《先进陶瓷材料及进展》 第五章 功能陶瓷解读课件.ppt

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1、第五章功能陶瓷,教学基本要求,了解功能陶瓷的分类、特性和用途。掌握功能陶瓷的发展现状和发展趋势。掌握功能陶瓷的基本性质。,5.0 教学基本要求 第五章 功能陶瓷,掌握绝缘陶瓷、介电陶瓷、半导体陶瓷 、压电陶瓷、热释电陶瓷、生物陶瓷、多孔陶瓷、功能陶瓷薄膜等性能、特征及应用。,5.0 教学基本要求 第五章 功能陶瓷,功能陶瓷是区别于我们大家熟知的日用陶瓷、艺术陶瓷、建筑陶瓷、电工陶瓷以及单纯考虑力学性质的结构陶瓷，它是指在微电子、光电子信息和自动化技术以及生物医学、能源和环保工程等基础产品领域中所用的陶瓷材料。功能陶瓷的分类、特性和用途参见表5-1。,5.1 概述 第五章 功能陶瓷,表5-1 先

2、进陶瓷的分类,5.1 概述 第五章 功能陶瓷,5.1 概述 第五章 功能陶瓷,一 已经形成大量产品的功能陶瓷,高频绝缘零件瓷。电阻基体和电感基体瓷。电真空瓷。电容器瓷。铁电陶瓷。,5.1 概述 第五章 功能陶瓷,压电陶瓷。半导体陶瓷。导电陶瓷。超导陶瓷。磁性瓷。,5.1 概述 第五章 功能陶瓷,光电子材料。生物陶瓷。环境保护用陶瓷。环境协调型陶瓷材料和技术。,5.1 概述 第五章 功能陶瓷,二 新材料及其应用,在上述工业生产的各大类陶瓷材料和制品中，每一类都不断出现新材料和新应用。此外，还有如下几类： 纳米陶瓷。陶瓷薄膜。,多功能材料。复合材料。,5.1 概述 第五章 功能陶瓷,三 我国功能陶

3、瓷工业的发展趋势,原料生产专业化。广泛深入的技术协作。全面质量管理(total quality management，即TQM) 。新工艺、新设备研究不断用于生产。,一 电学性质,电导率介电常数介质损耗角正切值击穿电场强度,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,电导率 测量陶瓷料体积电阻和和表面电阻，再根据陶瓷试样的几何尺寸计算得到的。,(5-1),5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,图 1三电极系统,式中，h为样品厚度，cm；s为电极的面积，cm2； Rv、R s分别为试样的体积电阻()和表面电阻()。D1为试样的测量电极直径，

4、cm；D2为环电极内径，cm。,(5-2),5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,体积电阻率v的单位通常用cm。v的倒数v称为材料的体积电导率，比电导或导电系数，是陶瓷材料的特性参数，其单位为S/cm（S：Siemens，西门子）。表5-2列出了常见陶瓷材料的室温电导率，这些陶瓷材料电导率的大小相差约1017以上。,表5-2 常见陶瓷材料的室温电导率,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,介电常数是衡量电介质材料在电场作用下的极化行为或储存电荷能力的参数，又称介电系数或电容率，是材料的特征参数。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章

5、功能陶瓷,设真空介电常数为1，则非真空电介质材料的介电常数r(称为相对介电常数)为,(5-3),5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,Q0真空介质时电极上电荷量；Q同一电场和电极系统中为非真空电介质时电极上电荷量。,相对介电常数r 可由式(5-4)求出：,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,(5-4),式中，C为试样的电容量，pF；h为试样两电极之间的距离，cm；s为电极的面积，cm2；,F/cm，即真空介电常数。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,功能陶瓷室温时的介电常数大致为2至几十万，因具体陶瓷材料不同，其数值有很大差异，因此使用的范围和条件也不同。陶瓷材料

6、介电常数不同是由于其微观上存在不同的极化机制决定的。,陶瓷介质中存在的极化方式:,位移式极化。松弛式极化。此外还有自发极化、转向极化、界面极化、谐振式极化等特殊极化方式。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,陶瓷在电场作用下存储电能，同时电导和部分极化过程不可避免地要消耗能量，即将一部分电能转变为热能等消耗掉。单位时间所消耗的电场能叫介质损耗。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,在直流电场作用下，陶瓷材料的介质损耗由电导过程引起，即介质损耗取决于陶瓷材料的电导和电场强度，表示为,P=U2/R=GU2 (5-5),P为介质损耗；U为试样上的电压；R为试样的电阻；G为试样的电

7、导，G=1/R。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,在交流电场作用下，陶瓷材料的介质损耗由电导和部分极化过程共同引起，陶瓷电容器可等效为一个理想电容器（无介质损耗的电容器）和一个纯电阻并联或串联组成的有介质损耗的电容器。等效电路如图5-1所示。,(a) 并联,图 5-1 有损耗电容器等效电路及矢量图,(b) 串联,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,图5-1中的角称为介质损耗角。Tg是有损耗电容器每周期消耗的电能与其所储存电能的比值。由并联等效电路得出,（5-6）,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,Pa=U2/Rp

8、，为有功功率；Pc=U2/Rc =CU2，为无功功率；为角频率；Cp为并联等效电容；Rp为并联等效电阻。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,由串联等效电路得出,（5-7）,式中，Cs串联等效电容；Rs串联等效电阻。,因此,（5-8）,单位体积的介质损耗功率为,（5-9）,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,（5-9）中tg称为损耗因数，外界条件一定，它是介质本身的特定参数。tg为等效电导率，它不是常数。频率高时，乘积增大，介质损耗增大。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,tg是表征电容器或介质损耗质量的重要参数。陶

9、瓷介质材料的tg对湿度很敏感。受潮后，试样的tg值急剧增大。生产工艺上利用这一性质判断生产线上瓷体烧结的好坏。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,介质损耗对陶瓷材料的化学组成、相组成、微观结构等因素都很敏感。凡是影响陶瓷材料电导和极化的因素都对其介质损耗有直接的影响。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,陶瓷材料和其它介质一样，其绝缘性能和介电性能是在一定电压范围内具有的性质。当作用于陶瓷材料上的电场强度超过某一临界值时它就丧失了绝缘性能。由介电状态转变为导电状态，这种现象称之为介电强度的破坏或介质的击穿。,击穿时的电压称为击穿电压Uj，相应的电场强度称为击穿电场强度，用

10、Ej表示。 当作用电场均匀时，Uj与Ej的关系为 Ej =Uj/h （5-10） 式中，h为击穿处介质的厚度，cm；Ej的单位常用kV/cm。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,某些半导体陶瓷击穿时，有时不发生机械损坏，当电场降低后仍能恢复介电状态，这种特殊情况应认为发生了击穿。 陶瓷材料的击穿电压与很多因素有关，过程比较复杂。发生击穿过程的时间约10-8s。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,一般介质的击穿分为电击穿和热击穿。 电击穿是指在电场直接作用下，陶瓷介质中载流子迅速增殖造成的击穿。 热击穿是指陶瓷介质在电场作用下由于电导和极化等介质损耗使陶瓷介质的温度升高造

11、成热不稳定而导致的破坏。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,二 力学性质,弹性模量机械强度断裂韧性,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,材料在外力作用下都会发生相应形变或破坏。, / MPa,图5-2 三种材料的应力与应变的关系1陶瓷；2金属；3塑料,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,A段为弹性形变范围，遵守虎克定律。曲线中AB段为塑性形变范围。多数陶瓷的塑性形变范围很小或没有，断裂时呈脆性。各种陶瓷在外力作用下发生形变或断裂规律是不同的。研究其断裂机理，提高材料的强度和韧性具有重大的理论意义和实际应用价值。,弹性

12、模量。弹性模量E是陶瓷材料的重要参数之一，是材料中原子(或离子)间结合强度的一种指标。陶瓷材料的弹性模量约为1091011N/m2，泊松比约为0.20.3。弹性模量的大小直接关系到陶瓷材料的理论断裂强度。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,奥罗万(Orowan)计算的理论断裂强度th可用下式表达：,式中为断裂表面能，一般陶瓷材料约为10-4 J/cm2；,（5-11）,为原子间距，约为10-8cm；可以估算出,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,thE/10。可以看出，弹性模量对于了解材料强度具有重要的意义。影响陶瓷材料弹性模量的因素很多且很复杂，如材料的组成和结构及其在

13、材料中的均匀性、材料中气孔的大小和分布、温度等。表5-2列出了几种陶瓷材料的弹性模量。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,表5-2 几种陶瓷材料的弹性模量,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,机械强度。机械强度是材料抵抗外加负荷的能力，是材料重要的力学性能，是设计、选择和使用材料的重要指标之一。根据使用要求，有抗压强度、抗拉强度、抗折强度、抗剪切强度、抗冲击强度和抗循环负荷强度等多种强度指标。一般陶瓷材料的抗压强度约为抗拉强度的10倍。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,材料实际强度比理论强度低得多。氧化铝陶瓷的E=3.661011N/m2, 估算的理论强度t

14、h=6.051010N/m2,而实际强度th=2.66108N/m2,只为th的1/227。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,对于这种情况的原因有很多理论解释，其中格里菲斯(Griffith)的微裂纹理论比较适合于脆性断裂的材料。该理论认为，实际材料中有许多微裂纹或缺陷，在外力作用下，这些裂纹和缺陷附近产生应力集中。当这种局部应力超过材料强度时，裂纹扩展，最终导致断裂。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,是应力，是裂纹尺寸，Y为几何形状因子，与裂纹形式和试样几何形状有关，可从断裂力学和手册中查到。,（5-12）,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,断裂韧性。

15、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如下：,K1值小于或等于某临界值时，材料不会发生断裂，该临界值称为断裂韧性，即,（5-13）,式中，c为临界应力。防止脆性断裂的条件是,（5-14）,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,式(5-14)为陶瓷材料的结构设计提供了重要的依据。K1和K1c的单位为N/m3/2。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,由裂纹扩展的断裂表面能可以导出脆性材料K1c的另一表达式。对平面应力状态：,（5-15）,对于平面应变状态：,（5-16）,式中， 2是脆性材料中裂纹扩展单位面积所降低的应变能，称为裂纹扩展力；K1c表征了脆性材料阻

16、止裂纹扩展的能力，是脆性材料固有的常数。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,三热学性能,热容热膨胀系数热导率热稳定性及抗热冲击性,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,热容。热容是物体温度升高1K所需要增加热量。物体质量不同其热容也不同。1g物质热容叫比热容，单位为J/(Kg)。1mol物质热容叫摩尔热容，单位为J/(Kmol)。物质的热容还与其热过程有关，恒定压力条件下的热容称为恒压热容，可写为,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,（5-17）,恒定体积物质的热容称为恒容热容，可写为,（5-18）,式中，Q为热量；H为焓；E为内能；T为绝对温度。,5.2 功能陶

17、瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,温度不高时，功能陶瓷的CpCv，但高温时差别较大。图5-3示出了三种陶瓷材料恒容热容与温度的关系。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,0,-200,1300,0,2,4,6,Tc/,Cv/cal/(mol),图5-3 三种陶瓷材料恒容热容与温度关系1 cal=4.18J,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,工程上常用的平均热容由式（5-19）算出：,（5-19）,可见平均热容的精度较差，所以，在应用时必须注意具体平均热容数值的适宜使用温度范围，以免发生不必要的错误。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,（5-20）,（5-21）,

18、5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,热膨胀系数。物体的体积或长度随温度升高而增大的现象称为热膨胀。温度升高1而引起的体积或长度的相对变化叫做该物体的体膨胀系数或线膨胀系数，其关系表示如下：,陶瓷v和l很小，一般v3l，常用线膨胀系数就能表示这类材料的热膨胀特性。一般陶瓷膨胀系数是正值，少数是负的。表5-3为几种陶瓷材料在规定温度范围内的平均线膨胀系数。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,v和l分别为体膨胀系数和线膨胀系数。,表5-3 几种陶瓷在规定温度内平均线膨胀系数(续1),5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,表5-3 几种陶瓷在规定温度内平均线膨胀系数(续2

19、,完),5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,（5-22）,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,热导率。热量从固体材料温度高的一端传到冷的一端的现象称之为热传导。对于像陶瓷材料这样的各向同性的物质来说，在稳定热传导过程中，单位时间通过物质传导的热量,式中，为热导率，是衡量物质热传导能力大小的特征参数。在不稳定传热条件下，若物体中存在温度梯度且无与外界的热交换，传热过程在常压条件下进行，则物体中各处的温度随时间而发生变化，温度梯度随时间而趋于零，物体温度最终达到某一平衡温度。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,影响材料热导率的因素很多，主要有材料的化学组成、晶体结构

20、、气孔率、气孔尺寸和在材料中的分布等。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,（5-23）,式中，Cp为恒压热容；为密度。,物体单位面积上温度随时间变化率：,表5-4 几种常见材料的热导率,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,抗热冲击性。是指物体能承受温度剧烈变化而不被破坏能力，用规定条件下的热冲击次数表示。陶瓷材料在热冲击下的损坏有两类。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,一是材料发生瞬间断裂，对这类破坏的抵抗称抗热冲击断烈性。另一种是指热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质而损坏，对这类破

21、坏抵抗称抗热冲击损伤性。,抗热震性测试仪,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,抗热冲击性与材料的膨胀系数、热导率、表面散热速率、材料的几何尺寸及形状、微观结构、弹性模量、机械强度、断裂韧性、热应力等因素有关。 功能陶瓷元件制造和应用方面必须注意抗热冲击性这一重要的技术指标。,四光学性质,功能陶瓷的光学性质是指其在红外光、可见光、紫外光及各种射线作用下的一些性质。光照射到陶瓷介质上，一部分被反射，一部分进入介质内部，发生散射和吸收，还有一部分透过介质。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,I0=IR+IS+IA+IT，式中，I0入

22、射光强度；IR反射光强度；IS散射光强度；IA吸收光强度；IT透射光强度。 归一化可得：R+S+A+T=1，式中，R为反射率；S为散射率；A为吸收率；T为透射率。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,荧光光谱仪,分光光度计,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,五磁学性质,陶瓷材料具有高电阻和低损耗特性，广泛应用于电子计算机、信息存储、激光调制、自动控制等科学技术领域。 磁性材料可分为磁化率为负的抗磁体材料和磁化率为正的顺磁体材料。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,软磁交流测量装置,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,在外磁场H的作用下，在磁介质材料的

23、内部产生一定磁通量密度，称之为磁感应强度B，单位为Wb/m2。B与H关系由下式表示：,B=H （5-29）,为磁导率，是磁性材料特征参数，表示材料在单位磁场强度作用下内部磁通量密度。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,磁化强度M与磁场强度H的比值称为磁化率：,（5-30）,式中，M为单位体积的磁矩；为磁介质材料的磁化率，表达了磁介质材料在磁场H的作用下磁化的程度，在国际单位制中是无量刚的，可以是正数或负数，决定于材料的磁性类别。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,M可以通过实验测定，将某材料制成一个小磁体置于外磁场中，其受力（一维）为,V为该磁介质材料的体积。若外磁场的

24、分布已知，则M可以通过F的测定经计算得到。,（5-31）,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,当M为负值时，材料表现为抗磁性，陶瓷材料的大多数原子是抗磁性的抗磁性物质的原子（离子）不存在永久磁矩，当其受外磁场作用时，电子轨道发生改变，感生与外磁场方向相反的磁矩，而表现出抗磁性。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,这类物质的磁化率一般都很小，约为-10-5。M为正值时，材料表现为顺磁性，该材料的主要特征为不论是否受到外磁场作用，原子内部都存在永久磁矩。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,当无外磁场作用时，由于原子无规则热运动，材料整体不呈现磁性。磁化强度M与外磁

25、场强度H方向一致且与之成正比。顺磁性物质磁化率约为10-5。 顺磁性物质磁化率约为10-5。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,铁氧体磁性材料中软磁材料的磁导率高、电阻大、损耗小、饱和磁感应强度高及稳定性好。 硬磁材料的特点是剩磁强度高、不容易退磁。矩磁材料的特点是磁滞回线有很好的矩形度、高的剩磁比、矫顽力小、损耗低、稳定性好。,5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷,一 精密绝缘陶瓷在的应用,绝缘材料在电气电路或电子电路中所起作用主要是根据电路设计要求将导体物理隔离，以防电流在它们之间流动而破坏电路正常运行。绝缘材料还起着导体的机械支持、散热及电路环境保护等作用。,5.3

26、绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,绝缘陶瓷,绝缘陶瓷分为氧化物绝缘陶瓷和非氧化物绝缘陶瓷。绝缘陶瓷它必须具备如下性能：（1）体积电阻率() 1012cm; （2）相对介电常数(r)30; （3）损耗因子(tg)0.001;（4）介电强度(DS)5.0kV/mm。,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,除上述性能外，绝缘陶瓷还应具有良好导热性、与导体材料尽可能一致热膨胀性、耐热性、高强性及化学稳定性等。与传统绝缘陶瓷相比，精密绝缘陶瓷则是后起之秀，它在近代电子技术中所起的作用是前者无法比拟。,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,在当今世界上，每年要制造数百亿件质量相当

27、高的集成电路，其中约20%要采用精密绝缘陶瓷基片。 在计算机集成电路中采用多层绝缘陶瓷基片与封装材料可以使高速计算机的工作效率翻番，其价值超过了陶瓷自身所具价值的成千上万倍。,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,二 绝缘陶瓷的性能与特征（一）离子导电和绝缘性,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,固体能带中那些被电子完全占满的叫满带，未被电子占据的叫导带，满带和导带之间称之为禁带。如果禁带宽度足够大，满带的电子就难以被激发而超越禁带进入导带，固体便成为典型的绝缘体。,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,实际上，理想的绝缘体只有在绝对零度时才能获得。这与高温时半导体的性质相似，只不过绝缘体的禁带宽

28、度比半导体大（绝缘体的禁带宽度约45eV，半导体约为1eV左右）。,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,因为绝缘体禁带宽度很大，激发电子需很大能量，在室温附近，实际上可认为电子几乎不迁移。很多绝缘陶瓷是典型离子晶体或共价晶体，在此情况下，对具有足够宽度禁带区绝缘陶瓷而言，离子导电就变得十分重要了，这是通过离子扩散而发生的导电行为。,一般离子电导率,可用下式表示：,（5-33）,n：单位体积中可迁移的离子数；q：离子的电荷；,：离子的迁移率。,（5-34）,Di：离子的扩散系数；k：玻耳兹曼常数；T：绝对温度 (K)。,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,而Di可由下式给出：,（5-35）,式中

29、，E：激活能；A：频率系数。由式（6-33）（6-35）及lgT,，可导出下式：,由式（6-36）可知，离子导电率随温度的升高呈指数增加。,（5-36）,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,离子电荷和扩散系数影响离子导电，扩散系数又与晶格缺陷及穿越缺陷的离子的电荷及其大小有关。一般讲，电荷及体积越小的离子越易扩散，其激活能的数值也越小。,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,在绝缘陶瓷中应尽可能避免碱金属离子的存在（尤其是钠离子）。因这些离子可形成相当强烈的电导，使材料的绝缘性能劣化。,（二）陶瓷的微观结构与绝缘性,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,一般而言

30、，绝缘陶瓷是粉体原料经过成型和烧结而得的多相多晶材料。陶瓷的微观结构主要可分为基质、晶粒和气孔三部分。一般气孔和晶粒的绝缘性能好，而基质往往在高温下显示较大的导电性。,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,由于基质部分杂质浓度较高，在组织上又是连续相，所以陶瓷绝缘性易受基质相影响。设基质部分的电导率为 ，晶粒的电导率为 ，则总的电导率 ：,（5-37）,式中，,：晶粒的体积分数；,：晶粒的形状系数。,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,假设晶粒为球形时，则 为2。若考虑基质和晶粒的电导率的两种极端情况，则有：,当,时，则,当,时，则,以上两式表示基质的电导率支配着整个体系的电导率。,5.3 绝缘

31、陶瓷 第五章 功能陶瓷,（5-38）,（5-39）,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,固体内部存在气孔对绝缘性能破坏不大，但当表面存在气孔时，因易吸水和被污染将使表面绝缘性显著劣化。原则上绝缘陶瓷应选择气孔少、没有吸水性的致密材料，并根据使用情况不同在其表面上釉以防止污染和吸潮。,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,通常材料绝缘性与材料纯度、材料中杂质含量多少有关。材料纯度越高，杂质含量越少，则它们的绝缘性能就越好。这是因为绝缘陶瓷中若有杂质引入，会像掺杂半导体那样，在禁带中产生杂质能级，从而使电荷载流子增加，电阻率下降，结果使绝缘强度下降。,三 常用绝缘陶瓷材料,5.3 绝缘陶瓷 第五章

32、功能陶瓷,绝缘陶瓷材料的分类方法很多，若按化学组成分类，则可分为氧化物系和非氧化物系两大类。氧化物系绝缘陶瓷（如Al2O3、MgO、ZrO2、BeO等）已得到广泛应用，,而非氧化物系绝缘陶瓷是70年代才发展起来的，目前应用的主要有氮化物陶瓷，如Si3N4、BN、AlN等。除多晶陶瓷外，近年来又发展了单晶绝缘陶瓷，如人工合成云母、人造蓝宝石、尖晶石、氧化铍及石英等。,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,四 绝缘陶瓷的应用,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,绝缘陶瓷，不论是具有几千年历史的以黏土为代表的古老陶瓷材料，还是最近几年才达到实用化的各种精细陶瓷材料，均共存于当今的人类生活中。表5-6列

33、出了绝缘陶瓷在电力、电子等近代工业中的主要应用。,氧化铝坩埚,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,表5-6 绝缘陶瓷的应用(续1),5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,表5-6 绝缘陶瓷的应用(续2),5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,表5-6 绝缘陶瓷的应用(续3),5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,表5-6 绝缘陶瓷的应用(续4),5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷,表5-6 绝缘陶瓷的应用(续5),注：A：氧化铝瓷；B：氧化铍瓷；F：镁橄榄石瓷；G：玻璃陶瓷；I：普通陶瓷；M：氧化镁瓷；S：块滑石瓷；U：莫来石瓷；Z：锆英石瓷。,5.3 绝缘陶瓷

34、第五章 功能陶瓷,表5-6 绝缘陶瓷的应用(续6,完),介电陶瓷和绝缘陶瓷在本质上属同一类陶瓷。特别着眼于介电性能及其应用的陶瓷，称为介电陶瓷。,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,一 极化与介电常数,设想在平行板电容器的两板上，充以一定的电荷，当两板间存在电介质时，两板的电位差总是比没有电介质存在（真空）时低，在介质表面上会出现感应电荷，如图5-4所示。,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,感应电荷部分地屏蔽了板上自由电荷所产生的静电场。这种感应电荷不能自由迁移，称为束缚电荷。 电介质在电场作用下产生感应电荷的现象，称为电极化。,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,电介质,图5-4 电介质极化示意

35、图,电极化是电介质最基本和最主要的性质，介电常数是综合反映介质内部电极化行为的一个主要的宏观物理量。,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,极板面积为S，两极板内表面距离为d，极板间真空的平行板电容器的电容为：,（5-40）,式中，,真空中的介电常数。当两极板间放入电介质时，电容器的电容增加。,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,实验表明，两极板间为真空时的电容C0与两极板间充满均匀电介质时的电容C的比值为：,（5-41）,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,叫作介质的相对介电常数（或叫作电容率）。由式（5-40）、（5-41）得：,（5-42）,式中，,（5-43）,叫作电介质的介电常数。,无单位。

36、,与,的单位相同,=8.8510-12F/m。,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,前述电极化时，把感应电荷称为束缚电荷。束缚电荷的面密度或介质中单位体积的电矩即为极化强度，以P表示。P不仅与外电场强度有关，更与电介质本身的特性有关。,真空时，电位移,（5-44）,式中，,：两极板间为真空的介质中静电场。,有电介质时，,（5-45）,式中，,：极板间有电介质时介质中宏观静电场；,电位移为,（5-46）,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,由式（5-45）和式（5-46），得出:,（5-47）,介质的介电常数,为相对介电常数。,是电子陶瓷一重要的参数。,5. 介电陶

37、瓷 第五章 功能陶瓷,不同用途的陶瓷对,例如，绝缘陶瓷要求,否则线路分布电容太大，影响线路参数；而电容器瓷一般要求,越大越好，,大可以做成大电容小体积的电容器。,，,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,要求不同。,任何电介质在电场作用下，总是或多或少地把电能转变成热能而使介质发热。在单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质的损耗功率或简称为介质损耗。介质损耗常用表示，值大能量损耗大。,二 极化与介质损耗,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,称为介质损耗角，其物理意义是指在交变电场下电位移D与电场强度E的相位差。介质损耗是所有应用于交变电场中电介质的重要品质指标之一。介质在电工或电子工业上重要职能是隔

38、直流绝缘和储存能量。,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,介质损耗不但消耗了电能，而且由于温度上升可能影响元器件的正常工作。例如用于谐振回路中的电容器，其介质损耗过大时，将影响整个回路的调谐锐度（即电学品质因数），从而影响整机的灵敏度和选择性。,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,介质损耗严重时，甚至会导致介质过热而破坏绝缘。从这种意义上说，介质损耗越小越好。实际使用的绝缘材料，其电阻不可能无穷大，在外电场作用下，总有一些带电质点发生移动而引起漏导电流。,漏导电流流经介质时使介质发热而损耗了电能，这种因电导引起的介质损耗称为漏导损耗。一切介质在电场中均会呈现出极化

39、现象。,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,除电子、离子的弹性位移极化基本上不消耗能量外，其它缓慢极化（例如松弛极化、空间电荷极化等）在极化缓慢建立的过程中都会因克服阻力而引起能量的损耗，这种介质损耗一般称为极化损耗。,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,电介质在恒定电场作用下，性质可用E、D、P等参数表示。在交变电场作用下， E、D、P均为复数矢量，此时介电常数为复介电常数。如果介质中发生松弛极化的话，矢量E、D、P均不同相位，D和P往往滞后于E 。,滞后一个相位角,时，复介电常数为复数：,式中，,，,，,。,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,复介电常数的实部,

40、与无功电流密度成正比，,与有功电流密度成正比。实际上，,表示单位无功电流中有功电流所占的比例，因为只有有功电流分量才导致能量损耗，所以,值越小，表明介质材料中单位时间内损失能量也小，即介质损耗愈小，反之亦然。,而虚部,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,由于,的数值可以直接用实验测定而和试样大小与形状无关，因此,是介电材料在交变电场作用下最方便也是最重要的参数之一。,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,介电陶瓷主要用于陶瓷电容器和微波介质元件两大方面。陶瓷电容器是现代电子线路中必不可少的元件每个电视机或录像机中都含有100200个陶瓷电容器。,介电陶瓷材料及其应用,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷

41、,陶瓷的介电特性好，可以制成体积小、容量大的电容器。叠层状或独石结构的陶瓷电容器的体积只有盘状陶瓷电容器的1/201/30 。用于高频的超小型陶瓷电容器体积更小。,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,目前，电子技术向着高频方向发展。通讯卫星的频率在10000MHz以上，只有陶瓷电容器才能在1000MHz以上的频率有效地工作。,（一）陶瓷电容器,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,用于制造电容器介电陶瓷，在性能上一般应达到如下要求：介电常数应尽可能高。在高频、高温、高压及其它恶劣环境下，陶瓷电容器性能稳定可靠。,介电损耗要小。比体积电阻高于1010m 。 具有较高的

42、介电强度。,根据陶瓷材料特性，陶瓷电容器一般分为温度补偿（型）温度稳定（型,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,高介电常数（型）半导体系（型）各自的特征如表5-7所列,表5-7 陶瓷电容器的分类和特征,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,若按制造这些陶瓷电容器材料性质，也可分为四大类,第一类为非铁电电容器陶瓷（型），又称热补偿电容器陶瓷。第二类为铁电电容器陶瓷（型），又称高介电常数陶瓷。,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,第三类为反铁电电容器陶瓷（型）第四类为半导体电容器陶瓷（型）,（二）微波介质陶瓷,微波介质陶瓷主要用来制作微波

43、电路元件，用于谐振器、耦合器、滤波器等微波器件以及微波介质基片。微波电路元件要求介电陶瓷在微波频率（310831011Hz）下具有如下性能,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,具有适当大小介电常数，且其值稳定介质损耗小有适当介电常数温度系数，且元件互差小热膨胀系数小,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,微波介质陶瓷中主要材料有MgO-SiO2系陶瓷MgO-CaO-TiO2系陶瓷MgO-La2O3-TiO2系陶瓷BaO-TiO2系陶瓷,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,ZrO2-SnO2-TiO2系陶瓷Ba(Zn1/3Ta2/3)O3系陶瓷Ba(Zn1/3Nb2/3)O3-Ba(Zn1/3Ta2/3

44、)O3系陶瓷固溶体Ba(Zn1/3Nb2/3)O3-Ba(Zn1/3Ta2/3)O3系陶瓷固溶体,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,对于微波集成电路使用介质基片性能要求对应于一定的用途有适当的介电常数，且介电常数值稳定，对于频率和温度的依存性小 介质损耗小。,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,表面平滑，与金属薄膜的结合强度高 机械强度高 热导率高 化学稳定性好,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,5. 介电陶瓷 第五章 功能陶瓷,在一般的微波集成电路中使用的微波介质陶瓷基片Al2O3瓷和BeO瓷。由于后者剧毒且价高，因此通常大量使用的是高纯Al2O3陶瓷基片。,一陶瓷的热释电效应,晶体受热温度升

45、高，由于温度变化而导致自发极化的变化，在晶体的一定方向上产生表面电荷，这种现象称为热释电效应。热释电效应是一种自然现象，也是晶体的一种物理效应。,5. 热释电陶瓷 第五章 功能陶瓷,：自发极化的变化量；,：热释电系数；,：温度的变化量。,5. 热释电陶瓷 第五章 功能陶瓷,热释电效应反映了晶体的电量与温度之间的关系，可用下式表示：,5. 热释电陶瓷 第五章 功能陶瓷,晶体中存在热释电效应的前提是：具有自发极化，即晶体结构的某些方向的正、负电荷中心不重合（存在固有电矩）有温度变化，即热释电效应是反映材料在温度变化状态下的性能。,5. 热释电陶瓷 第五章 功能陶瓷,在32类晶体中，只有10类不具有

46、对称中心的极性晶体，即具有极化轴的晶体才具有热释电效应。这些热释电晶体又分两类：一类是具有自发极化，但是自发极化不能为外电场所转向的晶体。另一类是自发极化可为外电场所转向的晶体，即铁电晶体。,5. 热释电陶瓷 第五章 功能陶瓷,这些铁电晶体中大多数可制成多晶陶瓷。陶瓷体经过强直流电场的极化处理后，能从各向同性体变成各向异性体，并具有剩余极化，就象单晶体一样呈现热释电效应。,热释电材料的自发极化（,）温度特性如图5-5所示。在居里温度,附近，自发极化急剧下降；而远离居里温度时，其自发极化随温度的变化相对较小。也就是说，在居里温度附近，热释电效应较大。,5. 热释电陶瓷 第五章 功能陶瓷,由式,可

47、知，在恒定压力和恒定电场下，热释电系数可表示为：,：自发极化；,：温度；,：电场；,P称为一级热释电系数，以 表示。,5. 热释电陶瓷 第五章 功能陶瓷,：弹性应力；,5. 热释电陶瓷 第五章 功能陶瓷,应该注意到，在温度变化时，不但使系统的熵值变化产生自发极化变化，而且，因温度变化造成应变。应力产生变化，通过压电效应又对自发极化造成影响。这类热释电系数称为二级热释电系数。所以，总的热释电系数应由两部分,组成：,，式中，,：在恒定应力下测得的总热释电系数；,：在恒定应变下的热释电系数，称为一级热释电系数；,：二级热释电系数，是由晶体热应变引起的。,5. 热释电陶瓷 第五章 功能陶瓷,二热释电陶

48、瓷材料及其应用,5. 热释电陶瓷 第五章 功能陶瓷,热释电材料有单晶和陶瓷两大类单晶热释电材料包括：TGS（硫酸三甘肽）、LiNbO3和LiTaO3、(Ba-Sr)Nb2O6等。正在发展应用的热释电陶瓷材料有：BaTiO3陶瓷、PbTiO3陶瓷、Pb(Zr,Ti)O3陶瓷等。,导电胶,图5-6 热释电传感器的结构,5. 热释电陶瓷 第五章 功能陶瓷,热释电陶瓷材料应用很广，目前最主要的应用是作为热释电探测器，其基本结构如图5-6所示。,5. 热释电陶瓷 第五章 功能陶瓷,在金属管座中央，固定金属导电基座。再于导电基座的中央用特种导电胶固定热释电晶片。晶片厚度为50m 。晶片表面镀上电极。,5.

49、 热释电陶瓷 第五章 功能陶瓷,由于晶片为高阻抗，所以用场效应管(FET)进行阻抗变换。为了减少噪声影响，FET装在金属壳内。金属壳上固定着硅或者锗窗口。,5. 热释电陶瓷 第五章 功能陶瓷,热释电探测器的工作过程为： 接受辐射（红外辐射）产生温升， 由于温升而引起热释电晶片表面电荷的变化。由于晶片表面电荷变化引起晶片上、下表面电势差的变化，通过放大器使其转换成电压或电流进行测量。,5. 热释电陶瓷 第五章 功能陶瓷,热释电探测器比光探测器适用于更宽的频带范围，从X光射线到微波范围均可适用。热释电探测器工作时，不必达到热平衡，这就使它既可在室温下工作，又具有响应快的特点。,5. 热释电陶瓷 第

50、五章 功能陶瓷,热释电探测器的响应速度非常快，能探测一些相当快的信号，如测出脉冲激光器的脉冲等。其时间常数已容易达到纳秒级，甚至有的可达皮秒级。,半导体陶瓷的电阻率约为10-4107cm。在半导体的能带分布中，禁带较窄，所以价带中的部分电子易被激发越过禁带，进入导带成为自由电子，产生导电性。陶瓷材料可以通过掺杂或者使化学计量比偏离而造成晶格缺陷等方法获得半导特性。,5.6 半导体陶瓷 第五章 功能陶瓷,半导体陶瓷的共同特点是：它们的导电性随着环境而变化。利用这一特性可制成各种不同类型的陶瓷敏感元件，如：热敏、气敏、湿敏、压敏、光敏器件等。,5.6 半导体陶瓷 第五章 功能陶瓷,半导体精密陶瓷,