电子陶瓷材料1-绪论..ppt

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陶瓷的特点：优点：硬度大，机械强度高，化学稳定性好（耐腐蚀），熔点高，绝缘性能好，抗电强度高（>10kv/mm),导电性能可变（半导体、超导体、绝缘体）及成本低。缺点：脆性大，分散性大。 电子陶瓷结构陶瓷和功能陶瓷。陶瓷的微观结构与性能的关系陶瓷是一个复杂的多晶多相系统，一般由结晶相、玻璃相、气相和相界交织而成。结晶相：大小不同，形状不一，取向随机的晶粒。直径几微米到几十微米。小晶粒内部原子或离子点阵规则排列，是单晶。主晶相决定了材料的性能：介电常数，电导率，损耗和热膨胀系数。电子陶瓷大都选用氧化物为主晶相。 玻璃相一种低温可以熔融的化合物。作用是填充晶粒之间的空隙，将晶粒紧密联结成一个整体，降低坯体烧成温度，阻止晶型转变，在一定条件下，可以抑制晶粒生长，促使晶粒细微化。广义上和晶粒之间的过渡晶界相一起统称为晶粒间界。——晶粒之间的固体物质，原子不规则排列。 气相晶粒之间玻璃相填充不到的部分，是气体占据的部分。开口气孔和闭口气孔。功能陶瓷的主要物理性能与效应直接效应－电学、力学、磁学、热力学、化学、生物耦合效应－机电、热电、光电、磁电耦合 介电性能—是功能陶瓷的基本性能，反映的是极化强度对弱电场的响应高介电常数—电介质陶瓷—高比容电容器和微波介质陶瓷器件感应极化的产生及随外场（温度、电场等）的变化—电介质物理学的研究核心直接效应 铁电体的极化反转特性－铁电薄膜存储器的应用基础铁电体的电学非线性－电控调谐器件的应用基础铁氧体的磁学非线性－磁控调谐器件半导电性与环境气氛的依赖性－各种化学、生物传感器电性－离子、电子导电性－新型电池超导电性－高温超导器件、微波器件等直接效应 热-电耦合效应：热释电效应-红外传感器的应用基础PTC、NTC效应等-热敏陶瓷器件光-电耦合效应：电光效应-电光显示和调控器件应用电控可变光散射，电控可变双折射效应机-电耦合效应：电致伸缩效应和压电效应-压电陶瓷器件场致相变效应：压强诱导铁电-反铁电相变-爆电换能电场诱导反铁电-铁电相变-机电换能磁－电耦合效应：磁电转换-磁电转换耦合效应 特点：成分可控性、结构宽容性、性能多样性、应用广泛性。据功能陶瓷组成、结构的易调性和可靠性：可制备超高绝缘性、半导性、导电性和超导电性陶瓷。据功能陶瓷的能量转换和耦合特性：可制备压电、光电、热电、磁电和铁电等陶瓷。据对外场的敏感效应：可制备热敏、气敏、湿敏、压敏、磁敏、电压敏和光敏等敏感陶瓷。应用特点 主要分类电介质陶瓷－绝缘陶瓷(结构陶瓷)、电容器介质陶瓷、微波介质陶瓷、低温共烧陶瓷铁电陶瓷－高介介电陶瓷、热释电陶瓷、电光陶瓷、弛豫铁电陶瓷、反铁电陶瓷等压电陶瓷－一元系、二元系、三元系压电陶瓷，无铅压电陶瓷、电致伸缩陶瓷等半导体陶瓷－PTC热敏陶瓷、NTC热敏陶瓷、气敏陶瓷、压敏陶瓷、湿敏陶瓷、光敏陶瓷等导电陶瓷－电子导电陶瓷、离子导电陶瓷、质子导电陶瓷、混合导电陶瓷超导陶瓷－高温超导陶瓷磁性陶瓷－铁氧体陶瓷－软磁、硬磁、旋磁铁氧体等生物陶瓷－生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷等 按形态可分为：粉体、块体、厚膜、薄膜、纤维、复合等按结晶态可分为：非晶、多晶、单晶体 结构陶瓷：在电子元件，器件，部件和电路中作基体、外壳，固定件和绝缘部件。滑石瓷：MO-Al2O3-SiO2体系氧化铝陶瓷：Al2O3，99瓷（刚玉瓷），95瓷，90瓷，高铝瓷，着色氧化铝陶瓷。高热导率瓷：BeO瓷，BN瓷，AlN瓷，SiC瓷。应用：结构陶瓷 功能陶瓷的发展趋势(1)表面组装技术(SMT)推动功能陶瓷元件片式化(2)功能陶瓷的多功能化、复合化(3)功能陶瓷的机敏化和智能化(4)功能陶瓷的高频化-微波介质陶瓷与现代通信技术(5)低维化，集成化 块体材料的常规制作工艺：制粉－成型－烧结。制粉工艺多样化：固相法、液相法、气相法。成型工艺：干式模压成型、等静压成型烧结工艺：常压烧结、热压烧结、填充烧结、气氛烧结。功能陶瓷的制备工艺 2功能陶瓷的基本性能2.1电学性能2.2力学性能2.3热学性能2.4光学性能2.5磁学性能2.6耦合性能 2.1电学性能2.1.1电导率2.1.2介电常数2.1.3介质损耗2.1.4绝缘强度基本电学性能：（1）在电场下传导电流,电导率（2）被电场感应，介电常数 电子陶瓷的电学性质物质基本电学性质：传导电流和被电场感应物质传导电流的现象用下式描述：式中J为电流密度矢量；E为电场强度矢量；为电导率为张量。 被电场感应的性质，通常可用下式描述：式中D为电位移，一般为矢量；ε为介电常数，一般为张量。电导率(electricalconductivity)和介电常数(dielectricconstant)是描写电子陶瓷的电学性质的两个最基本的电学参数。 2.1.1电导率电导率：样品的导电能力，越大则导电能力越强载流子：离子电导(陶瓷的主要方式)和电子电导本质区别：1.质量变化2.霍尔效应3.迁移率低压下，高压不符合U,I,E,J?单位：欧姆•厘米（•cm） 电子陶瓷的导电性能大部分陶瓷的禁带宽度宽，为绝缘材料，例如氧化铝、氧化硅、氮化硅等。如果对绝缘陶瓷进行掺杂，或者制备非化学计量比化合物，可以得到半导体陶瓷，如NiO（Li）、SnO2-x等。有的陶瓷材料的离子性较强，晶格中可以有自由移动的离子参与导电，如AgI等。目前高温超导氧化物的导电能力已超过金属.已经得到广泛应用的先进陶瓷材料的电导率几乎覆盖了从良导体到绝缘体的范围。 电子陶瓷的导电特点设平板试样的厚度为d，试样上的电极面积为S，得式中G为试样电导。 电导率是面积为1cm2，厚为1cm的试样所具有的电导。它是表征材料导电能力大小的特征参数。电导率又称比电导或导电系数，其单位常用（Ω·cm）-1表示。电导率的倒数为电阻率，其单位常用（Ω·cm）表示。 从电导率的大小分类，材料可以分成导体、半导体和绝缘体。金属是导体的代表性材料，化学纯的陶瓷多为绝缘体。实际陶瓷材料由于化学计量比偏离和掺杂等原因，晶体中存在一定数量的带电粒子。 在定向电场的作用下，带电粒子（载流子）的漂移（drift）和扩散使材料具有导电能力。载流子在晶体中作定向漂移时会遭受各种散射，影响载流子迁移。在不同温度下，各种散射机制起的作用不同。材料中载流子浓度和其迁移率是影响陶瓷导电能力的重要因素。 在瓷体中或多或少存在能传递电荷的质点，这些质点称为载流子(carrier)。陶瓷中的载流子可以是离子、电子或两者共同存在。离子作为载流子的电导称为离子电导；电子作为载流子的电导称为电子电导。电介质瓷主要是离子电导；半导体瓷和导电陶瓷主要是电子电导。 离子电导和电子电导有本质的区别。离子的运动伴随着明显的质量变化，离子在电极附近有电子得失，因而产生新的物质，这就是电化学效应。新物质产生的量与所通过的电量成正比，即遵从法拉弟定律。电子电导没有这一效应。 电子电导的特征是具有霍耳效应。如下图所示。当电流I通过试样时，如果在垂直于电流的方向加一磁场H，则在垂直于I-H的平面的方向产生一电场EH，称为霍耳电场，该现象称为霍耳效应。 霍耳效应的产生是由于电子在磁场作用下，产生横向位移的结果。电子电导的特征由于离子质量比电子大得多，因此磁场的作用力相对较小，离子在磁场作用下，不呈现横向位移。离子电导不呈现霍耳效应。 体积电阻和体积电阻率如IV为体积电流，IS为表面电流,则有： 材料的总电阻：体积电阻与材料本身性质有关；表面电阻与材料表面、制备条件、潮湿程度有关。体积电阻计算公式： 直流四端电极法测试电阻率对中、高电阻率材料，为消除电极非欧姆接触对测量的影响，多采用直流四端电极法测试电导率IV截面积SL 室温下常用简单的四探针法：VIl2l1l3 如l=l1=l2=l3则该式是在试样尺寸远大于探针间距时才成立。 2.1.2介电常数物质被电场感应的性质，衡量电介质存储电荷能力的常数设真空时介电常数为1，表示相同电场和电极系统，有介质存在比真空情况下电荷增加的倍数。功能陶瓷的介电系数范围很大。 （1）电绝缘与极化①电介质绝缘：电介质陶瓷中的分子正负电荷彼此强烈地束缚，在弱电场作用下，虽然正电荷沿电场方向移动，负电荷逆电场方向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，因而具有较高的体积电阻率，具有绝缘性。++++----VC0Q0静电场中介质的极化++++++++--------VCQ-+-+-+-+-+-+-+-+-+Q-Q0 ②电介质极化：由于电荷的移动，造成了正负电荷中心不重合，在电介质陶瓷内部形成偶极矩，产生了极化。③束缚电荷：在与外电场垂直的电介质表面上出现了感应电荷Q，这种感应电荷不能自由迁移，称之束缚电荷。束缚电荷的面密度即为极化强度P（intensityofpolarization）真空时：Q0，C0插入电介质陶瓷时：Q，C增加的感应电荷为：Q-Q0相对介电常数（relativedielectricconstant） 设真空时介电常数等于1，对同一个真空系统和有电介质系统，有式中Q0为真空系统电极上的电荷，Q为有电介质时电极上的电荷。表明具有同样电场和电极的系统，有介质存在时比真空情况下电极上电荷增加的倍数等于介质的介电常数。 ε0为SI单位制中真空的介电常数，亦称电常数，ε0=8.85×10-12F/m；εr为相对介电常数，有时也简称为介电常数，是一个无量纲的常数. 真空的相对介电常数为1,其他材料的相对介电常数均大于1。对平行平板电容器：式中，C为试样的电容量；d为试样厚度或电极距离；S为电极面积；ε0为SI单位制中真空的介电常数 各种电子陶瓷室温时的介电常数如下：装置瓷、电阻瓷及电真空瓷：2~12I型电容器瓷：6~1500II型电容器瓷：200~30000III型电容器瓷：7000~二十几万压电陶瓷：50~20000 介电常数是衡量电介质储存电荷能力的参数，通常又叫介电系数（DielectricConstant）或电容率(permittivity)，也是电子陶瓷材料最重要的电学特征参数之一。电介质极化的现象，归根结底是电介质中的微观带电粒子在电场的作用下，电荷分布发生变化而导致的一种宏观统计平均效应。电子和离子以多种形式参加极化过程。按照微观机制，可归纳为以下几种基本形式： 极化机制：(1)位移式极化：电子，离子在电场作用下，离子（或原子）中的电子向电场相反方向移动一个小距离，带正电的原子核将沿电场方向移动一个更小的距离，造成正负电荷中心分离，当外加电场取消后又恢复原状。离子（或原子）的这种极化称电子位移极化，是在离子（或原子）内部发生的可逆变化，不以热的形式损耗能量，不导致介质损耗。 (2)松弛式极化：电子，离子松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。松弛极化：松弛质点由于热运动使之分布混乱，电场力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化。松弛极化的特点：比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。这些弱联系离子，受热运动起伏的影响，从一个平衡位置迁移到另一个平衡位置。在正常状态下，离子向各个方向迁移的几率相等，整个介质不呈现电极性。在电场作用下，离子向一个方向迁移的几率增大，使介质呈现极化。 （3）偶极子转向极化极性电介质的分子，由于热运动，在无电场时，偶极矩的取向是任意的，对外宏观电矩为零。有外电场时，偶极子会沿与外电场方向平行的方向排列，出现了与外电场同向的电矩。偶极子的转向极化由于受到电场力的转矩作用、分子热运动的阻碍作用以及分子间的相互作用，所需时间较长，为10-2~10–6秒或更长。 界面极化是和陶瓷体内电荷分布状况有关的极化。陶瓷体内的电荷又称空间电荷或容积电荷。它的形成原因是陶瓷体内存在不均匀性和界面。晶界、相界是陶瓷中普遍存在的。（4）界面极化由于界面两边各相的电性质（电导率、介电常数等）不同，在界面处会积聚起电荷。不均匀的化学组成、夹层、气泡是宏观不均匀性，在界面上也有电荷积聚。某些陶瓷材料在直流电压作用下发生电化学反应，在一个电极或两个电极附近形成新的物质。称为形成层作用。陶瓷变成两层或三层电性质不同的介质。这些层间界面上也会积聚电荷。 上述各种界面上积聚电荷的结果，使电极附近电荷增加，呈现了宏观极化。这种极化可以形成很高的与外加电场方向相反的电动势——反电势，因此这种宏观极化也称为高压式极化。由夹层、气泡等形成的极化则称夹层式极化。高压式和夹层式极化可以统称为界面极化。由于空间电荷积聚的过程是一个缓慢的过程，所以这种极化建立的时间较长，大约从几秒至几十小时。界面极化只对直流和低频下的介电性质有影响。 （5）谐振式极化陶瓷中的电子、离子都处于周期性的振动，其固有振动频率为1012~1013Hz，即红外线、可见光和紫外线的频段。当外加电场的频率接近此固有振动频率时，将发生谐振。电子或离子吸收电场能，使振幅加大呈现极化现象。电子或离子振幅增大后将与周围质点互作用，振动能转变成热量，或发生辐射，形成能量损耗。这种极化仅发生在光频段。 （6）自发极化在铁电陶瓷中有自发存在的小电畴，当外加电场后，这些小电畴会沿外场方向取向。由于这些小电畴随电场的变化不能太快，因而这种极化对低频下和中频的介电性质有较大的影响。自发极化于温度的关系也很密切。在某个温度之上，自发极化可能会消失，该温度通常称为居里温度。在居里温度附近，铁电陶瓷的介电常数会出现很大的变化。 总结：与晶格粒子有关-强结合位移极化；弱结合松弛极化与缺陷有关-界面极化与外界条件有关-谐振式极化与晶格结构有关：自发极化 极化形式极化的电介质种类极化的频率范围与温度的关系能量消耗电子位移极化一切陶瓷直流—光频无关无离子位移极化离子结构直流—红外温度升高极化增强很弱离子松弛极化离子不紧密的材料直流—超高频随温度变化有极大值有电子位移松弛极化高价金属氧化物直流—超高频随温度变化有极大值有转向极化有机直流—超高频随温度变化有极大值有空间电荷极化结构不均匀的材料直流—高频随温度升高而减小有各种极化方式对比 2.1.3介质损耗陶瓷介质在电导和极化过程中都有能量损耗，一部分电能转化为热能。单位时间单位体积内所消耗的电能为介质损耗。直流电场下，仅来源于电导：交流电场下，来源于电导和极化将实际陶瓷电容器等效为一个理想电容器(无耗电容器)和纯电阻的并联或串联。 介电损耗：任何电介质在电场作用下，总会或多或少地把部分电能转变成热能使介质发热，在单位时间内因发热而损耗的能量称为损耗功率或简称为介电损耗。介电损耗包括：漏电损耗和极化损耗（polarizationloss）漏电损耗：漏电电流流经介质时使介质发热而损耗了电能，这种由电导而引起的介质损耗称为“漏电损耗”。极化损耗：介质在电场中均会呈现出极化现象，除电子、离子弹性位移极化基本上不消耗能量外，其他缓慢极化建立的过程中都会因克服阻力而引起能量的损耗，这种损耗称为极化损耗（polarizationloss）。 介电损耗δ的物理意义是在交变电场作用下电介质的电位移矢量D与电场强度E之间的相位差。 介电常数表为一复数：介电常数的实部反映了电介质储存电荷的能力，虚部反映了电介质在电荷移动过程中引起的电场能量损耗，它们均与电场频率有关。电介质的损耗多来自漏电损耗,极化损耗。漏电损耗是因为电介质的直流电导损耗以及由于离子迁移受阻和偶极子弛豫损耗而引起能量的损失。极化损耗是因为材料中电子和离子的非弹性位移引起的。 在交变电场作用下，不同极化机制对外电场的响应不同，或者说存在频率色散，介质中的极化是一些弛豫过程。极化过程需要经历一段时间达到平衡态，存在有介电损耗。静态介电常数与动态介电常数不相同。 2.1.4绝缘强度介质的击穿：当电场超过某一临界值时，介质有介电态变为导电状态击穿时的电压为击穿电压，相应的电场强度称击穿电场强度、绝缘强度、介电强度、抗电强度包括电击穿，热击穿 由于击穿时电流剧烈增大，在击穿处往往产生局部高温。火花，造成材料本身不可逆的破坏。可以发现，在击穿处有小孔、裂缝，或击穿时整个瓷体炸裂。击穿时的电压称击穿电压Uj，相应的电场强度称击穿电场强度或绝缘强度等，用Ej表示。在电场均匀时，Ej=Uj/d式中：d为击穿处介质的厚度；Ej的单位常用kV/cm。 热击穿是介质在电场作用下发生热不稳定，因温度升高而破坏。热不稳定是指在电场作用下，由于介质的电导和介质损耗，将电场能变成热能。热量在介质内部积累，温度升高，电导和损耗随温度的升高而加大，又导致温度的再升高，产生的热量大于散失的热量。由于热击穿有一个热量积累过程，所以不象电击穿那样迅速，往往介质温度急剧升高。击穿电场强度较低，104~105V/cm。 在直流电场下对陶瓷介质的试验表明，温度较高时可能发生热击穿，温度较低时往往发生电击穿。一般电击穿的Ej与温度无关，热击穿的Ej随温度升高而降低。但是，电击穿和热击穿温度范围的划分，并不十分准确，它与试样的组成、冷却情况、电压形式等有关，尤其电场频率对其影响很大。例如，在高频交流电压下或试样散热条件不好时，热击穿的范围就能扩大到较低的温度。在均匀电场下，电性质均匀的固体介质厚度小于10-4cm时，电击穿时的Ej与试样厚度无关，热穿时的Ej则随试样厚度增加而减小。但陶瓷是不均匀介质，通常Ej随试样厚度增加而降低。 此外，在均匀电场中，加压时间小于10-7秒时，电击穿与加压时间无关；热击穿随加压时间的增加而降低。电击穿时，Ej与试样周围媒质的温度无关；热击穿时，Ej则随周围媒质温度的增加而降低，与媒质散热情况密切关系。 2.2力学性能2.2.1弹性模量可按各向同性分析2.2.2机械强度Griffith的微裂纹理论2.2.3断裂韧性应力强度因子抗拉强度及伸长率；抗压强度抗弯强度；抗冲击强度杨氏模量；屈服应力抗疲劳强度；硬度 弹性模量设在虎克定律范围内，沿x方向作用于试样上的应力σxx，在x方向和y方向产生应变εxx和εyy，则:E为弹性模量；μ为泊松比或横向形变系数。弹性模量的单位与应力相同，为N/m2 泊松比（PoissonRatio）定义为：在拉伸实验中材料横向单位面积的减少与纵向单位长度的增加之比，（又称横向形变系数） 若对试样施加剪切应力或等静压力，可得到剪切模量G和体积弹性模量K，并有关系：以上结果是假定试样为各向同性体得出的。 E、G、K、中，只有两个是独立的只要知道其中的两个参数，就可以描述各向同性材料的弹性力学行为。 陶瓷材料宏观上可以按各向同性体处理，因此以上结论也适用于陶瓷材料。陶瓷材料的弹性模量约在109~1011N/m2之间泊松比在0.2~0.3之间。 弹性模量是描写原子（或离子）间结合强度的一种指标。当相邻的两个原子处于平衡状态时，原子的间距r=a。当原子受拉伸时，原子间距增大，相互间作用力与原子间距初为线性变化，以后呈非线性并达到最大值。 弹性模量E与r=a处原子间作用力曲线的斜率tgα有关。原子间结合力强、曲线陡、tgα大，则E较大；共价键晶体结合力最强，E最大离子键晶体结合力次强，E较小；分子键结合力最弱，E最小。 原子间距离的改变将影响弹性模量：压应力将使原子间距离变小，E增加；张应力使原子间距离增加，E减小；温度升高，热膨胀使原子间距离变大，E降低。 对两相复合材料，采用简化模型，可以估算其上、下限弹性模量。如在外力作用下，两相的应变相同且泊松比相同（等效于并联复合）则上限弹性模量EH为： 如在外力作用下，两相的应力（等效于串联复合），则下限弹性模量EL为：其中，E1、E2为第一相和第二相的弹性模量；V1、V2为为第一相和第二相的体积分数（V1+V2=1） 当连续基体内含有封闭气体时，其总弹性模量的经验公式为：E0为无气孔时的弹性模量，P为气孔率 弹性模量与材料的理论断裂强度的关系：奥罗万（Orowan）计算的理论强度为:式中γ为断裂表面能，是材料断裂形成单位面积新表面所需的能量。E为弹性模量，a为原子间距。 机械强度机械强度是材料其抵抗外加机械负荷的能力，是材料重要的力学性能，是设计和使用材料的重要指标之一。根据使用要求，机械强度可以分为抗压强度、抗拉强度、抗折强度、抗剪切强度、抗冲击强度和抗循环负荷强度等。一般材料抗压强度远大于抗拉强度。陶瓷材料抗压强度约为抗拉强度的10倍。 强度大多指抗拉强度。电子陶瓷材料的强度常用抗折强度表示。材料的实际强度比理论强度低得多。如烧结氧化铝的E＝3.66×1011N/m2,由式(4.5)，估算其理论强度σth=6.05×1010N/m2，但实测强度σ=2.66×108N/m2σ只有σth的1/277。 对实际材料强度低的原因有很多理论解释，格里菲斯（Griffith）的微裂纹理论比较成功。微裂纹理论：实际材料中有许多微裂纹，在外力作用下，裂纹尖端附近产生应力集中。当这种局部应力超过材料强度时，裂纹扩展，最终导致断裂。 若能控制材料中裂纹长度2c与原子间距a接近，就能达到理论强度。微裂纹理论提出了要提高材料强度必须:1)减小裂纹尺寸;2)提高弹性模量；3)提高断裂表面能。 陶瓷的断裂表面能比单晶的大，故其强度也较高。如果陶瓷和适当的金属制成复合材料，由于金属的塑性形变吸收了陶瓷晶相中裂纹扩展释放出的能量，使裂纹终止在相界上，提高了复合材料断裂表面能（比陶瓷），因而获得较高的强度和韧性。可以用其它法阻止裂纹扩展，提高断裂表面能，以提高材料的强度，增加韧性。 例如，在陶瓷中形成大量小于临界长度（达到临界应力时的裂纹长度）的微细裂纹，以吸收裂纹扩展时积蓄的弹性应变能，阻止裂纹扩展。增韧陶瓷即是依此原理研制而成的。 陶瓷材料微晶化后可以提高其强度：当晶相中的微裂纹受到与其长度方向垂直的应力作用时，裂纹扩展到晶界时强度较低，形成沿晶界方向的裂纹。由于作用于此晶粒的外力与晶界平行，裂纹尖端的应力降低了，裂纹扩展后即停止。 由于细晶粒陶瓷中垂直于裂纹扩展方向的晶界数比粗晶粒陶瓷中的多，所以，当晶粒尺寸减小时陶瓷强度增大。Griffith的微裂纹理论在陶瓷、玻璃中获得了很大的成功，但对金属、高聚物不太适用。 硬度实际应用中，对硬度有不同的测试方法、意义不同、代表的性能也不同。对晶体材料，用划痕硬度反映材料抵抗断裂破坏的能力；对金属材料，用静载压入硬度反映材料抵抗塑性形变的能力； 晶体材料的划痕硬度称为莫氏硬度，序号大的材料可以划破序号小的材料的表面。金属材料的静载压入硬度方法是用静压将一硬物体压入被测材料的表面，常用的有布氏硬度、维氏硬度、洛氏硬度、显维硬度等。一般离子半径越小、电价越高、配位数越小、结合能越大，材料的硬度越大。 2.3热学性能2.3.1比热容2.3.2膨胀系数2.2.3热导率2.2.4抗热冲击性 电子陶瓷的热学性质热学性质是电子陶瓷的重要性质之一。如集成电路外壳、基片用陶瓷应有很好的热传导性。大部分陶瓷亲有好的耐热冲击性等。陶瓷材料的热学性质可以用比热、膨胀系数、导热系数、抗热冲击性等参数来表征。 比热单位质量的物质升高1ºC所吸收的热量叫比热。1摩尔物质升高1ºC所吸收的热叫摩尔热容量即热容。热容是衡量物质温度每升高所增加的能量。恒定压力下的热容称恒压热容，可写为:(4-12) 恒定体积下的热容称恒容热容，可写为(4-13)式中Q为热量、H为焓、E为内能、T为温度。 对于电子陶瓷，一般情况下，CP≈CV；高温时差别较大。几种陶瓷材料热容与温度的关系如图所示。 低温时，温度降低时热容CV按T3趋向于零；高温时，CV随温度的升高趋于恒定值3R（R=8.314J/(mol·℃)，为气体常数）。对大多数陶瓷，温度超过1000℃时，CV接近3R＝24.95KJ/(mol·℃)。 根据德拜热容理论:Cv=3Rf(θD/T)(4-14)式中θD称德拜温度。低温时，CV与(T/θD)3成正比；高温时，f(θD/T)趋近于1。 CV趋于常数的德拜理论的物理模型是：固体中原子的受热振动不是独立的，是互相联系的，可以看成一系列弹性波的叠加。弹性波的能量是量子化的，称为声子。热容来源于激发的声子数量。 在低温下，激发的声子数极少，接近0K时CV趋向于零；温度升高，能量最大的声子容易激发出来，热容增大；高温时，各种振动方式都已激发，每种振动频率的声子数随温度呈线性增加，故CV趋于常数。 膨胀系数物体的体积或长度随温度升高1℃而引起的相对变化叫该物体的体膨胀或线膨胀系数。体膨胀系数可写为：（4-15） 线膨胀系数可写为：（4-16)对于陶瓷材料和各向同性的固体αV=3αl。因此，可以只用线膨胀系数表示这类材料的热膨胀特性。大多数固体材料的膨胀系数是正值，也有少数是负的。 膨胀系数的正负取决于原子势能曲线的非对称形式。当排斥能曲线上升较快时，温度升高时，原子平衡位置之间距离变大，体积膨胀。l为正。当吸引能曲线上升较快，温度升高时，原子平衡位置之间距离缩小，体积收缩。l为负。 陶瓷材料的线膨胀系数为10-5~10-7(1/℃)。经验公式：Tm为材料的熔点膨胀系数大的材料，随温度的变化其体积变化较大，造成较大的瓷体内层力。当温度急剧变化时，瓷体可能炸裂。 导热系数固体材料一端的温度比另一端高时，热量会从热端传到冷端，或从热物体传到另一相接触不同材料热传导的能力不同。例如，在金属导体中自由电子起着决定性作用，因而这种材料导热导电的能力很大。 在绝缘体中自由电子极少，它们的导热主要靠构成该材料的基本质点——原子、离子或分子的热振动，所以绝缘体的导热能力比金属的小得多。但是，也有一些材料既绝缘又导热，如氧化铍、氮化硼等。 在热传导过程中，单位时间通过物质传导的热量dQ/dt与截面积S、温度梯度dT/dh成正比。即:式中λ为导热系数，是单位温度梯度、单位时间内通过单位横截面的热量。 可以衡量物质热传导能力，是材料的特征参数。λ的倒数称热阻率。的单位为W/(cm•K)或Cal/(cm•s•C) 式4-17适用于稳定传热，即物体各部分的温度在传热过程中不变，也就是在传热过程中流入任一截面的热量等于由另一截面流出的热量。在不稳定传热条件下，常采用导温系数。设在一个温度均匀的环境内，某物体表面突然受热，与内部产生温差，热量传入内部。热量的传播速度与导热系数λ成正比，与比热c和密度ρ的乘积成反比，即： (4-18)式中K为导温系数。表示物体在温度变化时的各部分温度趋于均匀的能力。K小表示温度变化缓慢。c为比热，为密度。影响导热系统的因素很多，主要有化学组成、晶体结构、气孔等，不同温度材料的导热系数也不同。 抗热冲击性抗热冲击性是指物体能承受温度剧烈变化而不破坏的能力，抗热冲击性用规定条件下的热冲击次数表示。抗热冲击性与材料的膨胀系数、导热系数、弹性模量、机械强度、断裂韧性等因素有关；作为制品，还与其形状、尺寸等因素有关。 抗热冲击性虽然不是单一的物性参数，却是陶瓷元件制造和应用中提出的重要技术指标，往往要根据上述因素设法改进陶瓷材料的抗热冲击性。 集成电路用基片材料目前计算机基片的发热量高达100kW/m2超大规模计算机芯片的温升可达400C!基片要求：绝缘性好、电容率低、介电损耗低、与Si,GaAs等热膨胀系数接近、化学稳定性好、价格低 主要有树脂基片、金属基片、陶瓷基片陶瓷基片应用较广主要指标：导热率、热膨胀系数、介电系数Al2O3、SiC、BeO、AlN、BN、CVD-BN、Diamond等为应用最多的基片 Al2O3陶瓷应用最广；AlN陶瓷近年发展很快；金刚石薄膜/厚膜研究和应用受到重视；复合陶瓷如Al2O3-BN、Al2O3-SiC、金属基复合材料等日益发展。 2.4光学性能透明陶瓷反射、透射、折射、吸收等 光学性质是指电子陶瓷在红外光、可见光、紫外线及各种射线作用下的一些性质。在光学领域里，主要光学材料是光学玻璃和单晶。近年来，随着遥感、计算机、激光、光纤通讯等技术的发展和“透明陶瓷”的出现，陶瓷材料在光学领域有了较重要的应用。光学材料的性质一般指它的反射、折射和吸收等性质。对陶瓷材料，主要指透光性。光照射到介质上，一部分被反射，一部分进入介质内部，发生散射和吸收，还有一部分透过介质，即Ip=IR+IS+IA+IT 式中Ip为入射光强度；IR为反射光强度；IS为散射光强度；IA为吸收光强度；IT为透射光强度。归一化后可得：1=R+S+A+T式中R为反射率；S为散射率；A为吸收率；T为透射率。 通常，吸收率甚小，主要是散射损失。光和物质的作用是光子和物质中电子的互作用结果。光子的能量可转移给电子，引起电子极化，或电子吸收能量转变成热能，引起光子能量损失。 散射主要是由瓷体中的气孔引起的，因为瓷体和气孔的折射率相差很大。例如Al2O3瓷，折射率为1.8，气孔折射率为1。瓷体中气孔的大小通常为0.5~2μm，接近可见光和红外光的波长，因而散射最大。要提高陶瓷材料的透射率，必须降低气孔含量。 2.5磁学性能磁感应强度B（磁导率μ）、磁化强度M(磁化率χ)、磁滞回线等注意两者区别 2.5耦合性能功能陶瓷材料某些性质（电、力、热、光、声、磁）相联系又相区别的关系叫做材料性能之间的转换和耦合。外界的宏观作用往往引起材料组成和结构的改变，从而使表征材料特征的某一参数或几个参数变化。 第四章电子陶瓷基本性质有的电场情况下某些陶瓷的光学常数如折射率会随外加电场发生较大幅度的变化，可以用电光效应来表征。在受热情况下，某些陶瓷的表面会有感生电荷产生，可以用热释电效应来表征。此外，还有光电效应、磁光效应、声光效应等等。 各种效应的关系可以如下图表示：热光力磁电热释电效应电热效应电磁效应磁电效应磁光效应电热效应电光效应光电效应压电效应逆压电效应