第4章 导电陶瓷

间急剧下降；V型PTC的电阻温度关系呈现V形变化。
2012-5-31 硅酸盐及新型陶瓷材料
NTC热敏电阻
2012-5-31 硅酸盐及新型陶瓷材料
PTC热敏电阻
2012-5-31 硅酸盐及新型陶瓷材料
2012-5-31
硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★热敏电阻
热敏电阻的基本特性主要考虑三方面：①电阻率；②
★欧姆电阻
厚膜法
用丝网印刷涂覆
3～30μm左右厚
度的膜的方法称 为“厚膜法”或 “丝网印刷法”
待印件置于网 下1-3mm处
2012-5-31
硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★欧姆电阻
问：厚膜法与薄膜法的不同在于什么？ 提示：想想薄膜和厚膜的制造过程
厚膜法与薄膜法的不同在于方法而不在于膜的厚度
2012-5-31 硅酸盐及新型陶瓷材料
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
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。
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℃。
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
铬酸镧
LaCrO3的熔点2500℃，高温时有高的电导率（1400℃约100S· m1）。它是具有钙钛矿RTO3结构的镧系化合物（R为镧系元素，
温度系数的正负和大小；③稳定性。
2012-5-31
硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★热敏电阻
热敏电阻的阻值变化范围1～107Ω· cm。 热敏电阻的稳定性是指热敏电阻制成后 电阻随时间变化的大小，它与使用温度
有关，使用温度越高，稳定性越差。从
图4.14可见，使用温度每变化50℃，稳 定性变化1～2个数量级。热敏电阻的稳 定性不但取决于使用温度，还受气氛、 有机物、湿度的影响。
2012-5-31
材料类型 元素
能带间 隙/eV 0.1 0 0
材料类型
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
Pb
硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★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
★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。
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
2012-5-31 硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★热敏电阻
陶瓷电阻率的温度系数变化有3个原因： ①半导体的本征特性，在较宽的温度范围内升温导致电阻率 呈指数下降； ②结构变化，伴随着导电机制由半导体向金属型转变，使小 范围升温导致电阻率大幅度下降；
③介电性能的迅速变化，使晶界区域的电性能受到影响，很
年。
2012-5-31 硅酸盐及新型陶瓷材料
导电陶瓷元件
2012-5-31
硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★欧姆电阻
欧姆电阻的制造方法 薄膜法
一般1Onm厚的薄膜，比较容易用真空蒸发、溅射或 用化学气相沉积（CVD）等方法制造
溅射法制造氧化物薄膜的过程
Ⅰ需溅射的氧化物固态靶固定在一个金属板上
的SrO能使电导率增大10倍。
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
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。
2012-5-31 硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★压敏电阻
目前最好的压敏电阻材料是ZnO和BaTiO3。
4.4.1氧化锌压敏电阻
一般压敏电阻的组成为（摩尔分数，％）： 96.5ZnO· 0.5Bi2O3· 1.0CoO· 0.5MnO· 1.0Sb2O3· 0.5Cr2O3。原料成 型成片状后，在空气中1250℃烧结，然后缓冷或在600℃退 火，再在两面涂覆银浆（含少量玻璃釉料）作电极，并钎焊 上引线，最后将压敏电阻用绝缘树脂包封。
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
1、陶瓷的电子电导
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
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
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
2012-5-31 硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★压敏电阻
Vg＝Fbrd＝2.6V／晶界
2012-5-31
硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★压敏电阻
4.4.2 钛酸钡压敏电阻
BaTiO3压敏电阻是BaTiO3掺入微量的Ag2O、SiO2、Al2O3等
成型后在1300～1400℃惰性气氛中烧结制得，电阻率为
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ຫໍສະໝຸດ Baidu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）
Ⅱ需沉积薄膜的基体也固定在一个金属板上
2012-5-31 硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★欧姆电阻
Ⅲ 反应室中充1Pa的Ar气，加人少量的氧 Ⅳ 两板间加以高频（约1MHz）、高压（约5kv）
电场，产生等离子体
Ⅴ 气态离子向靶轰击，从其表面分离出离子束或
分子束，穿过等离子体并沉积在基体上
如：90In2O3· 10SnO2的透明导电薄膜制成
I＝ （V／C）α＝kIβ
式中I为通过压敏电阻的电流；v为电压，即残压； C（或k）是与材料有关的常数；α为电压非线性指 数；β为电流非线性指数。
2012-5-31
硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★压敏电阻
非线性指数α越大，表明电压变化 所引起的电流相对变化越大，即压 敏性越高，性能越好。在不同的电 压区间，α并不是常数，在临界电 压以下，α逐步减小，到电流很小 的区域，α趋于1，即表现为欧姆电 阻特性。超过某临界电压（通常定 义为lmA或0.1mA时的电压Vlma或 V0.lma），压敏电阻的α值可达50 以上。C值大表明一定的电流所对应 的电压也高，所以C值又称非线性电 阻值。
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
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命一般为两
★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
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
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
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
2012-5-31 硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★欧姆电阻
CVD法制造薄膜电阻器
几秒时间内引入
玻璃条 或 加热到700℃ SnCl4和SbC15的 牢固粘在基板 上的混合氧化 物薄膜
可控湿度的空气中 混合物，在基板 滑石基板 表面与水反应
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
碳化硅
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
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。MOSi2发热
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
2012-5-31 硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★压敏电阻
压敏电阻的主要参数
α——电压非线性指数 β——电流非线性指数 VlmA——lmA时的电压，即压敏电压值 V0.lmA——0.1mA时的电压，即压敏电压值 通流能力——表征压敏电阻可以吸收瞬时电压和电流以保护其 他电路元件的能力 残压比——残压与压敏电压的比值 漏电流——正常情况下流过压敏电阻的电流，当然越小越好 （50～100μA） 电压温度系数——温度升高1℃时，零功率条件下测量的压敏电 压的相对下降率（－10-3～10-4℃-1）
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
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。
0.4～1.5Ω· cm。
2012-5-31
硅酸盐及新型陶瓷材料
2012-5-31
硅酸盐及新型陶瓷材料
2012-5-31
硅酸盐及新型陶瓷材料
2012-5-31
硅酸盐及新型陶瓷材料
2012-5-31
硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★热敏电阻
●热敏电阻分类
按R－T变化规律（图4.13）将热敏电阻分成4种：负温 度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻 （PTC）、临界温度系数热敏电阻（CTR）和V型PTC。 NTC的电阻随温度升高而显著减小；PTC的电阻随温度 上升到一定区间显著增大；CTR的电阻在某特定温度区
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
第4章 导电陶瓷
★压敏电阻
压敏电阻定义
电阻随电压突然变化而变化的敏感元件称为压敏电阻
压敏电阻的作用
压敏电阻串联在电路中可防止瞬间高压脉冲，使元件
如晶体管、集成块和其他元件被击穿。压敏电阻还用
作避雷器和开关元件的过电压保护。
2012-5-31
硅酸盐及新型陶瓷材料
第4章 导电陶瓷
★压敏电阻
一般压敏电阻的电流电压特性可以用下列公式表示