安大陶瓷材料课件06功能陶瓷-2功能陶瓷的基本性质

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

6.2功能陶瓷的基本性质第六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。(6-1)

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷测量电极环电极高压电极陶瓷体

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷测量电极陶瓷体环电极图２三电极系统式中，h为样品厚度，cm；s为电极的面积，cm2；Rv、Rs分别为试样的体积电阻(Ω)和表面电阻(Ω)。D1为试样的测量电极直径，cm；D2为环电极内径，cm。(6-2)

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷体积电阻率ρv的单位通常用Ω·cm。ρv的倒数σv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6-1列出了常见陶瓷材料室温时的电导率，这些陶瓷材料电导率的大小相差约1017以上。

表6-1常见陶瓷材料的室温电导率材料电导率/（S/cm）材料电导率/（S/cm）SnO2-CuO陶瓷103BaTiO3陶瓷10-10SiC陶瓷10-1TiO2（金红石）陶瓷10-11LaCrO3陶瓷10-2α-Al2O3（刚玉陶瓷）10-14

6.2功能陶瓷的基本性质第六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。

6.2功能陶瓷的基本性质第六章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εr(称为相对介电常数)为

(6-3)

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷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εr

可由式(6-4)求出：

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷(6-4)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。

6.2功能陶瓷的基本性质第六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。

6.2功能陶瓷的基本性质第六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。

6.2功能陶瓷的基本性质第六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(6-5)P为介质损耗；U为试样上的电压；R为试样的电阻；G为试样的电导，G=1/R。

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷

6.2功能陶瓷的基本性质第六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6-1所示。ÚİcRpİrİCsRsÚcÚrİÚİİc=Ú/ωCpİr=Ú/RpфδфδÚc=İ/ωCsÚr=İRsÚ(a)并联图6-1有损耗电容器等效电路及矢量图(b)串联

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷图6-1中的δ角称为介质损耗角。Tgδ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（6-6）

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷Pa=U2/Rp，为有功功率；Pc=U2/Rc=ωCU2，为无功功率；ω为角频率；Cp为并联等效电容；Rp为并联等效电阻。

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷由串联等效电路得出（6-7）式中，Cs串联等效电容；Rs串联等效电阻。因此（6-8）

单位体积的介质损耗功率为（6-9）

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷（6-9）中εtgδ称为损耗因数，外界条件一定，它是介质本身的特定参数。ωεtgδ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。

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷tgδ是表征电容器或介质损耗质量的重要参数。陶瓷介质材料的tgδ对湿度很敏感。受潮后，试样的tgδ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。

6.2功能陶瓷的基本性质第六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。

6.2功能陶瓷的基本性质第六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Ej表示。

当作用电场均匀时，Uj与Ej的关系为

Ej=Uj/h

（6-10）式中，h为击穿处介质的厚度，cm；Ej的单位常用kV/cm。

6.2功能陶瓷的基本性质第六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。

6.2功能陶瓷的基本性质第六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成热不稳定而导致的破坏。

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷二力学性质弹性模量机械强度断裂韧性

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷材料在外力作用下都会发生相应形变或破坏。

A12B200100100010-110-210-310-4AABσ/MPaε图6-2三种材料的应力与应变的关系1—陶瓷；2—金属；3—塑料

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷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109~1011N/m2，泊松比约为0.2~0.3。弹性模量的大小直接关系到陶瓷材料的理论断裂强度。

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷奥罗万(Orowan)计算的理论断裂强度σth可用下式表达：式中γ为断裂表面能，一般陶瓷材料γ约为10-4J/cm2；（6-11）为原子间距，约为10-8cm；可以估算出

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷σth≈E/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材料中的均匀性、材料中气孔的大小和分布、温度等。表6-2列出了几种陶瓷材料的弹性模量。

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷表6-2几种陶瓷材料的弹性模量材料E/GPa材料E/GPa(90~95)Al2O3陶瓷366MgO陶瓷(气孔率5%)210BO陶瓷310滑石瓷69BN(热压、气孔率5%)83莫来石瓷69TiC陶瓷(气孔率5%)310MgAlO4陶瓷238ZrO2陶瓷(气孔率5%)150

6.2功能陶瓷的基本性质第六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。

6.2功能陶瓷的基本性质第六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=3.66×1011N/m2,估算的理论强度σth=6.05×1010N/m2,而实际强度σth=2.66×108N/m2,只为σth的1/227。

6.2功能陶瓷的基本性质第六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。

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷σ是应力，α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。（6-12）

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷断裂韧性。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（6-13）式中，σc为临界应力。防止脆性断裂的条件是（6-14）

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷式(6-14)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。

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷由裂纹扩展的断裂表面能γ可以导出脆性材料K1c的另一表达式。对平面应力状态：（6-15）对于平面应变状态：（6-16）式中，2γ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表征了脆性材料阻止裂纹扩展的能力，是脆性材料固有的常数。

6.2功能陶瓷的基本性质第六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

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷热容。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/(K·g)。1mol物质热容叫摩尔热容，单位为J/(K·mol)。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

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷（6-17）恒定体积物质的热容称为恒容热容，可写为（6-18）式中，Q为热量；H为焓；E为内能；T为绝对温度。

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷温度不高时，功能陶瓷的Cp≈Cv，但高温时差别较大。图6-3示出了三种陶瓷材料恒容热容与温度的关系。

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷Al2O3MgOSiC3R0-20013000246Tc/℃Cv/[cal/(mol·℃)]图6-3三种陶瓷材料恒容热容与温度关系1cal=4.18J

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷工程上常用的平均热容由式（6-19）算出：（6-19）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。

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷（6-20）（6-21）

6.2功能陶瓷的基本性质第六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αv和αl很小，一般αv≈3αl，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6-3为几种陶瓷材料在规定温度范围内的平均线膨胀系数。

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷αv和αl分别为体膨胀系数和线膨胀系数。表6-3几种陶瓷在规定温度内平均线膨胀系数(续1)材料名称Αl/(×10-6/℃)材料名称Αl/(×10-6/℃)滑石瓷(20~100℃)8铁电瓷(20~100℃)12低碱瓷(20~100℃)6堇青石瓷(20~1000℃)2.0~2.575氧化铝瓷(20~100℃)6石英玻璃(20~1000℃)0.43

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷表6-3几种陶瓷在规定温度内平均线膨胀系数(续2,完)材料名称Αl/(×10-6/℃)材料名称Αl/(×10-6/℃)95氧化铝瓷(20~500℃)6.5~8.0铜(20~600℃)18.6金红石瓷(20~100℃)9可伐合金(20~500℃)6.3

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷（6-22）

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷热导率。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，λ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。

6.2功能陶瓷的基本性质第六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、气孔率、气孔尺寸和在材料中的分布等。

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷（6-23）式中，Cp为恒压热容；ρ为密度。物体单位面积上温度随时间变化率：表6-4几种常见材料的热导率材料温度/℃λ/[cal/(cm·s·℃)]材料温度/℃λ/[cal/(cm·s·℃)]95氧化铝瓷200.04铜200.9201000.031000.90395氧化铍瓷200.48镍200.1471000.40钼200.3595氮化硼瓷（垂直于热压方向）600.10

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷

6.2功能陶瓷的基本性质第六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。

6.2功能陶瓷的基本性质第六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，对这类破坏抵抗称抗热冲击损伤性。抗热震性测试仪

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷

6.2功能陶瓷的基本性质第六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。

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷I0=IR+IS+IA+IT，式中，I0入射光强度；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。

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷荧光光谱仪分光光度计

6.2功能陶瓷的基本性质第六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。

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷软磁交流测量装置

6.2功能陶瓷的基本性质第六章功能陶瓷在外磁场H的作用下，在磁介质材料的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