zhì)本身的特定參數(shù)。定，它是介質(zhì)本身的特定參數(shù)。l tg為為等效電導(dǎo)率等效電導(dǎo)率，它不是常數(shù)。頻率高，它不是常數(shù)。頻率高時，乘積增大，介質(zhì)損耗增大。時，乘積增大，介質(zhì)損耗增大。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l tg是表征電容器或介質(zhì)損耗質(zhì)量的重要是表征電容器或介質(zhì)損耗質(zhì)量的重要參數(shù)。參數(shù)。l 陶瓷介質(zhì)材料的陶瓷介質(zhì)材料的tg對濕度很敏感。受潮對濕度很敏感。受潮后，

16、試樣的后，試樣的tg值急劇增大。值急劇增大。l 生產(chǎn)工藝上利用這一性質(zhì)判斷生產(chǎn)線上瓷生產(chǎn)工藝上利用這一性質(zhì)判斷生產(chǎn)線上瓷體燒結(jié)的好壞。體燒結(jié)的好壞。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 介質(zhì)損耗對陶瓷材料的化學(xué)組成、相介質(zhì)損耗對陶瓷材料的化學(xué)組成、相組成、微觀結(jié)構(gòu)等因素都很敏感。組成、微觀結(jié)構(gòu)等因素都很敏感。l 凡是影響陶瓷材料電導(dǎo)和極化的因素凡是影響陶瓷材料電導(dǎo)和極化的因素都對其介質(zhì)損耗有直接的影響。都對其介質(zhì)損耗有直接的影響。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 陶瓷材料和其它介質(zhì)一樣，其絕緣性能和介陶瓷材料和其它介質(zhì)一樣，其絕緣性能和介電性能是在一定電壓范圍內(nèi)具有

17、的性質(zhì)。電性能是在一定電壓范圍內(nèi)具有的性質(zhì)。l 當(dāng)作用于陶瓷材料上的電場強(qiáng)度超過某一臨當(dāng)作用于陶瓷材料上的電場強(qiáng)度超過某一臨界值時它就喪失了絕緣性能。界值時它就喪失了絕緣性能。l 由介電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱之由介電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱之為介電強(qiáng)度的破壞或介質(zhì)的擊穿。為介電強(qiáng)度的破壞或介質(zhì)的擊穿。 l 擊穿時的電壓稱為擊穿電壓擊穿時的電壓稱為擊穿電壓Uj，相應(yīng)的電，相應(yīng)的電場強(qiáng)度稱為擊穿電場強(qiáng)度，用場強(qiáng)度稱為擊穿電場強(qiáng)度，用Ej表示。表示。 l 當(dāng)作用電場均勻時，當(dāng)作用電場均勻時，Uj與與Ej的關(guān)系為的關(guān)系為 Ej =Uj/h （5-10） 式中，式中，h為擊穿處介質(zhì)的厚度，

18、為擊穿處介質(zhì)的厚度，cm；Ej的的單位常用單位常用kV/cm。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 某些半導(dǎo)體陶瓷擊穿時，有時不發(fā)生機(jī)械損某些半導(dǎo)體陶瓷擊穿時，有時不發(fā)生機(jī)械損壞，當(dāng)電場降低后仍能恢復(fù)介電狀態(tài)，這種壞，當(dāng)電場降低后仍能恢復(fù)介電狀態(tài)，這種特殊情況應(yīng)認(rèn)為發(fā)生了特殊情況應(yīng)認(rèn)為發(fā)生了擊穿擊穿。 l 陶瓷材料的擊穿電壓與很多因素有關(guān)，過程陶瓷材料的擊穿電壓與很多因素有關(guān)，過程比較復(fù)雜。比較復(fù)雜。l 發(fā)生擊穿過程的時間約發(fā)生擊穿過程的時間約10-8s。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 一般介質(zhì)的擊穿分為電擊穿和熱擊穿。一般介質(zhì)的擊穿分為電擊穿和熱擊穿。 l 電擊

19、穿電擊穿是指在電場直接作用下，陶瓷介質(zhì)中是指在電場直接作用下，陶瓷介質(zhì)中載流子迅速增殖造成的擊穿。載流子迅速增殖造成的擊穿。 l 熱擊穿熱擊穿是指陶瓷介質(zhì)在電場作用下由于電導(dǎo)是指陶瓷介質(zhì)在電場作用下由于電導(dǎo)和極化等介質(zhì)損耗使陶瓷介質(zhì)的溫度升高造和極化等介質(zhì)損耗使陶瓷介質(zhì)的溫度升高造成熱不穩(wěn)定而導(dǎo)致的破壞。成熱不穩(wěn)定而導(dǎo)致的破壞。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷二二 力學(xué)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)l 彈性模量彈性模量l 機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度l 斷裂韌性斷裂韌性 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 材料在外材料在外力作用下力作用下都會發(fā)生都會發(fā)生相應(yīng)形變相應(yīng)形變或破壞?；蚱茐?。 A12B2

20、00100100010-110-210-310-4AAB / MPa圖圖5-2 5-2 三種材料的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系三種材料的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系1陶瓷；陶瓷；2金屬；金屬；3塑料塑料 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l A段為彈性形變范圍，遵守虎克定律。段為彈性形變范圍，遵守虎克定律。l 曲線中曲線中AB段為塑性形變范圍。多數(shù)陶瓷的塑段為塑性形變范圍。多數(shù)陶瓷的塑性形變范圍很小或沒有，斷裂時呈脆性。性形變范圍很小或沒有，斷裂時呈脆性。l 各種陶瓷在外力作用下發(fā)生形變或斷裂規(guī)律是各種陶瓷在外力作用下發(fā)生形變或斷裂規(guī)律是不同的。研究其斷裂機(jī)理，

21、提高材料的強(qiáng)度和不同的。研究其斷裂機(jī)理，提高材料的強(qiáng)度和韌性具有重大的理論意義和實際應(yīng)用價值。韌性具有重大的理論意義和實際應(yīng)用價值。 l 彈性模量彈性模量。彈性模量。彈性模量E是陶瓷材料的重要參是陶瓷材料的重要參數(shù)之一，是材料中原子數(shù)之一，是材料中原子(或離子或離子)間結(jié)合強(qiáng)度間結(jié)合強(qiáng)度的一種指標(biāo)。陶瓷材料的彈性模量約為的一種指標(biāo)。陶瓷材料的彈性模量約為1091011N/m2，泊松比，泊松比約為約為0.20.3。l 彈性模量的大小直接關(guān)系到陶瓷材料的理彈性模量的大小直接關(guān)系到陶瓷材料的理論斷裂強(qiáng)度論斷裂強(qiáng)度。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷奧羅萬奧羅萬(Orowan)計算的理論斷

22、裂強(qiáng)度計算的理論斷裂強(qiáng)度th可可用下式表達(dá)：用下式表達(dá)：aEth式中式中為為斷裂表面能斷裂表面能，一般陶瓷材料，一般陶瓷材料約為約為10-4 J/cm2；a（5-11）為原子間距，約為為原子間距，約為10-8cm；可以估算出；可以估算出 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷thE/10。可以看出，彈性模量對于了解?？梢钥闯?，彈性模量對于了解材料強(qiáng)度具有重要的意義。影響陶瓷材料材料強(qiáng)度具有重要的意義。影響陶瓷材料彈性模量的因素很多且很復(fù)雜，如材料的彈性模量的因素很多且很復(fù)雜，如材料的組成和結(jié)構(gòu)及其在材料中的均勻性、材料組成和結(jié)構(gòu)及其在材料中的均勻性、材料中氣孔的大小和分布、溫度等。表中氣

23、孔的大小和分布、溫度等。表5-2列列出了幾種陶瓷材料的彈性模量。出了幾種陶瓷材料的彈性模量。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷表表5-2 5-2 幾種陶瓷材料的彈性模量幾種陶瓷材料的彈性模量材料材料E/GPa材料材料E/GPaE/GPa(9095)Al(9095)Al2 2O O3 3陶瓷366366MgOMgO陶瓷( (氣孔率5%)5%)210210BOBO陶瓷310310滑石瓷6969BN(BN(熱壓、氣孔率5%)5%)8383莫來石瓷6969TiCTiC陶瓷( (氣孔率5%)5%)310310MgAlOMgAlO4 4陶瓷238238ZrOZrO2 2陶瓷( (氣孔率5%)5

24、%)150150 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度。機(jī)械強(qiáng)度是材料抵抗外加負(fù)荷的。機(jī)械強(qiáng)度是材料抵抗外加負(fù)荷的能力，是材料重要的力學(xué)性能，是設(shè)計、選能力，是材料重要的力學(xué)性能，是設(shè)計、選擇和使用材料的重要指標(biāo)之一。根據(jù)使用要擇和使用材料的重要指標(biāo)之一。根據(jù)使用要求，有抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗求，有抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度和抗循環(huán)負(fù)荷強(qiáng)度等剪切強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度和抗循環(huán)負(fù)荷強(qiáng)度等多種強(qiáng)度指標(biāo)。一般陶瓷材料的抗壓強(qiáng)度約多種強(qiáng)度指標(biāo)。一般陶瓷材料的抗壓強(qiáng)度約為抗拉強(qiáng)度的為抗拉強(qiáng)度的10倍。倍。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能

25、陶瓷材料實際強(qiáng)度比理論強(qiáng)度低得多。氧化鋁材料實際強(qiáng)度比理論強(qiáng)度低得多。氧化鋁陶瓷的陶瓷的E=3.661011N/m2, 估算的理論強(qiáng)估算的理論強(qiáng)度度t h=6.05101 0N/m2,而實際強(qiáng)度而實際強(qiáng)度th=2.66108N/m2,只為只為th的的1/227。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷對于這種情況的原因有很多理論解釋，其中格對于這種情況的原因有很多理論解釋，其中格里菲斯里菲斯(Griffith)的微裂紋理論比較適合于脆性的微裂紋理論比較適合于脆性斷裂的材料。該理論認(rèn)為，實際材料中有許多斷裂的材料。該理論認(rèn)為，實際材料中有許多微裂紋或缺陷，在外力作用下，這些裂紋和缺微裂紋或

26、缺陷，在外力作用下，這些裂紋和缺陷附近產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)這種局部應(yīng)力超過材陷附近產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)這種局部應(yīng)力超過材料強(qiáng)度時，裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂。料強(qiáng)度時，裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷aYK1是應(yīng)力，是應(yīng)力，是裂紋尺寸，是裂紋尺寸，Y為幾何形狀因為幾何形狀因子，與裂紋形式和試樣幾何形狀有關(guān)，可子，與裂紋形式和試樣幾何形狀有關(guān)，可從斷裂力學(xué)和手冊中查到。從斷裂力學(xué)和手冊中查到。（5-12） 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 斷裂韌性斷裂韌性。根據(jù)斷裂力學(xué)，裂紋尖端應(yīng)力。根據(jù)斷裂力學(xué)，裂紋尖端應(yīng)力場的強(qiáng)度可用應(yīng)力強(qiáng)度因子表示如下：場的強(qiáng)度可用

27、應(yīng)力強(qiáng)度因子表示如下： K1值小于或等于某臨界值時，材料不會發(fā)生值小于或等于某臨界值時，材料不會發(fā)生斷裂，該臨界值稱為斷裂，該臨界值稱為斷裂韌性斷裂韌性，即，即aYKcc1 （5-13）式中，式中，c為為臨界應(yīng)力臨界應(yīng)力。防止脆性斷裂的條件是。防止脆性斷裂的條件是cKK11（5-14） 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷式式(5-14)為陶瓷材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了重要為陶瓷材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了重要的依據(jù)。的依據(jù)。K1和和K1c的單位為的單位為N/m3/2。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷由裂紋擴(kuò)展的斷裂表面能由裂紋擴(kuò)展的斷裂表面能可以導(dǎo)出脆性材可以導(dǎo)出脆性材料料K1c的另

28、一表達(dá)式。對平面應(yīng)力狀態(tài)：的另一表達(dá)式。對平面應(yīng)力狀態(tài)： EKc21 （5-15）對于平面應(yīng)變狀態(tài)：對于平面應(yīng)變狀態(tài)：2112EKc（5-16）式中，式中， 2是脆性材料中裂紋擴(kuò)展單位面積是脆性材料中裂紋擴(kuò)展單位面積所降低的應(yīng)變能，稱為所降低的應(yīng)變能，稱為裂紋擴(kuò)展力裂紋擴(kuò)展力；K1c表表征了脆性材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是脆性征了脆性材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是脆性材料固有的常數(shù)。材料固有的常數(shù)。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷三熱學(xué)性能三熱學(xué)性能l 熱容熱容l 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)l 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率l 熱穩(wěn)定性及抗熱沖擊性熱穩(wěn)定性及抗熱沖擊性 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能

29、陶瓷l 熱容熱容。熱容是物體溫度升高。熱容是物體溫度升高1K所需要增加所需要增加熱量。物體質(zhì)量不同其熱容也不同。熱量。物體質(zhì)量不同其熱容也不同。1g物物質(zhì)熱容叫質(zhì)熱容叫比熱容比熱容，單位為，單位為J/(Kg)。1mol物質(zhì)熱容叫物質(zhì)熱容叫摩爾熱容摩爾熱容，單位為，單位為J/(Kmol)。物質(zhì)的熱容還與其熱過程有關(guān)，恒定壓力物質(zhì)的熱容還與其熱過程有關(guān)，恒定壓力條件下的熱容稱為條件下的熱容稱為恒壓熱容恒壓熱容，可寫為，可寫為 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷pppTHTQC（5-17）恒定體積物質(zhì)的熱容稱為恒定體積物質(zhì)的熱容稱為恒容熱容恒容熱容，可寫為，可寫為vvvTETQC （5-1

30、8）式中，式中，Q為為熱量熱量；H為為焓焓；E為為內(nèi)能內(nèi)能；T為為絕絕對溫度對溫度。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷溫度不高時，功能陶瓷的溫度不高時，功能陶瓷的CpCv，但高，但高溫時差別較大。圖溫時差別較大。圖5-3示出了三種陶瓷示出了三種陶瓷材料恒容熱容與溫度的關(guān)系。材料恒容熱容與溫度的關(guān)系。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷Al2O3MgOSiC3R0-20013000246Tc/Cv/cal/(mol)圖圖5-3 5-3 三種陶瓷材料恒容熱容與溫度關(guān)系三種陶瓷材料恒容熱容與溫度關(guān)系1 cal=4.18J 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷工程上常用的

31、平均熱容由式（工程上常用的平均熱容由式（5-19）算出：）算出：12TTQC（5-19）可見平均熱容的精度較差，所以，在應(yīng)用時可見平均熱容的精度較差，所以，在應(yīng)用時必須注意具體平均熱容數(shù)值的適宜使用溫度必須注意具體平均熱容數(shù)值的適宜使用溫度范圍，以免發(fā)生不必要的錯誤。范圍，以免發(fā)生不必要的錯誤。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷dTVdVv（5-20）dTldll（5-21） 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)。物體的體積或長度隨溫度升高而。物體的體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。溫度升高增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。溫度升高1而引起而引起的體積

32、或長度的相對變化叫做該物體的體膨脹的體積或長度的相對變化叫做該物體的體膨脹系數(shù)或線膨脹系數(shù)，其關(guān)系表示如下：系數(shù)或線膨脹系數(shù)，其關(guān)系表示如下：陶瓷陶瓷v和和l很小，一般很小，一般v3l，常用線膨脹系，常用線膨脹系數(shù)就能表示這類材料的熱膨脹特性。一般陶數(shù)就能表示這類材料的熱膨脹特性。一般陶瓷膨脹系數(shù)是正值，少數(shù)是負(fù)的。表瓷膨脹系數(shù)是正值，少數(shù)是負(fù)的。表5-3為幾為幾種陶瓷材料在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的種陶瓷材料在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的平均線膨脹平均線膨脹系數(shù)系數(shù)。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷v和和l分別為體膨脹系數(shù)和線膨脹系數(shù)。分別為體膨脹系數(shù)和線膨脹系數(shù)。 表表5-3 5-3 幾種陶瓷在規(guī)

33、定溫度內(nèi)平均線膨脹系數(shù)幾種陶瓷在規(guī)定溫度內(nèi)平均線膨脹系數(shù)( (續(xù)續(xù)1)1)材料名稱材料名稱 l l/( /( 1010-6-6/)/)材料名稱材料名稱 l l/( /( 1010-6-6/)/)滑石瓷滑石瓷(20100)(20100)8 8鐵電瓷鐵電瓷(20100)(20100)1212低堿瓷低堿瓷(20100)(20100)6 6堇青石瓷堇青石瓷(201000)(201000)2.02.52.02.57575氧化鋁瓷氧化鋁瓷(20100)(20100)6 6石英玻璃石英玻璃(201000)(201000)0.430.43 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷表表5-3 5-3 幾種陶

34、瓷在規(guī)定溫度內(nèi)平均線膨脹系數(shù)幾種陶瓷在規(guī)定溫度內(nèi)平均線膨脹系數(shù)( (續(xù)續(xù)2,2,完完) )材料名稱材料名稱 l l/( /( 1010-6-6/)/)材料名稱材料名稱 l l/( /( 1010-6-6/)/)9595氧化鋁瓷氧化鋁瓷(20500)(20500)6.58.06.58.0銅銅(20600)(20600)18.618.6金紅石瓷金紅石瓷(20100)(20100)9 9可伐合金可伐合金(20500)(20500)6.36.3 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷dhdTsdtdQ（5-22） 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率。熱量從固體材料溫度高

35、的一端傳。熱量從固體材料溫度高的一端傳到冷的一端的現(xiàn)象稱之為到冷的一端的現(xiàn)象稱之為熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)。對于像。對于像陶瓷材料這樣的各向同性的物質(zhì)來說，在陶瓷材料這樣的各向同性的物質(zhì)來說，在穩(wěn)定熱傳導(dǎo)過程中，單位時間通過物質(zhì)傳穩(wěn)定熱傳導(dǎo)過程中，單位時間通過物質(zhì)傳導(dǎo)的熱量導(dǎo)的熱量式中，式中，為熱導(dǎo)率，是衡量物質(zhì)熱傳導(dǎo)能力大為熱導(dǎo)率，是衡量物質(zhì)熱傳導(dǎo)能力大小的特征參數(shù)。在不穩(wěn)定傳熱條件下，若物體小的特征參數(shù)。在不穩(wěn)定傳熱條件下，若物體中存在溫度梯度且無與外界的熱交換，傳熱過中存在溫度梯度且無與外界的熱交換，傳熱過程在常壓條件下進(jìn)行，則物體中各處的溫度隨程在常壓條件下進(jìn)行，則物體中各處的溫度隨時間而發(fā)生變化

36、，溫度梯度隨時間而趨于零，時間而發(fā)生變化，溫度梯度隨時間而趨于零，物體溫度最終達(dá)到某一平衡溫度。物體溫度最終達(dá)到某一平衡溫度。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷影響材料熱導(dǎo)率的因素很多，主要有材料的影響材料熱導(dǎo)率的因素很多，主要有材料的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)、氣孔率、氣孔尺寸和化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)、氣孔率、氣孔尺寸和在材料中的分布等。在材料中的分布等。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷xTCtTp22（5-23）式中，式中，Cp為為恒壓熱容恒壓熱容；為為密度密度。物體單位面積上溫度隨時間變化率：物體單位面積上溫度隨時間變化率：表表5-4 5-4 幾種常見材料的熱導(dǎo)率幾種常見材

37、料的熱導(dǎo)率材料材料溫度溫度/ /cal (cms)-1材料材料溫度溫度/ /cal (cms)-195氧化鋁瓷200.04銅200.9201000.031000.90395氧化鈹瓷200.48鎳200.1471000.40鉬200.3595氮化硼瓷（垂直于熱壓方向）600.10 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 抗熱沖擊性抗熱沖擊性。是指物體能承受溫度劇烈變化。是指物體能承受溫度劇烈變化而不被破壞能力，用規(guī)定條件下的熱沖擊次而不被破壞能力，用規(guī)定條件下的熱沖擊次數(shù)表示。數(shù)表示。l 陶瓷材料在熱沖擊下的損壞有兩類。陶瓷材料在熱沖擊下的損

38、壞有兩類。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 一是材料發(fā)生瞬間斷裂，對這類破壞的抵抗一是材料發(fā)生瞬間斷裂，對這類破壞的抵抗稱抗熱沖擊斷烈性。稱抗熱沖擊斷烈性。l 另一種是指熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開另一種是指熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開裂、剝落，并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)而裂、剝落，并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)而損壞，對這類破壞抵抗稱抗熱沖擊損傷性。損壞，對這類破壞抵抗稱抗熱沖擊損傷性?？篃嵴鹦詼y試抗熱震性測試儀儀 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 抗熱沖擊性與材料的膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、表抗熱沖擊性與材料的膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率

39、、表面散熱速率、材料的幾何尺寸及形狀、微觀面散熱速率、材料的幾何尺寸及形狀、微觀結(jié)構(gòu)、彈性模量、機(jī)械強(qiáng)度、斷裂韌性、熱結(jié)構(gòu)、彈性模量、機(jī)械強(qiáng)度、斷裂韌性、熱應(yīng)力等因素有關(guān)。應(yīng)力等因素有關(guān)。 l 功能陶瓷元件制造和應(yīng)用方面必須注意抗熱功能陶瓷元件制造和應(yīng)用方面必須注意抗熱沖擊性這一重要的技術(shù)指標(biāo)。沖擊性這一重要的技術(shù)指標(biāo)。四光學(xué)性質(zhì)四光學(xué)性質(zhì)l 功能陶瓷的光學(xué)性質(zhì)是指其在紅外光、可見功能陶瓷的光學(xué)性質(zhì)是指其在紅外光、可見光、紫外光及各種射線作用下的一些性質(zhì)。光、紫外光及各種射線作用下的一些性質(zhì)。l 光照射到陶瓷介質(zhì)上，一部分被反射，一部光照射到陶瓷介質(zhì)上，一部分被反射，一部分進(jìn)入介質(zhì)內(nèi)部，發(fā)生散

40、射和吸收，還有一分進(jìn)入介質(zhì)內(nèi)部，發(fā)生散射和吸收，還有一部分透過介質(zhì)。部分透過介質(zhì)。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l I0=IR+IS+IA+IT，式中，式中，I0入射光強(qiáng)度；入射光強(qiáng)度；IR反射光強(qiáng)度；反射光強(qiáng)度；IS散射光強(qiáng)度；散射光強(qiáng)度；IA吸收光強(qiáng)度；吸收光強(qiáng)度；IT透射光強(qiáng)度。透射光強(qiáng)度。 l 歸一化可得：歸一化可得：R+S+A+T=1，式中，式中，R為反射為反射率；率；S為散射率；為散射率；A為吸收率；為吸收率；T為透射率。為透射率。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷熒光光譜儀熒光光譜儀分光光度計分光光度計 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷五磁

41、學(xué)性質(zhì)五磁學(xué)性質(zhì)l 陶瓷材料具有高電阻和低損耗特性，廣泛應(yīng)陶瓷材料具有高電阻和低損耗特性，廣泛應(yīng)用于電子計算機(jī)、信息存儲、激光調(diào)制、自用于電子計算機(jī)、信息存儲、激光調(diào)制、自動控制等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。動控制等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。 l 磁性材料可分為磁化率為負(fù)的抗磁體材料和磁性材料可分為磁化率為負(fù)的抗磁體材料和磁化率為正的順磁體材料。磁化率為正的順磁體材料。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷軟磁交流測量裝置軟磁交流測量裝置 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷在外磁場在外磁場H的作用下，在磁介質(zhì)材料的內(nèi)的作用下，在磁介質(zhì)材料的內(nèi)部產(chǎn)生一定磁通量密度，稱之為部產(chǎn)生一定磁通量密度，稱之為磁感

42、應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B，單位為單位為Wb/m2。B與與H關(guān)系由下式表示：關(guān)系由下式表示：B=H （5-29）為為磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率，是磁性材料特征參數(shù)，表示材料，是磁性材料特征參數(shù)，表示材料在單位磁場強(qiáng)度作用下內(nèi)部磁通量密度。在單位磁場強(qiáng)度作用下內(nèi)部磁通量密度。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度M與磁場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度H的比值稱為的比值稱為磁化率磁化率：HM（5-30）式中，式中，M為為單位體積的磁矩單位體積的磁矩；為磁介質(zhì)材料的為磁介質(zhì)材料的磁化率磁化率，表達(dá)了磁介質(zhì)材料在磁場，表達(dá)了磁介質(zhì)材料在磁場H的作用下磁的作用下磁化的程度，在國際單位制中是無量剛的，化的程度，在國際單

43、位制中是無量剛的，可以可以是正數(shù)或負(fù)數(shù)，決定于材料的磁性類別。是正數(shù)或負(fù)數(shù)，決定于材料的磁性類別。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷M可以通過實驗測定，將某材料制成一個小可以通過實驗測定，將某材料制成一個小磁體置于外磁場中，其受力（一維）為磁體置于外磁場中，其受力（一維）為 XBVMFV為該磁介質(zhì)材料的體積。若外磁場的分布為該磁介質(zhì)材料的體積。若外磁場的分布已知，則已知，則M可以通過可以通過F的測定經(jīng)計算得到。的測定經(jīng)計算得到。（5-31） 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 當(dāng)當(dāng)M為負(fù)值時，材料表現(xiàn)為抗磁性，陶瓷材料為負(fù)值時，材料表現(xiàn)為抗磁性，陶瓷材料的大多數(shù)原子是抗

44、磁性的抗磁性物質(zhì)的原子的大多數(shù)原子是抗磁性的抗磁性物質(zhì)的原子（離子）不存在永久磁矩，當(dāng)其受外磁場作用（離子）不存在永久磁矩，當(dāng)其受外磁場作用時，電子軌道發(fā)生改變，感生與外磁場方向相時，電子軌道發(fā)生改變，感生與外磁場方向相反的磁矩，而表現(xiàn)出抗磁性。反的磁矩，而表現(xiàn)出抗磁性。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 這類物質(zhì)的磁化率一般都很小，約為這類物質(zhì)的磁化率一般都很小，約為-10-5。M為正值時，材料表現(xiàn)為順磁性，該材料的主為正值時，材料表現(xiàn)為順磁性，該材料的主要特征為不論是否受到外磁場作用，原子內(nèi)部要特征為不論是否受到外磁場作用，原子內(nèi)部都存在永久磁矩。都存在永久磁矩。 5.2 功

45、能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 當(dāng)無外磁場作用時，由于原子無規(guī)則熱運動，當(dāng)無外磁場作用時，由于原子無規(guī)則熱運動，材料整體不呈現(xiàn)磁性。材料整體不呈現(xiàn)磁性。l 磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度M與外磁場強(qiáng)度與外磁場強(qiáng)度H方向一致且與之成方向一致且與之成正比。順磁性物質(zhì)磁化率約為正比。順磁性物質(zhì)磁化率約為10-5。 l 順磁性物質(zhì)磁化率約為順磁性物質(zhì)磁化率約為10-5。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷l 鐵氧體磁性材料中軟磁材料的磁導(dǎo)率高、電阻鐵氧體磁性材料中軟磁材料的磁導(dǎo)率高、電阻大、損耗小、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高及穩(wěn)定性好。大、損耗小、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高及穩(wěn)定性好。 l 硬磁材料的特點是剩磁強(qiáng)度高、

46、不容易退磁。硬磁材料的特點是剩磁強(qiáng)度高、不容易退磁。l 矩磁材料的特點是磁滯回線有很好的矩形度、矩磁材料的特點是磁滯回線有很好的矩形度、高的剩磁比、矯頑力小、損耗低、穩(wěn)定性好。高的剩磁比、矯頑力小、損耗低、穩(wěn)定性好。 5.2 功能陶瓷的基本性質(zhì) 第五章 功能陶瓷一一 精密絕緣陶瓷在的應(yīng)用精密絕緣陶瓷在的應(yīng)用l 絕緣材料在電氣電路或電子電路中所起作用主絕緣材料在電氣電路或電子電路中所起作用主要是根據(jù)電路設(shè)計要求將導(dǎo)體物理隔離，以防要是根據(jù)電路設(shè)計要求將導(dǎo)體物理隔離，以防電流在它們之間流動而破壞電路正常運行。電流在它們之間流動而破壞電路正常運行。l 絕緣材料還起著導(dǎo)體的機(jī)械支持、散熱及電路絕緣材料

47、還起著導(dǎo)體的機(jī)械支持、散熱及電路環(huán)境保護(hù)等作用。環(huán)境保護(hù)等作用。 5.3 絕緣陶瓷 第五章 功能陶瓷 5.3 絕緣陶瓷 第五章 功能陶瓷絕緣陶瓷絕緣陶瓷l 絕緣陶瓷分為絕緣陶瓷分為氧化物絕緣陶瓷氧化物絕緣陶瓷和和非氧化物絕非氧化物絕緣陶瓷緣陶瓷。l 絕緣陶瓷它必須具備如下絕緣陶瓷它必須具備如下性能性能：（：（1）體積電）體積電阻率阻率() 1012cm; （2）相對介電常數(shù)）相對介電常數(shù)(r)30; （3）損耗因子）損耗因子(tg)0.001;（4）介電強(qiáng)度介電強(qiáng)度(DS)5.0kV/mm。 5.3 絕緣陶瓷 第五章 功能陶瓷l 除上述性能外，絕緣陶瓷還應(yīng)具有良好導(dǎo)熱除上述性能外，絕緣陶瓷還應(yīng)

48、具有良好導(dǎo)熱性、與導(dǎo)體材料盡可能一致熱膨脹性、耐熱性、與導(dǎo)體材料盡可能一致熱膨脹性、耐熱性、高強(qiáng)性及化學(xué)穩(wěn)定性等。性、高強(qiáng)性及化學(xué)穩(wěn)定性等。l 與傳統(tǒng)絕緣陶瓷相比，精密絕緣陶瓷則是后與傳統(tǒng)絕緣陶瓷相比，精密絕緣陶瓷則是后起之秀，它在近代電子技術(shù)中所起的作用是起之秀，它在近代電子技術(shù)中所起的作用是前者無法比擬。前者無法比擬。 5.3 絕緣陶瓷 第五章 功能陶瓷l 在當(dāng)今世界上，每年要制造數(shù)百億件質(zhì)量相在當(dāng)今世界上，每年要制造數(shù)百億件質(zhì)量相當(dāng)高的集成電路，其中約當(dāng)高的集成電路，其中約20%要采用精密絕要采用精密絕緣陶瓷基片。緣陶瓷基片。 l 在計算機(jī)集成電路中采用多層絕緣陶瓷基片在計算機(jī)集成電路中

49、采用多層絕緣陶瓷基片與封裝材料可以使高速計算機(jī)的工作效率翻與封裝材料可以使高速計算機(jī)的工作效率翻番，其價值超過了陶瓷自身所具價值的成千番，其價值超過了陶瓷自身所具價值的成千上萬倍。上萬倍。 5.3 絕緣陶瓷 第五章 功能陶瓷二二 絕緣陶瓷的性能與特征絕緣陶瓷的性能與特征（一）（一）離子導(dǎo)電和絕緣性離子導(dǎo)電和絕緣性 5.3 絕緣陶瓷 第五章 功能陶瓷l 固體能帶中那些被電子完全占滿的叫固體能帶中那些被電子完全占滿的叫滿帶滿帶，未，未被電子占據(jù)的叫被電子占據(jù)的叫導(dǎo)帶導(dǎo)帶，滿帶和導(dǎo)帶之間稱之為，滿帶和導(dǎo)帶之間稱之為禁帶禁帶。如果禁帶寬度足夠大，滿帶的電子就難。如果禁帶寬度足夠大，滿帶的電子就難以被激

50、發(fā)而超越禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，固體便成為典以被激發(fā)而超越禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，固體便成為典型的絕緣體。型的絕緣體。 5.3 絕緣陶瓷 第五章 功能陶瓷l實際上，理想的絕緣體只有在絕對零度實際上，理想的絕緣體只有在絕對零度時才能獲得。這與高溫時半導(dǎo)體的性質(zhì)時才能獲得。這與高溫時半導(dǎo)體的性質(zhì)相似，只不過絕緣體的禁帶寬度比半導(dǎo)相似，只不過絕緣體的禁帶寬度比半導(dǎo)體大（絕緣體的禁帶寬度約體大（絕緣體的禁帶寬度約45eV，半，半導(dǎo)體約為導(dǎo)體約為1eV左右）。左右）。 5.3 絕緣陶瓷 第五章 功能陶瓷l 因為絕緣體禁帶寬度很大，激發(fā)電子需很大因為絕緣體禁帶寬度很大，激發(fā)電子需很大能量，在室溫附近，實際上可認(rèn)為電子幾乎能量

51、，在室溫附近，實際上可認(rèn)為電子幾乎不遷移。很多絕緣陶瓷是典型離子晶體或共不遷移。很多絕緣陶瓷是典型離子晶體或共價晶體，在此情況下，對具有足夠?qū)挾冉麕r晶體，在此情況下，對具有足夠?qū)挾冉麕^(qū)絕緣陶瓷而言，離子導(dǎo)電就變得十分重要區(qū)絕緣陶瓷而言，離子導(dǎo)電就變得十分重要了，這是通過離子擴(kuò)散而發(fā)生的導(dǎo)電行為。了，這是通過離子擴(kuò)散而發(fā)生的導(dǎo)電行為。一般離子電導(dǎo)率一般離子電導(dǎo)率i可用下式表示：可用下式表示：iinq（5-33）n：單位體積中可遷移的離子數(shù)；：單位體積中可遷移的離子數(shù)；q：離子：離子的電荷；的電荷；i：離子的遷移率。：離子的遷移率。kTqDii（5-34）Di：離子的：離子的擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)；

52、k：玻耳茲曼常數(shù)玻耳茲曼常數(shù)；T：絕對溫度絕對溫度 (K)。 5.3 絕緣陶瓷 第五章 功能陶瓷而而Di可由下式給出：可由下式給出：kTEADiexp（5-35）式中，式中，E：激活能；：激活能；A：頻率系數(shù)。：頻率系數(shù)。由式（由式（6-33）（6-35）及）及l(fā)gTgbgbdgrgrdgb，（，（5-48）簡化為：）簡化為：gbgbgreffdd?？梢?，要提高。可見，要提高eff，必須增大，必須增大grd，減小，減小gbd。 5.6 半導(dǎo)體陶瓷 第五章 功能陶瓷（二）（二）壓敏陶瓷制備工藝壓敏陶瓷制備工藝壓敏陶瓷典型工藝簡要流壓敏陶瓷典型工藝簡要流程：原料程：原料配料配料混料及粉混料及粉碎碎

53、脫水干燥脫水干燥預(yù)燒預(yù)燒研磨研磨粉碎粉碎造粒造粒成型壓片成型壓片排排膠膠燒成燒成加工磨片加工磨片上電上電極極檢測。檢測。 5.6 半導(dǎo)體陶瓷 第五章 功能陶瓷l 對某些晶體施加壓力、張力或切向力時，則對某些晶體施加壓力、張力或切向力時，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時在晶體發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時在晶體兩端面將出現(xiàn)數(shù)量相等、符號相反的束縛電兩端面將出現(xiàn)數(shù)量相等、符號相反的束縛電荷，這種現(xiàn)象稱為荷，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)。l 在晶體上施加電場引起極化時，將產(chǎn)生與電在晶體上施加電場引起極化時，將產(chǎn)生與電場強(qiáng)度成比例的變形或機(jī)械應(yīng)力，這種現(xiàn)象場強(qiáng)度成比例的變形或機(jī)械應(yīng)力，這種現(xiàn)象

54、稱為稱為逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)。 5.7 壓電陶瓷 第五章 功能陶瓷壓電陶瓷變壓器壓電陶瓷變壓器壓電陶瓷濾波器壓電陶瓷濾波器 5.7 壓電陶瓷 第五章 功能陶瓷壓電陶瓷超聲波傳感器壓電陶瓷超聲波傳感器壓電陶瓷電機(jī)壓電陶瓷電機(jī) 5.7 壓電陶瓷 第五章 功能陶瓷 5.7 壓電陶瓷 第五章 功能陶瓷l 正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。l 晶體是否呈現(xiàn)壓電晶體是否呈現(xiàn)壓電效應(yīng)，由晶體結(jié)構(gòu)效應(yīng)，由晶體結(jié)構(gòu)所決定。所決定。l 凡具有對稱中心的晶體不呈現(xiàn)壓電效應(yīng)。凡具有對稱中心的晶體不呈現(xiàn)壓電效應(yīng)。l 32類晶族，只有類晶族，只有21種無對稱中心，其中種無對稱中心，其中一種的壓電常

55、數(shù)為零。一種的壓電常數(shù)為零。 l 20種是可以有壓電效應(yīng)的。種是可以有壓電效應(yīng)的。 5.7 壓電陶瓷 第五章 功能陶瓷 5.7 壓電陶瓷 第五章 功能陶瓷l 陶瓷材料的壓電效應(yīng)來源于材料本身的陶瓷材料的壓電效應(yīng)來源于材料本身的鐵鐵電性電性。l 將具有鐵電性的陶瓷進(jìn)行人工極化后所獲將具有鐵電性的陶瓷進(jìn)行人工極化后所獲得的陶瓷就是壓電陶瓷。得的陶瓷就是壓電陶瓷。l 所有的壓電陶瓷也就是鐵電陶瓷。所有的壓電陶瓷也就是鐵電陶瓷。 5.7 壓電陶瓷 第五章 功能陶瓷l 從晶體結(jié)構(gòu)上看，屬于鈣鈦礦型、鎢青銅從晶體結(jié)構(gòu)上看，屬于鈣鈦礦型、鎢青銅型、焦綠石型、含鉍層型結(jié)構(gòu)的陶瓷材料型、焦綠石型、含鉍層型結(jié)構(gòu)的

56、陶瓷材料具有壓電性，鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)的陶瓷具有壓電性，鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)的陶瓷（鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛等）是典型（鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛等）是典型的壓電陶瓷。的壓電陶瓷。l 壓電陶瓷以其獨特性能得到廣泛的應(yīng)用。壓電陶瓷以其獨特性能得到廣泛的應(yīng)用。 5.7 壓電陶瓷 第五章 功能陶瓷l 壓電陶瓷分為壓電振子和壓電換能器兩大類。壓電陶瓷分為壓電振子和壓電換能器兩大類。l 前者利用振子本身諧振特性，要求壓電、介電、前者利用振子本身諧振特性，要求壓電、介電、彈性等性能穩(wěn)定，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高。彈性等性能穩(wěn)定，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高。l 后者直接利用正、逆壓電效應(yīng)進(jìn)行機(jī)械能和電后者直接利用正、逆壓電效應(yīng)進(jìn)行機(jī)械能

57、和電能轉(zhuǎn)換，要求品質(zhì)因數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)高。能轉(zhuǎn)換，要求品質(zhì)因數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)高。 5.7 壓電陶瓷 第五章 功能陶瓷l 任何具體應(yīng)用，都應(yīng)兼顧壓電陶瓷機(jī)械性任何具體應(yīng)用，都應(yīng)兼顧壓電陶瓷機(jī)械性能、介電性能、鐵電性能以及熱性能等特能、介電性能、鐵電性能以及熱性能等特性，方能使不同特性材料得到合理應(yīng)用。性，方能使不同特性材料得到合理應(yīng)用。表表5-10 5-10 壓電陶瓷材料應(yīng)用范圍舉例壓電陶瓷材料應(yīng)用范圍舉例( (續(xù)續(xù)1)1)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域主要用途舉例主要用途舉例電源壓電變壓器雷達(dá)、電視顯象管、陰極射線管、激光管和電子復(fù)印機(jī)等高壓電源和壓電點火裝置信號源標(biāo)準(zhǔn)信號源振蕩器、壓電音叉等用作精密儀器中

58、的時間和頻率標(biāo)準(zhǔn)信號源 5.7 壓電陶瓷 第五章 功能陶瓷壓電陶瓷的主要應(yīng)用領(lǐng)域列于表壓電陶瓷的主要應(yīng)用領(lǐng)域列于表5-9中。中。表表5-10 5-10 壓電陶瓷材料應(yīng)用范圍舉例壓電陶瓷材料應(yīng)用范圍舉例( (續(xù)續(xù)2)2)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域主要用途舉例主要用途舉例信號轉(zhuǎn)換電聲換能器送話器、受話器、揚聲器等聲頻范圍的電聲器件超聲換能器超聲切割、焊接、清洗、攪拌、乳化及超聲顯示等頻率高于20kHz20kHz的超聲器件 5.7 壓電陶瓷 第五章 功能陶瓷表表5-10 5-10 壓電陶瓷材料應(yīng)用范圍舉例壓電陶瓷材料應(yīng)用范圍舉例( (續(xù)續(xù)3)3)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域主要用途舉例主要用途舉例發(fā)射與接收超聲換能器探測

59、地質(zhì)構(gòu)造、油井固實程度、無損探傷和測厚、催化反應(yīng)、超聲衍射等各種工業(yè)用超聲器件水聲換能器水下導(dǎo)航定位、通訊和探測的聲納、超聲測深、魚群探測和傳聲器等 5.7 壓電陶瓷 第五章 功能陶瓷應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域主要用途舉例主要用途舉例信號處理濾波器通信廣播中所用各種分立濾波器和復(fù)合濾波器，如彩電中頻濾波器；雷達(dá)、自控和計算機(jī)系統(tǒng)所用帶通濾波器脈沖濾波器等放大器聲表面波信號放大器以及震蕩器、混頻器、衰減器、隔離器等表面波導(dǎo)聲表面波傳輸器 5.7 壓電陶瓷 第五章 功能陶瓷表表5-10 5-10 壓電陶瓷材料應(yīng)用范圍舉例壓電陶瓷材料應(yīng)用范圍舉例( (續(xù)續(xù)4)4)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域主要用途舉例主要用途舉例存儲顯

60、示調(diào)制用于電光和聲光調(diào)制的光閥、光閘、光變頻器和光偏轉(zhuǎn)器、聲開關(guān)等存儲光信息存儲器、光記憶器顯示鐵電顯示器、聲光顯示器、組頁器等 5.7 壓電陶瓷 第五章 功能陶瓷表表5-10 5-10 壓電陶瓷材料應(yīng)用范圍舉例壓電陶瓷材料應(yīng)用范圍舉例( (續(xù)續(xù)5)5)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域主要用途舉例主要用途舉例傳感與計測加速度計壓力計工業(yè)和航空技術(shù)上測定振動體或飛行器工作狀態(tài)的加速度計、自動控制開關(guān)、污染檢測用振動計以及流速計、流量計和液面計等角速度計測量物體角速度及控制飛行器航向壓電陀螺紅外探測器監(jiān)視領(lǐng)空、檢測大氣污染濃度、非接觸式測溫及熱成像、熱電探測、跟蹤器等位移發(fā)生器激光穩(wěn)頻補(bǔ)償元件、顯微加工設(shè)備及光角