第2章 第3节 功能陶瓷

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1、第3节功能陶瓷一、功能陶瓷概述1、与传统陶瓷的区别（1）原料许多是经过人工合成或者精制，不受天然条件的限制；（2）突破传统陶瓷的化学成分限制，用多种金属氧化物、氮化物、碳化物、磷化物等，有时直接用金属原素和碳、硅等非金属原素。与传统陶瓷相比，功能陶瓷具备了一些特殊性能(热、机械、化学、电磁、光)。电子陶瓷生物陶瓷敏感陶瓷磁性陶瓷超导陶瓷光学陶瓷其功能的实现主要来自于它所具有的特定的电绝缘性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性、生物适应性等。2、功能陶瓷分类按电学性质：绝缘体陶瓷、介电陶瓷、半导体陶瓷、和导电陶瓷；按热

2、学性质：耐高温陶瓷、电热陶瓷。二、材料的电性能首先，我们了解一点材料的电学性能。1．导电性材料的导电性以其电导率来度量，表明材料在电场中传递电荷的能力。载流子数目n、每个载流子的电荷q以及载流子的迁移率，决定了材料的电导率或电阻率。在材料中，产生电流的载流子有四种类型，即电子、空穴、正离子和负离子。若载流子是电子或空穴，则材料的电导为电子电导；若载流子是离子或空格点，则称为离子电导。材料按其导电能力可分为四大类：（1）超导体，0，（2）导体，；——金属及部分陶瓷和高分子材料（3）半导体，；（4）绝缘体，，——普

3、通陶瓷与大部分高分子材料金属的电导率随温度的升高而降低，半导体、绝缘体及离子材料的电导率则随温度升高而增大。杂质原子使纯金属的电导率下降，这是由于溶质原子在固溶体内造成不规则的势场变化，影响自由电子的运动。陶瓷材料中溶入杂质原子后，常常会使其导电性能提高。适当形式的晶体缺陷，对改善陶瓷材料的导电性有重要意义。2．介电性绝缘体虽不传导电荷，但在电场E中并非不反应。如相隔距离为d的两块电极板之间加一电压U，此时电场为伏特梯度：若两板间无任何物质，则每板上的电荷密度D0与电场E成比例。如果在两电板间有材料m（即称电介质），其电

4、荷密度可能由D0增到Dm，比率Dm/D0即为材料的相对介电常数，即相对介电常数总是大于1.0。因为在电场中，材料内部的电子或正负离子发生了位移。不同材料及不同温度下的介电常数差别很大。Al2O3、AIN陶瓷的室温介电常数小于10，BaTiO3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3等铁电陶瓷的室温介电常数为几百至几千，通过调整材料组成，甚至可达10000~20000。利用各种材料不一的介电常数及其温度特性，就可以制作不同性能规格的电容器或其他元件。3．压电性——指某些晶体材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。材料的压电

5、效应取决于晶体结构的不对称性，晶体必须有极轴，才有压电效应。钛酸钡Pb(Ti、Zr)O3(PZT)压电效应的本质机械作用(应力与应变)引起了晶体的极化，从而导致介质两端表面出现相反的束缚电荷。例：BaTiO3陶瓷的压电机理BaTiO3晶体中，氧形成八面体，Ti位于氧八面体的中心，Ba处于八个八面体的间隙。BaOTi①陶瓷由许多排列无序的小晶粒构成，具有各向同性，不显示压电性。经电场处理后，陶瓷存在剩余极化强度，它是以束缚电荷的形式表现出来，且由各向同性变成各向异性，从而具有压电性。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片两极板上吸附

6、了一层表面电荷，这些吸附电荷与片内束缚电荷数量相等，符号相反，起屏蔽和抵消片内极化强度对外界的作用。Ti电场处理后的陶瓷片②当在瓷片上加一个与极化方向平行的外力时，在应力的作用下瓷片发生形变，即极化方向c轴被压缩，使Ti4+位移变小，片内极化强度变小，因而释放出部分原来被吸附的表面电荷，这就是被压缩后出现的正压电效应。Ti电场处理后的陶瓷片外力的作用③当在瓷片上施加与极化方向相同的电场时，此时增大了极化强度，表示Ti4+位移增大，晶胞c轴变长，瓷片发生伸长形变，此时，电能变为机械能(逆压电)。Ti电场处理后的陶瓷片电场的

7、作用正压电效应——压电材料在应力作用下产生形变，极化状态发生变化，引起介质表面带电，表面电荷密度与应力成正比。P——电介质矢量；d——是压电常数；σ——应力。逆压电效应——反之，施加激励电场，材料（介质）将产生机械变形，应变与电场强度成正比。S——弹性强度；E——电场强度；——压电常数。具有压电效应的材料可分为四类：（1）压电单晶材料，如水晶、NiNbO3、Bi2GeO3、Li2GeO3、Li3BO4等；（2）压电陶瓷材料，如BaTiO3、PbTiO3、Pb(Ti、Zr)O3(PZT)、改性PZT和其他三元系陶瓷材料；（

8、3）压电薄膜，如ZnO、CdS、AIN等；（4）高分子压电材料，如聚偏氟乙烯等。本节中我们将讨论到压电陶瓷材料。4、压电效应材料的电极化派生出的性质：压电性、热释电、电致伸缩等。什么叫压电效应？——我们前面讨论过什么叫热释电？温度变化时，引起电介质自发极化，产生表面的束缚电荷，且未被外界自由电荷所补偿。什么叫电致伸缩