电子陶瓷材料

电子陶瓷材料

概述陶瓷学定义为制造和应用固体制品的技艺和科学,这种固体制品主要是由无机非全属材料作为基本组分组成的。电子陶瓷是应用于电子技术中的各种陶瓷现代陶瓷分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类，是航天、新能源、新材料、微电子、激光、海洋工程和生物工程等高新技术的重要组成部分和不可缺少的物质基础，也是当前高技术竞争的热点之一。结构陶瓷指用于制造电子元件、器件、部件和电路中基体、外壳、固定件和绝缘零件等陶瓷材料,又称装置瓷。功能陶瓷是利用其特有的电、磁、声、光、热、弹等直接效应及其耦合效应所提供的一种或多种性质来实现特定的使用功能。

电子陶瓷——无机多晶体微观结构上，陶瓷是介乎单晶与玻璃之间的一类物质

●电子陶瓷的主要化学结合力：离子键及共价键

●化学组成主要有：碳、氧化物、氮化物、碳化物以及硼化物等

●电子陶瓷晶相的晶体结构：单质材料主要有石墨和金刚石结构；

AB型化合物主要有NaCl（岩盐）型结构、立方ZnS（闪锌矿）型结构、六方ZnS（纤维锌矿）型结构等；AB2型化合物主要有CaF2（萤石）型结构、TiO2（金红石）型结构等；A2B3型化合物则以α-Al2O3（刚玉）型结构为代表；ABO3型化合物主要有CaTiO3（钙钛矿）型结构、FeTiO3（钛铁矿）型结构及CaCO3（方解石）型结构；AB2O4型化合物最重要的结构是尖晶石结构，典型材料包括MgAl2O4、MnFe2O4、ZnFe2O4等。

●电子陶瓷晶相的晶体结构：单质材料主要有石墨和金刚石结构；

AB型化合物主要有NaCl（岩盐）型结构、立方ZnS（闪锌矿）型结构、六方ZnS（纤维锌矿）型结构等；AB2型化合物主要有CaF2（萤石）型结构、TiO2（金红石）型结构等；A2B3型化合物则以α-Al2O3（刚玉）型结构为代表；ABO3型化合物主要有CaTiO3（钙钛矿）型结构、FeTiO3（钛铁矿）型结构及CaCO3（方解石）型结构；AB2O4型化合物最重要的结构是尖晶石结构，典型材料包括MgAl2O4、MnFe2O4、ZnFe2O4等。

结构与分类从使用功能分类，电子陶瓷的主要种类包括绝缘陶瓷、介质陶瓷、微波陶瓷、铁电与压电陶瓷、热释电陶瓷、电光陶瓷、电致伸缩陶瓷、敏感陶瓷、高导热陶瓷、导电陶瓷、超导陶瓷等。电子陶瓷块体材料的常规制作工艺主要包括制粉、成型、烧结工艺。根据实际应用需求，还可以采用热压烧结工艺或填充烧结工艺制备无气孔的透明陶瓷或气孔率很高的多孔陶瓷。新近发展起来的电子陶瓷薄膜材料的制备工艺主要有射频磁控溅射、溶胶-凝胶法，脉冲激光沉积、金属氧化物气相沉积等工艺。电子陶瓷特殊效能的开发主要来源于对复杂多元氧化物的化学组成、物相结构、工艺、性能和使用效应之间相互关系的系统研究，其性能的调节和优化可借助离子置换、掺杂改性及工艺控制手段来实现。

近年来取得重要进展的技术领域：高纯超微粉体技术；致密化成型及烧结技术；陶瓷薄膜制备技术；材料分析及测试技术；====»对材料制备工艺的反应过程、表面与界面的结构与性质、显微结构的形成与变化以及这些因素对陶瓷性能的影响有了更深入的了解。

开拓了新的材料研究领域：电子陶瓷薄膜；超晶格材料；复合材料；纳米陶瓷材料；机敏材料及智能材料等

典型材料与应用：一般而言，由主晶相性质决定的陶瓷特性主要有介电性、铁电性、电子导电性、离子导电性、超导电性、热导性、光导性、电致变色性、电致伸缩性等；经极化处理的铁电陶瓷可具有压电性、热释电性、电光特性等；电子陶瓷的温度、气氛、湿度、电压等敏感特性除与陶瓷主晶相组成相关外，还受到晶界结构与性质的很大影响

电子陶瓷的典型材料及应用示例

电子陶瓷结构基础

●电子陶瓷的主要化学结合力：离子键及共价键

离子键特点就是：异种原子、价电子转移、无方向性和饱和性、结合力强，因此一种原子周围可尽可能地与异种原子成键。

共价键的最大特点是具有方向性和饱和性，这就决定了与某一原子成键的原子数目。

●电子陶瓷中的晶体基本上都是离子晶体，其中绝大多数是金属氧化物。

●由于离子键不具有方向性和饱和性，因此可将各种离子看作具有一定大小的刚性球，离子晶体是由这些小球紧密堆积而成。

1.1 球的密堆积原理及配位数

1.等径球的堆积等径球在一个平面上密堆一层，记作A层，然后在A上面又密堆一层，记作B层，B层的球心恰好处于A层三个近邻球的球心，使其形成ABAB…型，这种称为六角（或六方）密堆积（hcp）；另一种让它的球心位置既不同于A层，又不同于B层，记为C层，C层球心对准第一层中另三个三角形间隙，这样按ABCABC…顺序堆积的方式称为面心立方密堆积（FCC）或立方密堆积（CCP）。在等径球密堆中，存在两种间隙：（1）四面体空隙：四个球体包围之中。（2）八面体空隙：六个球体包围之中。a.若有n个等径球体作最密堆积时，必定有n个八面体空隙和2n个四面体空隙.b.配位数：和某一圆球相切的相邻空隙圆球数。配位数越大则排列越紧密，而等径球的最大配位数为12，（空间占用率为74.05%）

2.2. 不等径球的密堆积

金属氧化物中，氧的电负性为χo=3.5，金属的电负性χm=0.7~0.8,因此离子键成份很大。氧离子半径1.4Å，一般金属离子半径0.7 Å左右，远比O2-离子小，因此在形成晶体时，为使自由能最低，往往由半径较大的O2-离子作紧密堆积，金属离子堆充在氧密堆积形成的空隙中.下面讨论氧离子形成的各种空隙及这些空隙所能填充的正离子的大小。

（1）三球（氧离子）形成的空隙设大球半径为ro，所能填充的正离子半径为

r+ →

上述配位多面体称为三角形，这种间隙称为三配位空间或三配位位置。

(2).四球形成的间隙

上述配位多面体称为四面体,这种间隙称为四配位空间或四配位位置

(3)六球形成的空间

上述配位多面体成为八面体,这种间隙称为六配位空间或六配位位置。

(4)八球形成的空间

上述配位多面体称为立方体

(5)十四个球形成的间隙

该配位多面体称为立方八面体

由此可看出，当配位数为12时，负离子间隙可容纳的正离子数与参加堆积的负离子半径相等，即正、负离子一起参加了紧密堆积，例如在BaTiO3中，Ba2+ 半径1.35 Å ，O2-半径1.40 Å，Ti4+半径0.68 Å ，则可认为Ba2+与O2-一起形成了立方密堆，Ti4+处在氧八面体的中心位置。

(3).离子晶体的配位多面体

前面我们计算正、负离子半径比时，假设小球刚好填满大球的间隙，即正、负离子间均相互接触。这时的小球半径称为临界半径。