電子陶瓷總復(fù)習(xí)

1、 電子陶瓷電子陶瓷 總總 復(fù)復(fù) 習(xí)習(xí) 目目 錄錄 第一章：電子陶瓷概論第一章：電子陶瓷概論 第二章：電子陶瓷結(jié)構(gòu)第二章：電子陶瓷結(jié)構(gòu) 第三章：電子陶瓷相圖第三章：電子陶瓷相圖 第四章：第四章： 電子陶瓷性能電子陶瓷性能 第五章：電子陶瓷制備工藝原理第五章：電子陶瓷制備工藝原理 第六章：壓電與鐵電陶瓷第六章：壓電與鐵電陶瓷 第七章：微波陶瓷第七章：微波陶瓷 第九章：第九章：固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池 電子陶瓷總復(fù)習(xí)第一章：電子陶瓷概論第一章：電子陶瓷概論1、掌握、掌握陶瓷的定義；陶瓷的定義；2、掌握、掌握陶瓷的基本發(fā)展階段（陶器陶瓷的基本發(fā)展階段（陶器瓷瓷器器現(xiàn)代先進陶瓷現(xiàn)代先進陶瓷納

2、米陶瓷）；納米陶瓷）；3、掌握、掌握中國對陶瓷的貢獻中國對陶瓷的貢獻；4、電子陶瓷的分類；、電子陶瓷的分類；5、電子陶瓷的發(fā)展趨勢、電子陶瓷的發(fā)展趨勢 電子陶瓷總復(fù)習(xí)第二章第二章 電子陶瓷的結(jié)構(gòu)電子陶瓷的結(jié)構(gòu) 1、了解電子陶瓷的結(jié)構(gòu)的層次、了解電子陶瓷的結(jié)構(gòu)的層次 Electronic Structure；Atomic Structure；Microscopic Structure； Macroscopic structure2、了解電子陶瓷的組分、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、性能、了解電子陶瓷的組分、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、性能、環(huán)境的關(guān)系環(huán)境的關(guān)系電子陶瓷總復(fù)習(xí) StructureProcessingProperti

3、esPerformanceFigure 2.1 The relationships of structure,properties, processing and performance of materials Environment電子陶瓷總復(fù)習(xí)3、電子陶瓷的原子結(jié)構(gòu)的特點電子陶瓷的原子結(jié)構(gòu)的特點 兩大類五種結(jié)合鍵。兩大類五種結(jié)合鍵。 強鍵（化學(xué)鍵）強鍵（化學(xué)鍵）金屬鍵、離子鍵、共金屬鍵、離子鍵、共 價鍵價鍵 原子外層電子進行重新分布原子外層電子進行重新分布 弱鍵（物理鍵）弱鍵（物理鍵）范德瓦爾斯鍵、氫鍵范德瓦爾斯鍵、氫鍵 原子外層電子沒有（或只有很?。┳兓油鈱与娮記]有（或只有很小）變

4、化 混合鍵混合鍵 實際材料中，特別是陶瓷、半導(dǎo)體等往往是由實際材料中，特別是陶瓷、半導(dǎo)體等往往是由離子鍵和共價鍵混合形成的鍵結(jié)。離子鍵和共價鍵混合形成的鍵結(jié)。 確定確定AB組成的化合物中共價鍵的比例組成的化合物中共價鍵的比例p可由下式可由下式?jīng)Q定：決定： p=exp-(Ea-Eb)2/4) Ea,Eb分別為分別為A,B元素的負電性元素的負電性(electronegativity) 電子陶瓷總復(fù)習(xí) 4 4、了解陶瓷晶體的離子堆積方式、了解陶瓷晶體的離子堆積方式 PaulingPauling五原則五原則1)負離子配位多面體原則（負離子配位多面體原則（PaulingPaulings 1s 1stst

5、 RuleRule）2)電價原則電價原則（PaulingPaulings 2s 2ndnd Rule Rule）3)共用原則共用原則（PaulingPaulings 3s 3rdrd Rule Rule）4)共頂點原則共頂點原則（PaulingPaulings 4s 4thth Rule Rule ）5)5)類型原則（類型原則（ PaulingPaulings 5s 5thth Rule Rule ） 電子陶瓷總復(fù)習(xí) 表表2-4 晶體結(jié)構(gòu)與配位數(shù)晶體結(jié)構(gòu)與配位數(shù)組成rC/rA 配位數(shù)晶體結(jié)構(gòu)模型MX0.4140.225 4 4閃鋅礦型或纖鋅礦型MX0.7320.414 6 6NaClMX0.7

6、32 8 8CsClMX20.4140.2254 2-方石英型MX20.7320.414 6 3金紅石型MX20.7328 4螢石型M2X 0.7324 8反螢石型M2X0.4140.2252 4赤銅礦型M2X3 0.556 4剛玉型或稀土類C型 5、掌握、掌握密排結(jié)構(gòu)的點陣間隙密排結(jié)構(gòu)的點陣間隙 由由6個原子所圍成的八面體間隙個原子所圍成的八面體間隙 由由4個原子所圍成的四面體間隙。個原子所圍成的四面體間隙。004140) 12(rr.電子陶瓷總復(fù)習(xí)002250) 123(rr./ 6 6、典型結(jié)構(gòu)、典型結(jié)構(gòu) 重點三元結(jié)構(gòu)重點三元結(jié)構(gòu)1、A2BX4結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) Spinel Structure

7、MgAl2O4；Zn2GeO4等等 2、ABX4結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) CaWO4，AlPO4等等 3、ABX3結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 依配位數(shù)不同而有不同結(jié)構(gòu)依配位數(shù)不同而有不同結(jié)構(gòu) 3.1 Calcite structure： A6B3X33 如如 CaCO3、MgCO3，LiNO3等等電子陶瓷總復(fù)習(xí)第二章 電子陶瓷的結(jié)構(gòu) 3.2、Ilmenite Structure: A6B6X43 MgTiO3；MnTiO3、ZnGeO3等等 3.3、Perovskite Structure: A12B6X63 SrTiO3、LaAlO3、PbTiO3、Ba(Zn，Nb)O3、Pb(Mg,Nb)O3等等 3.4、Pyroxene

8、 Structure：A6B4X3 如如 MgSiO3、LiAl（SiO3）2等等第二章 電子陶瓷的結(jié)構(gòu)重點掌握重點掌握 Perovskite Structure: 鈣鈦礦鈣鈦礦的化學(xué)分子式：的化學(xué)分子式：A2+B4+O3 A為低電價、大半徑陽離子，為低電價、大半徑陽離子， B為高電價、小半徑陽離子為高電價、小半徑陽離子， A與與O組成組成FCC結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)， A占據(jù)頂角、占據(jù)頂角、O占據(jù)面心占據(jù)面心 B占據(jù)八面體間隙占據(jù)八面體間隙 BaTiO3的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)示意圖電子陶瓷總復(fù)習(xí) 理想情況為立方晶系理想情況為立方晶系 實際情況有一定修正實際情況有一定修正：)( 2CBOArrrrOAOBOBOAr

9、rrrtrrtrr)(2)(2電子陶瓷總復(fù)習(xí)第二章 電子陶瓷的結(jié)構(gòu) t為容差因子（為容差因子（tolerance factor） )(2OBOArrrrt第二章 電子陶瓷的結(jié)構(gòu) t=1為理想鈣鈦礦結(jié)構(gòu)為理想鈣鈦礦結(jié)構(gòu) 一般，一般， 0.77t1.1為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦結(jié)構(gòu) 其他情況，不是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)其他情況，不是鈣鈦礦結(jié)構(gòu), 如下圖所示如下圖所示 并不是所有的并不是所有的ABO3化合物都是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物都是鈣鈦礦結(jié)構(gòu) 第三章第三章 電子電子陶瓷的相變與相圖陶瓷的相變與相圖 1、掌握相變的定義、掌握相變的定義2、了解、了解Gibbs相律相律3、了解一級相變和二級相變的定義與、了解一級相變和二級相

10、變的定義與 異同點；異同點；4、掌握、掌握重建型相變、位移型相變、準重建型相變、位移型相變、準 同型相變、有序同型相變、有序-無序型相變、弛豫無序型相變、弛豫 型相變的定義型相變的定義 電子陶瓷總復(fù)習(xí)電子陶瓷總復(fù)習(xí)Pb（ZrxTi1-x）O3中，存在有高溫鐵電相和低中，存在有高溫鐵電相和低溫鐵電相間的相變，它們均為三方結(jié)構(gòu)。發(fā)生溫鐵電相間的相變，它們均為三方結(jié)構(gòu)。發(fā)生相變時，晶體中的氧八面體發(fā)生旋轉(zhuǎn)。在三方相變時，晶體中的氧八面體發(fā)生旋轉(zhuǎn)。在三方與四方相界上，只要組分有微小改變，均會發(fā)與四方相界上，只要組分有微小改變，均會發(fā)生結(jié)構(gòu)相變生結(jié)構(gòu)相變.準同型相變準同型相變(Morphotropic

11、Phase Transition, MPT):伴隨組分變化而引起的相變伴隨組分變化而引起的相變.此相界稱為此相界稱為準同型相界準同型相界(Morphotropic Phase Boundary, MPB ) 電子陶瓷總復(fù)習(xí)3.3.3 有序有序-無序相變和擴展型相變無序相變和擴展型相變 有序有序-無序相變無序相變（order-disorder phase transformation）包括有序結(jié)構(gòu)與幾種意）包括有序結(jié)構(gòu)與幾種意義上無序結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)變義上無序結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)變 . 化學(xué)無序化學(xué)無序 無序結(jié)構(gòu)無序結(jié)構(gòu) 化學(xué)鍵無序化學(xué)鍵無序 拓撲無序拓撲無序 電子陶瓷總復(fù)習(xí)含氫鍵化合物中由于氫原子在兩個對

12、稱的偏心含氫鍵化合物中由于氫原子在兩個對稱的偏心位置間的躍遷而發(fā)生有序無序轉(zhuǎn)變。位置間的躍遷而發(fā)生有序無序轉(zhuǎn)變。 晶體中分子間的取向也可以形成有序無序轉(zhuǎn)變，晶體中分子間的取向也可以形成有序無序轉(zhuǎn)變，在高溫下取向無序，而在低溫下有序。在高溫下取向無序，而在低溫下有序。 陶瓷材料中的空位也可能引起有序無序相變陶瓷材料中的空位也可能引起有序無序相變 。電子陶瓷總復(fù)習(xí) 由由X射線衍射譜上衍射峰數(shù)目的改變射線衍射譜上衍射峰數(shù)目的改變可以可以用來判斷是否發(fā)生了有序用來判斷是否發(fā)生了有序無序轉(zhuǎn)變無序轉(zhuǎn)變 . 從結(jié)構(gòu)上說，有序相的晶胞參數(shù)為無序從結(jié)構(gòu)上說，有序相的晶胞參數(shù)為無序相的整數(shù)倍，有序相空間群為無序相

13、空相的整數(shù)倍，有序相空間群為無序相空間群的子群。間群的子群。 電子陶瓷總復(fù)習(xí) 擴展型相變擴展型相變,又稱弛豫型相變（又稱弛豫型相變（Relaxor Phase Transition） 有些陶瓷材料發(fā)生相變時，相轉(zhuǎn)變溫度有些陶瓷材料發(fā)生相變時，相轉(zhuǎn)變溫度并不是一個確定的溫度，而是存在一個并不是一個確定的溫度，而是存在一個擴展的溫度區(qū)域，展寬范圍的大小與組擴展的溫度區(qū)域，展寬范圍的大小與組成有關(guān)成有關(guān).電子陶瓷總復(fù)習(xí)3.3.4陶瓷馬氏體相變（陶瓷馬氏體相變（martensitic transformation） 替換原子經(jīng)無擴散位移、由此產(chǎn)生形替換原子經(jīng)無擴散位移、由此產(chǎn)生形狀改變和表面浮突、呈不

14、變平面應(yīng)變特征狀改變和表面浮突、呈不變平面應(yīng)變特征的一級相變和形核的一級相變和形核長大型相變。長大型相變。 Bain應(yīng)變應(yīng)變 、不變平面應(yīng)變、剛體式旋轉(zhuǎn)、不變平面應(yīng)變、剛體式旋轉(zhuǎn) 電子陶瓷總復(fù)習(xí) 第四章：電子陶瓷性能第四章：電子陶瓷性能1、了解電子陶瓷的力學(xué)性質(zhì)，彈性模量、泊松比了解電子陶瓷的力學(xué)性質(zhì)，彈性模量、泊松比的定義；的定義；2、掌握材料的理論斷裂強度和實際斷裂強度的公、掌握材料的理論斷裂強度和實際斷裂強度的公式；式；aEthcEc2電子陶瓷總復(fù)習(xí)3、了解體電阻率、表面電阻率的定義，、了解體電阻率、表面電阻率的定義， 體積電阻與材料本身性質(zhì)有關(guān)；體積電阻與材料本身性質(zhì)有關(guān)； 表面電阻與

15、材料表面、制備條件、潮濕表面電阻與材料表面、制備條件、潮濕程度有關(guān)。程度有關(guān)。 電子陶瓷總復(fù)習(xí)4、掌握離子電導(dǎo)的規(guī)律、掌握離子電導(dǎo)的規(guī)律 qnEVqn電子陶瓷總復(fù)習(xí) 式式 用三個微觀量表達了宏觀用三個微觀量表達了宏觀的材料特征參數(shù)。的材料特征參數(shù)。如材料體系中有不同的導(dǎo)電機制，則有：如材料體系中有不同的導(dǎo)電機制，則有：qniiiiiiqn電子陶瓷總復(fù)習(xí) 式中式中A、B為與化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)有為與化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。關(guān)的常數(shù)。W為電導(dǎo)激活能，包括缺陷形為電導(dǎo)激活能，包括缺陷形成能和遷移能。成能和遷移能。)exp()exp(111TBAkTWAs電子陶瓷總復(fù)習(xí)k為波爾茲曼常數(shù)，為波爾茲曼

16、常數(shù)，k=1.3810-23J/K=0.8610-4eV/K。T為絕為絕對溫度。對溫度。電子陶瓷總復(fù)習(xí)如有多種載流子：如有多種載流子： TWBTBAiiiii)exp(總電子陶瓷總復(fù)習(xí) 7 7、 陶瓷電導(dǎo)混合法則陶瓷電導(dǎo)混合法則 設(shè)陶瓷材料有兩個均勻的相設(shè)陶瓷材料有兩個均勻的相A,B組成，組成，則有：則有：VA、VB為兩相的體積分數(shù)；為兩相的體積分數(shù)； A、 B為兩相為兩相的電導(dǎo)率。的電導(dǎo)率。 n為狀態(tài)指數(shù)。為狀態(tài)指數(shù)。 nBBnAAnTVVBBAATVVlnlnln電子陶瓷總復(fù)習(xí)8、了解介電常數(shù)的定義、了解介電常數(shù)的定義9、了解電矩的定義，偶極矩的定義、了解電矩的定義，偶極矩的定義 電子陶瓷

17、總復(fù)習(xí)10、掌握、掌握克勞修斯克勞修斯莫索蒂方程莫索蒂方程稱為稱為Klausius-Mosotti方程。將宏觀量方程。將宏觀量 與與微觀量微觀量 建立了關(guān)系。建立了關(guān)系。 0321nrr電子陶瓷總復(fù)習(xí)對具有多種極化質(zhì)點的體系，有：對具有多種極化質(zhì)點的體系，有：kkkrrn03121電子陶瓷總復(fù)習(xí)11、了解極化機制，、了解極化機制， 有電子極化、離子極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化、有電子極化、離子極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化、界面極化、諧振式極化、自發(fā)極化等多種極化界面極化、諧振式極化、自發(fā)極化等多種極化機制。機制。 重點掌握重點掌握電子位移式極化、離子位移式極電子位移式極化、離子位移式極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化化、偶

18、極子轉(zhuǎn)向極化等三種極化機制。等三種極化機制。電子陶瓷總復(fù)習(xí)a)、電子位移式極化、電子位移式極化 在電場作用下，離子（或原子）中的在電場作用下，離子（或原子）中的電子向電場相反方向移動一個小距離，帶電子向電場相反方向移動一個小距離，帶正電的原子核將沿電場方向移動一個更小正電的原子核將沿電場方向移動一個更小的距離，造成正負電荷中心分離，當外加的距離，造成正負電荷中心分離，當外加電場取消后又恢復(fù)原狀。電場取消后又恢復(fù)原狀。 離子（或原子）的這種極化稱電子位離子（或原子）的這種極化稱電子位移極化，是在離子（或原子）內(nèi)部發(fā)生的移極化，是在離子（或原子）內(nèi)部發(fā)生的可逆變化，不以熱的形式損耗能量，不導(dǎo)可逆變

19、化，不以熱的形式損耗能量，不導(dǎo)致介質(zhì)損耗。致介質(zhì)損耗。 電子陶瓷總復(fù)習(xí)電子位移極化的主要貢獻是引起陶瓷材料電子位移極化的主要貢獻是引起陶瓷材料介電常數(shù)的增加。介電常數(shù)的增加。電子位移極化建立的時間僅為電子位移極化建立的時間僅為10-1410-15秒，秒，只要電場頻率小于只要電場頻率小于1015Hz（相當于可見光（相當于可見光頻），都存在這種形式的極化。頻），都存在這種形式的極化。電子位移極化電子位移極化存在于一切陶瓷材料之中。存在于一切陶瓷材料之中。這種極化這種極化使材料的介電常數(shù)約為使材料的介電常數(shù)約為1到幾十到幾十。 電子陶瓷總復(fù)習(xí) 3034Re 電子陶瓷總復(fù)習(xí) b)、離子位移極化離子位移

20、極化 在電場作用下，介質(zhì)中正負離子在其平在電場作用下，介質(zhì)中正負離子在其平衡位置附近發(fā)生可逆性位移，形成離子位移極衡位置附近發(fā)生可逆性位移，形成離子位移極化?；?。離子位移極化與離子半徑、晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。離子位移極化與離子半徑、晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。 電子陶瓷總復(fù)習(xí) 離子靜態(tài)極化率：離子靜態(tài)極化率： k為力常數(shù)為力常數(shù)kqMqi220*20電子陶瓷總復(fù)習(xí) c)、偶極子轉(zhuǎn)向極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化 極性電介質(zhì)的分子，由于熱運動，在極性電介質(zhì)的分子，由于熱運動，在無電場時，偶極矩的取向是任意的，對外無電場時，偶極矩的取向是任意的，對外宏觀電矩為零。宏觀電矩為零。 有外電場時，偶極子會沿與外電場方有外電場時，偶極子

21、會沿與外電場方向平行的方向排列，出現(xiàn)了與外電場同向向平行的方向排列，出現(xiàn)了與外電場同向的電矩。的電矩。 稱為稱為偶極子轉(zhuǎn)向極化偶極子轉(zhuǎn)向極化電子陶瓷總復(fù)習(xí) 偶極子的轉(zhuǎn)向極化由于受到電場力的偶極子的轉(zhuǎn)向極化由于受到電場力的轉(zhuǎn)矩作用、分子熱運動的阻礙作用以及分轉(zhuǎn)矩作用、分子熱運動的阻礙作用以及分子間的相互作用，所需時間教長，為子間的相互作用，所需時間教長，為10-2 10 6 秒或更長。秒或更長。偶極子轉(zhuǎn)向極化率為：偶極子轉(zhuǎn)向極化率為： kTa320電子陶瓷總復(fù)習(xí)12、掌握多相陶瓷材料的介電性能、掌握多相陶瓷材料的介電性能 由成分、結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成等不同的晶體由成分、結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成等不同的晶體所組成

22、的多相陶瓷材料所組成的多相陶瓷材料. . 設(shè)只有兩相組成設(shè)只有兩相組成陶瓷：陶瓷： kkkxx22112211lnlnlnxx電子陶瓷總復(fù)習(xí)1313、了解介電常數(shù)的溫度系數(shù)、了解介電常數(shù)的溫度系數(shù) 介電常數(shù)的溫度系數(shù)介電常數(shù)的溫度系數(shù)介電常數(shù)隨介電常數(shù)隨溫度變化而產(chǎn)生的相對變化率：溫度變化而產(chǎn)生的相對變化率： dTdTK1電子陶瓷總復(fù)習(xí) 可以用實驗的方法測試可以用實驗的方法測試TK : : 不同的極化機制，有不同的不同的極化機制，有不同的TK : 對對電子式極化電子式極化：T上升，上升， 降低，極化降低，極化強度下降，強度下降， TK 為負為負； 對對離子式極化離子式極化：T上升，離子極化率增

23、上升，離子極化率增加，加，TK 為正為正。 ）（初末初初末初TTTTK電子陶瓷總復(fù)習(xí) 第五章第五章 電子陶瓷制備工藝原理電子陶瓷制備工藝原理1 1、了解電子陶瓷制備工藝流程、了解電子陶瓷制備工藝流程 電子陶瓷的制備過程大致可分為電子陶瓷的制備過程大致可分為備料計備料計算算、粉料加工、粉料加工、成型成型、排膠、排膠、燒結(jié)燒結(jié)、機械、機械加工、表面金屬化等基本工序。加工、表面金屬化等基本工序。 電子陶瓷總復(fù)習(xí)2、了解電子陶瓷制備工藝原理成型排膠燒結(jié)機械加工表面金屬化性能測試備料計算 粉料加工電子陶瓷總復(fù)習(xí) 第六章第六章 壓電與鐵電陶瓷壓電與鐵電陶瓷1、了解、了解壓電效應(yīng)的定義壓電效應(yīng)的定義 壓電壓

24、電效應(yīng)效應(yīng)當晶體受外力作用發(fā)生形當晶體受外力作用發(fā)生形變時，在晶體的某些表面出現(xiàn)電荷積累的變時，在晶體的某些表面出現(xiàn)電荷積累的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)?，F(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。 電子陶瓷總復(fù)習(xí) 單位面積的極化電荷單位面積的極化電荷D與應(yīng)力與應(yīng)力T之間的關(guān)系之間的關(guān)系為：為： d為壓電系數(shù)為壓電系數(shù)TdD電子陶瓷總復(fù)習(xí)逆逆壓電壓電效應(yīng)效應(yīng)當晶體受電場作用時，晶體當晶體受電場作用時，晶體會發(fā)生形變的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。（如會發(fā)生形變的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。（如果電場是交變的，就會引起晶體的振動）果電場是交變的，就會引起晶體的振動）應(yīng)變應(yīng)變S和電場和電場E之間的關(guān)系為：之間的關(guān)系為： dt仍稱為壓電常數(shù)。仍稱為

25、壓電常數(shù)。EdSt電子陶瓷總復(fù)習(xí)2 2、掌握晶體壓電性與對稱性的關(guān)系：、掌握晶體壓電性與對稱性的關(guān)系： 在在32種點群中，有種點群中，有11種點群具有對稱種點群具有對稱中心，沒有壓電性；中心，沒有壓電性； 有有21種點群沒有對稱中心，可能有壓種點群沒有對稱中心，可能有壓電性。在電性。在21種沒有對稱中心的點群中，點種沒有對稱中心的點群中，點群群432因為具有較高的對稱性，也沒有壓電因為具有較高的對稱性，也沒有壓電性。性。 因此，具有壓電性的點群為因此，具有壓電性的點群為20種。種。第六章 壓電與鐵電陶瓷3、了解第一類壓電方程、了解第一類壓電方程 式中：式中：sE是在恒定電場中的彈性柔順系數(shù)是在

26、恒定電場中的彈性柔順系數(shù)（又稱（又稱短路彈性柔順系數(shù)）；短路彈性柔順系數(shù)）； T是在恒定應(yīng)力下的介電是在恒定應(yīng)力下的介電常數(shù)常數(shù)（又稱自由介電常數(shù)）（又稱自由介電常數(shù)）;；)2()6, 2 , 1() 1 ()3 , 2 , 1(61316131 TsEdSiTdEDEjjjijjTiji第六章 壓電與鐵電陶瓷 d是壓電應(yīng)變常數(shù)是壓電應(yīng)變常數(shù)（通常簡稱壓電常數(shù)），（通常簡稱壓電常數(shù)），單位是單位是C/N或（或（m/V） d 應(yīng)該是一個三階張量，有應(yīng)該是一個三階張量，有27個分量。個分量。 采用腳標簡化，采用腳標簡化，d 變成只有變成只有18個獨立分量。個獨立分量。 上述方程是謂上述方程是謂第一

27、類壓電方程組第一類壓電方程組。第六章 壓電與鐵電陶瓷 方程（方程（1）詳細的方程如下：）詳細的方程如下： TdD654321363534333231262524232221161514131211321333231232221131211321TTTTTTddddddddddddddddddEEEDDDTTTTTTTTT第六章 壓電與鐵電陶瓷 方程方程 (2)詳細的方程如下詳細的方程如下： TdD6543216665646362615655545352514645444342413635343332312625242322211615141312113213626163525153424143

28、32313322212312111654321TTTTTTssssssssssssssssssssssssssssssssssssEEEddddddddddddddddddSSSSSSEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE電子陶瓷總復(fù)習(xí)4、掌握、掌握晶體對稱性對晶體對稱性對壓電常數(shù)的影響關(guān)系壓電常數(shù)的影響關(guān)系一階張量、二階張量和三階張量的分量的變換一階張量、二階張量和三階張量的分量的變換關(guān)系，分別相當于點坐標關(guān)系，分別相當于點坐標的變換（注意次序不能改變）的變換（注意次序不能改變）;kjijiixxxxxx電子陶瓷總復(fù)習(xí)5、了解、了解機電耦合系數(shù)的定義及其與能

29、量的機電耦合系數(shù)的定義及其與能量的關(guān)系關(guān)系 機電耦合系數(shù)機電耦合系數(shù)k的定義為：的定義為：輸入的總能量機電轉(zhuǎn)換獲得的能量2k電子陶瓷總復(fù)習(xí) 故機電耦合系數(shù)故機電耦合系數(shù)k一般的通式為：一般的通式為： ETiiiisdk22電子陶瓷總復(fù)習(xí) 對機電耦合系數(shù)對機電耦合系數(shù)k的證明：的證明： 式中：式中：Uc為機電相互作用能為機電相互作用能 Ue 為彈性能為彈性能 Up為極化能為極化能pecUUUk電子陶瓷總復(fù)習(xí)對于單位體積的壓電體：有對于單位體積的壓電體：有：)6,.2 , 1; 3 , 2 , 1(21) 3 , 2 , 1,(21)6,.2 , 1,(21iTEdUjiEEUTTsUiicjiT

30、ijpEe電子陶瓷總復(fù)習(xí)有：jiTijEiipecEETTsTEdkUUUk212121電子陶瓷總復(fù)習(xí) 有：ETiiiiiTiiEiisdkEETTsTEdkji2121;令：電子陶瓷總復(fù)習(xí) ETiiiisdk22機電耦合系數(shù)是一個小于機電耦合系數(shù)是一個小于1的無量綱的數(shù)。的無量綱的數(shù)。電子陶瓷總復(fù)習(xí)6、了解、了解鈦酸鋇（鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷）壓電陶瓷7、掌握鋯鈦酸鉛陶瓷特點（、掌握鋯鈦酸鉛陶瓷特點（重點重點） 鋯鈦酸鉛固溶體的鋯鈦酸鉛固溶體的室溫相圖室溫相圖如圖如圖4-19所示。所示。第四章 壓電與鐵電陶瓷 圖4-19 PbTiO3-PbZrO3假二元系固溶體相圖。Pc順電立方相，

31、Ar反鐵電四方相，A0反鐵電正交相，F(xiàn)R鐵電三角相，F(xiàn)T鐵電四方相電子陶瓷總復(fù)習(xí) 在相變溫度以下，當鋯在相變溫度以下，當鋯/鈦比鈦比Zr/Ti=53/47時，時，存在一條準同型相界存在一條準同型相界(Morphotropic Phase Boundary, MPB)。準同型相界的右邊（富。準同型相界的右邊（富鈦一邊）為四方晶相，左邊（富鋯一邊）鈦一邊）為四方晶相，左邊（富鋯一邊）為三方晶相。為三方晶相。8、了解無鉛壓電陶瓷的研究意義、了解無鉛壓電陶瓷的研究意義 歐盟制定的歐盟制定的“報廢電子電器設(shè)備指報廢電子電器設(shè)備指令令”(WEEE) 和和“電子電器設(shè)備中限制使用某電子電器設(shè)備中限制使用某些

32、有害物質(zhì)指令些有害物質(zhì)指令”(RoHS) 法案已于法案已于2006 年年7 月月1 日日全面實施。全面實施。我國信息產(chǎn)業(yè)部于我國信息產(chǎn)業(yè)部于2007年年3月月1日日開始實施開始實施“電電子信息產(chǎn)品污染防治管理辦法子信息產(chǎn)品污染防治管理辦法”等法規(guī)。等法規(guī)。第六章 壓電與鐵電陶瓷a BaTiO3 (BT)b (Bi0.5Na0.5)TiO3 (BNT)c (Na0.5K0.5)NbO3 (NKN)d Bi-layer structure ferroelectric(BLSF) lead-free systemsDrawbacksLow Tc(120)Low QmHigh tg Low QmLow

33、 d33 Lead-free piezoceramics (Saito, 2004, Nature)(Na,K)(Nb,Ta)O3-LiSbO3(NKNT-LS)d33=416pC/N,d31=152pC/N,kp=61%,r=1570,Tc=253 Phase Transitional Behavior and Piezoelectric Properties of (Na0.5K0.5)NbO3-LiNbO3(LNKN) Ceramics (Yiping Guo, 2004, APL)MPB:57mol%LiNbO3 d33200pC/N, Tc 450 第七章第七章 微波陶瓷微波陶瓷1、

34、了解、了解微波及其微波陶瓷的定義微波及其微波陶瓷的定義 在電磁波的全頻譜中，一般將甚高頻在電磁波的全頻譜中，一般將甚高頻（30300 MHz）至近紅外（）至近紅外（750 GHz）波段）波段稱為微波。稱為微波。 微波介質(zhì)陶瓷微波介質(zhì)陶瓷是指應(yīng)用于微波頻段（主是指應(yīng)用于微波頻段（主要是要是VHF，SHF頻段）電路頻段）電路中作為介質(zhì)材料中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶瓷并完成一種或多種功能的陶瓷。第七章 微波陶瓷嚴格分類則將嚴格分類則將300 MHz3000 GHz定義為定義為微波波段，其中又可劃四個波段：微波波段，其中又可劃四個波段： 極超高頻段(SEHF)3003000G1mm0.1m

35、m亞毫米波段極高頻段(EHF)30300G1cm1mm毫米波段超高頻(SHF)3 G30 G101cm厘米波段甚高頻(VHF)300 M3G1m10cm分米波段頻段名稱頻率(Hz)波長波段名稱第七章 微波陶瓷2、了解微波介質(zhì)陶瓷的發(fā)展、了解微波介質(zhì)陶瓷的發(fā)展 早在早在1939年，年，Richtmeyer就已經(jīng)報導(dǎo)就已經(jīng)報導(dǎo)TiO2（金紅石）（金紅石）可以作為微波陶瓷材料，可以作為微波陶瓷材料，并用于制備介質(zhì)諧振器。并用于制備介質(zhì)諧振器。 到到20世紀世紀60年代后期，研制出了介電年代后期，研制出了介電常數(shù)約為常數(shù)約為100，Q值約為值約為1000，溫度系數(shù)，溫度系數(shù)f約為約為400ppm /C

36、的的TiO2微波陶瓷。微波陶瓷。第七章 微波陶瓷 20世紀世紀70年代初，美國最先研制出實年代初，美國最先研制出實用化的用化的=38的的BaTi4O9新型微波陶瓷材料，新型微波陶瓷材料，具有高介電常數(shù)、高具有高介電常數(shù)、高Q值、諧振頻率溫度值、諧振頻率溫度系 數(shù) 較 小 的 特 點系 數(shù) 較 小 的 特 點 ( 在在 9 G H z 下 為下 為 -49ppm/C ），是最早應(yīng)用的溫度補償性），是最早應(yīng)用的溫度補償性低損耗介質(zhì)諧振器材料。低損耗介質(zhì)諧振器材料。第七章 微波陶瓷后來又研究了綜合性能更優(yōu)的后來又研究了綜合性能更優(yōu)的Ba2Ti9O20材料。材料。 70年代后期，日本研制出年代后期，日

37、本研制出（Zr，Sn）TiO4系系的的R-04C介質(zhì)材料，其介電常數(shù)為介質(zhì)材料，其介電常數(shù)為36.838.9,在在7GHz下下Q大于大于6300，溫度穩(wěn)定性好，介電，溫度穩(wěn)定性好，介電常數(shù)的溫度系數(shù)接近于常數(shù)的溫度系數(shù)接近于0。第七章 微波陶瓷8 0 年 代 初 ， 科 學(xué) 家 成 功 研 制 出 了年 代 初 ， 科 學(xué) 家 成 功 研 制 出 了Ba(Zn1/3Ta2/3)O3(BZT)陶瓷介質(zhì)諧振器。在陶瓷介質(zhì)諧振器。在10GHz下，下，Q值為值為5000，可用于制作穩(wěn)頻，可用于制作穩(wěn)頻MIC振蕩器。振蕩器。 第七章 微波陶瓷3、了解、了解介質(zhì)諧振腔的定義，掌握公式：介質(zhì)諧振腔的定義，掌

38、握公式：對圓片形的諧振腔，如激勵對圓片形的諧振腔，如激勵 模式的波，模式的波，諧振頻率諧振頻率f0與諧振腔的直徑與諧振腔的直徑D、介電常數(shù)、介電常數(shù)有關(guān)有關(guān)系：系： c為光速為光速 Dcf 0nTE01第七章 微波陶瓷 對圓柱形的諧振腔，如激勵對圓柱形的諧振腔，如激勵 模式的波，模式的波，諧振頻率諧振頻率f與諧振腔的長度與諧振腔的長度l0、半徑、半徑R的關(guān)系為的關(guān)系為： fcRnlgg;)64. 1(1220001nH第七章 微波陶瓷4、了解介質(zhì)諧振器的材料要求標準：、了解介質(zhì)諧振器的材料要求標準：介電常數(shù)要高，介電常數(shù)要高， r=30200 介電常數(shù)的溫度系數(shù)要小介電常數(shù)的溫度系數(shù)要小介質(zhì)損

39、耗要??；介質(zhì)損耗要??；綜合指標：綜合指標：fQ (GHz)要大要大CdTdTC/10)400(1630001034Qtg第七章 微波陶瓷5、了解、了解重要的微波陶瓷系列重要的微波陶瓷系列 主要集中在如下主要集中在如下4個體系。個體系。一、一、 BaO-TiO2系微波陶瓷系微波陶瓷BaO-TiO2體系中含有多種化合物，其介電體系中含有多種化合物，其介電性能隨性能隨TiO2含量的變化而變化。含量的變化而變化。 圖4.4.1表示了在溫度改變時，用X衍射方法測定的BaTiO3的晶格常數(shù)的變化情況。 BaO-TiO2相圖 第七章 微波陶瓷在這一系統(tǒng)中，在這一系統(tǒng)中，TiO2的含量在的含量在75%100%

40、（mol）的范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)：）的范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)：Ba2Ti9O20，BaTi4O9，BaTi3O7，BaTi5O11和和BaTi6O13等的微波性能較好。等的微波性能較好。在此系列中，作為微波諧振器材料，其介在此系列中，作為微波諧振器材料，其介電特性最好的是電特性最好的是Ti：Ba原子比為原子比為4或或4.5的的富富Ti化合物，化合物，即即BaTi4O9(BT4) 和和Ba2Ti9O20(BT4.5)。 第七章 微波陶瓷二、二、 BaO-Ln2O3-TiO2系統(tǒng)系統(tǒng) 這類材料的介電系數(shù)這類材料的介電系數(shù)位居微波介質(zhì)陶位居微波介質(zhì)陶瓷體系之首，且隨著組成的變動，瓷體系之首，且隨著組成的變動，可在可在

41、2090（或更高）相當大的范圍內(nèi)變化，（或更高）相當大的范圍內(nèi)變化，Ln3+可以是鑭系元素中任一元素或它們之可以是鑭系元素中任一元素或它們之間的復(fù)合，間的復(fù)合，Ba可以部分用可以部分用Sr，Pb，Bi2O3置換，或全部用置換，或全部用CaO，Li2O取代或取代或CaO-Li2O復(fù)合取代。復(fù)合取代。第七章 微波陶瓷三、復(fù)合鈣鈦礦系三、復(fù)合鈣鈦礦系A(chǔ)（B1/3B2/3）O3系系 （ABa，Sr；BMg，Zn，Co，Ni，Mn；BNb，Ta） 在厘米、毫米波段使用的通信體系，要在厘米、毫米波段使用的通信體系，要求介電材料在高頻（大于求介電材料在高頻（大于10GHz）時有）時有很高的很高的Q值，值，第

42、七章 微波陶瓷具有復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的具有復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的A（B1/3B2/3）O3材料在很高的微波頻率下有極低的介質(zhì)損材料在很高的微波頻率下有極低的介質(zhì)損耗，因此對它的研究日益受到人們的重視。耗，因此對它的研究日益受到人們的重視。Ba(Mg1/3Nb2/3)O3BMN,以此類推，見表以此類推，見表5.3 第七章 微波陶瓷四、鉛基鈣鈦礦系四、鉛基鈣鈦礦系 主要是指主要是指( Pb1-xCax ）ZrO3、 （ Pb1-xCax ）（）（Fe1/2Nb1/2）O3、（ Pb1-xCax ）（）（Mg1/3Nb2/3）O3系材料。系材料。 該系列材料原本是被用來制備多層電該系列材料原本是被用來制備多層

43、電容器元件的，但容器元件的，但J.Kato研究了它們在微波研究了它們在微波頻率下的介電特性，發(fā)現(xiàn)它們在微波頻率頻率下的介電特性，發(fā)現(xiàn)它們在微波頻率下同樣具有較高的介電常數(shù)和下同樣具有較高的介電常數(shù)和Q值，同時值，同時具有近于零的諧振頻率溫度系數(shù)。具有近于零的諧振頻率溫度系數(shù)。第七章 微波陶瓷主晶相為鈣鈦礦相的主晶相為鈣鈦礦相的（ Pb1-xCax ）（）（Mg1/3Nb2/3）O3，（ Pb1-xCax ）（）（Fe1/2Nb1/2）O3，（ Pb1-xCax ）（）（Ni1/2Nb1/2）O3 三種化合物的微波介電性能較好。三種化合物的微波介電性能較好。 第七章 微波陶瓷五、五、 其他體系其

44、他體系 除上述四大體系外，可作為微波介質(zhì)材除上述四大體系外，可作為微波介質(zhì)材料的還有（料的還有（Zr，Sn）TiO4和和TaO2ZrO2等系列。等系列。 （Zr，Sn）TiO4在在7GHz時可達到時可達到r=36.4，Q=10070, f=0.其介電性能與晶粒的純度密其介電性能與晶粒的純度密切相關(guān)。切相關(guān)。第七章 微波陶瓷 6、了解、了解介質(zhì)諧振器的測量方法介質(zhì)諧振器的測量方法 主要測試介電常數(shù)、介電損耗、頻率溫主要測試介電常數(shù)、介電損耗、頻率溫度系數(shù)度系數(shù) 有圓柱形介質(zhì)諧振器法（開式腔法）、有圓柱形介質(zhì)諧振器法（開式腔法）、封閉式諧振腔法和傳輸線法等。封閉式諧振腔法和傳輸線法等。 電子陶瓷第

45、9章 固體氧化物燃料電池1、了解材料、能源對人類社會的重要意義， 了解當前人類對能源的需求情況 化石類資源有限：化石類資源有限： 石油石油4060年；年；天然氣天然氣50120年年 煤煤300年左右年左右第9章 固體氧化物燃料電池作為解決問題的措施之一，各類替代清潔能作為解決問題的措施之一，各類替代清潔能源如太陽能、風(fēng)能、氫能、核能、地熱能、源如太陽能、風(fēng)能、氫能、核能、地熱能、燃料電池等的研究受到了廣泛的關(guān)注。燃料電池等的研究受到了廣泛的關(guān)注。燃料電池是繼燃料電池是繼水力水力、火力火力、核能核能發(fā)電技術(shù)后發(fā)電技術(shù)后的的第四代第四代發(fā)電技術(shù)，是一種直接將儲存在燃發(fā)電技術(shù)，是一種直接將儲存在燃料

46、和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的高效發(fā)料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的高效發(fā)電裝置。電裝置。第9章 固體氧化物燃料電池2、了解什么是燃料電池？、了解什么是燃料電池？電電 能能化學(xué)能化學(xué)能 動能動能 熱能熱能傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù) 燃料電池燃料電池第9章 固體氧化物燃料電池燃料電池是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置。燃料電池是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置。燃料電池一般由陰極、電解質(zhì)和陽極組成燃料電池一般由陰極、電解質(zhì)和陽極組成 陽極電解質(zhì)陰極燃料氧氣水、尾氣水、尾氣第9章 固體氧化物燃料電池3 3、燃料電池（、燃料電池（Fuel CellFuel Cell）與電池）與電池(Battery)(Batt

47、ery)的定義、分類與異同點的定義、分類與異同點Battery and Full Cell 將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能；將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能；電池電池是能量是能量存儲存儲裝置；裝置；燃料電池燃料電池是能量是能量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換裝置裝置電電池分池分類類 化化學(xué)學(xué)電池電池l一次電池一次電池：堿堿性電池、碳鋅電池、鋰電池、氧性電池、碳鋅電池、鋰電池、氧化銀電池、水銀電池化銀電池、水銀電池l二次電池二次電池：鉛酸電池、：鉛酸電池、鎳鎳鎘電池、鎘電池、鎳氫鎳氫電池、電池、鋰鋰電池電池l燃料電池燃料電池： 物理電池物理電池l太太陽陽能電池能電池l熱感應(yīng)熱感應(yīng)電力電池電力電池l原子力電池原子力電池第9章 固體氧化物燃料電池4

48、 4、了解燃料電池的特點：、了解燃料電池的特點：1 1）、高效率）、高效率 理論上可達到理論上可達到9090的轉(zhuǎn)換率的轉(zhuǎn)換率 不受卡偌循環(huán)的限制不受卡偌循環(huán)的限制 發(fā)電的同時可以得到熱水或蒸氣發(fā)電的同時可以得到熱水或蒸氣第9章 固體氧化物燃料電池 2 2）、環(huán)境效益好）、環(huán)境效益好 據(jù)統(tǒng)計，因環(huán)境污染造成的死亡已經(jīng)超據(jù)統(tǒng)計，因環(huán)境污染造成的死亡已經(jīng)超過了戰(zhàn)爭的死亡人數(shù)！過了戰(zhàn)爭的死亡人數(shù)！第9章 固體氧化物燃料電池3 3）、操作性能好、靈活性強）、操作性能好、靈活性強4 4）、發(fā)展?jié)摿Υ螅?、發(fā)展?jié)摿Υ髥栴}問題：1 1、市場價格貴、市場價格貴2 2、高溫時壽命及穩(wěn)定性不理想、高溫時壽命及穩(wěn)定性不

49、理想3 3、燃料電池技術(shù)還需發(fā)展、燃料電池技術(shù)還需發(fā)展第9章 固體氧化物燃料電池5 5、了解燃料電池發(fā)展的、了解燃料電池發(fā)展的3個時代、五個大個時代、五個大類：類：堿性燃料電池堿性燃料電池和和磷酸燃料電池磷酸燃料電池；熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池和和質(zhì)子交換膜燃料質(zhì)子交換膜燃料電池電池；固體氧化物燃料電池（固體氧化物燃料電池（SOFC）。 第9章 固體氧化物燃料電池一般用燃料電池的電解質(zhì)材料進行分類：一般用燃料電池的電解質(zhì)材料進行分類：堿性燃料電池（堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell, AFC）磷酸燃料電池（磷酸燃料電池（Phosphorous Fuel Cell, P

50、AFC）熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)質(zhì)子交換膜燃料電池（質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Fuel Cell, PEMFC）固體氧化物燃料電池（固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）。 第9章 固體氧化物燃料電池AFC主要用于空間科學(xué)；主要用于空間科學(xué)；PAFC已經(jīng)達到已經(jīng)達到1.311 MWMCFC and SOFC適合共發(fā)電適合共發(fā)電PEMFC發(fā)展很快，但成本高發(fā)展很快，但成本高第9章 固體氧化物燃料電池6、了解、了解SOFC的優(yōu)、缺點的優(yōu)、缺點 發(fā)電效率高發(fā)

51、電效率高，直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽苯影鸦瘜W(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，不受卡諾循環(huán)限制，理論效率可達不受卡諾循環(huán)限制，理論效率可達80%； 可使用多種燃料可使用多種燃料：氫氣、甲烷、天然氣等：氫氣、甲烷、天然氣等 排放排放高溫余熱可進行綜合利用高溫余熱可進行綜合利用，易于實現(xiàn)，易于實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用率高；熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用率高； 第9章 固體氧化物燃料電池低噪聲，低排放，是清潔能源；低噪聲，低排放，是清潔能源；重量輕，體積小，比功率高重量輕，體積小，比功率高（600W/kg）。有較高的電流密度和功率）。有較高的電流密度和功率密度，較小的極化損失和歐姆損失；密度，較小的極化損失和歐姆損失；不用貴金屬，不

52、存在液態(tài)電解質(zhì)腐蝕及不用貴金屬，不存在液態(tài)電解質(zhì)腐蝕及封接問題。封接問題。 第9章 固體氧化物燃料電池SOFC具有巨大的市場潛力，可用于發(fā)電，具有巨大的市場潛力，可用于發(fā)電，替代火力發(fā)電，可將發(fā)電率由目前的替代火力發(fā)電，可將發(fā)電率由目前的40%左右提高到左右提高到85%，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)將會產(chǎn)生，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)將會產(chǎn)生極大的經(jīng)濟效益。極大的經(jīng)濟效益。SOFC還可以用作醫(yī)院、居民區(qū)、礦山等還可以用作醫(yī)院、居民區(qū)、礦山等小區(qū)域以及軍艦等移動目標的供電電源。小區(qū)域以及軍艦等移動目標的供電電源。大規(guī)模的大規(guī)模的SOFCs是單電池通過各種結(jié)構(gòu)堆是單電池通過各種結(jié)構(gòu)堆疊而成的電池組。疊而成的電池組。 SOFC的

53、缺的缺點點 操作溫度高導(dǎo)致電池啟動慢，需要更多的保溫設(shè)備以維持電池高溫 不適用于交通工具與隨身攜帶表94 主要燃料電池及其特性 AFCPEMFC PAFCMCFCSOFC電解質(zhì)電解質(zhì)KOHPEM磷酸磷酸Li2CO3-K2CO3YSZ電解質(zhì)電解質(zhì)形態(tài)形態(tài)液體液體固體固體液體液體液體液體固體固體陽極陽極Pt/NiPt/CPt/CNi/AlNi/YSZ陰極陰極Pt/AgPt/CPt/CLi/NiOSr/LaMnO3工作溫工作溫度。度。5020060801502206509001100應(yīng)用應(yīng)用空間空間電站、電站、車車電站電站車車共發(fā)電共發(fā)電共發(fā)電共發(fā)電第9章 固體氧化物燃料電池7 7、了解固體燃料電池

54、工作原理、了解固體燃料電池工作原理 在氫氧電池中，有關(guān)的電化學(xué)反應(yīng)為：在氫氧電池中，有關(guān)的電化學(xué)反應(yīng)為： 陽極：陽極： eHH222第9章 固體氧化物燃料電池 陰極：陰極： 整個電池：整個電池： OHeHO222221OHOH22221第9章 固體氧化物燃料電池連接陽極和陰極，可以得到的電流大小為：連接陽極和陰極，可以得到的電流大小為： I為電流，單位為安培為電流，單位為安培A N為反應(yīng)中交換的電子數(shù)（此時為反應(yīng)中交換的電子數(shù)（此時n=2） F為法拉第常數(shù)，為法拉第常數(shù)，F(xiàn)=96500 c/mol Q為所需氫氣的流量，單位為為所需氫氣的流量，單位為mol/sQFnI第9章 固體氧化物燃料電池

55、陽極陽極電解質(zhì)陰極O2H2Oe-e-H2H+第9章 固體氧化物燃料電池8 8、了解、了解SOFCSOFC的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)SOFCSOFC主要由電解質(zhì)層、陽極和陰極所組成，主要由電解質(zhì)層、陽極和陰極所組成，在電解質(zhì)兩側(cè)加上陽極和陰極，成為三明在電解質(zhì)兩側(cè)加上陽極和陰極，成為三明治式結(jié)構(gòu)，這是治式結(jié)構(gòu)，這是SOFCSOFC的最基本的結(jié)構(gòu)之一。的最基本的結(jié)構(gòu)之一。根據(jù)電解質(zhì)膜形狀的不同，根據(jù)電解質(zhì)膜形狀的不同，SOFCSOFC結(jié)構(gòu)可分結(jié)構(gòu)可分為：平板式、管式、瓦楞式、塊狀式，還為：平板式、管式、瓦楞式、塊狀式，還有經(jīng)過改造的有經(jīng)過改造的S S型。型。 第9章 固體氧化物燃料電池 圖圖6-1 SOFC的三

56、明治式結(jié)構(gòu)的三明治式結(jié)構(gòu) 第9章 固體氧化物燃料電池平板式平板式 這種這種SOFCSOFC的電解質(zhì)、陽極和陰的電解質(zhì)、陽極和陰極都是平板狀極都是平板狀由陽極由陽極- -電解質(zhì)電解質(zhì)- -陰極組成單電池，單電池陰極組成單電池，單電池之間通過連接材料堆積連接起來，稱為電之間通過連接材料堆積連接起來，稱為電池堆。池堆?？梢园央姵囟旬敵梢粋€基本模塊，模塊的可以把電池堆當成一個基本模塊，模塊的組合就構(gòu)成發(fā)電裝置，其組合方式、數(shù)量組合就構(gòu)成發(fā)電裝置，其組合方式、數(shù)量可以非常靈活改變，從而得到不同規(guī)模的可以非常靈活改變，從而得到不同規(guī)模的發(fā)電裝置。發(fā)電裝置。 第9章 固體氧化物燃料電池這種結(jié)構(gòu)形成雖然靈活，

57、但需要密封，電這種結(jié)構(gòu)形成雖然靈活，但需要密封，電池堆拆卸后無法再使用。池堆拆卸后無法再使用。電池堆運行的氣密性檢測較困難，一旦漏電池堆運行的氣密性檢測較困難，一旦漏氣或者出現(xiàn)損壞，很難檢測和修復(fù)，意味氣或者出現(xiàn)損壞，很難檢測和修復(fù)，意味著整個電池堆會報廢。著整個電池堆會報廢。 第9章 固體氧化物燃料電池 圖圖8-2 平板狀結(jié)構(gòu)平板狀結(jié)構(gòu) 第9章 固體氧化物燃料電池 圖8.3 管式結(jié)構(gòu)第9章 固體氧化物燃料電池瓦楞狀瓦楞狀 在同樣的空間體積里，如果將電解質(zhì)形狀在同樣的空間體積里，如果將電解質(zhì)形狀做成瓦楞狀，將使電解質(zhì)表面反應(yīng)面積增做成瓦楞狀，將使電解質(zhì)表面反應(yīng)面積增大，從而提高單電池的輸出功率

58、。大，從而提高單電池的輸出功率。這種結(jié)構(gòu)比平板狀復(fù)雜，制作難度較大。這種結(jié)構(gòu)比平板狀復(fù)雜，制作難度較大。一般是將陽極或者陰極做成瓦楞狀，然后一般是將陽極或者陰極做成瓦楞狀，然后再進行下一步制作。再進行下一步制作。 第9章 固體氧化物燃料電池 圖圖8.4 瓦楞狀結(jié)構(gòu)瓦楞狀結(jié)構(gòu) 第9章 固體氧化物燃料電池塊狀式塊狀式 由俄羅斯科學(xué)家發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)，其構(gòu)思由俄羅斯科學(xué)家發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)，其構(gòu)思具有獨到之處，基本上不存在密封性問題，具有獨到之處，基本上不存在密封性問題，模塊組裝也很容易。首先將陰極做成猶如模塊組裝也很容易。首先將陰極做成猶如暖氣片那樣的結(jié)構(gòu)，再在其外側(cè)沉積電解暖氣片那樣的結(jié)構(gòu)，再在其外側(cè)

59、沉積電解質(zhì)模和陽極，后續(xù)工藝技術(shù)與管狀結(jié)構(gòu)相質(zhì)模和陽極，后續(xù)工藝技術(shù)與管狀結(jié)構(gòu)相類似。類似。 第9章 固體氧化物燃料電池S S型型 我國科學(xué)家發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)，已取得中國我國科學(xué)家發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)，已取得中國專利。專利。基本結(jié)構(gòu)是在平板式基礎(chǔ)上經(jīng)過改造而成，基本結(jié)構(gòu)是在平板式基礎(chǔ)上經(jīng)過改造而成，在陽極和陰極的氣體通道上，由原先的直在陽極和陰極的氣體通道上，由原先的直通道改為通道改為S S通道，達到增大電極反應(yīng)面積的通道，達到增大電極反應(yīng)面積的目的，以提高單電池的電流密度和輸出功目的，以提高單電池的電流密度和輸出功率。率。第9章 固體氧化物燃料電池 圖圖8.5 S型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)1-支撐體；支撐體；2-

60、蛇形溝槽；蛇形溝槽；3-陽極；陽極；4-電解質(zhì)；電解質(zhì)；5-陰極陰極第9章 固體氧化物燃料電池平板狀結(jié)構(gòu)是最早開始采用的結(jié)構(gòu)，技術(shù)平板狀結(jié)構(gòu)是最早開始采用的結(jié)構(gòu)，技術(shù)成熟程度較高，典型產(chǎn)品為西門子成熟程度較高，典型產(chǎn)品為西門子- -西屋公西屋公司的平板狀司的平板狀SOFCSOFC發(fā)電裝置，輸出功率可達發(fā)電裝置，輸出功率可達幾十千瓦級。幾十千瓦級。管狀結(jié)構(gòu)是目前管狀結(jié)構(gòu)是目前SOFCSOFC的主要結(jié)構(gòu)，各大公的主要結(jié)構(gòu)，各大公司都有很多專利技術(shù)。百千瓦級管狀司都有很多專利技術(shù)。百千瓦級管狀SOFCSOFC已經(jīng)開始運行，正向著技術(shù)成熟化、低成已經(jīng)開始運行，正向著技術(shù)成熟化、低成本化、實用化方向發(fā)展