电子陶瓷材料绪论PPT学习教案

1、会计学1电子陶瓷材料绪论电子陶瓷材料绪论陶瓷的特点：陶瓷的特点：优点：硬度大，机械强度高，化学稳优点：硬度大，机械强度高，化学稳定性好（耐腐蚀），熔点高，绝缘性能好，定性好（耐腐蚀），熔点高，绝缘性能好，抗电强度高（抗电强度高（10kv/mm),10kv/mm),导电性能可变导电性能可变（半导体、超导体、绝缘体）及成本低。（半导体、超导体、绝缘体）及成本低。缺点：脆性大，分散性大。缺点：脆性大，分散性大。第1页/共116页电子陶瓷电子陶瓷结构陶瓷和陶瓷和功能陶瓷。陶瓷。陶瓷的微观结构与性能的关系陶瓷的微观结构与性能的关系陶瓷是一个复杂的多晶多相系统，一般由结晶相、陶瓷是一个复杂的多晶多相系统，

2、一般由结晶相、玻璃相、气相和相界交织而成。玻璃相、气相和相界交织而成。结晶相：大小不同，形状不一，取向随机的晶粒。结晶相：大小不同，形状不一，取向随机的晶粒。直径几微米到几十微米。小晶粒内部原子或离子点直径几微米到几十微米。小晶粒内部原子或离子点阵规则排列，是单晶。阵规则排列，是单晶。主晶相决定了材料的性能：介电常数，电导率，损主晶相决定了材料的性能：介电常数，电导率，损耗和热膨胀系数。电子陶瓷大都选用氧化物为主晶耗和热膨胀系数。电子陶瓷大都选用氧化物为主晶相。相。第2页/共116页玻璃相玻璃相一种低温可以熔融的化合物。作用是填充晶粒之间一种低温可以熔融的化合物。作用是填充晶粒之间的空隙，将晶

3、粒紧密联结成一个整体，降低坯体烧的空隙，将晶粒紧密联结成一个整体，降低坯体烧成温度，阻止晶型转变，在一定条件下，可以抑制成温度，阻止晶型转变，在一定条件下，可以抑制晶粒生长，促使晶粒细微化。广义上和晶粒之间的晶粒生长，促使晶粒细微化。广义上和晶粒之间的过渡晶界相一起统称为晶粒间界。过渡晶界相一起统称为晶粒间界。晶粒之间的固晶粒之间的固体物质，原子不规则排列。体物质，原子不规则排列。第3页/共116页气相气相晶粒之间玻璃相填充不到的部分，是气体占晶粒之间玻璃相填充不到的部分，是气体占据的部分。据的部分。开口气孔和闭口气孔。开口气孔和闭口气孔。功能陶瓷的主要物理性能与效应直接效应直接效应电学、力学

4、、磁学、热力学、化学、生物电学、力学、磁学、热力学、化学、生物耦合效应耦合效应 机电、热电、光电、磁电耦合机电、热电、光电、磁电耦合第4页/共116页物理学的研究核心直接效应直接效应第5页/共116页直接效应直接效应第6页/共116页耦合效应第7页/共116页 特点：成分可控性、结构宽容性、性能多样性、应用 广泛性。 据功能陶瓷组成、结构的易调性和可靠性：可制备超高绝缘性、半导性、导电性和超导电性陶瓷。 据功能陶瓷的能量转换和耦合特性：可制备压电、光电、热电、磁电和铁电等陶瓷。 据对外场的敏感效应：可制备热敏、气敏、湿敏、压敏、磁敏、电压敏和光敏等敏感陶瓷。应用特点应用特点第8页/共116页主

5、要分类主要分类电介质陶瓷绝缘陶瓷(结构陶瓷)、电容器介质陶瓷、微波介质陶瓷、低温共烧陶瓷铁电陶瓷高介介电陶瓷、热释电陶瓷、电光陶瓷、弛豫铁电陶瓷、反铁电陶瓷等压电陶瓷一元系、二元系、三元系压电陶瓷，无铅压电陶瓷、电致伸缩陶瓷等半导体陶瓷PTCPTC热敏陶瓷、NTCNTC热敏陶瓷、气敏陶瓷、压敏陶瓷、湿敏陶瓷、光敏陶瓷等导电陶瓷电子导电陶瓷、离子导电陶瓷、质子导电陶瓷、混合导电陶瓷超导陶瓷高温超导陶瓷磁性陶瓷铁氧体陶瓷软磁、硬磁、旋磁铁氧体等生物陶瓷生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷等第9页/共116页按形态可分为： 粉体、块体、厚膜、薄膜、纤维、复合等按结晶态可分为： 非晶、多晶、单晶体第10页/共1

6、16页结构陶瓷：结构陶瓷： 在电子元件，器件，部件和电路中作基体、外壳，在电子元件，器件，部件和电路中作基体、外壳，固定件和绝缘部件。固定件和绝缘部件。滑石瓷：滑石瓷：MO-AlMO-Al2 2O O3 3-SiO-SiO2 2体系体系氧化铝陶瓷：氧化铝陶瓷：AlAl2 2O O3 3，9999瓷（刚玉瓷），瓷（刚玉瓷），9595瓷，瓷，9090瓷，瓷，高铝瓷，着色氧化铝陶瓷。高铝瓷，着色氧化铝陶瓷。高热导率瓷：高热导率瓷：BeOBeO瓷，瓷，BNBN瓷，瓷，AlNAlN瓷，瓷，SiCSiC瓷。瓷。应用：结构陶瓷应用：结构陶瓷第11页/共116页功能陶瓷的发展趋势功能陶瓷的发展趋势(1) (1

7、) 表面组装技术表面组装技术(SMT) (SMT) 推动功能陶瓷元件片式化推动功能陶瓷元件片式化 (2) (2) 功能陶瓷的多功能化、复合化功能陶瓷的多功能化、复合化(3) (3) 功能陶瓷的机敏化和智能化功能陶瓷的机敏化和智能化(4) (4) 功能陶瓷的高频化功能陶瓷的高频化- -微波介质陶瓷与现代通信技术微波介质陶瓷与现代通信技术(5) (5) 低维化，集成化低维化，集成化第12页/共116页 块体材料的常规制作工艺：制粉成型烧结。块体材料的常规制作工艺：制粉成型烧结。 制粉工艺多样化：固相法、液相法、气相法。制粉工艺多样化：固相法、液相法、气相法。 成型工艺：干式模压成型、等静压成型成型

8、工艺：干式模压成型、等静压成型 烧结工艺：常压烧结、热压烧结、填充烧结、气烧结工艺：常压烧结、热压烧结、填充烧结、气氛烧结。氛烧结。功能陶瓷的制备工艺功能陶瓷的制备工艺第13页/共116页2 功能陶瓷的基本性能功能陶瓷的基本性能第14页/共116页2.1 2.1 电学性能电学性能基本电学性能：基本电学性能： （1 1）在电场下传导电流）在电场下传导电流, ,电导率电导率 （2 2）被电场感应，介电常数）被电场感应，介电常数第15页/共116页 为电导率为张量。为电导率为张量。EJ第16页/共116页基本的电学参数。基本的电学参数。ED第17页/共116页2.1.1 2.1.1 电导率电导率JE

9、电导率：样品的导电能力，越大则导电能力越强/1/RUIGRS h载流子：离子电导(陶瓷的主要方式) 和 电子电导本质区别： 1.质量变化 2. 霍尔效应 3. 迁移率低压下，高低压下，高压不符合压不符合EVnqnqVEJU, I, E ,J ?单位：欧姆单位：欧姆厘米（厘米（ cm cm）第18页/共116页第19页/共116页SdG第20页/共116页第21页/共116页第22页/共116页电能力的重要因素。电能力的重要因素。第23页/共116页电介质瓷主要是离子电导电介质瓷主要是离子电导；半导体瓷和导电陶瓷主要是电半导体瓷和导电陶瓷主要是电子电导子电导。第24页/共116页电子电导电子电导

10、没有这一效应。没有这一效应。第25页/共116页第26页/共116页第27页/共116页为表面电阻为体积电阻SSVVSVIVRIVRIII第28页/共116页SVRRR111SLRVV第29页/共116页IV截面积SL第30页/共116页VISLVIl2l1l3第31页/共116页)1111(2322121llllllVIVlI2第32页/共116页2.1.2 2.1.2 介电常数介电常数DE物质被电场感应的性质，衡量电介质存储电荷能力的常数0Q Q设真空时介电常数为1，0hCS 表示相同电场和电极系统，有介质存在比真空情况下电荷增加的倍数。功能陶瓷的介电系数范围很大。第33页/共116页+

11、+ + +- - - -VC0Q0静电场中介质的极化+-VC Q-+-+-+-+-+-+-+-+-+Q-Q0第34页/共116页真空时：Q0，C0插入电介质陶瓷时：Q，C增加的感应电荷为：Q-Q0相对介电常数相对介电常数（relative dielectric constant）00CCQQ第35页/共116页系统，有介质存在时比真空情况系统，有介质存在时比真空情况下电极上电荷增加的倍数等于介下电极上电荷增加的倍数等于介质的介电常数。质的介电常数。0QQ第36页/共116页. .0r令：第37页/共116页ShChSCrr00第38页/共116页压电陶瓷：压电陶瓷：5020000第39页/共1

12、16页 介电常数是衡量电介质储存电荷能力的参数，介电常数是衡量电介质储存电荷能力的参数，通常又叫介电系数（通常又叫介电系数（Dielectric ConstantDielectric Constant）或电）或电容率容率(permittivity)(permittivity)，也是电子陶瓷材料最重要的，也是电子陶瓷材料最重要的电学特征参数之一。电学特征参数之一。 电介质极化的现象，归根结底是电介质中的微观带电粒子在电场的作用下，电荷分布发生变化而导致的一种宏观统计平均效应。电子和离子以多种形式参加极化过程。按照微观机制，可归纳为以下几种基本形式：第40页/共116页极化机制：极化机制： (1)

13、(1)位移式极化：电子，离子位移式极化：电子，离子 在电场作用下，离子（或原子）中的电子向电场相反方向移动一个小距离，带正电的原子核将沿电场方向移动一个更小的距离，造成正负电荷中心分离，当外加电场取消后又恢复原状。在电场作用下，离子（或原子）中的电子向电场相反方向移动一个小距离，带正电的原子核将沿电场方向移动一个更小的距离，造成正负电荷中心分离，当外加电场取消后又恢复原状。 离子（或原子）的这种极化称电子位移极化，是在离子（或原子）内部发生的可逆变化，不以热的形式损耗能量，不导致介质损耗。离子（或原子）的这种极化称电子位移极化，是在离子（或原子）内部发生的可逆变化，不以热的形式损耗能量，不导致

14、介质损耗。第41页/共116页(2) (2) 松弛式极化：电子，离子松弛式极化：电子，离子松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。极子。松弛极化：松弛质点由于热运动使之分布混松弛极化：松弛质点由于热运动使之分布混乱，乱， 电场力使之按电场规律分布，在一定温度下发电场力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化。生极化。松弛极化的特点：比位移极化移动较大距松弛极化的特点：比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长，离，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。需吸收一定的能量，是一种非可逆过

15、程。 这些弱联系离子，受热运动起伏的影响，从一这些弱联系离子，受热运动起伏的影响，从一个平衡位置迁移到另一个平衡位置。在正常状个平衡位置迁移到另一个平衡位置。在正常状态下，离子向各个方向迁移的几率相等，整个态下，离子向各个方向迁移的几率相等，整个介质不呈现电极性。在电场作用下，离子向一介质不呈现电极性。在电场作用下，离子向一个方向迁移的几率增大，使介质呈现极化。个方向迁移的几率增大，使介质呈现极化。第42页/共116页 （3 3）偶极子转向极化）偶极子转向极化 极性电介质的分子，由于热运动，在无电场极性电介质的分子，由于热运动，在无电场时，偶极矩的取向是任意的，对外宏观电矩为零时，偶极矩的取向

16、是任意的，对外宏观电矩为零。 有外电场时，偶极子会沿与外电场方向平行有外电场时，偶极子会沿与外电场方向平行的方向排列，出现了与外电场同向的电矩。的方向排列，出现了与外电场同向的电矩。 偶极子的转向极化由于受到电场力的转矩作偶极子的转向极化由于受到电场力的转矩作用、分子热运动的阻碍作用以及分子间的相互作用、分子热运动的阻碍作用以及分子间的相互作用，所需时间较长，为用，所需时间较长，为1010-2-210106 6 秒或更长。秒或更长。第43页/共116页 界面极化是和陶瓷体内电荷分布状况有关的极界面极化是和陶瓷体内电荷分布状况有关的极化。陶瓷体内的电荷又称空间电荷或容积电荷。它化。陶瓷体内的电荷

17、又称空间电荷或容积电荷。它的形成原因是陶瓷体内存在不均匀性和界面。晶界、的形成原因是陶瓷体内存在不均匀性和界面。晶界、相界是陶瓷中普遍存在的。相界是陶瓷中普遍存在的。 （4 4） 界面极化界面极化 由于界面两边各相的电性质（电导率、介电常数等）不同，在界面处会积聚起电荷。不均匀的化学组成、夹层、气泡是宏观不均匀性，由于界面两边各相的电性质（电导率、介电常数等）不同，在界面处会积聚起电荷。不均匀的化学组成、夹层、气泡是宏观不均匀性，在界面上也有电荷积聚。在界面上也有电荷积聚。 某些陶瓷材料在直流电压作用下发生电化学反应，在一个电极或两个电极附近形成新的物质。称为某些陶瓷材料在直流电压作用下发生电

18、化学反应，在一个电极或两个电极附近形成新的物质。称为形成层作用。形成层作用。陶瓷变成两层或三层电性质不同的介质。这些层间界面上也会积聚电荷。陶瓷变成两层或三层电性质不同的介质。这些层间界面上也会积聚电荷。 第44页/共116页 上述各种界面上积聚电荷的结果，使电极附近电荷上述各种界面上积聚电荷的结果，使电极附近电荷增加，呈现了宏观极化。增加，呈现了宏观极化。 这种极化可以形成很高的与外加电场方向相反的这种极化可以形成很高的与外加电场方向相反的电动势电动势反电势，因此这种宏观极化也称为高压式反电势，因此这种宏观极化也称为高压式极化。由夹层、气泡等形成的极化则称夹层式极化。极化。由夹层、气泡等形成

19、的极化则称夹层式极化。 高压式和夹层式极化可以统称为界面极化。高压式和夹层式极化可以统称为界面极化。 由于空间电荷积聚的过程是一个缓慢的过程，所由于空间电荷积聚的过程是一个缓慢的过程，所以这种极化建立的时间较长，大约从几秒至几十小时。以这种极化建立的时间较长，大约从几秒至几十小时。界面极化只对直流和低频下的介电性质有影响。界面极化只对直流和低频下的介电性质有影响。 第45页/共116页（5）谐振式极化谐振式极化 陶瓷中的电子、离子都处于周期性的振动，陶瓷中的电子、离子都处于周期性的振动，其固有振动频率为其固有振动频率为1010121210101313HzHz，即红外线、可见，即红外线、可见光和

20、紫外线的频段。光和紫外线的频段。 当外加电场的频率接近此固有振动频率时，当外加电场的频率接近此固有振动频率时，将发生谐振。电子或离子吸收电场能，使振幅加将发生谐振。电子或离子吸收电场能，使振幅加大呈现极化现象。电子或离子振幅增大后将与周大呈现极化现象。电子或离子振幅增大后将与周围质点互作用，振动能转变成热量，或发生辐射，围质点互作用，振动能转变成热量，或发生辐射，形成能量损耗。形成能量损耗。 这种极化仅发生在光频段。这种极化仅发生在光频段。第46页/共116页（6 6）自发极化）自发极化 在铁电陶瓷中有自发存在的小电畴，当外加在铁电陶瓷中有自发存在的小电畴，当外加电场后，这些小电畴会沿外场方向

21、取向。由于这电场后，这些小电畴会沿外场方向取向。由于这些小电畴随电场的变化不能太快，因而这种极化些小电畴随电场的变化不能太快，因而这种极化对低频下和中频的介电性质有较大的影响。自发对低频下和中频的介电性质有较大的影响。自发极化于温度的关系也很密切。在某个温度之上，极化于温度的关系也很密切。在某个温度之上，自发极化可能会消失，该温度通常称为居里温度。自发极化可能会消失，该温度通常称为居里温度。在居里温度附近，铁电陶瓷的介电常数会出现很在居里温度附近，铁电陶瓷的介电常数会出现很大的变化。大的变化。 第47页/共116页总结：总结：与晶格粒子有关与晶格粒子有关- - 强结合强结合 位移极化；弱结合位

22、移极化；弱结合 松弛极化松弛极化 与缺陷有关与缺陷有关- -界面极化界面极化 与外界条件有关与外界条件有关- -谐振式极化谐振式极化 与晶格结构有关与晶格结构有关：自发极化：自发极化第48页/共116页极化形式极化形式极化的电介极化的电介质种类质种类极化的频率范极化的频率范围围与温度的关与温度的关系系能量消耗能量消耗电子位移极电子位移极化化一切陶瓷一切陶瓷直流直流光频光频无关无关无无离子位移极离子位移极化化离子结构离子结构直流直流红外红外温度升高极温度升高极化增强化增强很弱很弱离子松弛极离子松弛极化化离子不紧密离子不紧密的材料的材料直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有电

23、子位移松电子位移松弛极化弛极化高价金属氧高价金属氧化物化物直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有转向极化转向极化有机有机直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有空间电荷极空间电荷极化化结构不均匀结构不均匀的材料的材料直流直流高频高频随温度升高随温度升高而减小而减小有有各种极化方式对各种极化方式对比比第49页/共116页2.1.3 介质损耗介质损耗 陶瓷介质在电导和极化过程中都有能量陶瓷介质在电导和极化过程中都有能量损耗，一部分电能转化为热能。单位时间单损耗，一部分电能转化为热能。单位时间单位体积内所消耗的电能为介质损耗。位体积内所消耗的电能为介质损耗。

24、2pE直流电场下，仅来源于电导：直流电场下，仅来源于电导： 交流电场下，来源于电导和极化交流电场下，来源于电导和极化 将实际陶瓷电容器等效为一个理想电容将实际陶瓷电容器等效为一个理想电容器器(无耗电容器无耗电容器)和纯电阻的并联或串联。和纯电阻的并联或串联。第50页/共116页介电损耗：任何电介质在电场作用下，总会或多或少地把部分电能转变成热能使介质发热，在单位时间内因发热而损耗的能量称为损耗功率或简称为介电损耗。任何电介质在电场作用下，总会或多或少地把部分电能转变成热能使介质发热，在单位时间内因发热而损耗的能量称为损耗功率或简称为介电损耗。介电损耗包括：漏电损耗和极化损耗（漏电损耗和极化损耗

25、（polarization losspolarization loss）漏电损耗漏电损耗： 漏电电流流经介质时使介质发热而损耗了电能，这种由电导而引起的介质损耗称为漏电电流流经介质时使介质发热而损耗了电能，这种由电导而引起的介质损耗称为“漏电损耗漏电损耗”。极化损耗极化损耗：介质在电场中均会呈现出极化现象，除电子、离子弹性位移极化基本上不消耗能量外，其他缓慢极化建立的过程中都会因克服阻力而引起能量的损耗，这种损耗称为极化损耗（介质在电场中均会呈现出极化现象，除电子、离子弹性位移极化基本上不消耗能量外，其他缓慢极化建立的过程中都会因克服阻力而引起能量的损耗，这种损耗称为极化损耗（polariza

26、tion losspolarization loss） 。第51页/共116页EPED00r)exp(0tiEE )(exp0tiDD第52页/共116页 icosrsinr 介电常数的实部反映了电介质储存电荷的能力，虚部反映了电介质在电荷移动过程中引起的电场能量损耗，它们均与电场频率有关。 电介质的损耗多来自漏电损耗,极化损耗。 漏电损耗是因为电介质的直流电导损耗以及由于离子迁移受阻和偶极子弛豫损耗而引起能量的损失。极化损耗是因为材料中电子和离子的非弹性位移引起的。第53页/共116页相同。22)()( m tg第54页/共116页2.1.4 绝缘强度绝缘强度介质的击穿：介质的击穿：当电场超

27、过某一临界值时，介质当电场超过某一临界值时，介质有介电态变为导电状态有介电态变为导电状态击穿时的电压为击穿电压，相应的电场强度称击击穿时的电压为击穿电压，相应的电场强度称击穿电场强度、绝缘强度、介电强度、抗电强度穿电场强度、绝缘强度、介电强度、抗电强度包括包括电击穿，热击穿电击穿，热击穿第55页/共116页第56页/共116页质温度急剧升高。击穿电场强度较低，104105V/cm。第57页/共116页第58页/共116页热击穿时，Ej则随周围媒质温度的增加而降低，与媒质散热情况密切关系。第59页/共116页2.2 力学性能力学性能2. 2.1 弹性模量弹性模量 可按各向同性分析可按各向同性分析

28、2. 2.2 机械强度机械强度 Griffith的微裂纹理论的微裂纹理论2. 2.3 断裂韧性断裂韧性 应力强度因子应力强度因子第60页/共116页zzyyxxxxxxEEE)(第61页/共116页tllAA00第62页/共116页体得出的。体得出的。)21(3)1(2EKEG第63页/共116页第64页/共116页第65页/共116页第66页/共116页第67页/共116页第68页/共116页2211VEVEEH第69页/共116页22111EVEVEL第70页/共116页)9 . 09 . 11 (20PPEE第71页/共116页量。量。E E为为弹性模量，弹性模量，a为原子间距。为原子间

29、距。aEth第72页/共116页抗拉强度。陶瓷材料抗压强度抗拉强度。陶瓷材料抗压强度约为抗拉强度的约为抗拉强度的10倍。倍。第73页/共116页N/m2，但实测强度但实测强度=2.=2.66108 N/m2只有只有th的的1/277。第74页/共116页第75页/共116页第76页/共116页度，增加韧性。度，增加韧性。第77页/共116页第78页/共116页第79页/共116页第80页/共116页能力；能力；第81页/共116页配位数越小、结合能越大，材配位数越小、结合能越大，材料的硬度越大。料的硬度越大。第82页/共116页2.3 热学性能热学性能2. 3.1 比热容比热容2. 3.2 膨胀系数膨胀系数2. 2.3 热导率热导率2. 2.4 抗热冲击性抗热冲击性第83页/共116页表征。表征。第84页/共116页PPPTHTQC)()(第85页/