【大學(xué)】電子陶瓷材料

第九章

電子陶瓷材料整理課件9.1概述陶瓷一詞來源于希臘文keramos，指采用制粉、成型、燒結(jié)及表面處理后得到的無機(jī)非金屬材料的總稱。電子陶瓷材料則是指用于電子技術(shù)中的各種功能陶瓷材料。具有優(yōu)越的電學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)。在電子、通信、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、激光、醫(yī)療、機(jī)械、汽車、航空、航天、核技術(shù)和生物技術(shù)等眾多高技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。其不足之處主要表現(xiàn)在韌性較差，抗沖擊強(qiáng)度低，而且比重大，此外延展性差。整理課件9.2陶瓷材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1陶瓷材料的結(jié)構(gòu)結(jié)晶陶瓷非晶陶瓷玻璃陶瓷圖9.1結(jié)晶陶瓷材料的典型晶體結(jié)構(gòu)整理課件9.2陶瓷材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1陶瓷材料的結(jié)構(gòu)圖9.2結(jié)晶態(tài)與玻璃體硅酸鹽結(jié)構(gòu)的比較整理課件9.2陶瓷材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1陶瓷材料的結(jié)構(gòu)陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)1)晶相2)玻璃相3)晶界4)氣相陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)決定了材料的一系列力學(xué)性能和電學(xué)性能。晶粒組成的一致性好，微細(xì)晶粒的均勻分布以及致密的燒結(jié)體，可使陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度和介電性能達(dá)到預(yù)期的效果。整理課件9.2陶瓷材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)2陶瓷材料的性質(zhì)許多陶瓷材料同時(shí)具有離子鍵和共價(jià)鍵——由于離子鍵的存在而導(dǎo)致的陶瓷材料具有可見光可以完全透過、可吸收紅外光、低溫時(shí)導(dǎo)電性較低、高溫時(shí)具有離子導(dǎo)電性等特性。——由于共價(jià)鍵具有方向性，從而導(dǎo)致物質(zhì)無法緊密堆積，對(duì)陶瓷材料的密度和熱膨脹會(huì)有明顯的影響。陶瓷是由晶粒、晶界、氣孔組成的多相系統(tǒng)——這些功能材料的應(yīng)用特性雖然與晶粒本身性質(zhì)有關(guān)，但更主要是利用晶界及陶瓷表面的特性，這是單晶體所不及的。整理課件9.3電子陶瓷的制備電子陶瓷材料通常的工藝流程(1)制粉(2)成型(3)燒結(jié)(4)表面金屬化材料的固有性能由化合物組成所決定，化合物的性能是固有的，當(dāng)其組成固定時(shí)，幾乎不受外來影響。但陶瓷材料的組成在很大程度上是不固定的，通過不同的工藝路線改變顯微結(jié)構(gòu)會(huì)使材料的性能發(fā)生根大的變化。整理課件9.4敏感陶瓷1熱敏陶瓷正溫度系數(shù)(PTC)熱敏陶瓷負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏陶瓷臨界溫度系數(shù)(CTR)熱敏陶瓷所謂敏感陶瓷，主要是指導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間的半導(dǎo)體陶瓷材料，其電導(dǎo)率往往與溫度、濕度、光照、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、氣體環(huán)境等物理因素有關(guān)。整理課件9.4敏感陶瓷PTC熱敏陶瓷PTC陶瓷在溫度低于居里點(diǎn)時(shí)為良導(dǎo)體，電阻率約為10~102Ωcm，溫度高于居里點(diǎn)時(shí)電阻值急劇升高，升高范圍可達(dá)3~8個(gè)數(shù)量級(jí)。摻入不同的雜質(zhì)，可使PTC陶瓷材料的居里點(diǎn)按要求發(fā)生移動(dòng)，從而滿足不同的需求。整理課件9.4敏感陶瓷PTC熱敏陶瓷圖9.10PTC熱敏電阻的電阻-溫度特性曲線圖9.11PTC熱敏電阻的靜態(tài)伏-安特性整理課件9.4敏感陶瓷PTC熱敏陶瓷圖9.12不同k值的PTC熱敏電阻的電流-時(shí)間特性曲線整理課件9.4敏感陶瓷NTC熱敏陶瓷NTC熱敏電阻的基本特征參數(shù)有標(biāo)準(zhǔn)阻值R25、熱敏常數(shù)B等。標(biāo)準(zhǔn)阻值是指熱敏陶瓷在25℃時(shí)的阻值。在25℃時(shí)，電阻值的變化不超過0.1%時(shí)所測(cè)得的電阻值。圖9.13NTC熱敏電阻的U-I特性整理課件9.4敏感陶瓷CRT熱敏陶瓷CRT熱敏電阻是一種具有開關(guān)特性的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。——含有V的氧化物在一定的溫度下會(huì)發(fā)生相變，從而導(dǎo)致電阻值出現(xiàn)急劇變化。由于這些材料的轉(zhuǎn)變溫度較低，例如V2O3的轉(zhuǎn)變溫度為-100℃，因此必須在低溫情況下使用。VO2的轉(zhuǎn)變溫度為+65℃，如果需要轉(zhuǎn)變溫度較高一些的CRT熱敏電阻，就必須摻雜一些氧化物(如CaO、SrO、BaO、SiO2、TiO2等)。——利用這種熱敏電阻可以制成固態(tài)無觸點(diǎn)開關(guān)，具有廣泛的應(yīng)用前景。VO2系臨界溫度熱敏陶瓷已應(yīng)用于恒溫箱溫度控制、火災(zāi)報(bào)警和電路的過熱保護(hù)等。整理課件9.4敏感陶瓷2壓敏陶瓷壓敏半導(dǎo)體陶瓷是指電阻值與外加電壓成顯著的非線性關(guān)系的半導(dǎo)體陶瓷，其電阻值在一定電壓范圍內(nèi)可變，加上電極，便為壓敏電阻器。圖9.15壓敏電阻器的I-V特性曲線1為ZnO壓敏陶瓷電阻的I-V特性，曲線2為SiC的壓敏陶瓷電阻器的I-V特性，曲線3為一般線性電阻器的I-V特性。a為非線性系數(shù)c稱材料常數(shù)整理課件9.4敏感陶瓷2壓敏陶瓷壓敏電阻的特性主要由非線性系數(shù)、壓敏電壓、漏電流、通流容量和電壓溫度系數(shù)等來表征。當(dāng)a＝l時(shí)，是線性電阻器，a越大，則電壓增量所引起的電流相對(duì)變化越大，即壓敏性越好。c值大的壓敏電阻，在一定電流下對(duì)應(yīng)的電壓也高，有時(shí)稱c值為非線性電阻值?？梢酝ㄟ^改變成分和制造工藝來調(diào)整c值大小，以適應(yīng)不同工作電壓的需要。a和c值是確定擊穿區(qū)I-V特性的參數(shù)。整理課件9.4敏感陶瓷2壓敏陶瓷氧化鋅壓敏電阻由于其a值大（≥60，比SiC壓敏電阻器大10倍以上）、a值可調(diào)整、較高的通流容量，因此得到了廣泛的應(yīng)用。圖9.16 ZnO壓敏陶瓷晶界相的相分布整理課件9.4敏感陶瓷3氣敏陶瓷其電阻特性主要由其晶粒之間內(nèi)邊界層與晶粒之間勢(shì)壘特性所決定。一般認(rèn)為氣敏半導(dǎo)體陶瓷的導(dǎo)電機(jī)理如下。對(duì)于ZnO、SnO2和Fe2O3等還原類型n型半導(dǎo)體陶瓷，若被吸附的氣體為氧、氯等吸引電子的氧化性氣體時(shí)，則電子從陶瓷體轉(zhuǎn)移到被吸附的氣體，使半導(dǎo)體空間電荷層的電子密度減小，因而半導(dǎo)體陶瓷的電阻率增大，電阻值增大；如果被吸附的是能提供電子的還原性氣體，如H2、CO、烷和烴等，電子將由被吸附的氣體分子向陶瓷體轉(zhuǎn)移，使n型半導(dǎo)體空間電荷層的電子密度增加，陶瓷體的電阻值減小。并且，這種反應(yīng)是可逆的。整理課件9.4敏感陶瓷ZnO系氣敏陶瓷最初的氣敏元件就是由ZnO制成的，但ZnO氣敏元件的工作溫度較高，靈敏度和選擇性也不高，摻雜可提高對(duì)氣體的選擇性。圖9.18摻Pt的ZnO氣體元件的靈敏度圖9.19摻Pd的ZnO氣體元件的靈敏度整理課件9.4敏感陶瓷SnO2系氣敏陶瓷SnO2氣敏陶瓷對(duì)各種可燃性氣體都具有氣敏特性，其缺點(diǎn)是選擇性差，摻雜貴金屬Pt、Pd和Th及其他氧化物后，對(duì)氣體的靈敏度和選擇性都有明顯提高。(1)元件阻值變化與氣體濃度成指數(shù)關(guān)系。在低濃度范圍內(nèi)這種變化十分明顯，因此，對(duì)低濃度氣體檢測(cè)非常適宜。

(2)SnO2材料的物理化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕，壽命長(zhǎng)。

(3)對(duì)氣體的檢測(cè)是可逆的，而且吸附、脫附時(shí)間短。

(4)元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性好，耐震動(dòng)和沖擊性能好。

(5)氣體檢測(cè)不需要復(fù)雜設(shè)施，待測(cè)氣體可通過氣敏元件電阻值的變化直接轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，且阻值變化大，用簡(jiǎn)單電路就可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。整理課件9.4敏感陶瓷Fe2O3系氣敏陶瓷氧化鐵系氣敏陶瓷是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的，加上氧化錫系和氧化鋅系成為已經(jīng)商品化的三大類氣敏陶瓷。與前兩類相比，氧化鐵系氣敏陶瓷不需要添加貴金屬催化劑就可以制成靈敏度高、穩(wěn)定性好的氣敏陶瓷元件?！?Fe2O3屬尖晶石結(jié)構(gòu)，電阻率大于108Ω·cm，具有氣敏特性?！?Fe2O3屬剛玉型結(jié)構(gòu)，純凈的陶瓷饒結(jié)體幾乎沒有氣敏特性，但是通過摻雜、晶粒細(xì)化等措施可激發(fā)其氣敏特性。整理課件9.4敏感陶瓷4濕敏陶瓷陶瓷濕敏材料大部分是利用微孔吸附水份與晶粒表面作用使電導(dǎo)發(fā)生變化制成濕敏傳感器。用于測(cè)量濕度的濕敏陶瓷元件主要有電阻型和電容型兩類。靈敏度是濕敏元件的一個(gè)重要指標(biāo)。通常以相對(duì)濕度變化1％時(shí)阻值變化的百分?jǐn)?shù)表示，其單位為1(1％RH)。濕敏電阻的響應(yīng)速度也是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)濕度的響應(yīng)速度常用吸濕和脫濕時(shí)間表示，總稱響應(yīng)時(shí)間。濕敏電阻的溫度特性，通常以濕度溫度系數(shù)表示，它定義為溫度每變化1℃，其電阻值的變化所對(duì)應(yīng)的濕度變化，單位為％RH/t。整理課件9.5介電陶瓷1壓電陶瓷壓電陶瓷是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的介電陶瓷，當(dāng)受到機(jī)械壓力的作用或感應(yīng)到振動(dòng)信號(hào)時(shí)，在壓電陶瓷兩電極面間將會(huì)有電壓信號(hào)輸出；反之，給壓電陶瓷施加電信號(hào)時(shí)，它也可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成振動(dòng)信號(hào)。圖9.22壓電陶瓷的極化整理課件9.5介電陶瓷1壓電陶瓷1)介電常數(shù)

2)介質(zhì)損耗3)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)4)壓電性與壓電常數(shù)

5)機(jī)電耦合系數(shù)k整理課件9.5介電陶瓷1壓電陶瓷——目前應(yīng)用最多的還是鈦酸鋇和PZT兩大系列。利用壓電陶瓷正、逆壓電效應(yīng)引起的機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換功能，制作各種電聲器件，如拾音器、揚(yáng)聲器、送受話器、蜂鳴器、聲級(jí)校準(zhǔn)器、電子校表儀等。利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，在高驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)下產(chǎn)生高強(qiáng)度超聲波，可制成超聲換能器利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，可以簡(jiǎn)單地將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生高電壓，例如壓電點(diǎn)火器、引爆引燃、煤氣灶點(diǎn)火器和打火機(jī)、壓電開關(guān)和小型電源等。整理課件9.5介電陶瓷2鐵電陶瓷鐵電陶瓷是指具有自發(fā)極化，且晶粒都具有壓電特性，為外電場(chǎng)所轉(zhuǎn)向的一類陶瓷。透明鐵電陶瓷具有電控雙折射、電控光散射、電控表面形變和記憶等效應(yīng)。(1)電控雙折射(2)電控光散射(3)電控表面形變整理課件9.5介電陶瓷2鐵電陶瓷所有鐵電陶瓷都具有一定的壓電特性,可以用來制造壓電濾波器、變壓器、延時(shí)線、音叉、超聲換能器，以及共它電聲元件等。利用透明鐵電陶瓷功電控雙折射效應(yīng)，制成電控光閥、電控光譜濾色器等多種裝置。利用電控光散射效應(yīng)已經(jīng)制成電控光閥、圖像儲(chǔ)存和顯示器件等各種器件。整理課件9.5介電陶瓷3熱釋電陶瓷除因機(jī)械應(yīng)力的作用而引起電極化（壓電效應(yīng)）外，某些晶體中還可以由于溫度變化而產(chǎn)生電極化。這種介質(zhì)因溫度變化而引起表面電荷變化的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。具有熱釋電效應(yīng)的必要條件是自發(fā)極化。熱釋電陶瓷與單晶相比有不少優(yōu)點(diǎn)。一是易于制備大面積的材料，成本低，力學(xué)性能和化學(xué)性能穩(wěn)定，便于加工；二是居里溫度高，在通常條件下基本上不會(huì)退極化；三是可過多種離子的摻雜和取代，在相當(dāng)大的范圍內(nèi)對(duì)這種陶瓷材料的性能進(jìn)行調(diào)整，如熱釋電系數(shù)、介電常數(shù)和介電損耗等。整理課件9.5介電陶瓷3熱釋電陶瓷熱釋電陶瓷傳感器的主要用途如下：1)溫度補(bǔ)償器；2)火災(zāi)報(bào)警器；3)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)器；4)人體溫度分布的成像元件；5)紅外線輻射計(jì)數(shù)和溫度變化測(cè)定。熱釋電陶瓷主要包括(1)PZT陶瓷(2)鈦酸鉛（PbTiO3）整理課件9.6鐵氧體材料鐵氧體是鐵和其它金屬的復(fù)合氧化物，分子式為MO·Fe2O3，M代表一價(jià)、二價(jià)金屬或是三價(jià)稀土金屬等。其晶體結(jié)構(gòu)有尖晶石型、磁鉛石型和石榴石型三類。制備方法有氧化物法、鹽類熱分解法、共沉淀法、噴霧干燥法等。

按性質(zhì)和用途可分軟磁、硬磁、旋磁、矩磁和壓磁等。整理課件9.6鐵氧體材料1軟磁鐵氧體主要用于無線電領(lǐng)域中的各種電感線圈的磁芯、天線磁芯、變壓器磁芯、濾波器磁芯及錄音、錄像磁頭等。要求起始磁導(dǎo)率高，這樣對(duì)于相同電感量的線圈，其體積就可縮小。導(dǎo)磁率的溫度系數(shù)要小，以適應(yīng)溫度的變化。矯頑力要小，以便于磁化和退磁。還要求損耗因數(shù)要小。磁導(dǎo)率μ

整理課件9.6鐵氧體材料2硬磁鐵氧體硬磁鐵氧體要求具有最大矯頑力，較高的剩余磁化強(qiáng)度和高的最大磁能積，磁化后不易退磁而能長(zhǎng)期保留磁性，是一種永磁陶瓷，其性能同軟磁鐵氧體相反。硬磁鐵氧體主要用作各種揚(yáng)聲器、助聽器、錄音磁頭等電聲器件和各種電子儀表控制器件，以及微型電機(jī)的磁芯等。整理課件9.6鐵氧體材料3旋磁鐵氧體旋磁鐵氧體也稱為微波鐵氧體，是指在高頻磁場(chǎng)下，平面偏振的電滋波在介質(zhì)中按一定方向傳播過程中，偏振面不斷繞傳播方向旋轉(zhuǎn)的一類鐵氧體。兩個(gè)互相垂直的直流磁場(chǎng)和電磁波磁場(chǎng)作用在鐵氧體磁性材料上，電磁波的偏振面發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。其中由于電磁波透射而引起的旋轉(zhuǎn)稱為法拉第效應(yīng)，電磁波的偏振面因材料表面的反射而發(fā)生旋轉(zhuǎn)的稱為克爾效應(yīng)。旋轉(zhuǎn)鐵氧體主要用作各種微波器件。利用磁光克爾效應(yīng)，還可做成大型電子計(jì)算機(jī)的外存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)密度可高達(dá)10MB／cm2。整理課件9.6鐵氧體材料3旋磁鐵氧體

——旋磁鐵氧體的種類很多，目前微波領(lǐng)域廣泛運(yùn)用的主要是尖晶石型和石榴石型鐵氧體。

(1)最常用的尖晶石型鐵氧體是鎂系和鎳系，，如Mg-Mn、Mg-Mn-Zn、Mg-Mn-A1、Mg-A1、Mg-Cr、Ni、Ni-Mg、Ni-Zn、Ni-Al和Ki-Cr鐵氧體，還有鋰系如Li、Li-Al、Li-Mg等鐵氧體；(2)石榴石型是50年代后期發(fā)展越來的鐵氧體，其中最重要的是釔鐵石榴石鐵氧體，簡(jiǎn)稱YIG。

整理課件9.6鐵氧體材料4矩磁鐵氧體鐵氧體形成矩形磁滯回線的條件是結(jié)晶各向異性和應(yīng)力各向異性。一般密度高、晶粒均勻、結(jié)晶各向異性較大的尖晶石型鐵氧體都可制成磁性能較好的矩磁陶瓷。在常溫使用矩磁鐵氧體有Mn-Mg、Mn-Cu和Mn-Cd等：在-65℃~+125℃寬溫度范圍內(nèi)使用的鐵氧體有Li-Mn、Li-Ni、Mn—Ni和Li-Cu、Li-Ni-Zn、Li-Mn-Zn等。矩磁鐵氧體可制成各式各樣的存儲(chǔ)元件、邏輯元件、開關(guān)元件、磁光存儲(chǔ)、磁聲存儲(chǔ)等，用于電子信息的存儲(chǔ)和處理。盡管在目前的條件下，信息的存儲(chǔ)是以半導(dǎo)體存儲(chǔ)器為主，但鐵氧體記億元件有切掉電源后仍保持記憶的特點(diǎn)，可用于自動(dòng)控制與遠(yuǎn)程控制。整理課件9.6鐵氧體材料5壓磁鐵氧體壓磁鐵氧體材料是指在外磁場(chǎng)作用時(shí)，在磁場(chǎng)方向作機(jī)械伸長(zhǎng)或縮短的鐵氧體，這種現(xiàn)象又稱為磁致伸縮效應(yīng)。表征壓磁鐵氧體性能的主要物理參數(shù)為磁滯伸縮系數(shù)、壓磁耦合系數(shù)k和靈敏度常數(shù)d。整理課件9.7超導(dǎo)陶瓷1超導(dǎo)現(xiàn)象1911年，荷蘭物理學(xué)家卡麥林·翁納斯，在測(cè)量低溫下水銀的電阻時(shí)，發(fā)現(xiàn)水銀在4.2K以下電阻完全消失圖9.24水銀的電阻與溫度的關(guān)系這種以零電阻為特征的、具有特殊的電性質(zhì)的物質(zhì)狀態(tài)稱為超導(dǎo)態(tài)，而處于超導(dǎo)態(tài)的導(dǎo)體稱為超導(dǎo)體。整理課件9.7超導(dǎo)陶瓷2超導(dǎo)體的基本性質(zhì)超導(dǎo)體從具有一定電阻的正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮铻榱愕某瑢?dǎo)態(tài)時(shí)所處的溫度稱為臨界溫度Tc，即Tc是超導(dǎo)現(xiàn)象開始出現(xiàn)的溫度。使超導(dǎo)體從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)的磁場(chǎng)稱為臨界磁場(chǎng)Hc，即進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的標(biāo)志是在臨界溫度Tc