第4章 导电陶瓷ppt课件
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功能陶瓷材料-电功能陶瓷ppt课件
13
❖离子电导行为
如果材料的离子迁移数等于1，或者说离子电导率比电子电 导率大许多，并几乎为材料中总的电导率值，亦即材料中的载 流子几乎全部为离子，材料的导电行为称为离子导电。
在许多离子晶体中，虽然离子迁移数接近于1，但是晶体中的载 流子迁移率很低，材料实际上不导电。离子导电材料在结构上一般 需要满足三个条件：
3
❖ 对于传统陶瓷，人们利用陶瓷材料的电性能主要是其绝缘 性能；而对于先进陶瓷材料，除了其绝缘性能外，人们更关 心的是陶瓷材料的导电能力。目前高温超导氧化物的导电能 力已超过金属，得到应用的先进陶瓷材料的电导率覆盖了从 良导体到绝缘体的范围。
❖ 陶瓷材料的导电机制比较复杂，其导电性能与材料组成、 掺杂、微结构、晶体缺陷、制备工艺及后处理过程等密切相 关。
10
传统硅酸盐陶瓷、氧化物陶瓷是离子晶体。在离子晶体中，离 子导电和电子导电都存在。但一般情况下，以离子导电为主，电 子导电很微弱。然而，材料含变价离子，生成非化学计量化合物 或引入不等价杂质时，将产生大量自由电子或空穴，电子导电增 强，称为半导体。离子晶体热缺陷造成的离子电导称为本征离子 电导，杂质造成的离子电导称为杂质电导。
关于快离子导体的导电机制，一般认为是：其晶体由两种亚晶格 组成，一种是不运动离子亚晶格，另一种是运动离子亚晶格。当晶 体处于快离子相时，不运动离子构成骨架，为运动离子的运动提供 通道。运动离子像液体那样在晶格中做布朗运动，可以穿越两个平 衡位置的势垒进行扩散，快速迁移。
19
快离子导体的主要特点是：
Ag在AgI晶胞中 的位置
21
具有β-Al2O3结构的氧化物
β-Al2O3结构属于六角晶系。这种结构的导电性源于一价碱金立方堆积，铝粒子处在八 面体和四面体间隙位置上。A+和氧层连接在一起，这种疏松的连接层是 无序的，它提供了原子通道，使晶格中的A离子很容易移动。
❖离子电导行为
如果材料的离子迁移数等于1，或者说离子电导率比电子电 导率大许多，并几乎为材料中总的电导率值，亦即材料中的载 流子几乎全部为离子，材料的导电行为称为离子导电。
在许多离子晶体中，虽然离子迁移数接近于1，但是晶体中的载 流子迁移率很低，材料实际上不导电。离子导电材料在结构上一般 需要满足三个条件：
3
❖ 对于传统陶瓷，人们利用陶瓷材料的电性能主要是其绝缘 性能；而对于先进陶瓷材料，除了其绝缘性能外，人们更关 心的是陶瓷材料的导电能力。目前高温超导氧化物的导电能 力已超过金属，得到应用的先进陶瓷材料的电导率覆盖了从 良导体到绝缘体的范围。
❖ 陶瓷材料的导电机制比较复杂，其导电性能与材料组成、 掺杂、微结构、晶体缺陷、制备工艺及后处理过程等密切相 关。
10
传统硅酸盐陶瓷、氧化物陶瓷是离子晶体。在离子晶体中，离 子导电和电子导电都存在。但一般情况下，以离子导电为主，电 子导电很微弱。然而，材料含变价离子，生成非化学计量化合物 或引入不等价杂质时，将产生大量自由电子或空穴，电子导电增 强，称为半导体。离子晶体热缺陷造成的离子电导称为本征离子 电导，杂质造成的离子电导称为杂质电导。
关于快离子导体的导电机制，一般认为是：其晶体由两种亚晶格 组成，一种是不运动离子亚晶格，另一种是运动离子亚晶格。当晶 体处于快离子相时，不运动离子构成骨架，为运动离子的运动提供 通道。运动离子像液体那样在晶格中做布朗运动，可以穿越两个平 衡位置的势垒进行扩散，快速迁移。
19
快离子导体的主要特点是：
Ag在AgI晶胞中 的位置
21
具有β-Al2O3结构的氧化物
β-Al2O3结构属于六角晶系。这种结构的导电性源于一价碱金立方堆积，铝粒子处在八 面体和四面体间隙位置上。A+和氧层连接在一起，这种疏松的连接层是 无序的，它提供了原子通道，使晶格中的A离子很容易移动。
《电子陶瓷》幻灯片
Depletion Region
When a p-n junction is formed, some of the free electrons in the n-region diffuse across the junction and combine with holes to form negative ions. In so doing they leave behind positive ions at the donor impurity sites. Depletion region is a non-conducting layer
Bias effect on electrons in D.Z: Reverse Bias
Connecting the P-type region to the negative terminal of the battery and the N-type region to the positive terminal, produces
P-n junction
The open circles on the left side of the junction above represent "holes" or deficiencies of electrons in the lattice which can act like positive charge carriers. The solid circles on the right of the junction represent the available electrons from the n-type dopant. Near the junction, electrons diffuse across to combine with holes, creating a "depletion region". The energy level sketch above right is a way to visualize the equilibrium condition of the P-N junction. The upward direction in the diagram represents increasing electron energy.
第4章 导电陶瓷
特种陶瓷材料
北方民族大学 陆有军
第4章 导电陶瓷
★教学目的和要求
1、陶瓷的导电机理 2、压敏电阻 3、热敏陶瓷及其应用 4、固体电解质的导电机理 5、陶瓷气敏原理及特性
2012-5-31
硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★教学目的和要求
1、陶瓷的导电机理
2012-5-31
硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
T是第四周期过渡元素）。R在单个立方晶胞中占据立方体顶角，
T占据中心，O占据面心位置。T和R的配位数分别为6和8。高温 下LaCrO3失去Cr，剩下过剩的O2-。过剩电荷由形成Cr而中和。
通过Cr
掺入Sr
3+和Cr 4+的3d态的“空穴”跃迁而形成p形半导体。常
2+代替镧，可以提高Cr 4+的浓度，加入1％（摩尔分数）
2012-5-31 硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★陶瓷的导电机理
描述陶瓷电导时必须明白 （1）载流子是离子、电子还是空穴？ （2）迁移率是由散射和碰撞（宽能带）决定的，还是 由跨越能垒的热激发决定的？
（3）电导是本征的，还是非化学计量或杂质缺陷为主？
（4）基体是否符合化学计量配比？ （5）热平衡是否建立？是所有重要粒子都对电导有贡
献，还是只有一部分有贡献？
（6）显微结构中各相对电导的作用。
2012-5-31 硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★发热元件和电极
高温陶瓷导电体：通过电流发热产生高温或在高温状态 导电而不会熔化或氧化的陶瓷。
碳化硅
二硅化钼 铬酸镧
二氧化锡
2012-5-31 硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
北方民族大学 陆有军
第4章 导电陶瓷
★教学目的和要求
1、陶瓷的导电机理 2、压敏电阻 3、热敏陶瓷及其应用 4、固体电解质的导电机理 5、陶瓷气敏原理及特性
2012-5-31
硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★教学目的和要求
1、陶瓷的导电机理
2012-5-31
硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
T是第四周期过渡元素）。R在单个立方晶胞中占据立方体顶角，
T占据中心，O占据面心位置。T和R的配位数分别为6和8。高温 下LaCrO3失去Cr，剩下过剩的O2-。过剩电荷由形成Cr而中和。
通过Cr
掺入Sr
3+和Cr 4+的3d态的“空穴”跃迁而形成p形半导体。常
2+代替镧，可以提高Cr 4+的浓度，加入1％（摩尔分数）
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第4章 导电陶瓷
★陶瓷的导电机理
描述陶瓷电导时必须明白 （1）载流子是离子、电子还是空穴？ （2）迁移率是由散射和碰撞（宽能带）决定的，还是 由跨越能垒的热激发决定的？
（3）电导是本征的，还是非化学计量或杂质缺陷为主？
（4）基体是否符合化学计量配比？ （5）热平衡是否建立？是所有重要粒子都对电导有贡
献，还是只有一部分有贡献？
（6）显微结构中各相对电导的作用。
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第4章 导电陶瓷
★发热元件和电极
高温陶瓷导电体：通过电流发热产生高温或在高温状态 导电而不会熔化或氧化的陶瓷。
碳化硅
二硅化钼 铬酸镧
二氧化锡
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第4章 导电陶瓷
导电陶瓷
第四章 导电陶瓷
§1.1 β-Al2O3陶瓷
一、β-A12O3陶瓷的导电机理与性质
β-A12O3的导电机理: 的导电机理:
对于β 对于β-A12O3陶瓷的导电机理还须从它的结构来论述。 陶瓷的导电机理还须从它的结构来论述。 结构来论述 β-A12O3是一种多铝酸盐，由铝氧复合离子和碱、碱 是一种多铝酸盐 由铝氧复合离子和碱、 多铝酸盐， 土或某些一价、二价阳离子所组成的一系列化合物。 土或某些一价、二价阳离子所组成的一系列化合物。这 里讨论的仅是含钠 里讨论的仅是含钠β-A12O3。β-A12O3(Na2O•11A12O3)、 含钠β β″-A12O3 [Na2O• (0.5～7)A12O3]。 β″(0.5～
第四章 导电陶瓷
还有Na– 还有Na–β-A12O3在使用过程中，金属钠会在 在使用过程中， Na–β-A12O3 陶瓷的β-A12O3晶格内或多晶材料的晶 Na– 陶瓷的β 界内沉积，使材料变黑或破裂， 界内沉积，使材料变黑或破裂，因而影响电导率及 使用寿命。 使用寿命。 另外由于Na– 另外由于Na–β-A12O3是层状结构，均质性比较 层状结构， 集中， 的情况。 的情况。 因此， 因此，正在开展具有各向同性的导电通路的三 元导电体用作大容量电池的研究。 元导电体用作大容量电池的研究。
还可用其它离子来置换NaSiCON中的 ， 还可用其它离子来置换NaSiCON中的Zr， 中的Zr 例如Na 例如Na3Hf2Si2PO12在1200℃以下，其电导率超 1200℃以下， 过NaSiCON。 NaSiCON。 另外与NaSiCON的钠离子电导率相当的有 另外与NaSiCON的钠离子电导率相当的有 Na5CaSi4PO12等。 总之这类导电陶瓷还在研究开发之中， 总之这类导电陶瓷还在研究开发之中，将 会有新的导电陶瓷出现。 会有新的导电陶瓷出现。
电子陶瓷第四章第五讲
0( B 0)
导纳性质为感性，电路为电感性电路。
三、阻抗与导纳的等效互换
由单口无源网络的阻抗Z和导纳Y的定义可 知，对于同一单口无源网络Z与Y互为倒数，即
1 Z Y
或
1 Y Z
1、极坐标形式Z、Y之间的等效互换 1 Z 1 Y 即： 若 Z Z 则 Z Y
εs 、ε∞分别为材料极低频和极高频介电常数 的实部，τ代表偶极子弛豫时间，它与偶极 子的惰性及基体的粘滞性有关。
第四章 电子陶瓷基本性质
Debye曾经提出一个模型，对于永久偶极矩 为μ的点偶极子，如果分布均匀，其复数介 电常数可写为：
s ( ) 1 i
上式称为Debye方程，遵从该方程的效应称 为Debye弛豫。
上式：
I Y U
称为导纳角，它是电流和电压的相位差。
i u
Y G jB （直角坐标形式） 实部G：电导分量 （ 正值） 虚部B：电纳分量 （可正可负）
YU GU jBU I I I （G jB)U G B
+
U
Z1 U1 U Z1 Z 2
Z2 U2 U Z1 Z 2
2、单口无源网络中各阻抗为并联时，等效 阻抗为： n个电阻并联： Z1 Z2 Zn
1 n 1 Z k 1 Z k
Z
或Y
Yk
k 1
n
Z1 Z 2 两个阻抗并联时，等效阻抗为： Z Z1 Z 2
+ R _U +
X U _
电压三角形
相量图 ( X 0)
串联等效电路
4、由于电路结构、参数或电源频率的不同阻抗 角 可能会出现以下三种情况：
2011-电子陶瓷第四章第二讲
第四章 电子陶瓷基ห้องสมุดไป่ตู้性质
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。
第四章 电子陶瓷基本性质
设将一单位厚度的薄板拉长到l+l ，然后 将两端固定，此时，板中存储的弹性应变 能为：
金属、高聚物有mm级裂纹才会断裂！
第四章 电子陶瓷基本性质
§ 4.2.3 断裂韧性 断裂是裂纹扩展的结果。 根据断裂力学，裂纹尖端应力场的强度 可用应力强度因子表示，即: K1=Yσ (4-8)
第四章 电子陶瓷基本性质
式中Y为几何形状因子，是与裂纹型式 、试样几何形状有关的量。Y值可从断裂 力学及有关手册中查到。 对于大薄平板中间有穿透裂纹的情况 ，
第四章 电子陶瓷基本性质
对平面应力（薄板）状态下：
dWe 1 dWe d ( 2c ) 2 dc 1 d c 2 2 2 c ( ) 2 dc E E dWs 1 dWs d ( 2c ) 2 dc 1 d ( 4c ) 2 2 dc
第四章 电子陶瓷基本性质
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；
第四章 电子陶瓷基本性质
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。
电介质陶瓷-PPT文档资料
转向计划
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平行板电容器两极板间充满电介质时，电容器的电容为：
q S C r 0 U U d A B
S C0 0 d
可见，平行板电容器的电容只与自身的几何尺寸与电介质材料有关。 由此比较可得，平行板电容器两极板间没有电介质和充满 电介质时，电场与电场、电容与电容之间的关系为：
电介质陶瓷
一、相关概念
• • • • 电介质在电场下的极化 介电常数 介电常数的温度系数 介质损耗
+ E0 + + ＇ + + E + + E 0 内
+
E0
＇ E E E 0 0 内
导体内电场强度 外电场强度
感应电荷电场强度
静电平衡：当导体中的电荷不动，从而使导体内部电场分 布不随时间变化，则称此时的导体达到了静电平衡。
E
E E E 0
E0
+ pi + E0 σ ´ ΔS + P l +
电子极化
3 4 r e 0
＋
＋
R为原子半径
电介质极化
离子极化
正负离子发生相对位移产生 电偶极聚 的2－5倍
有永久偶极矩，通过转向与电场 取向一致
－ + 极化 － + －
i 一般为 e
当两极间充满相对介电常数为 r 的电介质时的电容：
－ + － + －
+ － －
－ +
+ －
－ +
+ －
+ － － +
－ + － +
－ + －
平行板电容器两极板间充满电介质时，电容器的电容为：
q S C r 0 U U d A B
S C0 0 d
可见，平行板电容器的电容只与自身的几何尺寸与电介质材料有关。 由此比较可得，平行板电容器两极板间没有电介质和充满 电介质时，电场与电场、电容与电容之间的关系为：
电介质陶瓷
一、相关概念
• • • • 电介质在电场下的极化 介电常数 介电常数的温度系数 介质损耗
+ E0 + + ＇ + + E + + E 0 内
+
E0
＇ E E E 0 0 内
导体内电场强度 外电场强度
感应电荷电场强度
静电平衡：当导体中的电荷不动，从而使导体内部电场分 布不随时间变化，则称此时的导体达到了静电平衡。
E
E E E 0
E0
+ pi + E0 σ ´ ΔS + P l +
电子极化
3 4 r e 0
＋
＋
R为原子半径
电介质极化
离子极化
正负离子发生相对位移产生 电偶极聚 的2－5倍
有永久偶极矩，通过转向与电场 取向一致
－ + 极化 － + －
i 一般为 e
当两极间充满相对介电常数为 r 的电介质时的电容：
《电介质陶瓷》课件
断裂韧性
衡量电介质陶瓷抗裂纹扩展能力的物 理量。断裂韧性好的电介质陶瓷在受 到裂纹作用时不易破裂。
热性能
热导率
衡量电介质陶瓷导热性能的物理量。热 导率越大，电介质陶瓷的导热性能越好
。
耐热性
衡量电介质陶瓷在高温下稳定性的物 理量。耐热性好的电介质陶瓷在高温
下不易分解和氧化。
热膨胀系数
衡量电介质陶瓷受热后尺寸变化的物 理量。热膨胀系数的大小影响陶瓷与 其它材料的匹配程度。
气氛稳定性
衡量电介质陶瓷在特定气氛下稳定性的物理量。气氛稳定性好的电 介质陶瓷在特定气氛下不易发生化学反应或性能变化。
03
电介质陶瓷的制备工艺
粉体制备
固相法
通过物理或化学手段将原料混合 、研磨、破碎，最终得到所需粒 度的粉体。
液相法
通过溶胶-凝胶法、化学沉淀法等 手段将原料转化为溶液，再通过 热处理得到粉体。
表面改性
通过物理或化学手段对陶瓷表面进行处理，改变其表面形态和化学性质，以提高其润湿性、粘结性等 性能。Leabharlann 04电介质陶瓷的应用实例
高压电容器
高压电容器是一种能够储存大量电荷的电子元件，广泛应用于电力系统中 。
电介质陶瓷作为高压电容器的介质材料，具有高介电常数、低损耗、温度 稳定性好等优点，能够提高电容器的储能密度和可靠性。
烧结工艺
高温烧结
在高温下使陶瓷胚体中的 颗粒相互熔融、扩散，形 成致密的陶瓷材料。
低温烧结
在较低的温度下使陶瓷胚 体中的颗粒相互熔融、扩 散，形成致密的陶瓷材料 。
烧结助剂
在烧结过程中添加适量的 烧结助剂，以促进陶瓷材 料的致密化。
表面处理
表面涂层
在陶瓷表面涂覆一层具有特殊功能的涂层，以提高其耐腐蚀、耐磨损等性能。
导电陶瓷烧结工艺介绍培训课件
在工艺上另一个问题是烧结，因为Na–β-A12O3一 般是很难烧结的，而且强度不高会影响到使用。因此 在不影响其性质时，可以适当加入一些添加物，降低 其烧结温度，改善其性能。此外，在高温时，钠会蒸 发，因此不易保持合适的Na2O/A12O3的比例，需要采 取一些措施。
就具体工艺和要求来说，β-A12O3原料可采用电熔 β-A12O3，经过脱炭、球磨、酸洗、烘干。
制造ZrO2导电陶瓷，依产品的性能、形状、大小 的不同可以有多种方法。
粉料制备，由于稳定ZrO2的硬度较大，一般在钢 球磨机中球磨，球磨后进行酸洗，然后用水清洗至中 性，烘干。
采用注浆法成型，用上述料在瓷球磨筒内配制中 性泥浆，料 : 球 : 水 : 胶液(阿拉伯树胶)=1 : 1.5 : 0.6 : 0.15，具有较好的悬浮性和流动性。
一个 Na–β-A12O3 晶胞包括两个这样的 “夹晶石基块”。在基块与基块之间排列着较 为松散的钠氧层。而 且钠氧层的上下方各有一 个铝原子，在基块之间起连接作用，并形成铝 氧桥O3-Al-O-Al-O3。
在密堆积的基块中，离子运动是比较困难的， 而在松散的钠氧层中，钠离子的半径与氧离子的相 比要小得多，所以钠离子在松散层中可以进行移动、 扩散、离子交换。事实上钠离子是不能在结晶C轴 方向移动，即不能通过立方密堆积的氧离子层间C 轴方向移动。而钠离子只能在两个夹晶石基块中间 的[NaO]－扩散层移动， Na–β-A12O3导电性是由钠 离子在垂直于C轴的[NaO]－层平面内的移动产生的。
生产 Na–β-A12O3，一般是利用纯的 A12O3 粉， 按照一定的配比加入纯 Na2O（一般用Na2CO3的形式 加入)。在1600℃左右温度下合成为Na–β-A12O3，然 后再把合成物料进行细粉碎后，经注浆或等静压成型 后，在1750～1850℃高温下烧结成制品。
04强介铁电陶瓷
§4-3-2 铁电瓷改性原理
(1) 居里区与相变扩散 (2) 铁电陶瓷居里峰的展宽效应 (3) 铁电陶瓷居里峰移动效应 (4) 铁电陶瓷重叠效应
§4-3 强介铁电瓷的改性机理
掌握几个概念： 居里点&居里区 异相共存 相变扩散 展宽效应 移动效应 重叠效应
§4-3 强介铁电瓷的改性机理
§4-3 强介铁电瓷的改性机理
§4-3-1 对BaTiO3电容器的要求
介电常数ε： 要
求在工作温区的ε
尽可能高，但ε随
温度的变化率
（ △ ε/ε25℃ ） 要 小 。 ε随电场强度的变
军事
化率也要尽可能小。
石油钻探 航空
高介高稳定
§4-3 强介铁电瓷的改性机理
介电损耗tgδ： 由于BaTiO3电容器主要用于低频电路中起滤波，旁 路，隔直流，耦合等作用，因而，只要tgδ≤3％即 可。
0 r
D E
E0
0
P E
• 在－80,0,120℃出现ε的峰值
• a轴的ε比c轴大
• Tc处ε最大，且与方向无关 • T>Tc，ε满足居里－外斯定律 • 热滞现象，一级相变
BaTiO3单晶（单畴）的介电系数与温度的关系 （按四方晶系的a轴和c轴测量）
C
在外电场的推动下，电畴会随外电场方向转向运 动。当外加电场足够强，电畴将尽可能地统一到 外电场一致的方向。
电畴的反转过程分为新畴成核、畴的纵向长大、 畴的横向扩张和畴的合并四个阶段。
180°电畴的成核、纵向长大及横向扩张
§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
180°畴：反向电场——（边沿、缺陷处成核）新 畴——劈尖状的新畴向前端发展（因180°畴前移速 度比侧向移动速度快几个数量级）
(1) 居里区与相变扩散 (2) 铁电陶瓷居里峰的展宽效应 (3) 铁电陶瓷居里峰移动效应 (4) 铁电陶瓷重叠效应
§4-3 强介铁电瓷的改性机理
掌握几个概念： 居里点&居里区 异相共存 相变扩散 展宽效应 移动效应 重叠效应
§4-3 强介铁电瓷的改性机理
§4-3 强介铁电瓷的改性机理
§4-3-1 对BaTiO3电容器的要求
介电常数ε： 要
求在工作温区的ε
尽可能高，但ε随
温度的变化率
（ △ ε/ε25℃ ） 要 小 。 ε随电场强度的变
军事
化率也要尽可能小。
石油钻探 航空
高介高稳定
§4-3 强介铁电瓷的改性机理
介电损耗tgδ： 由于BaTiO3电容器主要用于低频电路中起滤波，旁 路，隔直流，耦合等作用，因而，只要tgδ≤3％即 可。
0 r
D E
E0
0
P E
• 在－80,0,120℃出现ε的峰值
• a轴的ε比c轴大
• Tc处ε最大，且与方向无关 • T>Tc，ε满足居里－外斯定律 • 热滞现象，一级相变
BaTiO3单晶（单畴）的介电系数与温度的关系 （按四方晶系的a轴和c轴测量）
C
在外电场的推动下，电畴会随外电场方向转向运 动。当外加电场足够强，电畴将尽可能地统一到 外电场一致的方向。
电畴的反转过程分为新畴成核、畴的纵向长大、 畴的横向扩张和畴的合并四个阶段。
180°电畴的成核、纵向长大及横向扩张
§4-2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
180°畴：反向电场——（边沿、缺陷处成核）新 畴——劈尖状的新畴向前端发展（因180°畴前移速 度比侧向移动速度快几个数量级）
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★教学目的和要求
1、发热元件 2、欧姆电阻 3、热敏陶瓷的特性 4、湿敏陶瓷
2018/11/15
硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★陶瓷的导电机理
前言
金属和陶瓷导电的区别
现象 电导率
本质
电导率：指所有参与导电粒子贡献的总和。
σ＝Σneμ
2018/11/15 硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
2018/1热元件和电极
SnO2不易烧结，常用烧结助剂ZnO、CuO，掺杂剂常用 锑和砷的氧化物，它们的总量不超过2％。用等静压法或注
浆法成型以后，1400℃在氧化气氛中烧结，可得接近理论
密度（6.98g／cm3）的制品，最大电极长600mm，直 径150mm，质量60kg。烧结后，要在氮气中冷却，以产 生氧空位使室温电导率增加，达到10-1S／cm数量级。其 阻温特性示于图4.9。氧化锡电极在玻璃电熔窑中的使用寿
第4章 导电陶瓷
第4章 导电陶瓷
★教学目的和要求
1、陶瓷的导电机理 2、压敏电阻 3、热敏陶瓷及其应用 4、固体电解质的导电机理 5、陶瓷气敏原理及特性
2018/11/15
硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★教学目的和要求
1、陶瓷的导电机理
2018/11/15
硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★陶瓷的导电机理
2018/11/15
硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★陶瓷的导电机理
1、陶瓷的电子电导
2018/11/15
硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★陶瓷的导电机理
2018/11/15
硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★陶瓷的导电机理
表4.2 第四族元素的能带间隙 元素 能带间 隙/eV 6.3 1.1 0.7 材料类型 元素 能带间 隙/eV 0.1 0 0 材料类型
MOSi2发热元件常制成U形，加热区在高温下弯成所 需形状，然后通以大电流焊于大直径的冷端上。最好 的的使用温度可达到1800℃，常用于1600℃。
2018/11/15 硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★发热元件和电极
铬酸镧
LaCrO3的熔点2500℃，高温时有高的电导率（1400℃约 100S· m-1）。它是具有钙钛矿RTO3结构的镧系化合物（R为
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第4章 导电陶瓷
★发热元件和电极
导电SnO2陶瓷的一个重要应用是特种玻璃电熔时所用的电极。
熔炼玻璃的电极，在玻璃的熔化温度时要有高的电导率，并 耐玻璃熔体的腐蚀，另外又不能使玻璃着色。制造光学玻璃 及铅晶质玻璃餐具，除铂电极外，SnO2是惟一可用的电极材 料。
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第4章 导电陶瓷
★发热元件和电极
二氧化锡
二氧化锡（SnO2）应用于高温导体、欧姆电阻、透明
导电薄膜和气敏元件。这里主要介绍电极应用。
SnO2晶体为四方金红石结构，在0K时它的禁带宽度为 3.7eV，因而纯的化学计量的SnO2在室温下是良好的绝缘 体，电阻率约为106Ω· m数量级。非化学计量的SnO2都 是氧不足型，导致其施主能级比导带底约低0．1eV，而 形成n型半导体。用第五族元素掺杂也会产生n型半导体， 常用Sb掺杂。
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第4章 导电陶瓷
★陶瓷的导电机理
描述陶瓷电导时必须明白 （1）载流子是离子、电子还是空穴？ （2）迁移率是由散射和碰撞（宽能带）决定的，还是 由跨越能垒的热激发决定的？
（3）电导是本征的，还是非化学计量或杂质缺陷为主？
（4）基体是否符合化学计量配比？ （5）热平衡是否建立？是所有重要粒子都对电导有贡
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第4章 导电陶瓷
★发热元件和电极
LaCrO3电陶瓷元件按一般陶瓷工艺烧结而成， 但必须控制烧结时的气氛在低的氧分压 （1700℃时PO2约10-7MPa），并再在氧气氛 中退火以提高导电。Sr2+作为烧结助剂，并提 高导电率，还要加入Co2+以控制晶粒生长。 LaCrO3高温发热元件必须在氧化气氛下应用， 在1800℃空气中有良好的电导率，最高使用温 度为2000℃并有良好的耐腐蚀性。但在低氧分 压下电导率降低，当PO2为0.1Pa时，只能在 1400℃使用。LaCrO3在高温会挥发产生 Cr2O3而污染炉料，并且在低温时电阻过大， 必须用其他手段辅助加热到1000℃以上，才可 有足够的电导而自行发热。这些缺点限制了它 的应用。
金刚石， C
Si
绝缘体 半导体 半导体
灰Sn(13)
白Sn(13)
半导体 金属 金属
Ge
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Pb
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第4章 导电陶瓷
★陶瓷的导电机理
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★陶瓷的导电机理
2、陶瓷的离子电导 固体发生离子迁移的条件是 （1）离子尺寸和电荷数应 比较小，并且晶体存在合 适迁移的结构。 （2）固体中某些结构提供 离子小空间运动的通道。 因此，陶瓷中的离子电导 与晶体结构有关。
★发热元件和电极
碳化硅
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第4章 导电陶瓷
★发热元件和电极
二硅化钼
MOSi2发热元件是一种金属陶瓷。钼粉和硅粉反应 生成MOSi2是一个放热反应。将合成的MOSi2粉和 20％的黏土结合剂混合物挤成条状，干燥后进行烧
结，生成含铝硅酸盐玻璃相的MOSi2致密陶瓷体。
献，还是只有一部分有贡献？
（6）显微结构中各相对电导的作用。
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★发热元件和电极
高温陶瓷导电体：通过电流发热产生高温或在高温状态 导电而不会熔化或氧化的陶瓷。
碳化硅
二硅化钼 铬酸镧
二氧化锡
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第4章 导电陶瓷
镧系元素，T是第四周期过渡元素）。R在单个立方晶胞中占据
立方体顶角，T占据中心，O占据面心位置。T和R的配位数分 别为6和8。高温下LaCrO3失去Cr，剩下过剩的O2-。过剩电荷
由形成Cr而中和。通过Cr 3+和Cr 4+的3d态的“空穴”跃迁而
形成p形半导体。常掺入Sr 2+代替镧，可以提高Cr 4+的浓度， 加入1％（摩尔分数）的SrO能使电导率增大10倍。
1、发热元件 2、欧姆电阻 3、热敏陶瓷的特性 4、湿敏陶瓷
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第4章 导电陶瓷
★陶瓷的导电机理
前言
金属和陶瓷导电的区别
现象 电导率
本质
电导率：指所有参与导电粒子贡献的总和。
σ＝Σneμ
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2018/1热元件和电极
SnO2不易烧结，常用烧结助剂ZnO、CuO，掺杂剂常用 锑和砷的氧化物，它们的总量不超过2％。用等静压法或注
浆法成型以后，1400℃在氧化气氛中烧结，可得接近理论
密度（6.98g／cm3）的制品，最大电极长600mm，直 径150mm，质量60kg。烧结后，要在氮气中冷却，以产 生氧空位使室温电导率增加，达到10-1S／cm数量级。其 阻温特性示于图4.9。氧化锡电极在玻璃电熔窑中的使用寿
第4章 导电陶瓷
第4章 导电陶瓷
★教学目的和要求
1、陶瓷的导电机理 2、压敏电阻 3、热敏陶瓷及其应用 4、固体电解质的导电机理 5、陶瓷气敏原理及特性
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★教学目的和要求
1、陶瓷的导电机理
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★陶瓷的导电机理
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★陶瓷的导电机理
1、陶瓷的电子电导
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★陶瓷的导电机理
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表4.2 第四族元素的能带间隙 元素 能带间 隙/eV 6.3 1.1 0.7 材料类型 元素 能带间 隙/eV 0.1 0 0 材料类型
MOSi2发热元件常制成U形，加热区在高温下弯成所 需形状，然后通以大电流焊于大直径的冷端上。最好 的的使用温度可达到1800℃，常用于1600℃。
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★发热元件和电极
铬酸镧
LaCrO3的熔点2500℃，高温时有高的电导率（1400℃约 100S· m-1）。它是具有钙钛矿RTO3结构的镧系化合物（R为
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★发热元件和电极
导电SnO2陶瓷的一个重要应用是特种玻璃电熔时所用的电极。
熔炼玻璃的电极，在玻璃的熔化温度时要有高的电导率，并 耐玻璃熔体的腐蚀，另外又不能使玻璃着色。制造光学玻璃 及铅晶质玻璃餐具，除铂电极外，SnO2是惟一可用的电极材 料。
2018/11/15 硅酸盐及新型陶瓷材料
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★发热元件和电极
二氧化锡
二氧化锡（SnO2）应用于高温导体、欧姆电阻、透明
导电薄膜和气敏元件。这里主要介绍电极应用。
SnO2晶体为四方金红石结构，在0K时它的禁带宽度为 3.7eV，因而纯的化学计量的SnO2在室温下是良好的绝缘 体，电阻率约为106Ω· m数量级。非化学计量的SnO2都 是氧不足型，导致其施主能级比导带底约低0．1eV，而 形成n型半导体。用第五族元素掺杂也会产生n型半导体， 常用Sb掺杂。
2018/11/15 硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★陶瓷的导电机理
描述陶瓷电导时必须明白 （1）载流子是离子、电子还是空穴？ （2）迁移率是由散射和碰撞（宽能带）决定的，还是 由跨越能垒的热激发决定的？
（3）电导是本征的，还是非化学计量或杂质缺陷为主？
（4）基体是否符合化学计量配比？ （5）热平衡是否建立？是所有重要粒子都对电导有贡
2018/11/15 硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★发热元件和电极
LaCrO3电陶瓷元件按一般陶瓷工艺烧结而成， 但必须控制烧结时的气氛在低的氧分压 （1700℃时PO2约10-7MPa），并再在氧气氛 中退火以提高导电。Sr2+作为烧结助剂，并提 高导电率，还要加入Co2+以控制晶粒生长。 LaCrO3高温发热元件必须在氧化气氛下应用， 在1800℃空气中有良好的电导率，最高使用温 度为2000℃并有良好的耐腐蚀性。但在低氧分 压下电导率降低，当PO2为0.1Pa时，只能在 1400℃使用。LaCrO3在高温会挥发产生 Cr2O3而污染炉料，并且在低温时电阻过大， 必须用其他手段辅助加热到1000℃以上，才可 有足够的电导而自行发热。这些缺点限制了它 的应用。
金刚石， C
Si
绝缘体 半导体 半导体
灰Sn(13)
白Sn(13)
半导体 金属 金属
Ge
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★陶瓷的导电机理
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第4章 导电陶瓷
★陶瓷的导电机理
2、陶瓷的离子电导 固体发生离子迁移的条件是 （1）离子尺寸和电荷数应 比较小，并且晶体存在合 适迁移的结构。 （2）固体中某些结构提供 离子小空间运动的通道。 因此，陶瓷中的离子电导 与晶体结构有关。
★发热元件和电极
碳化硅
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★发热元件和电极
二硅化钼
MOSi2发热元件是一种金属陶瓷。钼粉和硅粉反应 生成MOSi2是一个放热反应。将合成的MOSi2粉和 20％的黏土结合剂混合物挤成条状，干燥后进行烧
结，生成含铝硅酸盐玻璃相的MOSi2致密陶瓷体。
献，还是只有一部分有贡献？
（6）显微结构中各相对电导的作用。
2018/11/15 硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★发热元件和电极
高温陶瓷导电体：通过电流发热产生高温或在高温状态 导电而不会熔化或氧化的陶瓷。
碳化硅
二硅化钼 铬酸镧
二氧化锡
2018/11/15 硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
镧系元素，T是第四周期过渡元素）。R在单个立方晶胞中占据
立方体顶角，T占据中心，O占据面心位置。T和R的配位数分 别为6和8。高温下LaCrO3失去Cr，剩下过剩的O2-。过剩电荷
由形成Cr而中和。通过Cr 3+和Cr 4+的3d态的“空穴”跃迁而
形成p形半导体。常掺入Sr 2+代替镧，可以提高Cr 4+的浓度， 加入1％（摩尔分数）的SrO能使电导率增大10倍。