无机材料工艺学--陶瓷6-显微结构与性能ppt课件

1、第五章 陶瓷的显微结构与性质,绪 言,（一） 材料性能、化学组成、工艺 过程、显微结构之间的关系,显微结构的研究尺度范围介于数纳米至 0.1mm之间。它的形成主要 取决于材料的化学组成及加工工艺过程（工艺条件）。,1,第五章 陶瓷的显微结构与性质,绪 言, 化学组成不同的材料，即使工艺过程相同，其显微结构会不同。同样，即使材料的化学组成相同，如果其加工工艺条件不同，也会形成不同的显微结构。,2,（二）显微结构分析的内容,第五章 陶瓷的显微结构与性质,显微结构是指在各种显微镜下观察到的材料组织结构。就陶瓷、耐火材料而言，它所包含的内容主要如下：,3,绪 言,（三）显微结构分析的作用,第五章 陶瓷

2、的显微结构与性质,1. 通过研究材料的显微结构，以及生产加工所用原料甚至半成品的显微结构研究，对材料的性能进行评价。,2. 通过材料或制品中结构缺陷的检测分析，从显微结构上找出缺陷产生的原因，提出改善或防止结构缺陷的措施。,3. 通过材料的显微结构研究，从材料物理化学的基本原理出发，为新材料的设计或材料改性提供依据或参考。,4. 研究工艺条件对显微结构的影响规律及机理，以求优化生产工艺条件，改进材料的效能。,4,5.1 陶瓷坯体的显微结构和相组成,一、显微结构的形成,陶瓷坯体显微结构的形成是构成坯体的各种原料在高温下相互反应、作用和影响的结果。如前所述，粘土-长石-石英三组分配料的普通陶瓷显微

3、结构的形成情况。,5,粘土质瓷坯的物相组成变化,5.1 陶瓷坯体的显微结构和相组成,6,5.1 陶瓷坯体的显微结构和相组成,三成分瓷坯烧成时的矿物组成变化示意图,7,第五章 陶瓷的显微结构与性质,5.1 陶瓷坯体的显微结构和相组成,二、显微结构中各物相的作用,陶瓷坯体的显微结构主要由三相组成：晶相、玻璃相、气孔。如一般情况下，普通陶瓷制品含莫来石晶体1030 Vol.%, 残留石英及方石英晶体1025 %；玻璃相 4065 %; 以及少量气孔（510 %）。,8,第五章 陶瓷的显微结构与性质,5.1 陶瓷坯体的显微结构和相组成,二、显微结构中各物相的作用,1. 晶相,晶相是决定陶瓷材料或制品性

4、能的主导物相。另外，陶瓷材料有时又是由多种晶相所构成。这时，其中的主晶相就成了决定该陶瓷材料性能的主导物相。,例如，刚玉瓷具有强度高、耐高温、电性能和耐化学侵蚀性优良的性能，是因为其中的主晶相刚玉（-Al2O3）是一种结构紧密、离子键强度很大的晶体。PZT压电陶瓷则以锆钛酸铅为主晶相，这种晶体具有钙钛矿型结构，具有自发极化之特点，所以PZT陶瓷具有优良的压电性能。,9,二、显微结构中各物相的作用,1. 晶相,瓷坯中的针状莫来石呈网状分布,当然，次晶相对陶瓷材料或制品也有不可忽视的影响，当其含量达到某个临界值后，将可导致某些特定性能的变化。例如，在高压电瓷的玻璃相中，由于有大量的二次莫来石针状晶

5、体的析出，形成网状交错分布，起着了一个骨架式的增强作用，从而大大提高了电瓷的机械强度。,10,二、显微结构中各物相的作用,粗大针状莫来石晶体的网状分布对提高制品强度极为有利,1. 晶相,11,二、显微结构中各物相的作用,2. 玻璃相,瓷坯中的玻璃相，是坯体烧成时高温液相在某种冷却条件下过冷形成的，它是一种低熔点的非晶态固体，对陶瓷材料的性能有着重要影响。,玻璃相在陶瓷显微结构的形成过程中，起着重要作用。这些作用包括：,（5）有利于杂质、添加物、气孔等的重新分布。,（4）在适当条件下抑制晶体长大并防止晶型转变。,（3）在瓷坯中起粘结作用，将分散的晶粒胶结在一起，本身成为连续相。,（2）起填充气孔

6、的作用，促使瓷坯致密化。,（1）促进高温下的物相反应过程。,12,二、显微结构中各物相的作用,玻璃相的特点：,通常情况下，与晶相比较而言，玻璃相（1）机械强度较低；（2）热稳定性较差；（3）熔融温度较低。另外，（4）由于玻璃相结构较疏松，因而常在结构空隙中充填了一些金属离子，这样在外电场的作用下很容易产生松弛极化，使陶瓷材料的绝缘性降低、介电损耗增大。, 不同的陶瓷制品，由于质量性能的要求不同，因此对玻璃相含量的要求也不同。在特种陶瓷材料中，玻璃相的含量一般都很低，有的甚至几乎全由晶相构成 (纯固相烧结)。而在普通陶瓷制品中，玻璃相的含量较高，可在20%60%之间变化。如一些日用陶瓷，玻璃相含

7、量甚至可达到 60%以上。,13,二、显微结构中各物相的作用,3. 气孔,气孔也是陶瓷制品显微结构中的一个重要组成部分，对制品的性质有着重要影响。它们可能存在于玻璃相中，也可能存在于晶界处，或者被包裹于晶粒内部。,14,5.1 陶瓷坯体的显微结构和相组成,3. 气孔,釉玻璃体中的气泡,被包裹在晶粒中的气孔,15,二、显微结构中各物相的作用,3. 气 孔, 但对于绝热或隔热材料而言，则希望材料中存在较大体积分数、且孔径及分布均匀的气孔。对于过滤用的陶瓷制品，以及湿敏、气敏陶瓷材料，也希望有一定的体积分数的贯通性气孔存在。,气孔存在的利弊因制品的质量性能要求不同而异：, 对于电介质陶瓷（如陶瓷电容

8、器）来说，气孔的存在会增大陶瓷的介电损耗并降低其击穿强度。对于透明陶瓷而言，一定大小的气孔又是入射光的散射中心，气孔的存在会降低制品的透光率。, 但是，无论何种制品，大量气孔的存在都会对制品的强度产生不利影响。,16,三、工艺因素对显微结构的影响,（一）原料种类及其配比,原料种类的不同，会影响制品中矿物新相的形成反应、显微结构的形成过程，从而导致显微结构方面的差异。,例如，坯体中CaO的引入可以选择石灰石（或方解石）、硅灰石等原料， 但是，当 CaO的配比量较大时，最好采用硅灰石引入，以避免大量CO2 的逸出造成太大的烧成收缩，或者造成气孔率的偏高。,又例如，在一些耐酸化工陶瓷的生产中，其中S

9、iO2的配比量相当高。如果采用晶体石英原料来引入全部的SiO2，得到的物相组成中将有相当多的残余石英，这会严重影响制品的抗热震稳定性。如果采用一部分熔融石英玻璃来配料，就可大大减少稍后制品中的残余石英含量，避免上述问题。,配比的影响：如长石配比的多寡会直接影响烧后制品中的玻璃相含量、莫来石晶体的形态等；粘土配比的大小会影响莫来石的含量等。,17,三、工艺因素对显微结构的影响,（一）原料种类及其配比,普通长石质陶瓷的显微结构 （玻璃相含量高）,18,三、工艺因素对显微结构的影响,（一）原料种类及其配比,19,三、工艺因素对显微结构的影响,（二）原料粉体的特征,对显微结构影响较大的原料粉体特征主要

10、是颗粒大小、粒度分布。,一般来说，若原料粉体的粒度较粗，则烧后瓷坯中的晶粒平均尺寸增大幅度较小；反之，则增长幅度较大。另外，试验证明：如果原料粉体颗粒较细，烧成之后获得的晶相粒径会比较小，而且粒径范围较窄，即晶粒比较均匀。而由粗颗粒粉料制成的陶瓷制品容易出现大量粗晶，粒径分布较宽。,原料颗粒大小对瓷坯中玻璃相含量的影响也是显然的。即：粉料颗粒越细，则瓷坯中的玻璃相量会越多。,1. 颗粒大小。主要会对坯体烧后的晶相尺寸及玻璃相数量产生重要影响。,20,三、工艺因素对显微结构的影响,（三）添加剂,掺杂剂对材料显微结构的影响表现在以下几方面：,1. 掺杂物进入主晶相固溶体中，增加晶格缺陷，促进质点扩

11、散，促进晶粒生长，促进烧结，使坯体致密。或者在晶界周围形成连续的第二相（低共熔物），溶解晶粒，促进烧结。降低气孔率,2. 掺杂物与主晶相在晶界上反应，形成化合物或固溶体，阻碍晶界移动，抑制晶粒长大有利于细晶结构的形成。例如，在Al2O3陶瓷制备中，为了防止二次重结晶，加入少量MgO，形成的MgAl2O4包裹在Al2O3晶粒表面阻止其异常长大。,2. 粒度分布范围。对烧后坯体的致密度影响显著。一般地，采用粒度分布范围窄的粉料成型，在相同的烧结条件下，可望获得比较高的瓷坯密度。,21,三、工艺因素对显微结构的影响,（三）添加剂的影响,未掺杂和掺杂的热敏电阻陶瓷材料的显微结构 添加剂有利于晶粒的生长

12、发育,（a）未掺杂,（b）掺杂过量TiO2,22,三、工艺因素对显微结构的影响,（四）烧成制度,1. 烧成温度。烧成温度的高低直接影响着制品的矿物组成、晶粒的尺寸及数量、玻璃相的组成及含量、气孔的数量及形态等。,例如，对于传统配方的陶瓷制品，如烧成温度低（生烧）气孔率高、密度低、莫来石量少、玻璃相量少、残余石英多 。如烧成温度过高（过烧） 玻璃相含量高、晶相减少、A3S2重结晶、晶粒尺寸分布范围宽。,23,2. 保温时间。烧成温度下，适当保温有利于均匀的内部结构形成。但若保温时间过长，也会导致大量小晶粒溶解、晶粒平均尺寸增大、晶相总量减少。,三、工艺因素对显微结构的影响,（四）烧成制度,24,

13、3. 烧成气氛。烧成气氛对坯体中有关组分在高温下的反应温度及反应速度、体积效应均有影响，从而将直接影响着制品的矿物组成、晶粒的尺寸及数量、玻璃相的组成及含量、气孔的数量及形态等。,三、工艺因素对显微结构的影响,（四）烧成制度,25,三、工艺因素对显微结构的影响,（四）烧成制度,4. 冷却速度。冷却速度的快慢对材料结构中的晶粒大小有明显影响，从而影响制品的性能。,几种瓷坯的冷却速度与其抗折强度的关系,几种瓷坯的冷却速度与其抗折强度的关系,26,5. 外加压力。制品在烧成过程中是否同时被施加压力，以及所施加的压力大小，会对制品的晶粒大小、均匀程度、致密度等产生明显影响。,1: 液压机压杆 2：石墨

14、压杆 3：模具 4：发热体 5：试样 6：炉体隔热材料 7：炉体外壳 8：观察孔,（四）烧成制度,27,三、工艺因素对显微结构的影响,（四）烧成制度,添加Al2O3的热压烧结SiC的材料,28,由HIP工艺制备的Al2O3材料断口形貌,由常压烧结工艺制备的Al2O3材料断口形貌,三、工艺因素对显微结构的影响,（四）烧成制度,29,本章作业（一）：,1. 说明材料显微结构分析的内容及作用。 2. 陶瓷材料显微结构主要有哪些部分组成？说明普通长石质瓷坯体的物相组成。 3. 玻璃相与气孔对陶瓷制品的性能各有哪些影响？ 4. 阐述烧成制度诸因素（烧成温度、保温时间、冷却速度、烧成气氛）对陶瓷制品性能的

15、影响。,30,5.2 陶瓷的性能及其控制,一、机械强度,（一） 陶瓷材料的强度特征,1. 陶瓷材料是脆性材料，在室温下受外力作用时几乎不表现出塑性变形，只是呈现一种脆性断裂。, 陶瓷材料只有一个断裂强度f，而金属材料可以拥有一个屈服强度y 和一个极限强度b。,31,（一） 陶瓷材料的强度特征,2. 陶瓷材料的实际强度远小于其理论强度，一般要低 2 个数量级。其原因在于实际晶体中存在许多晶格缺陷和微裂纹。,（二） 影响陶瓷材料强度的因素, 格里菲斯微裂纹理论假设条件下的材料强度公式：,1. 半裂纹长度 (L/2)：材料中的裂纹数量、大小及其分布状态是影响材料强度的极其重要的因素。因此，控制裂纹的

16、数量、大小，避免裂纹集中存在是提高材料强度的重要手段。,一、机械强度,32,（二） 影响陶瓷材料强度的因素,（3）温度变化造成微裂纹：若为多晶相集合体的陶瓷材料，则由于各相晶粒的热膨胀系数和取向差异；或者晶体发生体积效应较大的多晶转变反应。,2. 弹性模量 E：E 与材料的化学组成、 键强、晶体结构及气孔率有关。,3. 断裂表面能 ： 也与材料的化学组成、键强及显微结构有关。, 导致裂纹产生的原因：,（1）材料中存在晶格缺陷，如位错、晶界，容易产生应力集中，导致微裂纹产生。,（2）材料受到机械损伤或化学腐蚀，造成表面裂纹。,（4）气孔的存在，其作用相当于裂纹。,33,（三） 显微结构因素对陶瓷

17、材料强度的影响,1. 晶相,（1）晶相种类及含量对材料强度的影响。例如：当制品分别以 莫来石、刚玉、SiC、 Si3N4 为主晶相时，强度会有很大差异。, 这种差异的产生原因主要在于构成各种晶体的质点之间的化学键的性质，乃至键强等方面存在明显差异。, 硅酸盐晶体中都是离子键与共价键共存的，即为一种混合键型晶体；金属氧化物基本上由离子键组成；SiC 和 Si3N4 基本上由共价键组成。,34,（2）晶粒的大小与形貌对材料强度的影响。,研究表明，多晶陶瓷材料的断裂强度 f 与晶粒直径d的关系如下：,K 与材料结构有关的常数； 与材料特性及实验条件有关的经验常数。,f = Kd-,另外，研究表明，多

18、晶材料的初始裂纹尺寸与晶粒大小相当，因此晶粒愈细，则初始裂纹愈小，材料的机械强度将越高：, 显然，材料的断裂强度随着晶粒平均尺寸的增大而降低。所以，控制晶粒的生长尺寸对提高材料的机械强度意义重大。,（三） 显微结构因素对陶瓷材料强度的影响,35,一、机械强度,（三） 显微结构因素对陶瓷材料强度的影响,（2）晶粒的大小与形貌对材料强度的影响。,例2：Si3N4 陶瓷材料的强度随着其中- Si3N4 相的含量增多而增大。这是因为低温型的- Si3N4 晶粒呈等轴状或短柱状，而高温型的- Si3N4 相为针状和长柱状结晶。, 晶粒形貌的影响： 例1：烧结不好的普通陶瓷制品中，主晶相基本上由鳞片状的一

19、次莫来石构成。而烧结良好的陶瓷坯体中，主晶相的构成中既有鳞片状的一次莫来石，也有相当数量的针状、柱状的二次莫来石。后者的强度明显大于前者。,粗大针状莫来石晶体的网状分布对提高制品强度极为有利,36,（三） 显微结构因素对陶瓷材料强度的影响,（3）晶界对材料强度的影响。,晶界对于多晶材料来讲，是一个非常重要的组成部分，其数量、组成和性质对于材料的强度具有重要影响。,37, 当材料的破坏是沿着晶界断裂时，如果晶界数量多（细晶结构），则可使裂纹的扩展经历更曲折的路径，从而消耗更多的裂纹扩展能，对裂纹的扩展起着阻碍作用提高材料的断裂强度。,（三） 显微结构因素对陶瓷材料强度的影响,（3）晶界对材料强度

20、的影响。,38, 如果晶界上有气孔存在，则可能造成应力的集中，加速裂纹的扩展降低材料的断裂强度。, 如果晶界纯粹由晶粒相互结合构成，可望能够提高材料的强度。若晶界上存在玻璃相，材料的强度将降低。,2. 玻璃相的影响, 当然，玻璃相的组成对材料强 度也有影响。由键强大的组分构成 的玻璃相的材料强度较大，反之 亦然。,（三） 显微结构因素对陶瓷材料强度的影响,（3）晶界对材料强度的影响。,39,3. 气孔的影响, 气孔对材料强度的影响是显然的材料强度总是随着气孔率的增大而降低。,另外，材料中气孔的大小、形状及其分布状态，对材料的强度也有一定程度的影响。在气孔率一定的情况下，一般来说，闭口气孔好于开

21、口气孔，开口气孔好于贯通气孔。气孔均匀分布好于其集中分布。,（三） 显微结构因素对陶瓷材料强度的影响,40,（四） 工艺因素对陶瓷材料强度的影响, 工艺因素对材料强度的影响，实际上还是通过材料的显微结构对材料强度产生影响。,原料的制备及加工 （预烧、破细碎）,配合料的混合,坯料的加工 （脱水、练泥、造粒）,坯体的成型（方法）,添加剂的选用,烧成方法,烧成制度,烧后处理工艺 （热处理或化学处理）,提高坯体致密度、 减少气孔及裂纹,控制晶相含量及晶粒的大小,陶瓷材料强度,41, 即使材料的化学组成相同，如果其加工工艺条件不同，也会形成不同的显微结构。,（四） 工艺因素对陶瓷材料强度的影响,42,5

22、.2 陶瓷的性能及其控制,二、陶瓷的光学性质,（一）白 度,陶瓷的光学性质主要指它的白度、光泽度和透光性。, 白度表征的是陶瓷制品表面对白光的漫反射能力。, 白度的表示方法： 老方法：用制品对白光的反射强度与白色标准物（如硫酸钡或碳酸镁）所反射的白光强度之比来表示。这些标准白色物质的白光反射率近乎100%。 新方法：以光谱漫反射比均为100%的理想表面的白度作为 100%，光谱漫反射比均为 0 的绝对黑表面白度为零，测量出试样的X、Y、Z 三刺激值，用规定公式计算出白度。,1. 概念与表征方法, 出口日用细瓷的白度要求70%。,43,二、陶瓷的光学性质,（一）白 度,2. 影响陶瓷制品白度的因

23、素原料因素、工艺过程因素,（1）原料纯度。原料中的着色氧化物（Fe2O3、FeO、TiO2、MnO2等）含量直接影响制品的白度。这是因为着色氧化物能选择性地吸收白光中的某些波长的单色光而使坯体呈色，从而降低了制品的白度。,44,2. 影响陶瓷制品白度的因素原料因素、工艺过程因素,（1）原料纯度 着色氧化物中，如果Fe2O3单独存在，其影响的严重程度要轻得多。当Fe2O3 和 TiO2同时存在时，则情况要严重的多。,45,2. 影响陶瓷制品白度的因素原料因素、工艺过程因素,（2）工艺因素。, 是否采取了除铁措施；, 烧成制度的影响：烧成温度、烧成气氛。,烧成温度：若烧成温度过高，液相量增多，Fe

24、、Ti离子溶入液相，增大着色能力；同时晶相含量减少，对光的反射能力减弱，导致白度降低。,烧成气氛：Fe 在氧化气氛下烧成时呈黄色，在还原气氛下呈青色；Ti 在氧化气氛下烧成时呈黄色，在还原气氛下呈黑色。,3. 提高制品白度的途径,（1）精选原料，严格控制原料中的铁、钛氧化物，以及碳素等杂质的含量。,46,3. 提高制品白度的途径,（2）严格原料加工过程管理，避免混杂；同时采取多次除铁措施，并严格执行清洗制度。,（3）烧成时适当控制还原气氛浓度和还原时间，避免碳素沉积。,（4）坯料中引入适量磷酸盐、滑石；石灰釉中引入一定量的滑石或白云石，均可提高白度。,少量的Fe2+ 在硅酸盐玻璃中呈浅青绿色，

25、但在磷酸盐玻璃中不吸收可见光，故表现为无色。微量Fe3+ 在硅酸盐玻璃中以FeO4四面体存在，有强烈的着色能力，而在磷酸盐玻璃中则以 FeO6 八面体形式存在，几乎不呈色。,Mg2+与Fe2+ 两者的大小相当（分别为 0.078nm、0.082 nm），高温下可形成(Mg,Fe)O 固溶体及 MgOTiO2 ，使铁、钛氧化物不致形成前述的呈色化合物。,47,5.2 陶瓷的性能及其控制,二、光学性质,（二） 透光度, 表征方法：以透过一定厚度坯体的光线强度与入射光强度的百分比表示。,1 mm 厚的普通瓷坯，其对可见光的透过率约为 210%。一些透明陶瓷，经过抛光后， 1 mm 厚的坯体对可见光的

26、透过率可大于 40%。如高压钠灯管在 40006000 nm的红外波段，其透过率可达到 80% 以上。, 影响陶瓷透光度的因素：,1. 原料纯度着色氧化物。对白度有影响的着色氧化物，同样也会降低制品的透光度，因为这些着色氧化物会对入射光产生较强烈的选择性吸收，从而降低透过光强度。,48,二、光学性质, 影响陶瓷透光度的因素：,1. 原料纯度着色氧化物,当 坯体中 Fe2O3 含量 0.35%， 透光度40%；,当坯体中 Fe2O3 含量 0.60%， 透光度30%；,对于透明氧化铝陶瓷而言，当 Al2O3 含量 99.9 %，透光度 80%；当 Al2O3 含量 99.999 %，透光度 90

27、%.,2. 坯体显微结构, 气孔的存在会明显降低制品的透光率。 T = Ae mp 式中 A 为绝对致密坯体的透光率，P为气孔率；m 为常数, 玻璃相含量增加，在一定程度上会增加透光度。,49,二、光学性质, 影响陶瓷透光度的因素：,2. 坯体显微结构, 单晶陶瓷是透明的，多晶陶瓷的透光率随其相组成的增多、 晶界的增多而降低。, 气孔与晶粒的尺寸大小、数量等。,3. 工艺因素, 坯料的加工细度。瘠性原料的粉碎细度对透光率影响较大，尤其是石英的粉碎细度直接影响瓷坯中的玻璃相数量及折射率，进而影响透光度。,50, 烧成温度。提高烧成温度可增加玻璃相含量，有利于提高透光度；但过烧坯体中，气孔率增大又

28、会降低透光度。, 提高陶瓷制品透光度的工艺途径：,从配方入手，调整玻璃相的折射率，使之与莫来石的折射率接近，减少透射光的散射。,二、光学性质, 影响陶瓷透光度的因素：,3. 工艺因素, 增加玻璃相含量：涉及配方组成、坯料加工细度、烧成制度等工艺环节。, 减少气孔。 涉及因素同上。,51,二、光学性质,（三） 光泽度, 表征方法：以制品表面的反射光强度与入射光强度的百分比表示。,物体的光泽主要是其对入射光产生镜面反射所致，它反映了物体表面的光滑平整的程度。光泽度即为镜面反射光线的强度与入射光强度之比。,物体表面对入射光线产生反射的情况, 影响陶瓷制品光泽度的因素：表面光滑平整程度及折射率。,52

29、,5.2 陶瓷的性能及其控制,三、介电性质,1. 有关概念, 电介质：系指主要以电场感应而非以电子或离子传导的方式来传递电的作用和影响的媒介。,“电介质”一词几乎囊括了一切在电场作用下，能建立（或产生）极化现象的物质，如空气、陶瓷、玻璃、橡胶、变压器油等等。,电介质的主要电性能参数包括电阻率、介电常数、击穿（电场）强度、 介电损耗角正切（tan）等。这些介电性能对于普通陶瓷制品无足轻重，但对于电瓷和电子陶瓷制品则关系重大。,53, 电介质的极化：电介质表面在外加电场作用下产生感应电荷的现象。,当在一个真空平行板电容器的电极板中间嵌入一块电介质，并施加一外电场时,5.2 陶瓷的性能及其控制,三、

30、介电性质,1. 有关概念, 电介质的功率损耗（介质损耗，或称介电损耗）：电介质在电场作用下，单位时间内因发热而产生的能量消耗称为电介质损耗功率，简称介质损耗或介电损耗。,54, 陶瓷材料产生介电损耗的原因是多方面的，主要包括材料在交、直流电压下的电导损耗、极化引起的损耗、气孔中的气体引起的电离损耗、结构不均匀或结构松散引起的损耗，等等。, 总而言之，陶瓷材料的介电损耗是由于介质中的电导和缓慢极化引起的，是电导和极化过程中带电质点将其在电场中所吸收的能量部分地传给周围“分子”，使电磁场能量转变为 “分子” 的热振动消耗在使介质发热上了。,三、介电性质,例如，绝缘材料内部由于存在电介质的电导现象，

31、因此有一定的泄漏电流，造成电介质发热而引起损耗。又比如由于材料内部的极化过程跟不上外加电场方向的变化，也会产生电介质损耗。,55,介质损耗是所有应用于交变电场中的电介质的重要品质指标之一。介质损耗不但消耗了电能，还会因发热致使器件温度升高而可能影响其正常工作；严重时甚至可能使器件失效、破坏。因此，除非介质材料是用作发热元件使用，一般都是希望材料的介质损耗越小越好。,三、介电性质,1. 有关概念,介电损耗角正切（tan）系指电介质在交变电场作用下，所消耗于发热的那部分功率（有功功率的一部分）与电容器无功功率之比值测定时将电介质视为一个电容器。 tan表征了每个周期内介质损耗的能量与其贮存能量之比

32、。, 材料的介质损耗大小用所谓的介电损耗角正切（tan）值来衡量的。,对一般陶瓷材料而言， tan值越小越好，尤其是电容器陶瓷。,56,有功功率-用于做功所消耗的电能。它们转化为热能、光能、机械能或化学能等，称为有功功率，又叫平均功率。,无功功率-电气设备或元件为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率。,三、介电性质,许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。因此，所谓的“无功功率”并不是“无用”的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已。, 电介质的功率损耗（介质损耗，或称介电损耗）：,介电损耗角正切（tan）与测

33、试时试样的大小及形状无关。其值越大，意味着介质中单位时间内因发热而损失的能量越大，反之亦然。,57,三、介电性质,影响介电损耗角正切（ tan ）的主要因素：,（1）材料的相组成与显微结构。,主晶相的晶体结构对介电损耗影响显著。结构紧密、键强较大的晶体，其介电损耗小，如以刚玉、镁橄榄石为主晶相的陶瓷材料，室温下的介电损耗都相当低。相反，结构松散的晶体（如莫来石、堇青石等）具有较大的介电损耗，所以堇青石质瓷的介电损耗大。,玻璃相引起的介电损耗一般要大于晶相引起的损耗，尤其是R2O含量较高的玻璃相，这与玻璃相结构松散和 R+易产生电导损耗有关。,晶粒大小对介质损耗亦有影响。一般而言，晶粒大则损耗大

34、。,另外，气孔大时也会引起较大的介电损耗。因为气体在高压电场条件下产生电离需要消耗能量。,58,三、介电性质,i）添加剂的作用。 若添加剂在材料烧成过程中能抑制晶粒长大，则将有助于减小介电损耗。 若加入添加剂形成玻璃相时，则玻璃相中最好不含碱离子、或引入的是原子量较大的 R+离子，这样可有效降低介电损耗。,ii）烧成气氛。 若烧成气氛能使陶瓷形成结构缺陷或降低结构致密程度，都会增大陶瓷制品的介电损耗。如含钛陶瓷材料在还原气氛下烧成时，部分Ti 4+还原成 Ti3+ ，所俘获的电子会跃迁到导带参与电导，从而降低体积电阻，增大介电损耗。,（2）材料制备工艺方面的因素,影响介电损耗角正切（ tan

35、）的主要因素：,59,（4）电场强度：电场强度不大时，对介电损耗角正切 tan无影响，达到某一值时，介电损耗角正切会突然增大。,三、介电性质,（6）环境湿度：湿度越大，介质损耗角正切tan越大。,（5）环境温度：介电损耗角正切tan随温度而变化，在高温下成指数式上升。,（3）电场频率：随着电场频率变化，材料的介电损耗角正切也 不同。极性材料受影响更大，极性材料不适合于应用在高频领域。,影响介电损耗角正切（ tan ）的主要因素：,60,材料在外电场存在时可能发生导电现象，即形成带电质点的定向流动。这些带电质点称为“载流子”。, 电介质的电导与载流子, 金属材料中的载流子是自由电子。而无机电介质

36、材料中的载流子可能是电子、电子空穴；或者是离子晶体中的杂质离子、填隙离子及离子空位。,5.2 陶瓷的性能及其控制,三、介电性质,1. 有关概念,61, 电介质的电导与载流子, 离子晶体中的离子并非都是载流子，只有外来的杂质离子或因形成热缺陷而产生的间隙离子才可能成为载流子。处于正常结点上的离子不能成为载流子。,三、介电性质,1. 有关概念,电子式电导 载流子为电子或电子空穴的电导。 离子式电导 载流子为离子或离子空位的电导。, 电子式电导和离子式电导, 电子式电导对材料不会产生破坏作用，而离子式电导却是一种电解过程，因而会对材料产生破坏作用阳离子运动到负极取得电子而还原、阴离子移向正极失去电子

37、而氧化或变为中性原子，久而久之即可在材料内部造成大量结构缺陷而破坏。,62, 电子式电导和离子式电导, 可是，当材料中含有变价离子，在适当条件下形成非化学计量化合物；或者由于引入不等价杂质，使材料产生大量自由电子（或电子空穴）时，就会造成严重的电子式电导，甚至使电介质材料变成半导体。,5.2 陶瓷的性能及其控制,三、介电性质, 陶瓷材料中，既存在电子式电导，也存在离子式电导。但一般情况下，电子式电导非常微弱，可以忽略，而以离子式电导为主要导电形式，主要载流子是体积小的阳离子或离子空位。,63, 电子式电导和离子式电导, 一般地，绝缘陶瓷和电介质陶瓷材料主要表现为离子式电导。这些陶瓷材料的离子电

38、导源于两部分：一部分由晶相提供；一部分由玻璃相提供。, 通常，晶相的电导率比玻璃相小。在玻璃相含量较多的陶瓷材料中，电导主要取决于玻璃相，具有玻璃的电导规律，电导率一般比较大。对于玻璃相含量极少的陶瓷材料，如刚玉陶瓷，其电导主要取决于晶相，具有晶相的电导规律，电导率小。, 总之，陶瓷材料的电导机理非常复杂。在不同的温度范围内，可能存在不同的电导机理。如刚玉瓷在低温时表现为杂质离子电导。而当温度升值至高温（1100 ）后，则呈现出明显的电子电导。,三、介电性质,64,2. 电阻率,根据电阻率（）的大小，陶瓷材料可以分为电介质、半导体、导体和超导体： 陶瓷电介质： 107 .m 陶瓷半导体：10-

39、5107 .m 陶瓷导体： 10-3 .m 陶瓷超导体： 0 .m, 大多数陶瓷材料一般都包含晶相和玻璃相，故其电导情况应为晶相电导和玻璃相电导两者 的综合反映。, 另外，一般情况下，结构完整的较大晶体要比玻璃相和微晶的电导率低。这是因为玻璃相结构疏松、微晶体的缺陷较多，故使其中离子移动所需的活化能都较低。,三、介电性质,65,（1）陶瓷电介质,如上所述，一般情况下陶瓷材料中的电子式电导可以忽略，而以离子式电导为主。但由于构成陶瓷材料的晶体大多为结构紧密的离子晶体，离子式电导也可忽略，所以大多数陶瓷材料都是绝缘体，电阻率很高（ 107 .m ）。, 陶瓷材料的导电能力取决于其结构与组成。一方面

40、，当构成陶瓷材料的晶相为结构紧密的晶体时，材料的电阻率会很高（如刚玉瓷的电阻率 1012 .m ）。另一方面，当材料组成中玻璃相增多时，材料的电阻率将降低，因为陶瓷材料的导电问题基本上就是坯体中的玻璃相的导电问题玻璃相的结构相对疏松，载流子运动的活化能低。, 因此，玻璃相的组成对材料的电导率影响很大。一价离子导电能力强；半径小的离子比半径大的离子导电能力大。故通过控制K2O 与Na2O的相对含量可以调节电瓷制品的介电性能。,2. 电阻率,66,（2）陶瓷半导体, 陶瓷电介质的电导机制主要是离子电导，即瓷坯中的杂质离子和离子空位引起的电导。但在陶瓷半导体中，电导则主要是由晶体中的离子的电子电导引

41、起的。而这种电子电导是由于形成非化学计量化合物或引入了不等价杂质离子使系统中的自由电子增加所致。,SnO2-x 陶瓷材料室温下的电阻率可以降到 =104 105 .m。若再掺杂则导电性更强，甚至可以成为导电材料。,2. 电阻率,如：SnO2 陶瓷烧结时，由于高温下失去氧离子生成 SnO2-x , 内部出现自由电子，成为 n- 型半导体：,67,iii) 烧成条件。不同的烧成条件，会形成不同的显微结构和结构缺陷，从而影响材料的电导率。,（2）陶瓷半导体,2. 电阻率, 影响半导体陶瓷材料导电性的工艺因素主要是：,i) 掺杂物质的种类与数量。如右图所示。,ii) 原料纯度。当原料纯度较低时，即使掺

42、杂量适当也不容易形成半导体，甚至成为绝缘体。,68,一些陶瓷材料，尤其是一些具有萤石结构的四价氧化物（如ZrO2、CeO2）通过适当掺杂，改变材料的组成、制造晶格缺陷，可以使其导电能力提高，成为快离子导体（或称固体电解质）。例如，用 CaO、MgO、Y2O3等稳定的 ZrO2 陶瓷材料，在高温时（1273K）是一种良好的导体材料，可用作高温发热体。其导电机理在于：,可见，每溶入一个不等价杂质离子，都将产生一个氧离子空位。所以，这类陶瓷导体的载流子是氧离子空位。,（2）陶瓷导体,2. 电阻率,69,三、介电性质,3. 介电常数, 概念：如前所述，电介质在电场作用下产生感应电荷的现象称为电介质的极

43、化。综合反映电介质极化行为的主要宏观物理量就是介电常数。实际上，也是衡量电介质材料在电场存在条件下储存电荷能力的一个参数，通常也叫介电系数或电容率，是材料的一个特征参数。,设真空介质的介电常数为 1，则非真空介质材料的介电常数 为：, = Q/Q0,式中Q0 为真空介质时的电极上的电荷量，Q 为同一电场和电极系统中非真空介质时的电极上的电荷量。,70, 影响介电常数 的因素：化学组成、显微结构、使用条件（温度、电场频率等）。 化学组成和显微结构的影响主要表现在不同组成和结构的材料会表现出不同的极化方式。, 由于用途不同，对陶瓷材料的介电常数大小的要求也不同。如装置瓷、电真空陶瓷要求介电常数要小，一般约为212，否则会使电子线路的分布电容较大，导致线路工作状态恶化。而用作电容器的陶瓷介质材料则希望其具有极高的介电常数，以期实现小体积、大容量的目标，尤其是应用于集成电路中的电容器。,三、介电性质,3. 介电常数,71,三、介电性质,5. 介电强度, 有关概念：介质材料在电场中使用时常因承受过高的电压而失去绝缘能力，出现所谓的 “击穿” 现象。击穿时的电场强度即为介电强度或击穿强度 Eb (=Ub/d, kV/mm)。,介质击穿的方式有电击穿、热击穿及电化学击穿，这些击穿形式往往同时存在，但以