第6章 功能陶瓷ppt课件.ppt

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1、第六章信息功能陶瓷材料6.1功能陶瓷材料的结构基础信息功能材料是指利用电、磁、光、热、力等直接效应及耦合效应提供的一种或多种性质来实现信息的监测、转换、耦合、传输及存储等功能的先进陶瓷。主要包括铁电、压电、介电、热释电、半导、电导、超导和磁性等陶瓷，是电子信息、计算机、能源工程等高新技术领域的关键材料，具有广阔的前景。一、陶瓷材料的结合键晶体中的原子间是靠化学键结合的。化学键的种类有离子键、共价键、金属键三种强结合键以及范德华键和氢键两种弱结合键。键的离子性程度可以通过电负性做半经验性的估计。一般情况下，可以用经验公式估算由A、B两种元素组成的陶瓷中离子键成分比例为式中

2、A、B—A、B元素的电负性；PAB—陶瓷的离子键成分比例。A、B的差值越大，离子键越强，或者说离子键成分比例越大。反之，A、B的差值越小，则共价键成分比例越大。当A=B时，成为完全的共价键。电子陶瓷的绝大部分为以离子键为主的晶体材料，结构主要取决于正负离子如何结合在一起，同时又能具有最大的静电引力和最小的静电斥力。所谓“鲍林规则”，它主要针对离子晶体，对于共价键结合并同时具有部分离子键性质的晶体也有参考价值。但对于完全为共价键结合的晶体，是不适用的。鲍林第一规则，即所谓的负离子配位多面体规则。它指出：在离子晶体中，正离子的周围形成一个负离子配位多面体，正负离

3、子间的平衡距离取决于离子半径之和，而正离子的配位数则取决于正负离子的半径比。鲍林第二规则，也称电价规则。它是指：在一个稳定的离子晶体结构中，每个负离子的电价等于或接近等于与之相邻接的各正离子静电强度S的总和。二、鲍林规则鲍林第二规则则是计算晶体中局部电中性的基础，正离子的价电子数Z除以它的配位数n所得的商值，称为正离子给与一个配位负离子的静电键强度S，即S=Z/n。在高价低配位的多面体中，负离子可获得较高的静电键强度，且负离子电价可以由各类离子来满足。鲍林第三规则指出：在离子晶体中配位多面体之间共用棱边的数目越大，特别是共用面的数目越大，会降低这个结构的稳定性。对于电价高

4、，配位数低的正离子来说，这个效应尤为显著。此效应适用于高价低配位数的多面体之间。鲍林第四规指出：在含有一种以上正负离子的离子晶体中，一些电价较高，配位数较低的正离子配位多面体之间，有尽可能相互远离的趋势。鲍林第五规则，即结构简单化法则。它指出：在离子晶体中，样式不同的结构单元数应尽量趋向最小，即同一类型的正离子应尽量具有相同的配位环境。因为在一个均匀的结构中，不同形状的配位多面体很难有效堆积在一起。三、功能材料的典型结构金红石型结构金红石型结构为TiO2异构体的一种，单位晶胞中8个顶角和中心为正离子，处于由负离子构成的稍有变形的八面体中心。这种晶格结构，正离子的价数是负离

5、子的2倍，所以正负离子的配位数为6:3。2.钙钛矿型结构具有钙钛矿型结构的化合物的组成为ABO3，配位数为A:B:O=12:6:6。A通常是低价、半径较大的正离子，它和氧离子一起按面心立方密堆；B通常为高价、半径较小的正离子，处于氧八面体的体心位置。半径RA、RB和R0之间存在关系：其半径之容许差异，可引入容差因子t来表示，即t在0.77~1.10取值，晶体可保持稳定的钙钛矿结构；t<0.77，钛铁型结构；t>1.10，则为方解石或纹理型结构。3.尖晶石型结构通式一般为AB2O4，氧离子可看成是按立方紧密堆积排列，A一般为二价正离子，填充于1/8的四面体空隙中，B为三价正

6、离子，填充于1/2的八面体空隙中。四、功能陶瓷的缺陷与固溶结构晶体结构缺陷有好几种类型，根据几何形状分：点缺陷（尺寸处于1~2个原子大小）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界和界面）。功能陶瓷晶体中的点缺陷根据对理想晶格偏离的几何位置及成分划分：填隙原子：进入晶格中正常结点间的间隙位置。空位：正常结点没有被原子或离子占据，成为空结点。杂质原子：外来原子进入晶格成为晶体中的杂质。根据产生原因划分：热缺陷：在无外来原子情况下，由于晶格原子热振动，一部分能量较大的院子离开正常格点位置，进入间隙成为填隙原子，并在原来的位置上留下一个空位，生成所谓的佛仑克尔缺陷。或者正常格点上的原子迁移

7、到表面，在晶体内部正常格点留下空位，生成所谓肖特基缺陷。(2)杂质缺陷：由于外来原子进入晶体而产生的缺陷。(3)非化学计量结构缺陷：化学组成会明显随着周围气氛、性质和压力大小变化而发生偏离化学计量的现象。2.功能陶瓷的固溶结构固溶体指溶入了另一类物质的晶体。溶质或杂质在基质中呈原子状态分布，溶质可以不止一种并同时存在，但必须总体上保证基质的原有晶型结构。（1）半径比关系经验证明，半径比满足1-RA/RB<30%时，才能形成固溶。半径比差越小，越能稳定固溶，或固溶限越大。（2）结构因素首先，只有晶格结构相同时，才能使两类或两类以