第六节 非金属导电材料.ppt

1 第六节非金属导电材料 非金属导电材料 快离子导电陶瓷高分子导电材料一 快离子导电陶瓷电荷的两种输运方式 电子脱离原子 自由电子电子与原子核一起移动 离子导电材料总电导率 e i e 电子电导率 i 离子电导率金属材料在室温或不太高的温度 离子电导活化能比较高 离子电导率比较低 导电的主要方式 电子导电晶体陶瓷 非晶态玻璃 离子电导活化能较低 5eV 离子导电不容忽视 甚至是主要导电方式 2 一 快离子导电理论简介离子导电性 离子电荷载流子在电场 电势梯度 或化学势场 化学势梯度 作用下 通过间隙或空位在材料中发生长距离迁移 这种离子一定是材料中最易移动的离子 它可以是阳离子 也可以是阴离子 正常离子化合物电导率不很高 固体电解质电导率比它高出几个数量级 故通常把固体电解质称为快离子导体或超离子导体 快离子导体材料的晶体结构特征 结构主体由一类占有特定位置的离子构成存在大量空位 其数量远高于可移动离子数亚晶格点阵之间具有几乎相等的能量和相对低的激活能在点阵间总是存在通路 3 离子电导率随温度的变化可用Arrhenius方程描述 式中 Ea 电导活化能 0 指数前项 它是材料在0K时的电导率 R 气体常数 T 热力学温度 二 常见的快离子导体陶瓷材料快离子导电陶瓷材料分为三组 银 铜的卤族和硫族化合物 金属原子在化合物中键合位置相对随意具有 氧化铝结构的高迁移率单价阳离子氧化物具有氟化钙 CaF2 结构的高浓度缺陷的氧化物如CaO ZrO2 Y2O3 ZrO2 4 材料立方稳定的氧化锆 ZrO2 ZrO2具有多型转变 单斜相 1170 四方 2370 立方 2715 液相 立方晶体结构在2370 到熔点稳定 通过加入低价离子代替部分Zr 可把立方晶体结构稳定到室温 稳定ZrO2立方结构的离子有La3 Sc3 Y3 Mg2 Ca2 Mn2 等 因为它们的离子半径接近四价Zr4 的半径 ZrO2基固溶体以O2 导电 在高温下有较高的O2 电导率 离子空位 离子离开格点形成填隙离子或跑到晶体表面形成新的格点 而在原来的位置留下空格点成为空位 立方ZrO2具有氟石结构 如下页图所示 O2 排成简单立方结构 在点阵1 2处占据着Zr4 间隙离子 5 在这种氟石结构的四价氧化物MO2中 加入碱土金属氧化物RO和稀土氧化物RE2O3等 这些氧化物的低价阳离子置换Zr4 离子后 会在或固溶体晶格内出现氧离子空位 加入一个二价阳离产生一个氧离子空位 加入一个三价阳离子产生1 2个氧离子空位 这些空位稳定了立方结构 同时这些氧离子空位和氟石型结构中存在的间隙使O2 在氧的亚晶格中具有高的迁移率 从而产生氧离子传导特性 6 稳定氧化锆的电性能ZrO2 12 CaO 阴离子空位6 0 i 5 5 S m 1000 下 Ea 1 1eVZrO2 9 Y2O3 阴离子空位4 1 i 12 S m 1000 下 Ea 0 8eV应用 氧敏传感器 一种氧浓差电池 氧化锆作为固体电解质 测量气体或熔融金属中氧含量 监控汽车排气成分固体氧化物燃料电池 氧化铝 Al2O3近似化学式 Na2O 11Al2O3六方晶系在较高温度生成一价阳离子Na 为载流子应用 高能固体电解质蓄电池 Na S电池 隔膜 7 Al2O3近似化学式 Na2O 5 33Al2O3三方晶系在较低温度生成一价阳离子Na 为载流子电导率比 Al2O3更高应用 心脏起搏器中钠和溴间隔板二 导电高分子材料特点 重量轻 易成型 电阻率可调 可通过分子设计 合成不同导电特性材料 分两类 结构型和复合型结构型 通过电子或离子导电 高分子本身结构显示导电性主要材料 聚氮化硫 掺杂型聚乙炔 电阻率可达2 10 5 m 等主要用途 蓄电池 微波吸收材料等 8 复合型 是通过不具备导电性的一般高分子与各种导电填料分散复合 层积复合 使其表面形成导电膜等方法制成 填充在高分子中的导电粒子或纤维相互紧密接触形成导电通路 主要材料 在通用树脂中 导电填料及添加剂通用树脂 聚烯烃 聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯等导电填料 金属粉 金属纤维 炭黑 石墨 碳纤维等 形状 球状 薄片状 针状添加剂 抗氧剂 固化剂 溶剂 润滑剂等材料种类 导电胶粘剂 导电塑料 导电薄膜 导电涂料三 介电陶瓷介电材料 是利用固体的介电特性 以感应而非传导的方式传递电的作用和影响 介电材料又叫电介质 一 介电性介电性 当材料内的带电粒子被束缚在固定位置上 在外电场作用下仅发生微小位移 即形成极化电荷但不产生电流 带电粒子在电场下作微小位移 即发生极化 的性质称为介电性 9 极化 介电材料在电场作用下 不产生电荷的长距离输送 而只产生有限的电荷重排 使电介材料获得一个电偶极矩 简称电矩 该现象称为极化 极化可分四种 见下页图 电子极化离子极化偶极子极化空间电荷极化 10 电子极化 在电场作用下 使原来处于平衡状态的原子正 负电荷重心改变位置 即原子中电子相对于原子核产生的较小位移 离子极化 在电场作用下 多晶陶瓷体内的正 负离子分别相对位移 偶极子极化 在电场作用下 非对称结构的偶极子趋向与外电场方向一致 空间电荷极化 陶瓷多晶体在电场中 空间电荷在晶粒内和电畴中移动 聚集于边界和表面 以及一些载流子在一定范围内迁移而产生的极化 通常介电材料极化是以上四种极化的组合和叠加 11 衡量介电材料的两个最主要参数 介电常数 当介电材料置于电容的两个极板之间时 会增加电容量 r 相对介电常数 C0 真空中的静电容 0 真空介电常数 介电常数介质损耗 介质的极化强度 P 介质的极化强度 E 电场强度当电场不断地改变时 介质内的极化也就要不断地改变 当电场改变得很快时 介质的极化就会追随不及而滞后 这样引起的损耗称为介质损耗 通常用损耗因子tan 表示 损耗角正切tan 的倒数则称为品质因数Q 即 很显然 损耗因子tan 大 则介电陶瓷的能量损耗也大 品质因数Q就低 12 二 介电陶瓷材料介电陶瓷是最主要的介电材料 其性质与陶瓷多晶体的晶体结构密切相关 在晶体32种对称点群中 11种有对称中心 21种无对称中心 具有对称中心的晶体 晶格上排列的是非极性原子或分子 电性是完全中性的 称为各向同性介电体 20种无对称中心点群 除O 432点群外的21种无对称中心点群 的晶体称为压电晶体 在压电晶体中 有10种点群的晶体是极性晶体 具有热释电性 由于温度变化而使极化改变 称为热释电晶体 热释电晶体中 在外电场作用下 随电场改变电偶极子方向的晶体称为铁电晶体 图电介质 压电晶体 热释电晶体和铁电晶体的关系 13 介电陶瓷按介电常数 可分为三类 第一类 具有低和中等介电常数 中等介电常数范围 15 500 损耗因子 0 003 第二类 以铁电材料为主的高介电常数陶瓷 介电常数范围 2000 20000 性能随温度 频率 场强变化程度大 损耗因子 0 03 第三类 介电陶瓷材料组织中含有导电相 可降低电容器中介电材料厚度 性能与第二类相同 三 实际应用的几种陶瓷介电材料1 温度补偿电容器介电陶瓷性能要求 稳定的电容温度系数 低介电损耗材料 MgO La2O3 TiO2系 镁镧钛酸盐陶瓷CaTiO3 SrTiO3和MgTiO3与LaTiO3复合用途 高频振荡电路中用作温度补偿电容介质 14 2 微波介质陶瓷性能要求 在微波频率下具有高介电常数 低介电损耗 低膨胀系数和低介电常数温度系数 陶瓷材料 MgO SiO2系陶瓷 6 24 Q值不高 Q为品质因数 MgO La2O3 TiO2系陶瓷 在4GHz下 Q 5000BaO TiO2系陶瓷中 BaTi4O9 在4GHz下 8 Q 9000Ba2Ti9O20 在4GHz下 30 Q 7000ZrO2 SnO2 TiO2系陶瓷中 Zr0 8Sn0 2TiO4 在7GHz下 36 57 Q 6500制备 原料混合 煅烧 破碎 烧制成形 有时需采用热压烧结 用途 微波电路元件 微波谐振器 15 3 高介高压电容器陶瓷高介电容器陶瓷 介电常数超过1000的介电陶瓷材料通常为铁电陶瓷材料 材料以钛酸钡 BaTiO3 为基 掺入少量MnO2等添加物 介电常数很高以Sr Sn Zr等离