功能陶瓷材料总复习题

功能陶瓷材料总复习绪论什么是功能陶瓷？常见的功能陶瓷的分类、特性与用途。

1定义：指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷。

2、分类：电容器陶瓷、压电、铁电陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、导电、超导陶瓷、生物与抗菌陶瓷、发光与红外辐射陶瓷、多孔陶瓷。

3、特性：性能稳定性高、可靠性好、资源丰富、成本低、易于多功能转化和集成化等4用途：在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作用。

举例：电容器陶瓷、谐振器元器件基材料、压电式动态力传感器、压电式振动加速度传感器。

介电陶瓷以感应的方式对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质各种极化机制以及频率围。

极化机制：电子极化、离子极化、偶极子极化、空间电荷极化频率围：铁电体，晶体在某温度围具有自发极化Ps,且自发极化Ps的方向能随外电场而取向，称为铁电体。

材料的这种性质称为铁电性。

电畴：铁电体中自发极化方向一致的微小区域铁电体的特性:铁电体特性包括电滞回线Hysteresis loop、电畴Domains、居里点Tc及居里点附近的临界特性。

电滞回线：铁电体的P滞后于外电场E而变化的轨迹（如图居里点Tc:顺电相T铁电相的转变温度T>Tc 顺电相T<Tc 铁电相居里点附近的临界特性：介电常数随温度的变化显示明显的非线性，室温介电常数一般为3000〜5000,在居里温度处(120 C )发生突变，可达10000以上。

驰豫铁电体：复合钙钛矿(Complex Perovskite):晶胞中某一个或几个晶格位置被2种以上离子所占据。

弥散相变(Diffuse Phase Transition DPT)：顺电——铁电为渐变：介电峰宽化，T>Tc存在Ps和电滞回线。

频率色散(Frequency Dispersion)高介电常数，大的应变复合钙钛矿：晶胞中某一个或几个晶格位置被2种以上离子所占据/辭眩,才才(附必…〃'一Mg2打Z0, M笔屁强…B”一Nb=TF 严…Pb(Mg l/3Nb2J3)O3尸风2也N% M介电陶瓷的改性机理。

1、居里区与相变扩：热起伏相变扩、应力起伏相变扩、成分起伏相变扩散、结构起伏相变扩2、铁电陶瓷居里峰的展宽效应：展宽效应是指铁陶瓷的&与温度关系中的峰值扩的尽可能的宽旷，平坦，即不仅使居里峰压低，而且要使峰的肩部上举，从而使材料具有较小的温度系数a,又具有较大的£值。

固溶缓冲型展宽效应和粒界缓冲型展宽效应。

3、铁电陶瓷居里峰移动效应：铁电体居里点及其他转折点，随着组成成分的变化，作有规律地移动现象。

移动效应仅仅指Tc及其它转变点位置移动，而£—T曲线形状不变。

对BaTiO3来说，主要指Tc的移动（居里峰的移动）。

4、铁电陶瓷重叠效应：重叠效应表象上是转变点的重合，£峰值的重叠，而本质上是结构上的相互重叠。

半导体介质：按其结构、工艺可分为三类：表面阻挡层型，表面还原再氧化和电价补偿型晶界层型反铁电体：反铁电体是这样一些晶体，晶体结构与同型铁电体相近，但相邻离子沿反平行方向产生自发极化，净自发极化强度为零，不存在类似于铁电中的电滞回线。

MLC C多层片式陶瓷元器件，MLCC的主要趋势是发展微型化、大容量的以贱金属镍为电极的BME MLCC,介质层。

微波介质陶瓷定义：是指应用于微波频段（主要是UHF SHF频段）电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷主要性能要求：1、高的介电常数，以利于器件的小型化、2、高的品质因子，保证优良的选频特性、3、尽可能低小的谐振频率温度系数，以确保搞定频率稳定性。

微波介质陶瓷大致可以分为以下三大类：低介电常数类、中介电常数类、高介电常数类1、低介电常数类微波介质陶瓷的介电常数为25~30, Q=（1~3）X 104 （在f > 10GHz下），T?=0。

主要应用于厘米、毫米波段使用的卫星通讯以及军事应用等通讯系统。

如钡基复合钙钛矿陶瓷Ba（B'1/3B"2/3）O32、2、中等介电常数类是指其介电常数介于30-70之间的微波介质陶瓷，主要应用于4GHz-8GHz频率围的卫星通信及移动通讯基站。

这类材料主要有BaTi4O9、3、高介电常数类指其介电常数大于80的微波介质陶瓷，主要用于工作在f<2GHz的低频波段的民用移动通讯系统中作为介质谐振器件。

这类材料主要包括简称为BLT的BaO-Ln2O3-nTiO2系列、CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2系列和铅基钙钛矿系列。

压电陶瓷：压电陶瓷是指经直流高压极化后，具有压电效应的铁电陶瓷材料压电效应：当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果电荷分布不在保持对称就会出现净极化，并将伴随产生一个电场，这个电场就表现为压电效应。

正压电效应：晶体受到机械力的作用时，表面产生束缚电荷，其电荷密度大小与施加外力大小成线性关系，这种由机械效应转换成电效应的过程称为正压电效应。

力—形变—电压逆压电效应：晶体在受到外电场激励下产生形变，且二者之间呈线性关系，这种由电效应转换成机械效应的过程称为逆压电效应。

电压—形变极化工艺：极化工艺是指在压电陶瓷上加一个强直流电场，使陶瓷中的电畴沿电场方向取向排列。

只有经过极化工艺处理的陶瓷，才能够显示压电效应压电陶瓷材料应用：振子方面、换能器方面准同型相界：四方铁电相与三方铁电相的交界，并不是一个明确的成分分界线，而是具有一定的成分围，在此区域，陶瓷体三方相和四方相共存掺杂改性：为了满足不同的使用目的，我们需要具有各种性能的PZT压电陶瓷，为此我们可以添加不同的离子来取代A位的Pb2+离子或B位的Zr4+,Ti4+离子，从而改进材料的性能。

等价取代:软性取代改性PAT掺杂改性异价取代硬性取代改性其它取代改性等价取代：等价取代是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+等半径较Pb2+离子小的二价离子取代Pb2+ 离子，结果使PZT陶瓷的介电常数&增大f, 机电耦合系数KP增大f ,压电常数d增大f ,从而提高PZT瓷的压电性能。

异价取代软性取代改性：所谓“软性取代改性”是指加入这些添加物后能使矫顽场强EC减小J ,极化容易，因而在电场或应力作用下，材料性质变“软”。

经软性取代改性后的PZT瓷性能有如下变化：矫顽场强EC减小J,机械品质因数Qm减小介电常数£增加f,介电损耗tan 3增加f ,机电耦合系数KP增加f ,抗老化性增加，绝缘电阻率P增加f 。

硬性取代改性：所谓“硬性取代改性”是指加入这些添加物后能使矫顽场强EC增加f,极化变难，因而在电场或应力作用下，材料性质变“硬”。

经硬性取代改性后的PZT瓷性能有如下变化：矫顽场强EC增加f,机械品质因数Qmt曽加f;介电常数£减小J,介电损耗tan 3减小J ,机电耦合系数KP减小J ,抗老化性降低，绝缘电阻率P减小J其它取代改性：非软非硬添加剂如Ce4+、Cr3+和Si4+等，兼具软性和硬性的特征。

无铅压电陶瓷材料体系迄今为止，可被考虑的无铅压电陶瓷体系有：BaTiO3基无铅压电陶瓷；Bi1/2Na1/2TiO3 ( BNT 基无铅压电陶瓷；铌酸盐NaNbO3系无铅压电陶瓷；铋层状结构压电陶瓷；钨青铜结构无铅压电陶瓷。

具体为：敏感陶瓷：敏感陶瓷是根据某些陶瓷的电阻率、电动势等物理量对热、湿、光、电压及某种气体、某种离子的变化特别敏感的特性而制得的敏感陶瓷分类：1、物理敏感陶瓷：光敏陶瓷、热敏陶瓷、磁敏陶瓷、声敏陶瓷、压敏陶瓷、力敏陶瓷2、化学敏感陶瓷氧敏陶瓷湿敏陶瓷生物敏感陶瓷也在积极开发之中，也获得了不少骄人的成绩。

敏感陶瓷的结构与性能：陶瓷是由晶粒、晶界、气孔组成的多相系统，通过人为的掺杂，可以造成晶粒表面的组分偏离，在晶粒表层产生固溶、偏析及晶格缺陷等。

另外，在晶界处也会产生异质相的析出、杂质的聚集、晶格缺陷及晶格各向异性等。

这些晶粒边界层的组成、结构变化，显著改变了晶界的电性能，从而导致整个陶瓷电学性能的显著变化。

***热敏陶瓷：热敏陶瓷是一类电阻率、磁性、介电性等性质随温度发生明显变化的材料，主要用于制造温度传感器、线路温度补偿及稳频的元件--热敏电阻(thermistor)。

PTC热敏电阻的温度曲线10110's轉B U.3几种小同类鳴頫腋电凰的徂度转性曲绫(H-NTCr 2>- CTR.:J)-齐关奥一a(査那rrc半导化：由于在常温下是绝缘体，要使它们变成半导体，需要一个半导化。

所谓半导化，是指在禁带中形成附加能级：施主能级或受主能级。

在室温下，就可以受到热激发产生导电载流子，从而形成半导体。

PTC电阻温度特性及电压-电流特性与电流-时间特性宀SH1JIM lift MG IM 300V "iwrrtlfc)电流-时间特性是指PTC热敏电阻在施加电压的过程中，电流随时间变化的特性。

开始加电瞬间的电流称为起始电流，达到热平衡时的电流称为残余电流PTC的应用：柜机空调用PTC器件、分体挂机空调PTC器件、暖风机用PTC器件PTC效应机理：PTC热敏电阻器有两大系列：一类是采用BaTiO3为基材料制作的；另一类是以氧化钒为基的材料。

1、BaTiO3系PTC热敏电阻陶瓷（1）BaTiO3陶瓷产生PTC效应的条件当BaTiO3陶瓷材料中的晶粒充分半导化，而晶界具有适当绝缘性时，才具有PTC效应。

PTC 效应完全是由其晶粒和晶界的电性能决定，没有晶界的单晶不具有PTC效应NTC是Negative Temperature coefficient （负温度系数）的缩写，是以尖晶石结构为主的半导体功能陶瓷，具有电阻值随着温度升高而减小的特性导电机理：（1）化学计量比偏离采用氧化或还原气氛烧结，分别产生p型和n型半导体，形成电子或空穴导电。

（2）掺杂在主成分中引入少量与主成分金属离子种类不同、电价不等的金属离子，产生不等价置换，从而产生产生p型和n型半导体，实现电子或空穴导电。

跳跃导电模型理论可以解释大部分关于尖晶石结构的NTC热敏电阻材料的性质和现象。

NTC热敏电阻的电压电流特性v- I CKAUCTEFJ S7 ICS CVRUENTC热敏电阻的应用1）温度补偿：用于石英振荡器（2~3个NTQ2）抑制浪涌电流：用于控制开关电源、电机、变压器等在接通瞬时产生的大电流。

3）温度检测：用于热水器、空调、厨房设备、办公用品、汽车电控等。

气敏陶瓷：是一种对气体敏感的陶瓷材料，陶瓷气敏元件（或称陶瓷气敏传感器）由于其具有灵敏度高、性能稳定、结构简单、体积小、价格低廉、使用方便等优点，得到迅速发展。

分类：气敏陶瓷大致可分为半导体式、固体电解质式及接触燃烧式三种气敏陶瓷的性能：半导体表面吸附气体分子时，半导体的电导率将随半导体类型和气体分子种类的不同而变化。