第三章功能陶瓷ppt課件

1、特種陶瓷材料及工藝特種陶瓷材料及工藝授課教師：蔣百靈授課教師：蔣百靈 教授教授材料科學(xué)與工程學(xué)院3.1、電解質(zhì)陶瓷3.2、鐵電陶瓷3.3、敏感陶瓷3.4、導(dǎo)電陶瓷3.5、超導(dǎo)陶瓷3.6、磁性陶瓷3.7、陶瓷的金屬化和封接第三章、功能陶瓷第三章、功能陶瓷功能材料：在材料應(yīng)用中，主要利用其非力學(xué)性能時，則統(tǒng)稱此類材料為功能材料。所謂非力學(xué)性能，包括材料的電、磁、光、熱、化學(xué)、核性能和生物學(xué)等方面的性能。功能陶瓷不僅在功能材料中占有十分重要的地位，且功能陶瓷占整個特種陶瓷制品銷售量的80%，而電磁功能陶瓷又要占到功能陶瓷的80%以上。功能陶瓷已在能源開發(fā)、空間技術(shù)、電子技術(shù)、傳感技術(shù)、激光技術(shù)、光電

2、子技術(shù)、紅外技術(shù)、生物技術(shù)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。第三章、功能陶瓷第三章、功能陶瓷3.1 3.1 電介質(zhì)陶瓷電介質(zhì)陶瓷 電介質(zhì)陶瓷：從電性能的角度分類，可將固體材料分為超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體各自的電阻率界限是多少？各寫出三個物質(zhì)的名稱留為作業(yè)自查資料?。?，絕緣體資料亦稱電介質(zhì)。電介質(zhì)陶瓷即是指電阻率大于1088次方m的陶瓷材料，能承受較強(qiáng)的電場而不被擊穿。3.1.13.1.1電介質(zhì)陶瓷的一般特性電介質(zhì)陶瓷的一般特性 1 1電絕緣與極化電絕緣與極化電介質(zhì)陶瓷中的分子正負(fù)電荷彼此強(qiáng)烈地束縛，電介質(zhì)陶瓷中的分子正負(fù)電荷彼此強(qiáng)烈地束縛，在弱電場的作用下，雖然正電荷沿電場方向移動，在弱電場

3、的作用下，雖然正電荷沿電場方向移動，負(fù)電荷逆電場方向移動，但它們并不能掙脫彼此負(fù)電荷逆電場方向移動，但它們并不能掙脫彼此的束縛而形成電流，因而具有較高的體積電阻率，的束縛而形成電流，因而具有較高的體積電阻率，具有絕緣性。由于電荷的移動，造成了正負(fù)電荷具有絕緣性。由于電荷的移動，造成了正負(fù)電荷中心不重合，在電介質(zhì)陶瓷內(nèi)部形成偶極距，產(chǎn)中心不重合，在電介質(zhì)陶瓷內(nèi)部形成偶極距，產(chǎn)生了極化。生了極化。2 2極化與介電損耗極化與介電損耗電介質(zhì)陶瓷的另一特性是介電損耗。任何電介電介質(zhì)陶瓷的另一特性是介電損耗。任何電介質(zhì)在電場作用下，總會或多或少的把部分電能轉(zhuǎn)質(zhì)在電場作用下，總會或多或少的把部分電能轉(zhuǎn)變成熱

4、能使介質(zhì)發(fā)熱，在單位時間內(nèi)因發(fā)熱而消變成熱能使介質(zhì)發(fā)熱，在單位時間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量稱為損耗功率或簡稱介電損耗。耗的能量稱為損耗功率或簡稱介電損耗。3.1 3.1 電介質(zhì)陶瓷電介質(zhì)陶瓷 3.1.23.1.2電介質(zhì)陶瓷的性能及分類電介質(zhì)陶瓷的性能及分類電介質(zhì)陶瓷在靜電場或交變電場中使用，評價電介質(zhì)陶瓷在靜電場或交變電場中使用，評價其特性主要指標(biāo)有體積電阻率、介電常數(shù)和介電其特性主要指標(biāo)有體積電阻率、介電常數(shù)和介電損耗等參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)的不同，可把電介質(zhì)損耗等參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)的不同，可把電介質(zhì)陶瓷分為電絕緣陶瓷即裝置陶瓷和電容器陶瓷。陶瓷分為電絕緣陶瓷即裝置陶瓷和電容器陶瓷。按性質(zhì)分別稱為壓

5、電陶瓷、熱釋電陶瓷和鐵電陶按性質(zhì)分別稱為壓電陶瓷、熱釋電陶瓷和鐵電陶瓷。瓷。1 1電絕緣陶瓷電絕緣陶瓷電絕緣陶瓷又稱為裝置陶瓷，是在電子設(shè)備中電絕緣陶瓷又稱為裝置陶瓷，是在電子設(shè)備中作為安裝、固定、支撐、維護(hù)、絕緣、隔離及連作為安裝、固定、支撐、維護(hù)、絕緣、隔離及連接各種無線電子原件及器件的陶瓷材料。具有以接各種無線電子原件及器件的陶瓷材料。具有以下性質(zhì)；下性質(zhì)；a a 高的體積電阻率，高的體積電阻率，b b 介電常數(shù)小介電常數(shù)小 ，c c 高頻電場下的介電損耗要小，高頻電場下的介電損耗要小， d d 機(jī)械強(qiáng)度高機(jī)械強(qiáng)度高 ，e e 良好的化學(xué)穩(wěn)定性良好的化學(xué)穩(wěn)定性3.1 3.1 電介質(zhì)陶瓷電

6、介質(zhì)陶瓷 3.1.23.1.2電介質(zhì)陶瓷的性能及分類電介質(zhì)陶瓷的性能及分類2) 2) 電容器陶瓷電容器陶瓷 根據(jù)陶瓷電容器所采用陶瓷材料的特點，根據(jù)陶瓷電容器所采用陶瓷材料的特點，電容器分為溫度補(bǔ)償，溫度穩(wěn)定，高介電常數(shù)和電容器分為溫度補(bǔ)償，溫度穩(wěn)定，高介電常數(shù)和半導(dǎo)體系四種類型。半導(dǎo)體系四種類型。 若按制造這些陶瓷電容器的材料性質(zhì)也可若按制造這些陶瓷電容器的材料性質(zhì)也可分為四大類。第一類為非鐵電電容器陶瓷，其特分為四大類。第一類為非鐵電電容器陶瓷，其特點是高頻損耗小，在使用的溫度范圍內(nèi)介電常數(shù)點是高頻損耗小，在使用的溫度范圍內(nèi)介電常數(shù)隨溫度變化而呈線性變化。因此又稱熱補(bǔ)償電容隨溫度變化而呈線

7、性變化。因此又稱熱補(bǔ)償電容器陶瓷。第二類為鐵電電容器陶瓷，其特點是介器陶瓷。第二類為鐵電電容器陶瓷，其特點是介電常數(shù)呈非線性且值高。又稱強(qiáng)介電常數(shù)電容器電常數(shù)呈非線性且值高。又稱強(qiáng)介電常數(shù)電容器陶瓷。第三類為反鐵電電容器陶瓷。第四類為半陶瓷。第三類為反鐵電電容器陶瓷。第四類為半導(dǎo)體電容器陶瓷。導(dǎo)體電容器陶瓷。3.1 3.1 電介質(zhì)陶瓷電介質(zhì)陶瓷 3.1.23.1.2電介質(zhì)陶瓷的性能及分類電介質(zhì)陶瓷的性能及分類2) 2) 電容器陶瓷電容器陶瓷 用于制造電容器的陶瓷材料在性能上有如下要求；用于制造電容器的陶瓷材料在性能上有如下要求； 介電常數(shù)應(yīng)盡可能高。介電常數(shù)越高，陶瓷電介電常數(shù)應(yīng)盡可能高。介電

8、常數(shù)越高，陶瓷電容器的容器的 體積可以做得越小。體積可以做得越小。 在高頻、高溫、高壓以及其它惡劣環(huán)境下穩(wěn)定在高頻、高溫、高壓以及其它惡劣環(huán)境下穩(wěn)定可靠?？煽俊?介質(zhì)損耗角正切值小。這樣可以在高頻電路中介質(zhì)損耗角正切值小。這樣可以在高頻電路中充分發(fā)揮作用，對于高功率陶瓷電容器，能提高無充分發(fā)揮作用，對于高功率陶瓷電容器，能提高無功功率。功功率。 比體積電阻高于比體積電阻高于1010m1010m，這樣可保證在高溫，這樣可保證在高溫下工作。下工作。 高的介電強(qiáng)度，陶瓷電容器在高壓和高功率條高的介電強(qiáng)度，陶瓷電容器在高壓和高功率條件下，往往由于擊穿而不能工作。因此提高它的耐件下，往往由于擊穿而不能工

9、作。因此提高它的耐壓性能，對充分發(fā)揮陶瓷的功能有重要的作用。壓性能，對充分發(fā)揮陶瓷的功能有重要的作用。3.1 3.1 電介質(zhì)陶瓷電介質(zhì)陶瓷 3.1.2 3.1.2 電介質(zhì)陶瓷的性能及分類電介質(zhì)陶瓷的性能及分類3 3壓電陶瓷壓電陶瓷概念：概念： 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 、熱釋電效應(yīng)、鐵電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)、鐵電效應(yīng)電介質(zhì)陶瓷中的第三大類即為壓電陶瓷，它包括電介質(zhì)陶瓷中的第三大類即為壓電陶瓷，它包括壓電陶瓷、熱釋電陶瓷和鐵電陶瓷三種。壓電陶瓷、熱釋電陶瓷和鐵電陶瓷三種。3.1 3.1 電介質(zhì)陶瓷電介質(zhì)陶瓷 3.1.33.1.3電介質(zhì)陶瓷陶瓷生產(chǎn)工藝、性能及應(yīng)用電介質(zhì)陶瓷陶瓷生產(chǎn)工藝、性能及應(yīng)用1 1電絕緣

10、陶瓷的生產(chǎn)特點電絕緣陶瓷的生產(chǎn)特點電絕緣陶瓷的性能，主要強(qiáng)調(diào)三個方面，即電絕緣陶瓷的性能，主要強(qiáng)調(diào)三個方面，即高體積電阻率、低介電常熟和低介電損耗。除高體積電阻率、低介電常熟和低介電損耗。除此之外，還要求具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。此之外，還要求具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。陶瓷材料是晶相、玻璃相及氣相組成的多相陶瓷材料是晶相、玻璃相及氣相組成的多相系統(tǒng)，其電學(xué)性能主要取決于晶相和玻璃相的系統(tǒng)，其電學(xué)性能主要取決于晶相和玻璃相的組成和結(jié)構(gòu)，尤其是晶界玻璃相中的雜質(zhì)濃度組成和結(jié)構(gòu)，尤其是晶界玻璃相中的雜質(zhì)濃度較高，且在組織結(jié)構(gòu)形成連續(xù)相，所以陶瓷的較高，且在組織結(jié)構(gòu)形成連續(xù)相，所以陶瓷的電絕緣性和介電損耗性主要受

11、玻璃相的影響。電絕緣性和介電損耗性主要受玻璃相的影響。3.1 3.1 電介質(zhì)陶瓷電介質(zhì)陶瓷 3.1.33.1.3電介質(zhì)陶瓷陶瓷生產(chǎn)工藝、性能及應(yīng)用電介質(zhì)陶瓷陶瓷生產(chǎn)工藝、性能及應(yīng)用1)1)電絕緣陶瓷的生產(chǎn)特點電絕緣陶瓷的生產(chǎn)特點 通常陶瓷材料的導(dǎo)電機(jī)制為離子導(dǎo)電。離通常陶瓷材料的導(dǎo)電機(jī)制為離子導(dǎo)電。離子導(dǎo)電又可分為本征離子導(dǎo)電、雜質(zhì)離子導(dǎo)電和子導(dǎo)電又可分為本征離子導(dǎo)電、雜質(zhì)離子導(dǎo)電和玻璃離子導(dǎo)電。要獲得高體積電阻率的陶瓷材料，玻璃離子導(dǎo)電。要獲得高體積電阻率的陶瓷材料，必須在工藝上考慮以下幾點；必須在工藝上考慮以下幾點； 選擇體積電阻率高的晶體材料為主要相。選擇體積電阻率高的晶體材料為主要相。

12、 嚴(yán)格控制配方，避免雜質(zhì)離子，尤其是堿金屬和嚴(yán)格控制配方，避免雜質(zhì)離子，尤其是堿金屬和堿土金屬離子的引入，在必須引入金屬離子時，堿土金屬離子的引入，在必須引入金屬離子時，充分利用中和效應(yīng)和壓抑效應(yīng)，以降低材料中玻充分利用中和效應(yīng)和壓抑效應(yīng)，以降低材料中玻璃相的電導(dǎo)率。璃相的電導(dǎo)率。 由于玻璃的電導(dǎo)活化能小，由于玻璃的電導(dǎo)活化能小，因此應(yīng)盡可能控制玻璃相的數(shù)量，甚至達(dá)到無玻因此應(yīng)盡可能控制玻璃相的數(shù)量，甚至達(dá)到無玻璃相燒結(jié)。璃相燒結(jié)。 避免引入變價金屬離子，以免產(chǎn)避免引入變價金屬離子，以免產(chǎn)生自由電子和空穴，引起電子式導(dǎo)電，使電性能生自由電子和空穴，引起電子式導(dǎo)電，使電性能惡化。惡化。 嚴(yán)格控制

13、溫度和氣氛，以免產(chǎn)生氧化嚴(yán)格控制溫度和氣氛，以免產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)而出現(xiàn)自由電子可空穴。還原反應(yīng)而出現(xiàn)自由電子可空穴。 當(dāng)材料中當(dāng)材料中已引入了產(chǎn)生自由電子或空穴的離子時，可引入已引入了產(chǎn)生自由電子或空穴的離子時，可引入另一種產(chǎn)生空穴或自由電子的不等價雜質(zhì)離子，另一種產(chǎn)生空穴或自由電子的不等價雜質(zhì)離子，以消除自由電子和空穴，提高體積電阻率這種方以消除自由電子和空穴，提高體積電阻率這種方法稱作雜質(zhì)補(bǔ)償。法稱作雜質(zhì)補(bǔ)償。3.1 3.1 電介質(zhì)陶瓷電介質(zhì)陶瓷 3.1.33.1.3電介質(zhì)陶瓷陶瓷生產(chǎn)工藝、性能及應(yīng)用電介質(zhì)陶瓷陶瓷生產(chǎn)工藝、性能及應(yīng)用1)1)電絕緣陶瓷的生產(chǎn)特點電絕緣陶瓷的生產(chǎn)特點 另外，

14、對于絕緣陶瓷還要求低介電損耗，陶另外，對于絕緣陶瓷還要求低介電損耗，陶瓷損耗的瓷損耗的 主要來源是漏導(dǎo)損耗、松弛質(zhì)點的極主要來源是漏導(dǎo)損耗、松弛質(zhì)點的極化損耗及結(jié)構(gòu)損耗。因此，降低材料的介電損耗化損耗及結(jié)構(gòu)損耗。因此，降低材料的介電損耗主要從降低漏導(dǎo)損耗和極化損耗入手：主要從降低漏導(dǎo)損耗和極化損耗入手： 選擇合適的主晶相。選擇合適的主晶相。 在改善主晶相性質(zhì)時在改善主晶相性質(zhì)時盡量避免產(chǎn)生缺位固溶體或填隙固溶體，最好形盡量避免產(chǎn)生缺位固溶體或填隙固溶體，最好形成連續(xù)固溶體。成連續(xù)固溶體。 盡量減小玻璃相含量。盡量減小玻璃相含量。 防防止產(chǎn)生多晶轉(zhuǎn)換，因為多晶轉(zhuǎn)變時晶格缺陷多，止產(chǎn)生多晶轉(zhuǎn)換，因

15、為多晶轉(zhuǎn)變時晶格缺陷多，電性能下降，損耗增加。電性能下降，損耗增加。 注意燒結(jié)氣氛，尤注意燒結(jié)氣氛，尤其對含有變價離子的陶瓷的燒結(jié)。其對含有變價離子的陶瓷的燒結(jié)。 控制好最控制好最終燒結(jié)溫度，使產(chǎn)品終燒結(jié)溫度，使產(chǎn)品“正燒正燒”。3.1 3.1 電介質(zhì)陶瓷電介質(zhì)陶瓷 3.1.4 3.1.4 鎂質(zhì)瓷鎂質(zhì)瓷 鎂質(zhì)瓷是以含鎂質(zhì)瓷是以含MgOMgO的鋁硅酸鹽為主晶相的陶瓷。的鋁硅酸鹽為主晶相的陶瓷。按照瓷坯的主晶相不同，它可分為以下四類：滑石按照瓷坯的主晶相不同，它可分為以下四類：滑石瓷、鎂橄欖石瓷、尖晶石瓷及董青石瓷?；捎么?、鎂橄欖石瓷、尖晶石瓷及董青石瓷?；捎糜谝话愀哳l無線電設(shè)備中，如雷達(dá)

16、、電視機(jī)常用它于一般高頻無線電設(shè)備中，如雷達(dá)、電視機(jī)常用它來制造絕緣零件。鎂橄欖石瓷的介質(zhì)損耗低，比體來制造絕緣零件。鎂橄欖石瓷的介質(zhì)損耗低，比體積電阻大，可作為高頻絕緣材料。董青石瓷上午膨積電阻大，可作為高頻絕緣材料。董青石瓷上午膨脹系數(shù)很低，熱穩(wěn)定性好，用于要求體積不隨溫度脹系數(shù)很低，熱穩(wěn)定性好，用于要求體積不隨溫度變化、耐熱沖擊的絕緣材料或電熱材料。變化、耐熱沖擊的絕緣材料或電熱材料。3.1 3.1 電介質(zhì)陶瓷電介質(zhì)陶瓷 3.1.4 3.1.4 鎂質(zhì)瓷鎂質(zhì)瓷( (以滑石瓷為例以滑石瓷為例) ) 滑石瓷因介電損耗小，是重要的高頻裝置瓷之滑石瓷因介電損耗小，是重要的高頻裝置瓷之一。由于膨脹系

17、數(shù)大，熱穩(wěn)定性差，耐熱性低，常一。由于膨脹系數(shù)大，熱穩(wěn)定性差，耐熱性低，常用于機(jī)械強(qiáng)度及耐熱性無特殊要求之處?；癁閷佑糜跈C(jī)械強(qiáng)度及耐熱性無特殊要求之處?；癁閷訝罱Y(jié)構(gòu)，滑石粉為片狀，有滑膩感，易擠壓成型，狀結(jié)構(gòu)，滑石粉為片狀，有滑膩感，易擠壓成型，燒結(jié)后尺寸精度高，制品已進(jìn)行研磨加工，價格低燒結(jié)后尺寸精度高，制品已進(jìn)行研磨加工，價格低廉。廉?；傻呐浞交傻呐浞?主要原料是滑石。為改進(jìn)生坯加工性能及瓷件主要原料是滑石。為改進(jìn)生坯加工性能及瓷件質(zhì)量，常引入一些外加劑。如：質(zhì)量，常引入一些外加劑。如： 粘土粘土-為增加塑性及降低燒結(jié)溫度。為增加塑性及降低燒結(jié)溫度。 堿土金屬氧化物堿土金屬氧化

18、物-改善滑石瓷的電性能。改善滑石瓷的電性能。 硼酸鹽硼酸鹽-大幅度降低燒結(jié)溫度。大幅度降低燒結(jié)溫度。 氧化鋯和氧化鋅氧化鋯和氧化鋅-提高材料機(jī)械強(qiáng)度。提高材料機(jī)械強(qiáng)度。 3.1 3.1 電介質(zhì)陶瓷電介質(zhì)陶瓷 3.1.5 3.1.5 非鐵電電容器陶瓷非鐵電電容器陶瓷非鐵電高介電電容器陶瓷的品種繁多。按照材料介非鐵電高介電電容器陶瓷的品種繁多。按照材料介電系數(shù)和溫度系數(shù)的大小，可分為溫度補(bǔ)償電容器電系數(shù)和溫度系數(shù)的大小，可分為溫度補(bǔ)償電容器陶瓷及溫度穩(wěn)定電容器陶瓷兩類。陶瓷及溫度穩(wěn)定電容器陶瓷兩類。1 1溫度補(bǔ)償電容器陶瓷溫度補(bǔ)償電容器陶瓷高頻溫度補(bǔ)償電容器陶瓷的介電系數(shù)在高頻溫度補(bǔ)償電容器陶瓷的

19、介電系數(shù)在650650以下，以下，介電常數(shù)的溫度系數(shù)較小，而且可通過組成的調(diào)整，介電常數(shù)的溫度系數(shù)較小，而且可通過組成的調(diào)整，使介電常數(shù)的溫度系數(shù)靈活地變化。介電常數(shù)的溫使介電常數(shù)的溫度系數(shù)靈活地變化。介電常數(shù)的溫度系數(shù)常為負(fù)值，用來補(bǔ)償回路中電感的正溫度系度系數(shù)常為負(fù)值，用來補(bǔ)償回路中電感的正溫度系數(shù)，使回路的諧振頻率保持穩(wěn)定。數(shù)，使回路的諧振頻率保持穩(wěn)定。 a a 金紅石瓷金紅石瓷金紅石瓷是一種利用較早的高介電材料，其主晶相金紅石瓷是一種利用較早的高介電材料，其主晶相為金紅石為金紅石TiO2TiO2TiO2TiO2的活性、晶粒大小及燒結(jié)溫的活性、晶粒大小及燒結(jié)溫度與于燒溫度有關(guān)。另外加入的

20、高齡土、膨潤土一度與于燒溫度有關(guān)。另外加入的高齡土、膨潤土一方面可增加可塑性，另一方面降低燒結(jié)溫度。方面可增加可塑性，另一方面降低燒結(jié)溫度。3.1 3.1 電介質(zhì)陶瓷電介質(zhì)陶瓷 3.1.5 3.1.5 非鐵電電容器陶瓷非鐵電電容器陶瓷1 1溫度補(bǔ)償電容器陶瓷溫度補(bǔ)償電容器陶瓷 b b 鈦酸鈣陶瓷鈦酸鈣陶瓷 鈦酸鈣陶瓷是目前大量使用的材料，它具有較鈦酸鈣陶瓷是目前大量使用的材料，它具有較高的介電常數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)，可以制成小型高容量高的介電常數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)，可以制成小型高容量的高頻陶瓷電容器，用作容量穩(wěn)定性要求不高的高的高頻陶瓷電容器，用作容量穩(wěn)定性要求不高的高頻電容器，如耦合、旁路、貯能、隔直流

21、電容器等。頻電容器，如耦合、旁路、貯能、隔直流電容器等。 在燒結(jié)過程中加入少量二氧化鋯不僅能降低燒在燒結(jié)過程中加入少量二氧化鋯不僅能降低燒結(jié)溫度、擴(kuò)大燒結(jié)范圍，且能有效阻止鈦酸鈣高溫結(jié)溫度、擴(kuò)大燒結(jié)范圍，且能有效阻止鈦酸鈣高溫下晶粒長大。下晶粒長大。3.1 3.1 電介質(zhì)陶瓷電介質(zhì)陶瓷 3.1.5 3.1.5 非鐵電電容器陶瓷非鐵電電容器陶瓷2 2熱穩(wěn)定型電容器陶瓷熱穩(wěn)定型電容器陶瓷 熱穩(wěn)定性電容器陶瓷按用途可分為兩類：熱穩(wěn)定性電容器陶瓷按用途可分為兩類：高頻熱穩(wěn)定性電容器陶瓷和微波電介質(zhì)陶瓷。前者高頻熱穩(wěn)定性電容器陶瓷和微波電介質(zhì)陶瓷。前者的主要特點是介電系數(shù)的溫度系數(shù)絕對值很小，有的主要特

22、點是介電系數(shù)的溫度系數(shù)絕對值很小，有的甚至接近于零。后者主要用于制作微波濾波器。的甚至接近于零。后者主要用于制作微波濾波器。A A、高頻熱穩(wěn)定型電容器陶瓷、高頻熱穩(wěn)定型電容器陶瓷鈦酸鎂陶瓷鈦酸鎂陶瓷B B、微波電解質(zhì)陶瓷、微波電解質(zhì)陶瓷鈦酸鋇陶瓷鈦酸鋇陶瓷P191P191表表3-1-3-1-2323）3.1 3.1 電介質(zhì)陶瓷電介質(zhì)陶瓷 3.2 3.2 鐵電陶瓷鐵電陶瓷 鐵電陶瓷是具有鐵電性的陶瓷材料。在鐵電陶瓷材料中，所含有的永久偶極子彼此相互作用，結(jié)果形成許多電疇。在一個電疇的范圍內(nèi)，偶極子的取向均相同；對于不同的電疇，偶極子則有不同的取向。因此，在無電場存在時，整個晶體沒有凈偶極距。但在

23、施加足夠的電場時，那些取向和電場方向一致的疇生長變大，而其它方向的 疇收縮變小，隨后產(chǎn)生凈極化強(qiáng)度。鐵電陶瓷與其它的電介質(zhì)陶瓷不同，它的極化強(qiáng)度不與施加電場成線性關(guān)系，并具有明顯的滯后效應(yīng)。鐵電陶瓷在高溫下失去自發(fā)極化性能，在低溫時具有自發(fā)極化性能而成為鐵電相。此相變溫度稱為居里溫度或居里點。3.2.13.2.1壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能 在沒有對稱中心的晶體上施加壓力、張力或在沒有對稱中心的晶體上施加壓力、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，同時在晶體兩端將出現(xiàn)正負(fù)電荷。反之，當(dāng)在晶體上施在晶體兩端將出現(xiàn)正負(fù)電荷。反之，當(dāng)在

24、晶體上施加電場引起極化時，則將產(chǎn)生與電場強(qiáng)度成比例的加電場引起極化時，則將產(chǎn)生與電場強(qiáng)度成比例的變形或機(jī)械應(yīng)力。正、逆效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。陶變形或機(jī)械應(yīng)力。正、逆效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。陶瓷材料是由粉粒之間的固相反應(yīng)燒結(jié)而獲得的微晶瓷材料是由粉粒之間的固相反應(yīng)燒結(jié)而獲得的微晶不規(guī)則集合多晶體，整體上表現(xiàn)不出壓電效應(yīng)。但不規(guī)則集合多晶體，整體上表現(xiàn)不出壓電效應(yīng)。但經(jīng)過人工極化后，陶瓷的各個晶粒內(nèi)的自發(fā)極化方經(jīng)過人工極化后，陶瓷的各個晶粒內(nèi)的自發(fā)極化方向?qū)②呄蛴陔妶龇较颍哂薪朴趩尉У臉O性，可向?qū)②呄蛴陔妶龇较颍哂薪朴趩尉У臉O性，可呈現(xiàn)出明顯的壓電效應(yīng)。呈現(xiàn)出明顯的壓電效應(yīng)。 由于壓電陶瓷在極化

25、后具有壓電性，因此，由于壓電陶瓷在極化后具有壓電性，因此，構(gòu)成陶瓷的晶體必須是鐵電體。構(gòu)成陶瓷的晶體必須是鐵電體。3.2 3.2 鐵電陶瓷鐵電陶瓷3.2.13.2.1壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能壓電陶瓷的性能壓電陶瓷的性能 彈性常數(shù)彈性常數(shù)elastic coefficientelastic coefficient）：根據(jù)）：根據(jù)壓電效應(yīng)，壓電陶瓷在交變電場的作用下，會產(chǎn)生壓電效應(yīng)，壓電陶瓷在交變電場的作用下，會產(chǎn)生交替的伸長和收縮，從而形成與激勵電場頻率相一交替的伸長和收縮，從而形成與激勵電場頻率相一致的受迫機(jī)械振動。對于具有一定形狀、大小和被致的受迫機(jī)械振動。對于具有一定形狀、

26、大小和被覆工作電極的壓電陶瓷體稱為壓電陶瓷振子。彈性覆工作電極的壓電陶瓷體稱為壓電陶瓷振子。彈性常數(shù)是反映材料在彈性形變范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系常數(shù)是反映材料在彈性形變范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的物理量。的物理量。 機(jī)械品質(zhì)因數(shù)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)mechanical quality mechanical quality factorfactor）：機(jī)械品質(zhì)因數(shù)也是衡量壓電陶瓷材料的）：機(jī)械品質(zhì)因數(shù)也是衡量壓電陶瓷材料的一個重要參數(shù)。它表示在振動轉(zhuǎn)換時，材料內(nèi)部能一個重要參數(shù)。它表示在振動轉(zhuǎn)換時，材料內(nèi)部能量消耗的程度。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)越大，能量的損耗越量消耗的程度。機(jī)械品質(zhì)因數(shù)越大，能量的損耗越小。產(chǎn)生損耗的原因

27、在于內(nèi)摩擦。小。產(chǎn)生損耗的原因在于內(nèi)摩擦。3.2 3.2 鐵電陶瓷鐵電陶瓷3.1.2 3.1.2 壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝 壓電陶瓷生產(chǎn)的主要工藝流程：配料壓電陶瓷生產(chǎn)的主要工藝流程：配料-球磨球磨-過濾、枯燥過濾、枯燥-預(yù)燒預(yù)燒-二次球磨二次球磨-過濾、枯燥過濾、枯燥-過篩過篩-成型成型-排塑排塑-燒結(jié)燒結(jié)-精修精修-上電極上電極-燒銀燒銀-極化極化-測試。測試。 原料處理原料處理 首先，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式配料。所用的原料大多首先，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式配料。所用的原料大多數(shù)是金屬氧化物，少數(shù)也可用碳酸鹽。為使生成壓數(shù)是金屬氧化物，少數(shù)也可用碳酸鹽。為使生成壓電陶瓷的化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行，要求原

28、料細(xì)度一般不電陶瓷的化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行，要求原料細(xì)度一般不超過超過2 2m m平均直徑）。提高原料純度，有利于提平均直徑）。提高原料純度，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。高產(chǎn)品質(zhì)量。3.2 3.2 鐵電陶瓷鐵電陶瓷3.1.2 3.1.2 壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝 預(yù)燒中的反應(yīng)過程預(yù)燒中的反應(yīng)過程預(yù)燒過程一般需經(jīng)過四個階段：線性膨脹室溫預(yù)燒過程一般需經(jīng)過四個階段：線性膨脹室溫-400400），固相反應(yīng)），固相反應(yīng)400-750400-750），收縮），收縮750-750-850850），和晶粒生長），和晶粒生長800-900800-900以下）。以下）。 成型和排塑成型和排塑原料經(jīng)預(yù)燒后，就合成了

29、固溶體化合物。再經(jīng)一次原料經(jīng)預(yù)燒后，就合成了固溶體化合物。再經(jīng)一次粉碎，便可成型。成型可根據(jù)不同的要求采用軋膜、粉碎，便可成型。成型可根據(jù)不同的要求采用軋膜、壓型或等靜壓等方式。成型之前需加入粘合劑。對壓型或等靜壓等方式。成型之前需加入粘合劑。對軋膜的情況，粘合劑一般是粉料質(zhì)量的軋膜的情況，粘合劑一般是粉料質(zhì)量的15-20%15-20%；對壓型的情況，只需加對壓型的情況，只需加5%5%左右。過多的粘合劑會使左右。過多的粘合劑會使制品的致密度降低。成型后生坯中的粘合劑、水分制品的致密度降低。成型后生坯中的粘合劑、水分等必須加溫排去，成為排塑或排膠。等必須加溫排去，成為排塑或排膠。3.2 3.2

30、鐵電陶瓷鐵電陶瓷3.1.2 3.1.2 壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝 上電極上電極排塑后的生坯重新裝爐燒結(jié)。燒成的陶瓷經(jīng)精修、排塑后的生坯重新裝爐燒結(jié)。燒成的陶瓷經(jīng)精修、研磨、清潔后，就可以被覆上電極。被覆電極一般研磨、清潔后，就可以被覆上電極。被覆電極一般采用涂布銀漿烘干，然后裝爐，加熱到采用涂布銀漿烘干，然后裝爐，加熱到750750，保，保溫溫10-2010-20分鐘，使銀漿中的氧化銀還原為銀，并燒分鐘，使銀漿中的氧化銀還原為銀，并燒滲到陶瓷表面，形成牢固結(jié)合層。也可采用真空蒸滲到陶瓷表面，形成牢固結(jié)合層。也可采用真空蒸鍍或化學(xué)沉積等辦法來被電極。被上電極的產(chǎn)品便鍍或化學(xué)沉積等辦法

31、來被電極。被上電極的產(chǎn)品便可進(jìn)行人工極化處理。可進(jìn)行人工極化處理。 影響燒結(jié)的因素影響燒結(jié)的因素影響燒結(jié)的因素很多。首先是配方的化學(xué)組成，當(dāng)影響燒結(jié)的因素很多。首先是配方的化學(xué)組成，當(dāng)配方組成中有足夠的活動離子時，燒結(jié)容易進(jìn)行。配方組成中有足夠的活動離子時，燒結(jié)容易進(jìn)行。 極化極化壓電陶瓷必須經(jīng)過極化后才有壓電性。極化就是在壓電陶瓷必須經(jīng)過極化后才有壓電性。極化就是在直流電場作用下使電疇沿電場方向取向。直流電場作用下使電疇沿電場方向取向。3.2 3.2 鐵電陶瓷鐵電陶瓷3.1.3 3.1.3 壓電陶瓷的應(yīng)用壓電陶瓷的應(yīng)用 目前，壓電陶瓷的應(yīng)用已日益廣泛，但仍可目前，壓電陶瓷的應(yīng)用已日益廣泛，但

32、仍可大致分為壓電振子和壓電換能器兩大類。前者主要大致分為壓電振子和壓電換能器兩大類。前者主要是利用振子本身的諧振特性，要求壓電、介電、彈是利用振子本身的諧振特性，要求壓電、介電、彈性等性能穩(wěn)定，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高。后者主要是將一性等性能穩(wěn)定，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高。后者主要是將一種能量形式轉(zhuǎn)換成另一種能量形式，要求機(jī)電耦合種能量形式轉(zhuǎn)換成另一種能量形式，要求機(jī)電耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)高。系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)高。 典型的壓電陶瓷有鈦酸鋇系、鈦酸鉛等。典型的壓電陶瓷有鈦酸鋇系、鈦酸鉛等。3.2 3.2 鐵電陶瓷鐵電陶瓷3.3 3.3 敏感陶瓷敏感陶瓷3.3.1 3.3.1 敏感陶瓷的分類及應(yīng)用敏感陶瓷的分類及應(yīng)用 敏感

33、陶瓷是某些傳感器中的關(guān)鍵材料之一，敏感陶瓷是某些傳感器中的關(guān)鍵材料之一，用于制作敏感元件，敏感陶瓷多屬半導(dǎo)體陶瓷，用于制作敏感元件，敏感陶瓷多屬半導(dǎo)體陶瓷，是繼單晶半導(dǎo)體材料之后，又一類新型多晶半導(dǎo)是繼單晶半導(dǎo)體材料之后，又一類新型多晶半導(dǎo)體電子陶瓷。敏感陶瓷用于制造敏感元件，是根體電子陶瓷。敏感陶瓷用于制造敏感元件，是根據(jù)某些陶瓷的電阻率、電動勢等物理量對熱、濕、據(jù)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光、電壓及某種氣體、某種離子的變化特別敏感這一特性，按其相應(yīng)的特性，可把這些材料分別這一特性，按其相應(yīng)的特性，可把這些材料分別稱作熱敏、濕敏、光敏

34、、壓敏、氣敏及離子敏感稱作熱敏、濕敏、光敏、壓敏、氣敏及離子敏感陶瓷。此外，還有具有壓電效應(yīng)的壓力、位置、陶瓷。此外，還有具有壓電效應(yīng)的壓力、位置、速度、聲波敏感陶瓷，具有鐵氧體性質(zhì)的磁敏感速度、聲波敏感陶瓷，具有鐵氧體性質(zhì)的磁敏感陶瓷及具有多種敏感特性的多功能敏感陶瓷等。陶瓷及具有多種敏感特性的多功能敏感陶瓷等。這些陶瓷已廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測、控制儀器、交這些陶瓷已廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測、控制儀器、交通運輸系統(tǒng)、汽車、機(jī)器人、防止公害、防災(zāi)、通運輸系統(tǒng)、汽車、機(jī)器人、防止公害、防災(zāi)、公安及家用電器等領(lǐng)域。公安及家用電器等領(lǐng)域。3.3.2 3.3.2 敏感陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能敏感陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能陶瓷是由

35、晶粒、晶界、氣孔組成的多相系陶瓷是由晶粒、晶界、氣孔組成的多相系統(tǒng)，通過人為摻雜，造成晶粒表面的組分偏統(tǒng)，通過人為摻雜，造成晶粒表面的組分偏離，在晶粒表面產(chǎn)生固溶、偏析及晶格缺陷；離，在晶粒表面產(chǎn)生固溶、偏析及晶格缺陷；在晶界處產(chǎn)生異質(zhì)相的析出、雜質(zhì)的聚集、在晶界處產(chǎn)生異質(zhì)相的析出、雜質(zhì)的聚集、晶格缺陷及晶格各種異性等。這種晶粒邊界晶格缺陷及晶格各種異性等。這種晶粒邊界層的組成、結(jié)構(gòu)變化，顯著改變了晶界的電層的組成、結(jié)構(gòu)變化，顯著改變了晶界的電性能，從而導(dǎo)致整個陶瓷電氣性能的顯著變性能，從而導(dǎo)致整個陶瓷電氣性能的顯著變化產(chǎn)生敏感特性的機(jī)理）。化產(chǎn)生敏感特性的機(jī)理）。3.3 3.3 敏感陶瓷敏感

36、陶瓷3.3.2 3.3.2 敏感陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能敏感陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能目前已獲得實用的半導(dǎo)體陶瓷可分為：目前已獲得實用的半導(dǎo)體陶瓷可分為：（1 1主要利用晶粒本身的性質(zhì)，（主要利用晶粒本身的性質(zhì)，（2 2主要主要利用晶界和晶粒間析出的性質(zhì)，（利用晶界和晶粒間析出的性質(zhì)，（3 3主要利用主要利用陶瓷的表面性質(zhì)等三種類型。有代表性的應(yīng)用陶瓷的表面性質(zhì)等三種類型。有代表性的應(yīng)用舉例如下：舉例如下：（1 1主要利用晶體本身的性質(zhì)：主要利用晶體本身的性質(zhì)：NTCNTC熱敏電阻、高溫?zé)崦綦娮琛⒀鯕鈧鞲衅?。熱敏電阻、高溫?zé)崦綦娮?、氧氣傳感器。? 2主要利用晶界性質(zhì)的：主要利用晶界性質(zhì)的：PTCPTC熱敏電阻

37、、熱敏電阻、ZnOZnO系壓敏電阻。系壓敏電阻。（3 3主要利用表面性質(zhì)的：主要利用表面性質(zhì)的：各種氣體傳感器、溫度傳感器。各種氣體傳感器、溫度傳感器。3.3 3.3 敏感陶瓷敏感陶瓷3.3.3 3.3.3 敏感陶瓷的半導(dǎo)體化過程敏感陶瓷的半導(dǎo)體化過程 敏感陶瓷絕大部分是由各種氧化物組成的，敏感陶瓷絕大部分是由各種氧化物組成的，由于這些氧化物多數(shù)具有比較寬的禁帶，在常由于這些氧化物多數(shù)具有比較寬的禁帶，在常溫下它們都是絕緣體，要使它們變?yōu)榘雽?dǎo)體，溫下它們都是絕緣體，要使它們變?yōu)榘雽?dǎo)體，需要一個半導(dǎo)體化的過程。所謂半導(dǎo)化，就是需要一個半導(dǎo)體化的過程。所謂半導(dǎo)化，就是指在禁帶中形成附加能級：施主能

38、級或受主能指在禁帶中形成附加能級：施主能級或受主能級。一般來說，這些施主能級多數(shù)是靠近導(dǎo)帶級。一般來說，這些施主能級多數(shù)是靠近導(dǎo)帶底的，而受主能級多數(shù)是靠近價帶頂?shù)?。即它底的，而受主能級多?shù)是靠近價帶頂?shù)?。即它們的電離能一般比較小，在室溫下就可以受到們的電離能一般比較小，在室溫下就可以受到熱激發(fā)產(chǎn)生導(dǎo)電載流子，從而形成半導(dǎo)體。形熱激發(fā)產(chǎn)生導(dǎo)電載流子，從而形成半導(dǎo)體。形成附加能級主要有兩個途徑：不含雜質(zhì)的氧化成附加能級主要有兩個途徑：不含雜質(zhì)的氧化物主要通過化學(xué)計量比偏離來形成；而含雜質(zhì)物主要通過化學(xué)計量比偏離來形成；而含雜質(zhì)的氧化物附加能級的形成還與雜質(zhì)缺陷有關(guān)。的氧化物附加能級的形成還與雜質(zhì)

39、缺陷有關(guān)。3.3 3.3 敏感陶瓷敏感陶瓷3.3.4 3.3.4 熱敏陶瓷熱敏陶瓷熱敏陶瓷是一類電阻率隨溫度發(fā)生明顯變化熱敏陶瓷是一類電阻率隨溫度發(fā)生明顯變化的材料，用于制作溫度傳感器、線路溫度補(bǔ)償?shù)牟牧?，用于制作溫度傳感器、線路溫度補(bǔ)償及穩(wěn)頻的元件及穩(wěn)頻的元件-熱敏電阻。其優(yōu)點是品種熱敏電阻。其優(yōu)點是品種繁多，可以滿足不同用途的需要；靈敏度高、繁多，可以滿足不同用途的需要；靈敏度高、穩(wěn)定性好、容易制造、價格便宜。穩(wěn)定性好、容易制造、價格便宜。按照熱敏陶瓷的阻溫特性，可把熱敏陶瓷分按照熱敏陶瓷的阻溫特性，可把熱敏陶瓷分為負(fù)溫度系數(shù)為負(fù)溫度系數(shù)NTCNTC熱敏陶瓷：正溫度系數(shù)熱敏陶瓷：正溫度系數(shù)

40、PTCPTC熱熱敏陶瓷；臨界溫度熱敏電阻敏陶瓷；臨界溫度熱敏電阻CTRCTR及線性阻溫特性及線性阻溫特性熱敏陶瓷陶瓷四大類。熱敏陶瓷陶瓷四大類。3.3 3.3 敏感陶瓷敏感陶瓷3.3.5 3.3.5 氣敏陶瓷氣敏陶瓷氣敏陶瓷可分為半導(dǎo)體式和固體電解質(zhì)式兩大類。氣敏陶瓷可分為半導(dǎo)體式和固體電解質(zhì)式兩大類。其中半導(dǎo)體氣敏陶瓷又分為表面效應(yīng)和體效應(yīng)兩種其中半導(dǎo)體氣敏陶瓷又分為表面效應(yīng)和體效應(yīng)兩種類型。按制造方法和結(jié)構(gòu)形式可分為燒結(jié)型、厚膜類型。按制造方法和結(jié)構(gòu)形式可分為燒結(jié)型、厚膜型及薄膜型。但通常還是按照使用材料的成分分類，型及薄膜型。但通常還是按照使用材料的成分分類，如如SnO2SnO2、ZnO

41、ZnO、Fe2O3Fe2O3、ZrO2ZrO2等系列。等系列。3.3.6 3.3.6 濕敏陶瓷濕敏陶瓷濕敏元件通?？梢苑譃槿N類型：高濕型，適用濕敏元件通?？梢苑譃槿N類型：高濕型，適用于相對濕度大于于相對濕度大于70%RH70%RH之處；低濕型，適用于相對之處；低濕型，適用于相對濕度小于濕度小于40%RH40%RH之處，全濕型，適用于測量之處，全濕型，適用于測量00100%RH100%RH之濕度。按導(dǎo)電類型分，濕敏元件可分為：之濕度。按導(dǎo)電類型分，濕敏元件可分為：質(zhì)子導(dǎo)電型，電子導(dǎo)電型及質(zhì)子電子導(dǎo)電型和電子質(zhì)子導(dǎo)電型，電子導(dǎo)電型及質(zhì)子電子導(dǎo)電型和電子導(dǎo)電綜合型。導(dǎo)電綜合型。3.3 3.3 敏

42、感陶瓷敏感陶瓷3.4 3.4 導(dǎo)電陶瓷導(dǎo)電陶瓷 在一定條件溫度、壓力等下具有電子或空穴電導(dǎo)或離子電導(dǎo)的陶瓷叫導(dǎo)電陶瓷。 電子電導(dǎo)(包括空穴電導(dǎo))有氧化物或碳化物半導(dǎo)體等。離子電導(dǎo)有固體電介質(zhì)陶瓷，如ZrO2、-Al2O3等。這些都是離子晶體的氧化物或復(fù)合物。在固體介質(zhì)中，帶電離子的運動比在液體中倍受限制，但仍然能以擴(kuò)散的形式發(fā)生，從而產(chǎn)生離子電導(dǎo)。陶瓷的電導(dǎo)率是橫穿晶界的電導(dǎo)率和沿表面晶體的電導(dǎo)率之和。離子在晶體中擴(kuò)散通過取代晶格空位的方式進(jìn)行，在一般情況下，這類運動取向混亂，不給出凈的電荷運動，從而產(chǎn)生了離子導(dǎo)電流。3.4.1 ZrO23.4.1 ZrO2導(dǎo)電陶瓷導(dǎo)電陶瓷1) ZrO21)

43、ZrO2的結(jié)晶形態(tài)與穩(wěn)定的結(jié)晶形態(tài)與穩(wěn)定 實踐證明，用單純的實踐證明，用單純的ZrO2ZrO2是很難進(jìn)行生產(chǎn)，是很難進(jìn)行生產(chǎn)，由于發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，且伴隨著由于發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，且伴隨著7%7%左右的體積左右的體積變化，一般都會開裂。變化，一般都會開裂。 通過實踐，發(fā)現(xiàn)加入某些適量的氧化物通過實踐，發(fā)現(xiàn)加入某些適量的氧化物如如Y2O3Y2O3、CaOCaO、MgOMgO、CeOCeO等后，可以穩(wěn)定等后，可以穩(wěn)定ZrO2ZrO2，而且形成穩(wěn)定的立方型結(jié)晶固溶體，而且形成穩(wěn)定的立方型結(jié)晶固溶體，這種立方固溶體的這種立方固溶體的ZrO2ZrO2就稱穩(wěn)定就稱穩(wěn)定ZrO2ZrO2，上述，上述加入的氧化物稱為穩(wěn)定

44、劑，制備穩(wěn)定加入的氧化物稱為穩(wěn)定劑，制備穩(wěn)定ZrO2ZrO2的的過程就叫過程就叫ZrO2ZrO2的穩(wěn)定化。的穩(wěn)定化。 對穩(wěn)定劑的要求：即加入氧化物離子半徑對穩(wěn)定劑的要求：即加入氧化物離子半徑與與Zr4+Zr4+離子半徑之比相差在離子半徑之比相差在12%12%以內(nèi)。如果添以內(nèi)。如果添加進(jìn)去的離子半徑太大，不能進(jìn)到加進(jìn)去的離子半徑太大，不能進(jìn)到ZrO2ZrO2的晶的晶格中去，不能發(fā)生固溶體形成穩(wěn)定型立方結(jié)格中去，不能發(fā)生固溶體形成穩(wěn)定型立方結(jié)構(gòu)。反之，如果添加的離子半徑太小，雖然構(gòu)。反之，如果添加的離子半徑太小，雖然易于進(jìn)入晶格，但又容易失掉，也不能形成易于進(jìn)入晶格，但又容易失掉，也不能形成穩(wěn)定的

45、立方結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定的立方結(jié)構(gòu)。3.4 3.4 導(dǎo)電陶瓷導(dǎo)電陶瓷3.4.2 ZrO23.4.2 ZrO2陶瓷的導(dǎo)電機(jī)理陶瓷的導(dǎo)電機(jī)理 穩(wěn)定穩(wěn)定ZrO2ZrO2，由于穩(wěn)定劑的金屬離子會與，由于穩(wěn)定劑的金屬離子會與Zr4+Zr4+進(jìn)行不等價置換，產(chǎn)生氧離子缺位。以進(jìn)行不等價置換，產(chǎn)生氧離子缺位。以Ca2+Ca2+為例，當(dāng)為例，當(dāng)Ca2+Ca2+取代了取代了Zr4+Zr4+之后，使正電荷之后，使正電荷減少了減少了+2+2價，于是在價，于是在Ca2+Ca2+周圍必須失掉一個在周圍必須失掉一個在正常位置上的正常位置上的O2-O2-離子，才能保持晶格中的電中離子，才能保持晶格中的電中性，于是便產(chǎn)生一個氧空位。同

46、樣，用性，于是便產(chǎn)生一個氧空位。同樣，用Y3+Y3+取代取代Zr4+Zr4+使正電荷少了使正電荷少了+1+1價。所以在兩個釔離子周價。所以在兩個釔離子周圍存在一個氧空位。從而保持了穩(wěn)定圍存在一個氧空位。從而保持了穩(wěn)定ZrO2ZrO2晶格晶格的電中性。因此在穩(wěn)定的的電中性。因此在穩(wěn)定的ZrO2ZrO2晶格內(nèi)存在大量晶格內(nèi)存在大量的氧空位，使的氧空位，使ZrO2ZrO2陶瓷成為導(dǎo)電陶瓷。陶瓷成為導(dǎo)電陶瓷。 3.4 3.4 導(dǎo)電陶瓷導(dǎo)電陶瓷3.4.3 ZrO23.4.3 ZrO2導(dǎo)電陶瓷的制造工藝導(dǎo)電陶瓷的制造工藝粉料制備，由于穩(wěn)定粉料制備，由于穩(wěn)定ZrO2ZrO2的硬度較大，一般在的硬度較大，一般

47、在鋼球磨機(jī)中球磨，球磨后進(jìn)行酸洗，然后用水清鋼球磨機(jī)中球磨，球磨后進(jìn)行酸洗，然后用水清洗至中性，烘干。采用注漿成型，用上述在瓷球洗至中性，烘干。采用注漿成型，用上述在瓷球磨筒內(nèi)配制中性泥漿，料：球：水：膠液磨筒內(nèi)配制中性泥漿，料：球：水：膠液=1=1：1.51.5：0.60.6：0.150.15，具有較好的懸浮性和流動性。，具有較好的懸浮性和流動性。用模壓法成型，配料可選用兩種不同溫度下穩(wěn)用模壓法成型，配料可選用兩種不同溫度下穩(wěn)定的定的ZrO2ZrO2料：一種是高于料：一種是高于17001700穩(wěn)定的；另一種是穩(wěn)定的；另一種是在在14501450穩(wěn)定的。其比例，前者為穩(wěn)定的。其比例，前者為60

48、-70%60-70%，后者為，后者為30-40%30-40%。然后混合均勻，加入適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑，壓。然后混合均勻，加入適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑，壓制成型。制成型。原料要求原料要求ZrO2ZrO2采用超細(xì)粉末（采用超細(xì)粉末（0.050.05），純度），純度為為99.5%99.5%，穩(wěn)定劑采用，穩(wěn)定劑采用Y2O3Y2O3或或Al2O3Al2O3純度為試劑級。純度為試劑級。3.4 3.4 導(dǎo)電陶瓷導(dǎo)電陶瓷3.4.3 ZrO23.4.3 ZrO2導(dǎo)電陶瓷的制造工藝導(dǎo)電陶瓷的制造工藝工藝流程工藝流程3.4 3.4 導(dǎo)電陶瓷導(dǎo)電陶瓷3.5 3.5 超導(dǎo)陶瓷超導(dǎo)陶瓷3.5.1 3.5.1 超導(dǎo)體超導(dǎo)體超導(dǎo)體：指當(dāng)某種物質(zhì)

49、冷卻到低溫時電阻突然變超導(dǎo)體：指當(dāng)某種物質(zhì)冷卻到低溫時電阻突然變?yōu)榱悖瑫r物質(zhì)內(nèi)部失去磁通成為完全抗磁性的物為零，同時物質(zhì)內(nèi)部失去磁通成為完全抗磁性的物質(zhì)。每一種超導(dǎo)體都有一定的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，即物質(zhì)。每一種超導(dǎo)體都有一定的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，即物質(zhì)由常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度稱其為超導(dǎo)臨界溫度，質(zhì)由常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度稱其為超導(dǎo)臨界溫度，TcTc表示。表示。判斷材料是否具有超導(dǎo)性，有兩個基本的特征：判斷材料是否具有超導(dǎo)性，有兩個基本的特征：超導(dǎo)電性，指材料在低溫下失去電阻的性質(zhì)；完全超導(dǎo)電性，指材料在低溫下失去電阻的性質(zhì)；完全抗磁性，指超導(dǎo)體處于外界磁場中，磁力線無法穿抗磁性，指超導(dǎo)體處于外界磁場中，

50、磁力線無法穿透，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通為零?？傊瑢?dǎo)體呈現(xiàn)的超透，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通為零?？傊瑢?dǎo)體呈現(xiàn)的超導(dǎo)現(xiàn)象取決于溫度、磁場、電流密度的大小。導(dǎo)現(xiàn)象取決于溫度、磁場、電流密度的大小。超導(dǎo)體的分類，從材料來分，可分為三大類，即超導(dǎo)體的分類，從材料來分，可分為三大類，即元素超導(dǎo)體、合金或化合物超導(dǎo)體、氧化物超導(dǎo)體元素超導(dǎo)體、合金或化合物超導(dǎo)體、氧化物超導(dǎo)體即陶瓷超導(dǎo)體）。從低溫處理方法來分，可分為即陶瓷超導(dǎo)體）。從低溫處理方法來分，可分為液氦溫區(qū)超導(dǎo)體液氦溫區(qū)超導(dǎo)體4.2K4.2K以下），液氫溫區(qū)超導(dǎo)體以下），液氫溫區(qū)超導(dǎo)體20K20K以下）、液氮溫區(qū)超導(dǎo)體以下）、液氮溫區(qū)超導(dǎo)體77K77K以下和常

51、溫以下和常溫超導(dǎo)體。超導(dǎo)體。3.5.2 3.5.2 超導(dǎo)陶瓷的制造工藝超導(dǎo)陶瓷的制造工藝 氧化物超導(dǎo)陶瓷的制備方法普遍采用固態(tài)反應(yīng)氧化物超導(dǎo)陶瓷的制備方法普遍采用固態(tài)反應(yīng)法。即將組成粉料按配比混合壓制，置于氧化鋁坩法。即將組成粉料按配比混合壓制，置于氧化鋁坩堝中，放在電爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為堝中，放在電爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為900-900-960960，時間至少為，時間至少為4 4小時，一般為自然冷卻。為使小時，一般為自然冷卻。為使材料均勻，可進(jìn)行粉碎，重新壓片，進(jìn)行第二次，材料均勻，可進(jìn)行粉碎，重新壓片，進(jìn)行第二次，甚至第三次燒結(jié)。甚至第三次燒結(jié)。 成型可在一般壓機(jī)上進(jìn)行，也可采用等靜壓

52、成成型可在一般壓機(jī)上進(jìn)行，也可采用等靜壓成型。型。 燒結(jié)對超導(dǎo)陶瓷的性能影響很大。燒結(jié)溫度過燒結(jié)對超導(dǎo)陶瓷的性能影響很大。燒結(jié)溫度過低，反應(yīng)不完全；過高又會出現(xiàn)相分解。燒結(jié)時間低，反應(yīng)不完全；過高又會出現(xiàn)相分解。燒結(jié)時間過長則出現(xiàn)宏觀的相分凝現(xiàn)象，不同部位呈現(xiàn)不同過長則出現(xiàn)宏觀的相分凝現(xiàn)象，不同部位呈現(xiàn)不同顏色。燒結(jié)時的氧分壓是很重要的控制參數(shù)，氧分顏色。燒結(jié)時的氧分壓是很重要的控制參數(shù)，氧分壓過低或過高都不利，都會導(dǎo)致四方相出現(xiàn)。燒結(jié)壓過低或過高都不利，都會導(dǎo)致四方相出現(xiàn)。燒結(jié)時，如果爐中的空氣流通性好，不必通氧氣；反之，時，如果爐中的空氣流通性好，不必通氧氣；反之，應(yīng)在通氧氣情況下燒結(jié)。應(yīng)

53、在通氧氣情況下燒結(jié)。 降溫速度也是重要的控制參數(shù)，一般低溫淬火降溫速度也是重要的控制參數(shù)，一般低溫淬火都會使超導(dǎo)性破壞。都會使超導(dǎo)性破壞。3.5 3.5 超導(dǎo)陶瓷超導(dǎo)陶瓷3.5.3 3.5.3 超導(dǎo)陶瓷的應(yīng)用超導(dǎo)陶瓷的應(yīng)用高溫超導(dǎo)陶瓷的應(yīng)用有以下幾個方面：電力系高溫超導(dǎo)陶瓷的應(yīng)用有以下幾個方面：電力系統(tǒng)方面的輸配電、超導(dǎo)線圈、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)等；交統(tǒng)方面的輸配電、超導(dǎo)線圈、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)等；交通運輸方面的超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)電磁性推進(jìn)通運輸方面的超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)電磁性推進(jìn)器和空間推進(jìn)系統(tǒng)；在選礦和探礦方面；在環(huán)保器和空間推進(jìn)系統(tǒng)；在選礦和探礦方面；在環(huán)保和醫(yī)藥方面；在高能核試驗和熱核聚變方面。和醫(yī)藥

54、方面；在高能核試驗和熱核聚變方面。3.5 3.5 超導(dǎo)陶瓷超導(dǎo)陶瓷3.6 3.6 磁性陶瓷磁性陶瓷3.6.1 3.6.1 磁性陶瓷的分類磁性陶瓷的分類 磁性陶瓷分為含鐵的鐵氧體陶瓷和不含鐵磁性陶瓷分為含鐵的鐵氧體陶瓷和不含鐵的磁性陶瓷。多屬于半導(dǎo)體材料，因此成為現(xiàn)代的磁性陶瓷。多屬于半導(dǎo)體材料，因此成為現(xiàn)代電子技術(shù)中必不可少的一種材料。磁性陶瓷的高電子技術(shù)中必不可少的一種材料。磁性陶瓷的高頻磁導(dǎo)率也較高，這是其他金屬磁性材料所不能頻磁導(dǎo)率也較高，這是其他金屬磁性材料所不能比擬的。比擬的。 本節(jié)所介紹的磁性陶瓷主要指鐵氧體陶瓷，本節(jié)所介紹的磁性陶瓷主要指鐵氧體陶瓷，它們是以氧化鐵和其它鐵族或稀土

55、族氧化物為主它們是以氧化鐵和其它鐵族或稀土族氧化物為主要成分的復(fù)合氧化物。按鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)可把要成分的復(fù)合氧化物。按鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)可把它們分為三大類：尖晶石型、石榴石型和磁鉛石它們分為三大類：尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型。按鐵氧體的性質(zhì)及用途又可分為軟磁、硬磁、型。按鐵氧體的性質(zhì)及用途又可分為軟磁、硬磁、旋磁、矩磁、壓磁、磁泡、磁光及熱敏等鐵氧體旋磁、矩磁、壓磁、磁泡、磁光及熱敏等鐵氧體等。按其結(jié)晶狀態(tài)可分為單晶和多晶體鐵氧體；等。按其結(jié)晶狀態(tài)可分為單晶和多晶體鐵氧體；按其外觀形態(tài)可分為粉末、薄膜和體材等。按其外觀形態(tài)可分為粉末、薄膜和體材等。3.6.2 3.6.2 鐵氧體的生產(chǎn)工藝鐵氧體

56、的生產(chǎn)工藝 多晶鐵氧體的生產(chǎn)工藝：多晶鐵氧體生產(chǎn)多晶鐵氧體的生產(chǎn)工藝：多晶鐵氧體生產(chǎn)最后都要通過燒結(jié)達(dá)到致密化，因此，要求獲得最后都要通過燒結(jié)達(dá)到致密化，因此，要求獲得微細(xì)、均勻、具有一定燒結(jié)活性的鐵氧化粉末，微細(xì)、均勻、具有一定燒結(jié)活性的鐵氧化粉末，按照其生產(chǎn)方法大體可分為經(jīng)預(yù)燒和不經(jīng)預(yù)燒兩按照其生產(chǎn)方法大體可分為經(jīng)預(yù)燒和不經(jīng)預(yù)燒兩種，預(yù)燒的目的在于減少燒成收縮或合成鐵氧體。種，預(yù)燒的目的在于減少燒成收縮或合成鐵氧體。 幾種鐵氧體的粉料制備方法。其中氧化物幾種鐵氧體的粉料制備方法。其中氧化物法、化學(xué)沉淀法、電解沉淀法、低溫化學(xué)法及部法、化學(xué)沉淀法、電解沉淀法、低溫化學(xué)法及部分鹽類分解法獲得的

57、是微細(xì)均勻的原料，需要預(yù)分鹽類分解法獲得的是微細(xì)均勻的原料，需要預(yù)燒合成鐵氧體。而另一部分鹽類分解法及噴霧煅燒合成鐵氧體。而另一部分鹽類分解法及噴霧煅燒法可直接獲得微細(xì)均勻的鐵氧體，不經(jīng)預(yù)燒，燒法可直接獲得微細(xì)均勻的鐵氧體，不經(jīng)預(yù)燒，就可成型、燒結(jié)。就可成型、燒結(jié)。3.6 3.6 磁性陶瓷磁性陶瓷3.7 3.7 陶瓷的金屬化和封接陶瓷的金屬化和封接3.7.1 3.7.1 被銀法被銀法 被銀法又稱燒滲銀法，是指在陶瓷表面燒滲被銀法又稱燒滲銀法，是指在陶瓷表面燒滲一層金屬銀，作為電容器、濾波器的電極或集成一層金屬銀，作為電容器、濾波器的電極或集成電路基片的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。此制備技術(shù)旨在利用銀的電路基片的

58、導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。此制備技術(shù)旨在利用銀的導(dǎo)電能力強(qiáng)、抗氧化性能好，在銀面上可直接焊導(dǎo)電能力強(qiáng)、抗氧化性能好，在銀面上可直接焊接金屬等優(yōu)點。但對于電性能要求較高的材料，接金屬等優(yōu)點。但對于電性能要求較高的材料，如在高溫，高濕和直流電場作用下使用，由于銀如在高溫，高濕和直流電場作用下使用，由于銀離子容易向介質(zhì)中擴(kuò)散，造成電性能惡化，因而離子容易向介質(zhì)中擴(kuò)散，造成電性能惡化，因而不宜采用被銀法。不宜采用被銀法。 陶瓷金屬化的目的之一是為了實現(xiàn)陶瓷與金屬、陶瓷與陶瓷之間的牢固封接3.7.2 3.7.2 燒結(jié)金屬粉末法燒結(jié)金屬粉末法燒結(jié)金屬粉末法，是在高溫還原氣氛中，使金屬燒結(jié)金屬粉末法，是在高溫還原氣氛中，使金屬粉末在陶瓷表面上燒結(jié)成金屬薄膜，再進(jìn)行陶粉末在陶瓷表面上燒結(jié)成金屬薄膜，再進(jìn)行陶瓷瓷金屬封接的一種方法。金屬封接的一種方法