功能陶瓷材料-电功能陶瓷ppt课件
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缺陷对陶瓷导电的影响
晶体缺陷对陶瓷导电行为的影响比较复杂。陶瓷中点缺陷对材 料电性能影响较大，一般都是使陶瓷材料的电导有所增加。
例如立方ZrO2，其结构中的正离子作立方密堆积，负离子占据全部 四面体间隙，而全部八面体间隙空着，这就便于其他离子在其间移动。 如果在立方ZrO2中加入8at%的Y2O3，Y3+部分替代Zr4+后在晶格中形成部 分氧离子空位，使ZrO2的导电性增强。
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。
和点缺陷不同，位错、层错、晶界等晶体缺陷一般会降低陶瓷 材料的导电性。
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掺杂可能改变陶瓷材料的导电性。
例如在ZnO中掺杂Al3+ 可以增加材料的导电性，原因是当三价的铝 替代了二价的锌后，原先二价锌的位置上变成了三价的离子。为了保持 电中性，使得Al3+附近的锌变成了一价，而一价锌是不稳定的，又会变成 二价的锌，同时放出一个电子，增加了材料的导电性。
4
❖陶瓷导电特点
迁移率和电导率
在定向电场的作用下，某些带电粒子（载流子）的漂移和 扩散使材料具有导电能力。载流子在晶体中作定向漂移时会遭 受各种散射，影响载流子迁移。在不同温度下，各种散射机制 起的作用不同。材料中载流子浓度和其迁移率是影响陶瓷导电 能力的重要因素。
金属导体的能带没有完全被价电子填满，借助于外电场的作用， 价电子获得能量并跃迁到导带上能量较高的空能级上，引起电子 的定向运动，金属中的载流子全部是电子。由于热运动会阻碍电 子定向移动，因此随温度升高，金属的导电能力下降。
功能陶瓷
❖ 功能陶瓷主要是指利用除机械性能外的陶瓷的其它 物理性能，包括导电和半导体性能、绝缘性和介电性、 磁性和热学性能、各种敏感特性，机、电、磁、光、 热等物理性能之间的耦合和转换效应，以及化学和生 物效应制成的一大类材料。
1
电功能陶瓷：
绝缘陶瓷、介电陶瓷、 铁电陶瓷、压电陶瓷、 半导体陶瓷、快离子导 体陶瓷、高温超导陶瓷
ji niZievi
(4-2)
电导率定义为单位电场下带电粒子的电流密度：
j nZev
EE
(4-3)
7
载流子迁移率定义为单位电场下带电粒子的漂移速度：
v E
(4-4)
结合(4-3)和(4-4)，第i种带电粒子对导电的贡献为：
i niZiei
(4-5)
这个公式将实验上可测量到的电导率与微观量——载流子浓 度和载流子迁移率联系在一起。如果考虑不同载流子的贡献，材 料的总电导率是各种载流子电导率的总和。
1 2 i (4-6)
8
每种载流子对总电导贡献的分数为：
ti
i
(4-7)
式中ti称为迁移数。显然，各迁移数的综合必然等于1：
t1t2ti1
(4-8)
因此从本质上来说，阐明并控制陶瓷中电导的问题，主要是包括 描述每种可能的载流子浓度和迁移率，然后把这些贡献加起来， 得到总电导率。
9
几种化合物中正负离子和电子或空穴的迁移数
5
在本征半导体中不存在自由电子，但价带与导带间的禁带宽度
比较小，价带上的电子接受了足够的能量时，可以从价带跃迁到
导带上，引起电的传导。对于半导体，电导率与温度间有以下关
系：
0
exp( E) 2kT
(4-1)
0 为常数， E 称为激活能，由上式可看出，半导体的电导
率随温度身高而增加。
6
一般而言，陶瓷材料中的带电粒子可能有：正离子、负离子、
杂质载流子的电导活化能比正常晶格上离子的要低得多。在低 温时，即使杂质数量不多也会造成很大的电导率。在低温时，杂 质电导其主导作用，高温时本征电导起主导作用。
玻璃基本上是离子电导，电子电导可忽略。玻璃结构较松散， 电导活化能比晶体低，其电导率比相同组成的晶体大。陶瓷通常 由晶相和玻璃相组成，其导电性在很大程度上决定于玻璃相。
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Βιβλιοθήκη Baidu
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。
敏感陶瓷：
热敏陶瓷、气敏陶瓷、 湿敏陶瓷、压敏陶瓷、 光敏陶瓷
磁功能陶瓷：
软磁铁氧体、硬磁铁氧 体、记忆用铁电体
光功能陶瓷：
透明陶瓷、透明铁电陶 瓷
功能陶瓷
生物及化学功能陶 瓷：
载体用陶瓷、催化用 陶瓷、生物陶瓷
功能陶瓷的分类
2
功能陶瓷 4.1 电功能陶瓷
4.1.1 陶瓷材料的导电性与导电陶瓷
❖ 陶瓷材料多由离子键和共价键组成，键结合牢固，大部分 陶瓷的禁带宽度宽，为绝缘材料（例如氧化铝、氧化硅、氮 化硅等）。 如果对绝缘陶瓷进行掺杂，或者制备非化学计量 比化合物，可以得到半导体陶瓷，如NiO(Li)、SnO2-x等。另 外，有的陶瓷材料离子性较强，晶格中可以有自由移动的离 子参与导电，如AgI等。
电子和空穴。研究陶瓷材料的导电性时，需要引入以下参数：带
电粒子的种类（正离子、负离子、电子、空穴）、带电粒子的浓
度ni和每个粒子的带电量Zie（Z为粒子带电价态）、在所加电场E 下某种带电粒子（载流子）的漂移速度vi，以及加电场后这种带电 粒子的电流密度ji。电流密度j定义为单位时间内通过单位面积迁移 的电荷量。ji可由下式给出：
陶瓷体中晶粒度大小对导电性能的影响不大。气孔相的存在极 可能提高材料的导电性，也可能降低材料的导电性。
当气孔的数量不是很大且分布均匀时，电导率表现为随气孔率的增 加而降低；而当气孔率较高时，气孔的存在对材料导电性能的影响与材 料本身的导电性有关。一般来说，对于电导率高的材料，较高的气孔率 犹如在导体中加了绝缘层，会降低材料的电导率，而对于电导率较低的 材料，较高的气孔率会提高材料的电导率，其原因是电荷可以沿气孔表 面迁移，这与表面扩散的情况有些类似。
缺陷对陶瓷导电的影响
晶体缺陷对陶瓷导电行为的影响比较复杂。陶瓷中点缺陷对材 料电性能影响较大，一般都是使陶瓷材料的电导有所增加。
例如立方ZrO2，其结构中的正离子作立方密堆积，负离子占据全部 四面体间隙，而全部八面体间隙空着，这就便于其他离子在其间移动。 如果在立方ZrO2中加入8at%的Y2O3，Y3+部分替代Zr4+后在晶格中形成部 分氧离子空位，使ZrO2的导电性增强。
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❖ 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。
和点缺陷不同，位错、层错、晶界等晶体缺陷一般会降低陶瓷 材料的导电性。
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掺杂可能改变陶瓷材料的导电性。
例如在ZnO中掺杂Al3+ 可以增加材料的导电性，原因是当三价的铝 替代了二价的锌后，原先二价锌的位置上变成了三价的离子。为了保持 电中性，使得Al3+附近的锌变成了一价，而一价锌是不稳定的，又会变成 二价的锌，同时放出一个电子，增加了材料的导电性。
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❖陶瓷导电特点
迁移率和电导率
在定向电场的作用下，某些带电粒子（载流子）的漂移和 扩散使材料具有导电能力。载流子在晶体中作定向漂移时会遭 受各种散射，影响载流子迁移。在不同温度下，各种散射机制 起的作用不同。材料中载流子浓度和其迁移率是影响陶瓷导电 能力的重要因素。
金属导体的能带没有完全被价电子填满，借助于外电场的作用， 价电子获得能量并跃迁到导带上能量较高的空能级上，引起电子 的定向运动，金属中的载流子全部是电子。由于热运动会阻碍电 子定向移动，因此随温度升高，金属的导电能力下降。
功能陶瓷
❖ 功能陶瓷主要是指利用除机械性能外的陶瓷的其它 物理性能，包括导电和半导体性能、绝缘性和介电性、 磁性和热学性能、各种敏感特性，机、电、磁、光、 热等物理性能之间的耦合和转换效应，以及化学和生 物效应制成的一大类材料。
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电功能陶瓷：
绝缘陶瓷、介电陶瓷、 铁电陶瓷、压电陶瓷、 半导体陶瓷、快离子导 体陶瓷、高温超导陶瓷
ji niZievi
(4-2)
电导率定义为单位电场下带电粒子的电流密度：
j nZev
EE
(4-3)
7
载流子迁移率定义为单位电场下带电粒子的漂移速度：
v E
(4-4)
结合(4-3)和(4-4)，第i种带电粒子对导电的贡献为：
i niZiei
(4-5)
这个公式将实验上可测量到的电导率与微观量——载流子浓 度和载流子迁移率联系在一起。如果考虑不同载流子的贡献，材 料的总电导率是各种载流子电导率的总和。
1 2 i (4-6)
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每种载流子对总电导贡献的分数为：
ti
i
(4-7)
式中ti称为迁移数。显然，各迁移数的综合必然等于1：
t1t2ti1
(4-8)
因此从本质上来说，阐明并控制陶瓷中电导的问题，主要是包括 描述每种可能的载流子浓度和迁移率，然后把这些贡献加起来， 得到总电导率。
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几种化合物中正负离子和电子或空穴的迁移数
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在本征半导体中不存在自由电子，但价带与导带间的禁带宽度
比较小，价带上的电子接受了足够的能量时，可以从价带跃迁到
导带上，引起电的传导。对于半导体，电导率与温度间有以下关
系：
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exp( E) 2kT
(4-1)
0 为常数， E 称为激活能，由上式可看出，半导体的电导
率随温度身高而增加。
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一般而言，陶瓷材料中的带电粒子可能有：正离子、负离子、
杂质载流子的电导活化能比正常晶格上离子的要低得多。在低 温时，即使杂质数量不多也会造成很大的电导率。在低温时，杂 质电导其主导作用，高温时本征电导起主导作用。
玻璃基本上是离子电导，电子电导可忽略。玻璃结构较松散， 电导活化能比晶体低，其电导率比相同组成的晶体大。陶瓷通常 由晶相和玻璃相组成，其导电性在很大程度上决定于玻璃相。
10
Βιβλιοθήκη Baidu
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。
敏感陶瓷：
热敏陶瓷、气敏陶瓷、 湿敏陶瓷、压敏陶瓷、 光敏陶瓷
磁功能陶瓷：
软磁铁氧体、硬磁铁氧 体、记忆用铁电体
光功能陶瓷：
透明陶瓷、透明铁电陶 瓷
功能陶瓷
生物及化学功能陶 瓷：
载体用陶瓷、催化用 陶瓷、生物陶瓷
功能陶瓷的分类
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功能陶瓷 4.1 电功能陶瓷
4.1.1 陶瓷材料的导电性与导电陶瓷
❖ 陶瓷材料多由离子键和共价键组成，键结合牢固，大部分 陶瓷的禁带宽度宽，为绝缘材料（例如氧化铝、氧化硅、氮 化硅等）。 如果对绝缘陶瓷进行掺杂，或者制备非化学计量 比化合物，可以得到半导体陶瓷，如NiO(Li)、SnO2-x等。另 外，有的陶瓷材料离子性较强，晶格中可以有自由移动的离 子参与导电，如AgI等。
电子和空穴。研究陶瓷材料的导电性时，需要引入以下参数：带
电粒子的种类（正离子、负离子、电子、空穴）、带电粒子的浓
度ni和每个粒子的带电量Zie（Z为粒子带电价态）、在所加电场E 下某种带电粒子（载流子）的漂移速度vi，以及加电场后这种带电 粒子的电流密度ji。电流密度j定义为单位时间内通过单位面积迁移 的电荷量。ji可由下式给出：
陶瓷体中晶粒度大小对导电性能的影响不大。气孔相的存在极 可能提高材料的导电性，也可能降低材料的导电性。
当气孔的数量不是很大且分布均匀时，电导率表现为随气孔率的增 加而降低；而当气孔率较高时，气孔的存在对材料导电性能的影响与材 料本身的导电性有关。一般来说，对于电导率高的材料，较高的气孔率 犹如在导体中加了绝缘层，会降低材料的电导率，而对于电导率较低的 材料，较高的气孔率会提高材料的电导率，其原因是电荷可以沿气孔表 面迁移，这与表面扩散的情况有些类似。