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1、第五章 功能陶瓷教学基本要求教学基本要求l了解功能陶瓷的分类、特性和用途。l掌握功能陶瓷的发展现状和发展趋势。l掌握功能陶瓷的基本性质。5.0 教学基本要求 第五章 功能陶瓷l 掌握绝缘陶瓷、介电陶瓷、半导体陶瓷 、压电陶瓷、热释电陶瓷、生物陶瓷、多孔陶瓷、功能陶瓷薄膜等性能、特征及应用。5.0 教学基本要求 第五章 功能陶瓷l 功能陶瓷是区别于我们大家熟知的日用陶瓷、艺术陶瓷、建筑陶瓷、电工陶瓷以及单纯考虑力学性质的结构陶瓷，它是指在微电子、光电子信息和自动化技术以及生物医学、能源和环保工程等基础产品领域中所用的陶瓷材料。l 功能陶瓷的分类、特性和用途参见表5-1。5.1 概述 第五章 功能
2、陶瓷大类系列细类结构 陶瓷氧化物氧化铝,氧化镁,氧化锆,氧化铀,氧化铍等非氧化物碳化物,氮化物,硼化物,硅化物等功能 陶瓷电功能陶瓷绝缘 陶瓷,介电陶瓷,铁电 陶瓷,压电 陶瓷,半导 体陶瓷磁功能陶瓷铁氧体光功能陶瓷透明陶瓷、透明铁电 陶瓷生物与化学功 能陶瓷湿敏陶瓷,气敏陶瓷,载体用陶瓷,生物陶瓷表5-1 先进陶瓷的分类5.1 概述 第五章 功能陶瓷5.1 概述 第五章 功能陶瓷一 已经形成大量产品的功能陶瓷l 高频绝缘零件瓷。l 电阻基体和电感基体瓷。l 电真空瓷。l 电容器瓷。l 铁电陶瓷。5.1 概述 第五章 功能陶瓷l 压电陶瓷。l 半导体陶瓷。l 导电陶瓷。l 超导陶瓷。l 磁性瓷
3、。5.1 概述 第五章 功能陶瓷l 光电子材料。l 生物陶瓷。l 环境保护用陶瓷。l 环境协调型陶瓷材料和技术。5.1 概述 第五章 功能陶瓷二 新材料及其应用l 在上述工业生产的各大类陶瓷材料和制品中，每一类都不断出现新材料和新应用。l 此外，还有如下几类： l 纳米陶瓷。l 陶瓷薄膜。l 多功能材料。l 复合材料。5.1 概述 第五章 功能陶瓷三 我国功能陶瓷工业的发展趋势l 原料生产专业化。l 广泛深入的技术协作。l 全面质量管理(total quality management，即TQM) 。l 新工艺、新设备研究不断用于生产。一 电学性质l 电导率l 介电常数l 介质损耗角正切值l
4、击穿电场强度5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l 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。(5-1)5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷测量电极 环电极高压电极陶瓷体5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷测量电极陶瓷体环电极图 1 三电极系统式中，h为样品厚度，cm；s为电极的面积，cm2； Rv、R s分别为试样的体积电阻()和表面电阻()。D1为试样的测量电极直径，cm；D2为环电极内径，cm。 (5-2)5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l 体积电阻率v的单位通常用cm。v的
5、倒数v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）。l 表5-2列出了常见陶瓷材料的室温电导率，这些陶瓷材料电导率的大小相差约1017以上。 表5-2 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10-2-Al2O3（刚玉陶瓷 ）10-145.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l 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
6、特征参数。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l 设真空介电常数为1，则非真空电介质材料的介电常数r(称为相对介电常数)为(5-3)5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 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r 可由式(5-4)求出： 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷(5-4)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。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l 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
7、此使用的范围和条件也不同。l 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:l 位移式极化。l 松弛式极化。l 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。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l 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。l 单位时间所消耗的电场能叫介质损耗。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l 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 (5-5)P为介质损耗；
8、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。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l 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。l 等效电路如图5-1所示。İc RpİrİCsRscrİİİc=/ Cpİr=/ Rpc = İ /Csr = İ Rs(a) 并联 图 5-1 有损耗电容器等效电路及矢量图(b) 串联5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷图5-1中的角称为介质损耗角。Tg是有损耗电容
9、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（5-6）5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷Pa=U2/Rp，为有功功率；Pc=U2/Rc =CU2，为无功功率；为角频率；Cp为并联等效电容；Rp为并联等效电阻。 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷由串联等效电路得出（5-7）式中，Cs串联等效电容；Rs串联等效电阻。因此（5-8） 单位体积的介质损耗功率为（5-9）5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l （5-9）中tg称为损耗因数，外界条件一定，它是介质本身的特定参数。l tg为等效电导率，它不是常数。频率高时
10、，乘积增大，介质损耗增大。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l tg是表征电容器或介质损耗质量的重要参数。l 陶瓷介质材料的tg对湿度很敏感。受潮后，试样的tg值急剧增大。l 生产工艺上利用这一性质判断生产线上瓷体烧结的好坏。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l 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。l 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。 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l 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。l 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
11、。l 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。 l 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。 l 当作用电场均匀时，Uj与Ej的关系为Ej =Uj/h （5-10）式中，h为击穿处介质的厚度，cm；Ej的单位常用kV/cm。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l 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。 l 陶瓷材料的击穿电压与很多因素有关，过程比较复杂。l 发生击穿过程的时间约10-8s。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l 一般介质的击穿分为电击穿和
12、热击穿。 l 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。 l 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。 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷二 力学性质l 弹性模量l 机械强度l 断裂韧性5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l 材料在外力作用下都会发生相应形变或破坏。 A12B200100100010-110-210-310-4AAB / MPa图5-2 三种材料的应力与应变的关系 1陶瓷；2金属；3塑料5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l A段为弹性形变范围，遵守虎克定律。l 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。l 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。 l 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1091011N/m2，泊松比约为0.20.3。l 弹性模量的大小直接关系到陶瓷材料的理论断裂强度。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷奥罗万(Orowan)计算的理论断裂强度th可用下式表达：式中为断裂表面能，一般陶瓷材料
