功能陶瓷PPT课件

- 1，4章功能陶瓷、功能陶瓷主要指利用机械性能以外的陶瓷其他物理性能，利用电和半导体性能、绝缘性和介电性、磁和热性能、各种敏感特性、机械、电、磁、光、热等物理性能之间的耦合和转换效应、化学和生物效应制成的大型材料。-，2，功能陶瓷，电功能陶瓷：绝缘陶瓷，介电陶瓷，强介电陶瓷，压电陶瓷，半导体陶瓷，高速离子导体陶瓷，高温超导陶瓷，功能陶瓷的分类， 磁功能陶瓷：软磁性铁氧体，硬磁性铁氧体，记忆用铁电体，光功能陶瓷：透明陶瓷， 透明铁电陶瓷敏感陶瓷：热敏陶瓷、感温陶瓷、压敏陶瓷、感光性陶瓷、生物和化学功能陶瓷：载体用陶瓷、催化剂用陶瓷、生物陶瓷、-、3、4.1电功能陶瓷、4.1.1陶瓷材料导电性和导电性陶瓷陶瓷材料多由离子键和共价键构成，键牢固，大部分陶瓷的禁带宽度宽，是绝缘材料(如氧化铝、氧化硅、氮化硅等)。 掺杂绝缘陶瓷或调制非化学计量比化合物，可以得到NiO(Li )、SnO2-x等半导体陶瓷。 另外，某些陶瓷材料的离子性强，能够在晶格中自由移动的离子与AgI等的电传导有关。 4、对于传统的陶瓷，人们利用陶瓷材料的电性能，主要关注其绝缘性能，即先进的陶瓷材料的绝缘性能，以及陶瓷材料的导电能力。 目前，高温超导氧化物的导电能力超过金属，应用的先进陶瓷材料的导电率复盖了良导体到绝缘体的范围。 陶瓷材料导电机理复杂，其导电性能与材料组成、掺杂、微结构、晶体缺陷、制备工艺、后处理工艺等密切相关。 5、陶瓷的导电特性、迁移率和导电率是取向电场的作用，某些带电粒子(载体)的漂移和扩散使材料具有导电能力。 载流子在晶体中经历定向漂移会受到各种散射并且影响载流子的运动。 不同温度下各种散射机构起作用的作用不同。 材料中载流子浓度及其迁移率是影响陶瓷导电能力的重要因素. 另外，金属导体的带不完全充满价电子，在外电场的作用下，价电子获得能量，转变为传导带的高能空能水平，引起电子的取向运动，金属中的载流子都是电子。 热运动会阻碍电子的定向移动，因此金属的导电能力随温度的升高而降低。- 6，本征半导体中不存在自由电子，但价带和传导带之间的禁带宽度小，在价带接受足够的能量的情况下，从价带向传导带转移，引起电的传导。 在半导体中，电导率和温度之间存在常数、被称为活性能的关系，由上式可知，半导体的电导率随着温度、身高而增加。 (4-1)、-、7，一般陶瓷材料中的带电粒子可以是正离子、负离子、电子、空穴。 为了研究陶瓷材料的导电性，需要导入带电粒子的种类(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为粒子带电价值状态)、作为施加电场e的带电粒子(载体)的漂移速度vi、以及施加电场后的该带电粒子的电流密度ji。 电流密度j定义为在单位时间内以单位面积移动的电荷量。 ji由下式给出：电导率定义为单位电场下的带电粒子的电流密度： (4-2)、(4-3)、- 8、(4-4)，载流子迁移率结合单位电场下的带电粒子的漂移速度： (4-3)和(4-4)，第I种带电粒子对电导率有贡献： (4-5)，该式通过实验测定考虑到不同载流子的贡献，材料的总电导率是各种载流子电导率的总和。 (4-6)、- 9、各载波对总传导有贡献的得分被称为(4-7)，式中的ti被称为移动数。明显地，由于每个迁移率的总和必然等于1 :(4-8)，因此本质上清楚并控制陶瓷中的电导问题包括描述主要可能的载流子浓度和迁移率并将它们的贡献相加以获得总电导率。 10、一些化合物的正离子和电子或空穴迁移率、11、传统硅酸盐陶瓷、氧化物陶瓷是离子晶体。 离子晶体存在离子传导和电子传导。 但一般以离子传导为主，电子传导微弱。 但是，材料中含有价数变化离子，生成非化学计量化合物或导入不等价的杂质时，会产生大量的自由电子和空穴，电子传导增强，被称为半导体。 由离子晶体的热缺陷引起的离子传导称为本征离子传导，由杂质引起的离子传导称为杂质传导。 杂质载流子的导电活化能远低于正常晶格上的离子。 低温下，杂质的数量少也能带来很大的电导率。 低温下杂质电导占主导地位，高温下本征电导占主导地位。 玻璃基本上是离子传导性的，电子传导性可以忽略。 玻璃结构松散，导电活化能低于晶体，其导电率大于组成相同的晶体。 陶瓷通常由结晶相和玻璃相组成，其导电性很大程度上依赖于玻璃相。12、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。 陶瓷的中点缺陷严重影响材料的电性能，一般来说陶瓷材料的电导率有所增加。 例如立方ZrO2中，结构中的正离子立方密集堆积，负离子占据全四面体间隙，全八面体间隙空出，其他例子容易在其间移动。 如果向立方ZrO2中加入8at%的Y2O3，则Y3可以在晶格中部分地形成氧离子空穴，代替Zr4，使ZrO2的立方相在低温下稳定，成为被称作离子传导的固体电解质。 与点缺陷不同，位错、位错、晶界等晶体缺陷一般会降低陶瓷材料的导电性。13，浓液可能改变陶瓷材料的导电性。 例如，在ZnO中掺杂Al3会增加材料的导电性，这是因为三价铝取代二价锌后，在原来的二价锌的位置会变成三价离子。 为了保持电中性，Al3附近的锌变成了一价，但一价锌不稳定，又变成了二价锌，同时发射电子，提高了材料的导电性。 陶瓷体中晶粒尺寸对导电性能影响不大。 气孔相的存在提高材料的导电性的可能性很大，降低材料的导电性的可能性很大。 气孔数量不大，分布均匀时，电导率随气孔率增加而下降的气孔率高，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，在电导率高的材料中，降低材料的电导率，使得高的气孔率在导体中嵌入绝缘层，而在低的材料中，高的气孔率提高材料的电导率，是因为电导率可以在气孔表面移动，所以与表面扩散的情况相似。 关于-14，在材料的离子迁移率等于1或者离子传导率远大于电子传导率并且离子传导率接近材料中总电导率的值时，即材料中的载流子几乎是离子的情况下，离子传导率的变化称作离子传导。 在许多离子晶体中，离子迁移率接近1，但晶体中的载流子迁移率低，材料实际上不电导通。 离子导电材料在结构上一般需要满足格子中导电性离子可能远多于实际填充的离子的数量的条件的邻近导电离子间的势垒不太大的格子中，存在各种体积大的八面体的间隙和四面体的间隙连接的导电性离子运动的通路。-，15，离子传导有明显的各向异性。 例如，-Al2O3在c方向的电导远大于其他方向是因为离子通道具有明确的方向性。正离子在晶格中可能占据的位置的投影图(a )绝缘体(b )离子传导体、-、16、离子传导率与温度t的关系满足Arrhenius的关系： (4-9)，下标“ion”表示与传导有关的离子，a为前因子、常数、e为活化能。17、掺杂可以改变陶瓷材料的电导率和电导活性能。 例如在ZrO2-M2O3(M=Y、Sc、In、Gd等)系中，随着掺杂正离子半径变小，材料的电导率增加. 此外，掺杂有ZrO2的亚历尼亚斯图中的材料电导率的最大值在掺杂源相同但掺杂浓度不同时对应于恒定掺杂浓度。 ZrO2-Y2O3体系中电导率与Y2O3浓度的关系曲线、-、19、离子导体、离子导体包括快离子导体和其他固体电解质材料. 高速离子传导体(fastionconductor，FIC )要求在结构中存在离子移动的通路和能够高速移动的离子，也称为超离子传导体或固体电解质。 材料中与导电相关的载体可能是正离子、负离子或离子空穴，导电活性能低，晶格中部分离子接近液体迁移率，其馀离子不动。 关于高速离子传导体的导电机理，其结晶由2种子晶格构成，一方是不运动的离子晶格，另一方是运动的离子晶格。 当晶体处于快速离子相中时，不运动的离子构成骨架，为运动离子的运动提供通道。 运动离子像液体一样在格子中进行布朗运动，可以跨越两个平衡位置的屏障扩散，迅速移动。 另外，20是电子迁移率比离子迁移率高几个数量级、离子传导体中的导电粒子是离子，因此当材料中的电子载流子浓度几乎可忽略的温度下降时，晶体结构从无序变化为有序，用离子传导率下降的尺寸大的离子部分置换晶格中的离子， 高速离子导体的主要特征是：结构开放，晶体中存在各种间隙连接形成的通道，能够稳定无序，如用AgI晶体用Rb部分取代Ag等。 如果AgI中的可移动离子为Ag，则网格中可占据的位置的数量远远超过实际数量，高度立即分布在可占据的位置，并且可以在这些位置看到移动。 迁移离子浓度高，迁移速度慢，-，21，重要离子导体有以下三种：银和铜的卤化物和硫化物如AgI，温度高于146oC，结构低于相，低于146oC，相。 由相向相的转变是突发性的相变，电导率提高约3位数，达到130(m)-1。 -AgI为体心立方结构，结构中的I-离子占据立方体顶点和体心位置，Ag无序位于负离子配位多面体的各种间隙中，相邻间隙的势垒小，在格子中形成正离子通道，正离子可以在这些位置移动。 AgI单元晶格中Ag的位置、22、-Al2O3结构的氧化物，如果一价的a离子的半径过大或过小，会引起电导率的降低。 离子半径过大的话，因为其移动能力变差的离子半径过小的话，正离子在电传导路径中涡旋式快速移动，阻碍其运动。 一些不同的-Al2O3电导率，-Al2O3结构属于六角晶系. 该结构的导电性来源于一价碱金属离子a的高移动性和高交换性。 单位晶格中的阳离子立方堆积，铝粒子位于八面体与四面体的间隙位置。 a与氧层相连，该稀疏的连接层无序，提供原子沟道，晶格中的a离子容易移动。 此类材料的导电行为极端各向异性，垂直于c方向的导电率远大于c方向的导电率。23、氟化钙结构氧化物，这种氧化物包括萤石、反萤石结构及其应变结构。 在该材料中通常存在CaO-ZrO2、Y2O3-ZrO2、CeO2-Y2O3等廉价阳离子. 在CaO、Y2O3、MgO2中，置换离子的半径大于Zr4，电价低，因此晶格中有相当数量的氧空穴，缺陷浓度为15%。氧离子空穴的移动与导电性离子的移动相似，材料的氧离子移动数接近1。 由于离子迁移距离大于离子间隔，晶格中的氧容易快速迁移，迁移活性能低。 萤石结构中氧离子的空穴杂乱地分布在晶格中，由此产生的电导率实质上是各向同性的。24、离子导体的应用，离子导体主要用作固体电解质，可用作电池、燃料电池、离子泵和离子活性探针。 燃料电池是通过直接电化学反应将燃料和氧化剂的化学能转换成电能的装置。 在由阴极、阳极、电解质基板构成的电化学系统中，从燃料中提取燃料气体，与氧直接电化学反应生成水。 不用热机转换，能源转换效率高，不污染环境，损失低，安全。25、高温燃料电池图像、co2-2eco2、-、26、燃料电池的分类、-、27、电子电导、电子或空穴的迁移率远大于离子，因此，即使材料中存在少量的电子或空穴，也不能忽视对其电导的贡献，在这样的载流子的浓度根据不同的载流子浓度，陶瓷材料的电子传导行为可能有很大差异，由于接近金属而接近绝缘体。 电子传导的一般特点，电子传导的特点有霍尔效应。 材料中始终存在自由电子和空穴时，电场会产生取向移动，离子的质量远大于电子，因此离子不会因磁场而横向移动。 因此，霍尔效应使得能够区分陶瓷材料是离子传导还是电子(霍尔)传导。28、陶瓷材料中的电子传导本质上有两种。 一种是由于材料本身的带中的电子产生的，例如过渡金属氧化物VO、TiO、CrO2等，由于电子轨道的重叠而产生较宽的未填充的d带或f带，引起准自由电子，形成金属这样的电导在陶瓷材料中比较少见的另一种是由于电子或空穴的移动此外，在化学计量整数比的纯材料中，电子的数量等于孔的数量，但由于掺杂或晶体缺陷等原因，材料中的电子的数量也可不等于孔的数量，典型地是p型(孔多重性)和p型(电子多重性)两种半导体。 电子传导的电导率与载流子的浓度和迁移率成正比。 陶瓷材料中的载流子通常有三个来源偏离本征激发、杂质激发和化学计量比。 3、29、陶瓷材料的电子传导的三个激发过程，Eg表示接近表示带隙的传导带的Ed表示施主能级，接近价格带的Ea表示受主能级，能够接受电子进行离子化的VO*、VO*表示缺陷能级30、陶瓷电热材料使用温度高，抗氧化，可在空气中使用。 碳化硅是最早的陶瓷电热材料，最高使用温度为1560oC。 MoSi2耐氧化性优异，可在最高使用温度1800oC、1700oC的空气中连续使用数千小时。 在其表面形成薄的SiO2或耐热硅酸盐，发挥保护作用。电热、电极陶瓷、-、31、超导体陶瓷、超导现象是指电阻突然变为零的现象，具有超导性质的物质称为超导体。 超导体与正常导体的区别在于，正常金属导体的电阻率在低温下保持一定，而超导体的电阻在转变点突然变为零。 超导体的一般特点是，超导材料中临界温度高的超导体一般是多元素氧化物陶瓷材料，新型超导陶瓷的开发研究突破了传统BCS超导理论的临界温度。 另外，超导体所显示的超导现象依赖于温度、磁场、电流密度的大小，将这些条件的上限分别称为临界温度(Tc )、临界磁场(Hc )、临界电流密度(Ic )。 从超导材料的实用化来看，如何提高这三个