(无机)介电材料与元器件：第二篇 电子陶瓷材料 第一章 低介装置瓷

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1、第二篇第二篇 电子陶瓷材料电子陶瓷材料第一章第一章 低介装置瓷低介装置瓷 介电材料与器件介电材料与器件 2材料按化学组成分类材料按化学组成分类金属材料金属材料、无机非金属材料无机非金属材料、高分子材料高分子材料、复合材料复合材料材料的性能分类材料的性能分类结构材料和结构材料和功能材料功能材料材料按服役领域分类材料按服役领域分类 信息材料、航空航天材料、能源材料、信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料生物医用材料等等材料按结晶状态分类材料按结晶状态分类单晶材料单晶材料、多晶材料；、多晶材料；非晶态材料非晶态材料材料按材料的尺寸分类材料按材料的尺寸分类零维材料、一维材料、零维材料、一维材料

2、、二维材料、三维材料二维材料、三维材料。回顾：材料的分类回顾：材料的分类 介电材料与器件介电材料与器件 3学习内容学习内容传统意义上传统意义上电子陶瓷材料：电子陶瓷材料：电子工业应用的多晶无机非金属材料。电子工业应用的多晶无机非金属材料。材料材料陶瓷陶瓷电子电子陶瓷陶瓷电介质电介质陶瓷陶瓷 介电材料与器件介电材料与器件 4电介质陶瓷国家标准分类电介质陶瓷国家标准分类I类陶瓷介质：类陶瓷介质：主要用于高频电路的陶瓷电容器主要用于高频电路的陶瓷电容器如：如：高频热补偿电容器瓷；高频热稳定电容器瓷高频热补偿电容器瓷；高频热稳定电容器瓷II类陶瓷介质：类陶瓷介质：主要用于低频电路的陶瓷电容器主要用于低

3、频电路的陶瓷电容器如：如：低频高介电容器瓷；强介铁电陶瓷低频高介电容器瓷；强介铁电陶瓷III类陶瓷介质：类陶瓷介质：主要用于要求体积非常小的陶瓷电容器主要用于要求体积非常小的陶瓷电容器如：如：半导体陶瓷介质半导体陶瓷介质 介电材料与器件介电材料与器件 5EIA第一位第一位XYZ-55-30+10第二位第二位24567+45+65+85+105+125第三位第三位EFPRTUV4.7%7.5%10%15%+22-33%+22-56%+22-82%美国电子工业协会对电容温度特性的规定美国电子工业协会对电容温度特性的规定EIA RS-198D标准标准例：例：Z5U;X7R 介电材料与器件介电材料与器

4、件 6电介质陶瓷电介质陶瓷 介电材料与器件介电材料与器件 71低介装置瓷低介装置瓷 介电材料与器件介电材料与器件 81.1概述概述历史：历史：1850年用于铁路通讯年用于铁路通讯1880年用于电力输电系统年用于电力输电系统.今天：用于计算机，大规模集成电路等今天：用于计算机，大规模集成电路等定义定义：电阻率大于电阻率大于108cm的陶瓷材料，能承受的陶瓷材料，能承受较强的电场而不被击穿电绝缘陶瓷较强的电场而不被击穿电绝缘陶瓷 介电材料与器件介电材料与器件 9电子陶瓷领域的结构陶瓷（基体、外壳、固定件、绝缘零件）安装、固定、支撑、保护、绝缘、隔离、连接用用于于电电子子技技术术，微微电电子子技技术

5、术和和光光电电子子技技术术中中起起绝绝缘缘作作用用的的陶陶瓷瓷装装置零件置零件，陶瓷基片陶瓷基片以及以及多层陶瓷包封多层陶瓷包封的低介电常数陶瓷材料的低介电常数陶瓷材料。http:/www.cctc.cc/default.aspx 介电材料与器件介电材料与器件 10性能要求性能要求（1）高体积电阻率高体积电阻率1012m（2）低介电系数低介电系数9（3）低介电损耗低介电损耗210-4910-3（4）高介电强度）高介电强度104kv/m（5）高机械强度）高机械强度（6）高化学稳定性）高化学稳定性（7）高热导率）高热导率 介电材料与器件介电材料与器件 11高体积电阻率高体积电阻率选择体积电阻率高的

6、晶体材料为主晶相选择体积电阻率高的晶体材料为主晶相尽量控制玻璃相的数量，甚至达到无玻璃相烧结尽量控制玻璃相的数量，甚至达到无玻璃相烧结严格控制配方，避免杂质离子尤其是碱金属和碱土金属的引入严格控制配方，避免杂质离子尤其是碱金属和碱土金属的引入避免出现自由电子和空穴，引起电子式导电避免出现自由电子和空穴，引起电子式导电避免引入变价金属离子避免引入变价金属离子严格控制温度和气氛，以免产生氧化还原反应严格控制温度和气氛，以免产生氧化还原反应杂杂质质补补偿偿:当当材材料料中中已已引引入入产产生生自自由由电电子子（或或空空穴穴）的的离离子子时时，可可引引入入另另一一种种产产生生空空穴穴（或或自自由由电电

7、子子）的的不不等等价价杂杂质质离子，以消除自由电子和空穴，提高体积电阻率离子，以消除自由电子和空穴，提高体积电阻率 介电材料与器件介电材料与器件 12低介电常数低介电常数克劳修斯克劳修斯-莫索底方程莫索底方程 介电材料与器件介电材料与器件 13低介电常数几个原则低介电常数几个原则单位晶胞体积中原子数少单位晶胞体积中原子数少选取低极化率的原子或分子：选取低极化率的原子或分子：Si,N,C,Al等等晶体结构有效内电场小如：中晶体结构有效内电场小如：中心对称心对称思考思考：多孔的低密度陶瓷是否可以做装置瓷？：多孔的低密度陶瓷是否可以做装置瓷？ 介电材料与器件介电材料与器件 14低介电损耗低介电损耗（

8、1）选择合适的主晶相：结构紧密的晶体）选择合适的主晶相：结构紧密的晶体（2）改性添加时，最好形成连续固溶体：弱联系离子少）改性添加时，最好形成连续固溶体：弱联系离子少（3）尽量减少玻璃相含量）尽量减少玻璃相含量（4）防止产生多晶转换：防止晶格缺陷多）防止产生多晶转换：防止晶格缺陷多（5）注意烧结气氛，尤其是对含变价离子陶瓷的烧结）注意烧结气氛，尤其是对含变价离子陶瓷的烧结（6）控制好烧结温度，防止）控制好烧结温度，防止“生烧生烧”或或“过烧过烧”：减少气：减少气孔率孔率 介电材料与器件介电材料与器件 15高热导率高热导率共价键强的晶体共价键强的晶体结构单元种类较少，原子量较低结构单元种类较少，

9、原子量较低层状结构热导率的各向异性层状结构热导率的各向异性 介电材料与器件介电材料与器件 16装置瓷种类装置瓷种类滑石瓷滑石瓷氧化铝瓷氧化铝瓷堇青石瓷堇青石瓷镁橄榄石瓷镁橄榄石瓷氧化铍瓷氧化铍瓷氮化硼，氮化硅瓷氮化硼，氮化硅瓷以及其他各类新品种等以及其他各类新品种等 介电材料与器件介电材料与器件 17常用矿物常用矿物粘土粘土:一次粘土一次粘土:长石经风化后生成高岭土及其他含水硅酸盐矿长石经风化后生成高岭土及其他含水硅酸盐矿物、石英等；二次粘土物、石英等；二次粘土:由一次粘土在自然动力条件下转移到其由一次粘土在自然动力条件下转移到其他地方再次结晶的粘土。他地方再次结晶的粘土。构成粘土的矿物成分构

10、成粘土的矿物成分高岭石高岭石:A12O32SiO22H2O微晶高岭石微晶高岭石:A12O34SiO2nH2O水云母水云母:(K,H3O)Al2AlSi3O10(OH)2长石长石碱长石碱长石:Na2OA12O36SiO2,K2OA12O36SiO2碱土长石碱土长石:CaOA12O32SiO2,BaOA12O32SiO2 介电材料与器件介电材料与器件 181.2滑石瓷滑石瓷定义：定义：早早期期的的一一种种高高频频装装置置陶陶瓷瓷。它它是是以以天天然然滑滑石石（3MgO4SiO2H2O）为为主主要要原原料料而而制制成成的的一一种陶瓷。种陶瓷。主晶相为偏硅酸镁主晶相为偏硅酸镁（MgOSiO2）。）。优

11、点：优点：较较高高机机械械强强度度，高高频频损损耗耗较较小小，工工艺艺性性能能好好，来源广，价廉，易加工来源广，价廉，易加工缺点缺点热稳定性能差热稳定性能差 介电材料与器件介电材料与器件 19n颜色颜色n滑滑石石一一般般呈呈块块状状、叶叶片片状状、纤纤维维状状或或放放射射状状，颜颜色色为为白白色色、灰白色，并且会因含有其他杂质而带各种颜色。灰白色，并且会因含有其他杂质而带各种颜色。n硬度硬度n人人们们曾曾选选出出10个个矿矿物物来来表表示示10个个硬硬度度级级别别，称称为为摩摩斯斯硬硬度度，在在这这10个个级级别别中中，第第一一个个就就是是滑滑石石。滑滑石石是是已已知知最最软软的的矿矿物物，其

12、莫氏硬度标为其莫氏硬度标为1。用指甲可以在滑石上留下划痕。用指甲可以在滑石上留下划痕。n用途用途n耐耐火火材材料料、造造纸纸、橡橡胶胶的的填填料料、绝绝缘缘材材料料、润润滑滑剂剂、农农药药吸吸收剂、皮革涂料、化妆材料及雕刻用料等等。收剂、皮革涂料、化妆材料及雕刻用料等等。 介电材料与器件介电材料与器件 20硅酸盐晶体结构硅酸盐晶体结构基本结构单元SiO4四面体SiO4基本结构单元相互连接方式：岛状，组群状，链状，层状，架状O/Si比值表征SiO4之间的连接程度与结构类型 介电材料与器件介电材料与器件 21 介电材料与器件介电材料与器件 22滑石化学分子式滑石化学分子式(3MgO4SiO2H2O

13、)或或Mg3Si4O10(OH)2滑石晶体结构滑石晶体结构层状结构，单斜晶系。硅氧四面体连接成连续六方网层状结构，单斜晶系。硅氧四面体连接成连续六方网状层，活性氧朝向一边，每两个六方网状的活性氧相状层，活性氧朝向一边，每两个六方网状的活性氧相向，通过一层水镁氧层连接，构成复合层。向，通过一层水镁氧层连接，构成复合层。（2:1型）型）SiO4+MgO6+SiO4 介电材料与器件介电材料与器件 23滑石晶体结构 介电材料与器件介电材料与器件 24滑石在滑石在1000度脱水生成偏硅酸镁和游离石英，在度脱水生成偏硅酸镁和游离石英，在1557度以上生成镁橄榄石和硅氧玻璃度以上生成镁橄榄石和硅氧玻璃化学方

14、程式化学方程式MgO4SiO2H2O3(MgOSiO2)SiO2H2O 介电材料与器件介电材料与器件 25偏硅酸镁为单链状辉石结构，它有三种变偏硅酸镁为单链状辉石结构，它有三种变体，即顽辉石、原顽辉石和斜顽辉石体，即顽辉石、原顽辉石和斜顽辉石滑石瓷主晶相滑石瓷主晶相：原顽辉石，少量斜顽辉石原顽辉石，少量斜顽辉石顽辉石顽辉石原顽辉石原顽辉石斜顽辉石斜顽辉石3.19g/cm33.19g/cm33.085g/cm33.085g/cm33.274g/cm33.274g/cm3 介电材料与器件介电材料与器件 26存在的问题存在的问题滑石瓷的老化滑石瓷的老化瓷体在加工，储存或使用过程中，产生缝隙甚瓷体在加

15、工，储存或使用过程中，产生缝隙甚至松散成粉末的自破坏现象。至松散成粉末的自破坏现象。滑石瓷的开裂滑石瓷的开裂由滑石各向异性结构引起的烧结过程中的开裂由滑石各向异性结构引起的烧结过程中的开裂现象。现象。滑石瓷的烧结温区滑石瓷的烧结温区滑石瓷烧结温区较窄滑石瓷烧结温区较窄 介电材料与器件介电材料与器件 27滑石瓷的老化滑石瓷的老化内在机理内在机理滑石在滑石在1000度分解为偏硅酸镁和游离石英；度分解为偏硅酸镁和游离石英；滑石瓷的老化与偏硅酸镁的晶型转变有关；滑石瓷的老化与偏硅酸镁的晶型转变有关；偏硅酸镁的高温稳定相是原顽辉石，原顽辉石偏硅酸镁的高温稳定相是原顽辉石，原顽辉石在低于在低于700度时转

16、变为斜顽辉石；度时转变为斜顽辉石；原顽辉石向斜顽辉石转化时，由于密度增加，原顽辉石向斜顽辉石转化时，由于密度增加，体积收缩，导致内应力产生。因而破坏组织结体积收缩，导致内应力产生。因而破坏组织结构产生裂缝；随着储存或时间增长，晶相转化构产生裂缝；随着储存或时间增长，晶相转化加剧，加剧，“老化程度老化程度”加剧。加剧。 介电材料与器件介电材料与器件 28解决途径：抑制解决途径：抑制原顽辉石向斜顽辉石的转变原顽辉石向斜顽辉石的转变方法方法1：在配方中加入形成玻璃的成分，以生成粘度大在配方中加入形成玻璃的成分，以生成粘度大而数量足够多的玻璃相，一般为而数量足够多的玻璃相，一般为20左右，把左右，把晶

17、粒紧紧裹住，如氧化铝晶粒紧紧裹住，如氧化铝方法方法2控制晶粒长大：控制晶粒长大：小晶粒的原顽辉石比大晶粒难小晶粒的原顽辉石比大晶粒难以转变。提高粉料细度、降低烧结温度、控制以转变。提高粉料细度、降低烧结温度、控制保温时间、高温快冷保温时间、高温快冷 介电材料与器件介电材料与器件 29方法方法3抑制游离石英，抑制游离石英，加入能与偏硅酸镁形成固溶体加入能与偏硅酸镁形成固溶体的物质，将影响晶型转化如少量的物质，将影响晶型转化如少量MnO方法方法4控制控制SiO2含量。过少，形成的玻璃相不足；过含量。过少，形成的玻璃相不足；过多，游离出方石英，其多晶转化引起体积收缩多，游离出方石英，其多晶转化引起体

18、积收缩产生内应力，从而诱发原顽辉石的晶型转化产生内应力，从而诱发原顽辉石的晶型转化 介电材料与器件介电材料与器件 30滑石瓷的开裂滑石瓷的开裂机理：滑石的层片机构所造成的各向异性机理：滑石的层片机构所造成的各向异性解决办法解决办法对滑石原料采取高温预烧（对滑石原料采取高温预烧（1300-1350），），破坏其层片状结构破坏其层片状结构热压铸成型，破坏各相异性的层片状结构热压铸成型，破坏各相异性的层片状结构 介电材料与器件介电材料与器件 31滑石瓷烧结温区窄滑石瓷烧结温区窄原因：原因：为了破坏滑石的层片状结构，需在为了破坏滑石的层片状结构，需在1300-1350预烧，预烧，滑石活性大为降低，烧温

19、稍偏低就会出现生烧；滑石活性大为降低，烧温稍偏低就会出现生烧；滑石瓷配方在滑石瓷配方在MgO-Al2O3-SiO2三元系统的最低共熔三元系统的最低共熔点（点（1335）附近，生成液相速度快，液相高温粘度）附近，生成液相速度快，液相高温粘度小。烧温稍偏高，将由于液相大量出现而使坯体软化小。烧温稍偏高，将由于液相大量出现而使坯体软化变形，致使产品报废变形，致使产品报废滑石瓷的烧结温度通常为滑石瓷的烧结温度通常为1320左右左右 介电材料与器件介电材料与器件 32添加剂改性添加剂改性粘土的添加粘土的添加在在滑滑石石瓷瓷中中加加入入粘粘土土后后，就就形形成成了了MgO-A12O3-SiO2三三元元系系

20、统统，其其最最低低共共熔熔点点为为1335。由由于于在在较较低低的的温温度度下下就就出出现现了了液液相相，从从而而降降低低了滑石瓷的烧结温度下限。了滑石瓷的烧结温度下限。在在滑滑石石瓷瓷中中粘粘土土常常用用量量为为510。如如加加入入大大量量粘粘土土，将将生生成成结结构构不不紧紧凑凑、电电性性能能差差的的堇堇青青石石（2MgOA12O3SiO2）；由由于于粘粘土土本本身身含含有有碱金属离子，瓷件的电性能会恶化。碱金属离子，瓷件的电性能会恶化。 介电材料与器件介电材料与器件 33BaCO3的添加的添加在在滑滑石石瓷瓷中中加加入入碳碳酸酸钡钡后后，形形成成BaO-A12O3-SiO2三三元元系系统

21、统，在在这这一一系系统统中中的的最最低低共共熔熔点点为为1230。加加入入碳碳酸钡可以有效地降低滑石瓷的烧成温度。酸钡可以有效地降低滑石瓷的烧成温度。碳碳酸酸钡钡和和粘粘土土可可以以生生成成高高钡钡玻玻璃璃，包包裹裹偏偏硅硅酸酸镁镁晶晶粒粒，使不易晶相转变，防止滑石瓷的使不易晶相转变，防止滑石瓷的“老化老化”。降降低低滑滑石石瓷瓷的的介介质质损损耗耗，并并改改善善tan与与温温度度的的关关系系，提提高高了了滑滑石石瓷瓷的的电电性性能能。原原因因是是Ba2+对对粘粘土土中中的的碱碱金金属属离离子子起起压压抑抑作作用用，加加入入量量一一般般在在510范范围围内内。用用量量太多会降低玻璃相的粘度，使

22、烧结温度范围变窄太多会降低玻璃相的粘度，使烧结温度范围变窄 介电材料与器件介电材料与器件 34菱镁矿菱镁矿MgCO3和氧化铝的添加和氧化铝的添加加加入入菱菱镁镁矿矿或或A12O3后后，由由于于抑抑制制了了游游离离SiO2的的生生成成，生生成成偏偏硅硅酸酸镁镁或或具具有有优优越越的的电电气气性性能能的的硅硅线线石石，降降低低了了瓷瓷料料的的介介质质损损耗耗，防止了瓷体的防止了瓷体的“老化老化”，并提高了机械强度。，并提高了机械强度。当当MgCO3或或A12O3的的成成分分增增加加时时，还还有有少少部部分分进进入入玻玻璃璃相相，从从而而扩大了滑石瓷的烧成温度范围。扩大了滑石瓷的烧成温度范围。MgC

23、O3的的常常用用量量应应小小于于10。如如果果用用量量太太多多，将将使使瓷瓷体体组组分分进进入入镁镁橄橄榄榄石石（2MgOSiO2）相相区区，这这样样不不仅仅使使烧烧结结温温度度上上升升，且且因因镁镁橄橄榄榄石石的的线线胀胀系系数数过过大大，造造成成内内应应力力，降降低低瓷瓷体体的的热热稳稳定定性性和和机械强度。机械强度。A12O3的的用用量量较较少少，一一般般在在13左左右右，常常用用量量为为1。过过量量的的A12O3将将使使瓷瓷料料的的组组成成进进入入堇堇青青石石相相区区。堇堇青青石石的的结结构构不不紧紧凑凑，将将因离子松弛而使介质损耗增大，同时降低了瓷料的机械强度。因离子松弛而使介质损耗

24、增大，同时降低了瓷料的机械强度。 介电材料与器件介电材料与器件 35ZrO2和和ZnO的添加的添加ZrO2和和ZnO能能溶溶入入MgOA12O3SiO2三三元元系系统统的的低低共共熔熔物物形形成成的的玻玻璃璃相相中中，使使玻玻璃璃相相的的粘粘度度增增大，扩大了烧成温区的上限，使坯料免于变形。大，扩大了烧成温区的上限，使坯料免于变形。ZrO2和和ZnO又又是是一一种种阻阻滞滞剂剂，它它们们出出现现在在顽顽辉辉石石的的晶晶粒粒间间界界中中，能能有有效效地地抑抑制制二二次次粒粒生生长长，以以形形成细晶结构，使瓷体的机械强度显著提高。成细晶结构，使瓷体的机械强度显著提高。用用量量一一般般不不超超过过4

25、。如如用用量量过过多多不不仅仅不不能能提提高高玻玻璃璃相相的的粘粘度度及及抑抑制制二二次次粒粒生生长长，反反而而增增加加了了结结构的不均匀性，使瓷料性能下降。构的不均匀性，使瓷料性能下降。 介电材料与器件介电材料与器件 36长石的作用长石的作用长长石石是是不不含含水水的的碱碱金金属属铝铝硅硅酸酸盐盐，其其化化学学组组成成为为R2OA12O36SiO2（R为为K，Na或或Ca，Ba）。）。由由于于长长石石中中含含有有结结合合能能较较小小的的碱碱金金属属离离子子，所所以以熔熔点点较较低低，一一般般在在1100-1200左左右右，长长石石在在陶陶瓷瓷中中往往往往是是作为助熔剂，可以有效地降低烧结温度

26、。作为助熔剂，可以有效地降低烧结温度。长长石石中中含含有有碱碱金金属属氧氧化化物物，从从而而显显著著地地增增大大了了陶陶瓷瓷的的介介质质损损耗耗。尤尤其其钠钠离离子子使使陶陶瓷瓷的的电电性性能能恶恶化化，因因此此，电子陶瓷的原料最好采用钾长石。电子陶瓷的原料最好采用钾长石。在在制制造造大大型型装装置置零零件件时时，因因为为瓷瓷件件中中容容易易出出现现较较大大的的局局部部温温差差，因因此此还还需需加加入入长长石石以以得得到到宽宽的的烧烧结结温温度度范范围，保证高的成品率围，保证高的成品率 介电材料与器件介电材料与器件 37MgOA12O3SiO2三元系统中九种晶相三元系统中九种晶相方镁石（方镁石

27、（MgO）:Periclase方石英（方石英（SiO2）:Cristobalite鳞石英鳞石英(SiO2）:Tridymite刚玉（刚玉（-A12O3）:Corundum镁橄榄石（镁橄榄石（2MgOSiO2）:Forsterite尖晶石（尖晶石（MgOA12O3）:Spinel顽辉石（顽辉石（MgOSiO2）:Protoenstalite莫来石（莫来石（3A12O32SiO2）:Mullite多铝红柱石多铝红柱石堇青石（堇青石（2MgO2A12O35SiO2）:Cordierite宝石宝石 介电材料与器件介电材料与器件 38 介电材料与器件介电材料与器件 39 介电材料与器件介电材料与器件 4

28、0滑石瓷的配方和性能滑石瓷的配方和性能烧滑石烧滑石,生滑石生滑石,菱镁矿菱镁矿(MgCO3),碳酸钡碳酸钡(BaCO3),氧化锌氧化锌(ZnO),氧化锆氧化锆(ZrO2),氧化铝氧化铝(A12O3),粘土粘土,膨润土膨润土,长石长石滑石瓷的主要性能滑石瓷的主要性能：密度：密度：2.83g/cm3介电系数介电系数1MHz,(205)：67tg1MHz,(205)：(17)10-4抗电强度抗电强度20kV/mm静态抗弯强度静态抗弯强度1400105Pa线膨胀系数线膨胀系数l(20100)：(67)10-6/电阻率电阻率(1005)：10111012m 介电材料与器件介电材料与器件 41其他滑石类瓷

29、组成与性能其他滑石类瓷组成与性能镁橄榄石瓷镁橄榄石瓷：主晶相为镁橄榄石：主晶相为镁橄榄石2MgOSiO2优势优势:在高温、高频下的介电性能优于滑石瓷，在高温在高温、高频下的介电性能优于滑石瓷，在高温下的绝缘电阻高，耐压强度大，介质损耗小；下的绝缘电阻高，耐压强度大，介质损耗小；耐热性、热传导性、化学稳定性以及强度等方面耐热性、热传导性、化学稳定性以及强度等方面性能优良性能优良热膨胀系数与某些玻璃、合金和金属钛相匹配，热膨胀系数与某些玻璃、合金和金属钛相匹配，有利于陶瓷金属的封接；有利于陶瓷金属的封接；容易获得平滑表面容易获得平滑表面 介电材料与器件介电材料与器件 42 介电材料与器件介电材料与

30、器件 43不足不足:线胀系数大导致抗热冲击性差线胀系数大导致抗热冲击性差使用使用:高温、高频环境，电真空器件，高温、高频环境，电真空器件，金属膜电极、碳膜电金属膜电极、碳膜电极和线绕电阻的基体以及集成电路基片等极和线绕电阻的基体以及集成电路基片等杀菌灯紫光灯黑光灯镉黄灯彩灯三基色电真空器件电真空器件电真空器件电真空器件电阻的基体电阻的基体电阻的基体电阻的基体集成电路基片集成电路基片集成电路基片集成电路基片 介电材料与器件介电材料与器件 44堇青石瓷堇青石瓷主晶相为堇青石主晶相为堇青石2MgO2Al2O35SiO2优点优点:线胀系数小，热稳定性极好，因而耐热冲击性能好线胀系数小，热稳定性极好，因

31、而耐热冲击性能好缺点缺点:离离子子排排列列不不紧紧密密，晶晶格格内内存存在在大大的的空空隙隙，因因而而介介电电性能差，机械强度低；性能差，机械强度低；烧烧成成温温度度范范围围很很窄窄，致致密密烧烧结结温温度度和和软软化化温温度度只只差差几度，故不易致密烧结，机械性能和介电性能不好几度，故不易致密烧结，机械性能和介电性能不好 介电材料与器件介电材料与器件 45堇青石瓷堇青石瓷家用电器、加热设备上的绝缘器件家用电器、加热设备上的绝缘器件主晶相为堇青石主晶相为堇青石2MgO2Al2O35SiO2使用使用:加热器底板，热电偶绝缘零件，电阻基体等加热器底板，热电偶绝缘零件，电阻基体等改进改进:加矿化剂展

32、宽烧成温区；加矿化剂展宽烧成温区；湿化学法制备超细粉料，改善烧结性能；湿化学法制备超细粉料，改善烧结性能；加镧和铈的氧化物，烧成多孔瓷；加镧和铈的氧化物，烧成多孔瓷；加刚玉，制备低热膨胀、高机械强度的加刚玉，制备低热膨胀、高机械强度的陶瓷材料陶瓷材料 介电材料与器件介电材料与器件 46习题习题1.低介装置瓷的性能要求？低介装置瓷的性能要求？2.滑石瓷为什么会滑石瓷为什么会“老化老化”，如何克服？，如何克服？3.试论述滑石瓷中常用添加剂，及其作用等？试论述滑石瓷中常用添加剂，及其作用等？ 介电材料与器件介电材料与器件 47小结小结 介电材料与器件介电材料与器件 48问题及解决问题及解决 介电材料

33、与器件介电材料与器件 49添加剂添加剂 介电材料与器件介电材料与器件 50水晶千手观音水晶千手观音橄榄石：八月份生辰石橄榄石：八月份生辰石象征幸福和谐象征幸福和谐 介电材料与器件介电材料与器件 51红色尖晶石红色尖晶石日光石日光石月光石月光石长石长石 介电材料与器件介电材料与器件 521.3氧化铝瓷氧化铝瓷 介电材料与器件介电材料与器件 53一、一、氧化铝晶体结构氧化铝晶体结构化学分子式化学分子式Al2O3一般氧化铝瓷所用的主要原料是工业氧化铝一般氧化铝瓷所用的主要原料是工业氧化铝工业氧化铝由铝矾土矿用化学方法处理而得工业氧化铝由铝矾土矿用化学方法处理而得晶体结构晶体结构3种晶型种晶型:高温高

34、温a a型型,低温低温g g型和中间的型和中间的 型型-Al2O3又称为刚玉。只有又称为刚玉。只有-Al2O3才具有优良的电才具有优良的电气性能；气性能；-Al2O3次之；而次之；而-Al2O3性能最差性能最差 介电材料与器件介电材料与器件 54氧化铝的晶型转变示意图氧化铝的晶型转变示意图 介电材料与器件介电材料与器件 55Al2O3原料的制备原料的制备 制取氧化铝的方法是奥地利化学家拜耳（Karl Joseph Bayer）于18891892年发明的。 制取工业Al2O3的原料为铝土矿，主要步骤为：烧结、溶出、脱硅、分解和煅烧 。 介电材料与器件介电材料与器件 56 介电材料与器件介电材料与

35、器件 57钠硫电池钠硫电池钠硫电池是以Na-beta-氧化铝为电解质和隔膜,并分别以金属钠和多硫化钠为负极和正极的二次电池,硫一般是填充在导电的多孔的炭或石墨毡里钠硫电池是美国福特(Ford)公司于1967年首先发明公布的秦唐科技对外募集资金，用于助推钠硫电池的产业化，2015年-2016年，投资5000万元，建成2兆瓦示范储能电站；2016-2018年，实现年销售额3亿元；2018-2020年，累计总投资达到10亿元，逐步达到120兆瓦生产能力，年销售额突破100亿元 介电材料与器件介电材料与器件 58-Al2O3煅烧氢氧化铝可制得煅烧氢氧化铝可制得-Al2O3。-Al2O3具有具有强吸附力

36、和催化活性，可做吸附剂和催化强吸附力和催化活性，可做吸附剂和催化剂。剂。-Al2O3属立方紧密堆积晶体，不溶于水，属立方紧密堆积晶体，不溶于水，但能溶于酸和碱，是典型的两性氧化物。但能溶于酸和碱，是典型的两性氧化物。Al2O3+6H+=2Al3+3H2OAl2O3+2OH-=2AlO2-+H2O 介电材料与器件介电材料与器件 59预烧预烧配料前须高温锻烧（简称预烧），以使配料前须高温锻烧（简称预烧），以使-A12O3转变为转变为-A12O3去除碱金属氧化物，纯化氧化铝，保证产品电气性去除碱金属氧化物，纯化氧化铝，保证产品电气性能。能。由于由于-A12O3转变为转变为-A12O3的过程中伴随的过

37、程中伴随13左右左右的体积收缩，因此，预烧可减少制品在烧成时的收的体积收缩，因此，预烧可减少制品在烧成时的收缩率，以保证产品尺寸的准确性。缩率，以保证产品尺寸的准确性。 介电材料与器件介电材料与器件 60工业氧化铝预烧的温度和气氛主要决定于工业氧化铝预烧的温度和气氛主要决定于-A12O3和和-A12O3完全转变为完全转变为-A12O3的温度的温度和气氛。和气氛。长保温时间，粉粒直径小些，相应的转变温度长保温时间，粉粒直径小些，相应的转变温度要低些。要低些。适当的添加剂，如适当的添加剂，如H3BO3或或AlF3及及NH4F等，有等，有效地促进转变，这与固溶体的形成以及氧离子效地促进转变，这与固溶

38、体的形成以及氧离子的扩散加剧有关。实践证明，加入的扩散加剧有关。实践证明，加入1H3BO3，可生成易挥发的硼酸盐，含碱量有所下降，大可生成易挥发的硼酸盐，含碱量有所下降，大大加速大加速-A12O3向向-A12O3的转化的转化 介电材料与器件介电材料与器件 61Al2O3煅烧后，晶型转变的鉴定煅烧后，晶型转变的鉴定染色法：利用化学吸附的不同，将煅烧后氧化染色法：利用化学吸附的不同，将煅烧后氧化铝置于有机染料（茜素或甲基蓝），用水冲洗铝置于有机染料（茜素或甲基蓝），用水冲洗如颜色消失则晶型转变完全。如颜色消失则晶型转变完全。比重法比重法油浸法：利用折光率不同，偏光显微镜观察油浸法：利用折光率不同，

39、偏光显微镜观察XRD衍射衍射 介电材料与器件介电材料与器件 62二、氧化铝瓷的性能二、氧化铝瓷的性能优点：低介电损耗，高绝缘电阻，高机械优点：低介电损耗，高绝缘电阻，高机械强度和硬度，耐磨热膨胀系数小，耐热强度和硬度，耐磨热膨胀系数小，耐热缺点：是烧结温度高，研磨抛光等加工困缺点：是烧结温度高，研磨抛光等加工困难。难。 介电材料与器件介电材料与器件 63热性能热性能优点：优点：耐热性高、导热性好耐热性高、导热性好不足：不足：热导率随温度上升而下降热导率随温度上升而下降机械性能机械性能机械强度非常大机械强度非常大硬度较大，耐磨性好硬度较大，耐磨性好 介电材料与器件介电材料与器件 64电性能电性能

40、介电特性：介电特性：Al2O399.5的氧化铝瓷是非常理想的高温、的氧化铝瓷是非常理想的高温、高频陶瓷材料高频陶瓷材料随随Al2O3含量的增加，含量的增加，增大，且随频率变化很小；增大，且随频率变化很小；tg下降，且含量愈高，随频率的变化愈小下降，且含量愈高，随频率的变化愈小1MHz时，时，tg随温度上升而增加；随温度上升而增加；100GHz时时，tg随温度随温度变变化不大化不大（超高频微波情况）（超高频微波情况） 介电材料与器件介电材料与器件 65电导特性：电子电导电导特性：电子电导电阻率很高，且电阻率很高，且Al2O3含量愈大，电阻率愈高含量愈大，电阻率愈高电阻率随温度上升而明显下降电阻率

41、随温度上升而明显下降抗电强度较高抗电强度较高 介电材料与器件介电材料与器件 66表面特性表面特性陶瓷表面光洁度取决于陶瓷的组成、成型方法以及表面陶瓷表面光洁度取决于陶瓷的组成、成型方法以及表面加工情况（显微结构和密度）加工情况（显微结构和密度）提高多晶氧化铝表面光洁度，可在基片上上釉提高多晶氧化铝表面光洁度，可在基片上上釉,将其覆盖将其覆盖起来，即为被釉基片。通过研磨釉，极大地提高表面光洁起来，即为被釉基片。通过研磨釉，极大地提高表面光洁度，但却存在釉层导热性变差，以及容易和导体、电阻发度，但却存在釉层导热性变差，以及容易和导体、电阻发生反应等缺点。生反应等缺点。提高表面光洁度，必须发展高密度

42、、高纯度、细晶粒的无提高表面光洁度，必须发展高密度、高纯度、细晶粒的无气孔陶瓷。如：将气孔陶瓷。如：将99.5%的的Al2O3流延法成膜，能生产表流延法成膜，能生产表面光洁度为面光洁度为0.6m的光滑陶瓷基片。的光滑陶瓷基片。 介电材料与器件介电材料与器件 67 介电材料与器件介电材料与器件 68三三、氧化铝瓷的烧结氧化铝瓷的烧结纯纯Al2O3瓷很难烧结，烧温很高瓷很难烧结，烧温很高方法一：方法一：纯度高、颗粒度细的原材料纯度高、颗粒度细的原材料采用湿化学方法获得高纯度、均匀可控的超细采用湿化学方法获得高纯度、均匀可控的超细颗粒粉料，瓷料烧结温度显著降低，陶瓷密度提颗粒粉料，瓷料烧结温度显著降

43、低，陶瓷密度提高，性能得到改善；高，性能得到改善；采用新的低温化学法（干冻法），获得均匀的采用新的低温化学法（干冻法），获得均匀的超细粉料，大大降低陶瓷的烧结温度超细粉料，大大降低陶瓷的烧结温度 介电材料与器件介电材料与器件 69 介电材料与器件介电材料与器件 70方法二：添加剂方法二：添加剂与与Al2O3生成固溶体晶格常数与生成固溶体晶格常数与Al2O3相近的相近的变价氧化物变价氧化物TiO2、Cr2O3、Fe2O3、MnO2等由等由于变价作用，产生缺陷，促进烧结于变价作用，产生缺陷，促进烧结生成液相，添加高岭土、生成液相，添加高岭土、SiO2、CaO、MgO等，降低烧结温度促进等，降低烧结

44、温度促进Al2O3的烧结的烧结 介电材料与器件介电材料与器件 71方法三方法三.热压烧结热压烧结加压成形和加热烧结同时进行的工艺。目前加压成形和加热烧结同时进行的工艺。目前,一般一般认为热压烧结初期主要是由于较高压力和较低温认为热压烧结初期主要是由于较高压力和较低温度下产生的颗粒重排和塑性流动度下产生的颗粒重排和塑性流动,后期则以扩散爬后期则以扩散爬移为主。移为主。与常压烧结相比与常压烧结相比,烧结温度一般降低烧结温度一般降低150200。 介电材料与器件介电材料与器件 72添加剂改性添加剂改性添加助溶剂以形成玻璃添加助溶剂以形成玻璃添加添加CaO/SiO2：当：当SiO2/CaO质量比大于质

45、量比大于1.4时，介质时，介质损耗就增大两倍损耗就增大两倍添加添加SiO2和和SrO或或BaO时，当两者比例达到一定数值时，当两者比例达到一定数值时，介质损耗也剧增，原因为生成碱土金属长石时，介质损耗也剧增，原因为生成碱土金属长石（CaOAl2O32SiO2；SrOAl2O32SiO2；BaOAl2O32SiO2）。）。 介电材料与器件介电材料与器件 73添加添加MgO:降低陶瓷的降低陶瓷的烧结温度而获得高密度烧结温度而获得高密度的氧化铝瓷。的氧化铝瓷。当当MgO含含量量（质质量量分分数数）为为0.1%和和0.25%时时，获获得得3.995g/cm3的的最最大大密密度度（ 蓝蓝 宝宝 石石 的

46、的 密密 度度 为为4.00g/cm3）。）。 介电材料与器件介电材料与器件 74添加稀土金属氧化物添加稀土金属氧化物:La2O3和和Y2O3 介电材料与器件介电材料与器件 75稀土氧化物有强烈的助熔作用稀土氧化物有强烈的助熔作用低共熔物低共熔物二元化合物如二元化合物如La2O3Al2O3和和La2O311Al2O3或或Y2O3Al2O3，2Y2O3Al2O3和和3Y2O35Al2O3。它们都。它们都能促进氧化铝瓷的烧结。能促进氧化铝瓷的烧结。实践证明，等量加入实践证明，等量加入Y2O3和和Nb2O5降低烧结温度的效果更好降低烧结温度的效果更好 介电材料与器件介电材料与器件 76氧化铝瓷的配方

47、氧化铝瓷的配方几种氧化铝瓷的配方表几种氧化铝瓷的配方表（质量（质量/10-2）烧烧氧化氧化铝铝粘土粘土方解石方解石 生滑石生滑石萤萤石石碳酸碳酸钡钡 膨膨润润土土75瓷瓷65243242A16724342A268203252 介电材料与器件介电材料与器件 77粘土和膨润土：两者均为增塑剂。粘土和膨润土：两者均为增塑剂。碳酸钡：抑制碱金属离子的移动，降低了陶瓷的损耗。碳酸钡：抑制碱金属离子的移动，降低了陶瓷的损耗。萤石：矿化剂，活化萤石：矿化剂，活化A12O3晶粒，抑制二次晶粒。晶粒，抑制二次晶粒。方解石：与粘土中的方解石：与粘土中的SiO2生成低共熔物硅酸钙玻璃。生成低共熔物硅酸钙玻璃。滑石：

48、析出活性较大的滑石：析出活性较大的SiO2和和MgOSiO2，降低瓷料的，降低瓷料的烧结温度，促进了陶瓷的烧结。烧结温度，促进了陶瓷的烧结。 介电材料与器件介电材料与器件 78三、氧化铝瓷种类三、氧化铝瓷种类主要成分为主要成分为Al2O3的瓷料即为氧化铝瓷的瓷料即为氧化铝瓷刚玉刚玉-Al2O3，莫来石，莫来石3Al2O32SiO2数字皆为质量百分数数字皆为质量百分数氧化铝瓷纯刚玉瓷莫来石瓷刚玉莫来石瓷刚玉瓷晶相分类99瓷95瓷90瓷85瓷75瓷高铝瓷含量分类99.599959085757045Al2O3 介电材料与器件介电材料与器件 79 介电材料与器件介电材料与器件 80 介电材料与器件介电

49、材料与器件 81 介电材料与器件介电材料与器件 82 介电材料与器件介电材料与器件 83钡长石瓷钡长石瓷（钡长石（钡长石BaO-Al2O3-2SiO2)优点：优点：工艺性能好，电性能优良，热稳定性好工艺性能好，电性能优良，热稳定性好缺点：缺点：结晶相和玻璃相温度系数差别大，故机械结晶相和玻璃相温度系数差别大，故机械强度很低强度很低 介电材料与器件介电材料与器件 84莫来石瓷莫来石瓷（莫来石（莫来石3Al2O3-2SiO2石英石英SiO2)优点：优点：工艺性能好工艺性能好缺点：缺点：机械强度和电气性能较差机械强度和电气性能较差（一般高频装置瓷）（一般高频装置瓷）特点：特点：具有表面微细结构具有表

50、面微细结构（碳膜基体）碳膜基体）莫来石莫来石1924年苏格兰地名命名，可用于耐火材料，高年苏格兰地名命名，可用于耐火材料，高温工程材料，电子封装材料以及光学材料等。温工程材料，电子封装材料以及光学材料等。 介电材料与器件介电材料与器件 85刚玉刚玉-莫来石瓷莫来石瓷（刚玉（刚玉-Al2O3莫来石莫来石3Al2O3-2SiO2）优点：优点：电性能良好，机械强度较高，热稳定性能电性能良好，机械强度较高，热稳定性能好，工艺性能好，烧结温度不高，烧温范围宽，好，工艺性能好，烧结温度不高，烧温范围宽，可与烧釉一次完成可与烧釉一次完成用途：介电常数用途：介电常数6-7，大量用于要求不十分严格的大量用于要求

51、不十分严格的高频装置零件高频装置零件 介电材料与器件介电材料与器件 86高铝瓷高铝瓷优点：优点：优异的机电性能，价廉优异的机电性能，价廉用途：用途：广泛应用于制造基片广泛应用于制造基片不足：不足：难以满足快速发展的大规模、超大规模集难以满足快速发展的大规模、超大规模集成电路技术对基片材料的要求成电路技术对基片材料的要求 介电材料与器件介电材料与器件 87基片材料的机电性能要求基片材料的机电性能要求1.高热导率，低热膨胀系数和低介电常数；高热导率，低热膨胀系数和低介电常数；2.密封性好，机械性能优良，易机械加工；密封性好，机械性能优良，易机械加工；3.表面平滑度好，气孔率低等；表面平滑度好，气孔

52、率低等；4.金属化的适应性；金属化的适应性；5.规模生产可行性，低成本规模生产可行性，低成本 介电材料与器件介电材料与器件 88基片材料与硅片的热膨胀方面匹配对电路基片材料与硅片的热膨胀方面匹配对电路的可靠性相当重要。的可靠性相当重要。目前大量使用的目前大量使用的Al2O3基片约为硅片的两倍基片约为硅片的两倍Al2O3基片基片(6.5-8.0)10-6/，硅的硅的(3.0-3.8)10-6/，能与硅片很好配合的有能与硅片很好配合的有堇青石瓷堇青石瓷(2.510-6/)，AlN瓷瓷(4.410-6/)SiC瓷瓷(3.710-6/)。 介电材料与器件介电材料与器件 89基片的介电常数会大大影响信号

53、传播的延基片的介电常数会大大影响信号传播的延迟时间。迟时间。当用于高速信号传递回路时，希望用当用于高速信号传递回路时，希望用小的材料，小的材料，因为信号延迟时间（因为信号延迟时间（tD）与）与的平方根成正比。的平方根成正比。愈小，信号传播延迟越短：愈小，信号传播延迟越短：式中，式中，l为信号传送距离；为信号传送距离；c为光速。为光速。 介电材料与器件介电材料与器件 90小结小结 介电材料与器件介电材料与器件 91 介电材料与器件介电材料与器件 92 介电材料与器件介电材料与器件 93习题习题1纯氧化铝瓷很难烧结，烧温很高，纯氧化铝瓷很难烧结，烧温很高，有些什么解决办法？请举例说明有些什么解决办

54、法？请举例说明 介电材料与器件介电材料与器件 941灯内温度高达灯内温度高达1400。2钠蒸气具有强烈的腐蚀作用。钠蒸气具有强烈的腐蚀作用。高压钠灯管高压钠灯管透明氧化铝管透明氧化铝管 介电材料与器件介电材料与器件 95 介电材料与器件介电材料与器件 961.4其他装置瓷其他装置瓷氧化铍瓷氧化铍瓷氮化铝瓷氮化铝瓷碳化硅瓷碳化硅瓷氮化硼瓷氮化硼瓷低温烧结瓷片低温烧结瓷片透明陶瓷透明陶瓷透波材料透波材料 介电材料与器件介电材料与器件 97固体材料导热机制有两种：固体材料导热机制有两种：自由电子进行热传递：金属材料自由电子进行热传递：金属材料点阵或晶格振动，点阵或晶格振动，通过晶格波或热通过晶格波或

55、热波进行热传递：电介质导热波进行热传递：电介质导热 介电材料与器件介电材料与器件 98根据量子理论根据量子理论，晶格波或热波可以作为一种粒子，晶格波或热波可以作为一种粒子-声子，既具有波动性，又有粒子性。载热声子通声子，既具有波动性，又有粒子性。载热声子通过晶体中结构单元（原子、离子或分子）间进行过晶体中结构单元（原子、离子或分子）间进行的相互制约、相互谐调的振动来实现热的传递。的相互制约、相互谐调的振动来实现热的传递。任何晶体的结构单元总是处在不断的热运动中，任何晶体的结构单元总是处在不断的热运动中，因此，在任一瞬间，晶体内的结构单元都不可能因此，在任一瞬间，晶体内的结构单元都不可能完全严格

56、的均匀分布，因而载热的声子在晶体或完全严格的均匀分布，因而载热的声子在晶体或其它固体中传播时总会受到偏转和散射，从而使其它固体中传播时总会受到偏转和散射，从而使热导率降低。热导率降低。 介电材料与器件介电材料与器件 99晶体的性质取决其结构和组成。对于无机电介质，晶体的性质取决其结构和组成。对于无机电介质，高热导率晶体的结构特点：高热导率晶体的结构特点：（1）共价键或共价键很强的晶体：保证晶体极高的强）共价键或共价键很强的晶体：保证晶体极高的强键和极强的键的方向性，晶体结构单元的热起伏被限键和极强的键的方向性，晶体结构单元的热起伏被限制到最小限度；制到最小限度；（2）结构单元的种类较少，原子量

57、或平均原子量均较）结构单元的种类较少，原子量或平均原子量均较低：结构单元种类的增多和质量增大都会增强对晶格低：结构单元种类的增多和质量增大都会增强对晶格波的干扰和散射，从而降低热导率；波的干扰和散射，从而降低热导率；（3）某些具有层状结构的晶体，沿层片方向为强的共）某些具有层状结构的晶体，沿层片方向为强的共价键结合，使沿此方向具有高的热导率，而层片间弱价键结合，使沿此方向具有高的热导率，而层片间弱的结合力，使沿垂直方向的热导率显著降低。的结合力，使沿垂直方向的热导率显著降低。 介电材料与器件介电材料与器件 100高热导率晶体都是由原子量较低的元素构高热导率晶体都是由原子量较低的元素构成的共价键

58、或共价键很强的单质晶体或二成的共价键或共价键很强的单质晶体或二元化合物。元化合物。热导率高的非金属晶体有金刚石，石墨，热导率高的非金属晶体有金刚石，石墨，BN，SiC，BeO，BP和和AIN等等 介电材料与器件介电材料与器件 101材材料料晶体晶体结结构构热导热导率率/(W/mC)金金刚刚石石金金刚刚石石2000石墨石墨石墨（石墨（层层状）状）2000（垂直（垂直c轴轴）立方立方BN闪锌矿闪锌矿（1300）六方六方BN类类石墨（石墨（层层状）状）200（垂直（垂直c轴轴）SiC闪锌矿闪锌矿490BeO纤锌矿纤锌矿370BP闪锌矿闪锌矿360AlN纤锌矿纤锌矿200（320）铜铜立方密堆立方密堆

59、积积400铝铝立方密堆立方密堆积积240 介电材料与器件介电材料与器件 10210928共价键共价键 介电材料与器件介电材料与器件 103金刚石结构n化学式化学式C C；晶体结构为；晶体结构为立方晶系立方晶系Fd3mFd3m，立方面心格子，立方面心格子，a a0 00.356nm0.356nm；碳原子位于立方面心的所有结点位置和交替；碳原子位于立方面心的所有结点位置和交替分布在立方体内四个小立方体中心；每个晶胞中原子数分布在立方体内四个小立方体中心；每个晶胞中原子数Z Z8 8，每个碳原子周围都有，每个碳原子周围都有4 4个碳，之间形成个碳，之间形成共价键共价键。n与其结构相同的有与其结构相同

60、的有硅、锗、灰锡、合成立方氮化硼等硅、锗、灰锡、合成立方氮化硼等n性质：性质： 硬度最大、具半导体性能、极好的导热性硬度最大、具半导体性能、极好的导热性 介电材料与器件介电材料与器件 104石墨结构n石墨（石墨（C），六方晶系，），六方晶系，P63mmc，a0=0.146nm，c0=0.670nm，每个晶胞中原子数，每个晶胞中原子数Z=4。n结结构构表表现现为为碳碳原原子子呈呈层层状状排排列列。层层内内碳碳原原子子呈呈六六方方环环状状排排列列，每每个个碳碳原原子子与与三三个个相相邻邻碳碳原原子子之之间间的的距距离离均均为为0.142nm0.142nm；层层间间距距离离为为0.335nm0.33

61、5nm。层层内内为为共共价价键键，层间为分子键相连层间为分子键相连。 介电材料与器件介电材料与器件 105n性质：性质：碳原子有一个电子可以在层内移动，类似碳原子有一个电子可以在层内移动，类似于金属中的自由电子，平行层的方向具于金属中的自由电子，平行层的方向具良好导电良好导电性性；硬度低硬度低，易加工；，易加工；熔点高熔点高；有润滑感有润滑感。n石墨与金刚石的石墨与金刚石的化学组成相同，结构不同化学组成相同，结构不同，这种，这种现象称为现象称为同质多晶现象同质多晶现象，石墨和金刚石是碳的两，石墨和金刚石是碳的两种种同质多象变体同质多象变体。n人工合成的人工合成的六方氮化六方氮化硼硼与石墨结构相

62、同。与石墨结构相同。 介电材料与器件介电材料与器件 10618010928SiSio o共价键共价键 介电材料与器件介电材料与器件 107 介电材料与器件介电材料与器件 108氧化铍瓷氧化铍瓷化学分子式化学分子式BeO晶体结构晶体结构纤锌矿结构纤锌矿结构优点优点具有优良的物理、电和热性能，热导率高，密度小，硬度大具有优良的物理、电和热性能，热导率高，密度小，硬度大缺点缺点粉末剧毒，烧结温度高粉末剧毒，烧结温度高;且氧化铍与硅的热膨胀系数相差过且氧化铍与硅的热膨胀系数相差过大，不能采用导热性好的金大，不能采用导热性好的金-硅或铝硅或铝-锡直接搭载硅芯片锡直接搭载硅芯片 介电材料与器件介电材料与器

63、件 109ZnS（纤锌矿）型结构六方晶系六方晶系,空间群空间群P63mc，a0=0.382nm，c0=0.625nm，Z=2；阳离子和阴离子的配位数都；阳离子和阴离子的配位数都是是4；S2-按六方最紧密堆积排列，按六方最紧密堆积排列，Zn2+充填于充填于1/2的四面体空隙中。的四面体空隙中。S2-：000,2/31/31/2Zn2+：00u,2/31/3(u-1/2)，其中其中u=0.875属于纤锌矿型结构的晶体有：属于纤锌矿型结构的晶体有：BeOBeO、ZnOZnO、AINAIN等等 介电材料与器件介电材料与器件 110应用应用大功率晶体管的管壳，管座，散热片，高功率大功率晶体管的管壳，管座

64、，散热片，高功率大规模集成电路基片，微波输出窗等；大规模集成电路基片，微波输出窗等；密度小，用于空间技术；密度小，用于空间技术；绝缘电阻高，介电常数小，可作雷达防护罩。绝缘电阻高，介电常数小，可作雷达防护罩。存在的问题存在的问题烧结温度需在烧结温度需在1900oC以上以上添加添加Al2O3和和MgO降低烧结温度降低烧结温度 介电材料与器件介电材料与器件 111氮化铝瓷氮化铝瓷化学分子式化学分子式AlN晶体结构晶体结构纤锌矿结构纤锌矿结构优点优点热膨胀系数接近硅，机热膨胀系数接近硅，机械强度高，高热导率械强度高，高热导率电电阻阻率率较较高高，介介电电性性能能较好较好 介电材料与器件介电材料与器件

65、 112性能与应用性能与应用优良的介电性能，其热导率很高，热膨胀优良的介电性能，其热导率很高，热膨胀系数接近硅，机械强度约为系数接近硅，机械强度约为Al2O3的两倍的两倍适于做厚膜多层基片，适于做厚膜多层基片，用金、银用金、银-钯、铜玻璃等作导带，用于大功率混钯、铜玻璃等作导带，用于大功率混合集成电路，合集成电路，在氮化铝基片上与铜板直接接合，使结构复杂在氮化铝基片上与铜板直接接合，使结构复杂的功率组件变得极简单。的功率组件变得极简单。 介电材料与器件介电材料与器件 113问题及解决问题及解决为获得高密度的氮化铝瓷，需用细微、均匀为获得高密度的氮化铝瓷，需用细微、均匀的粉末为原料，利用热压或添

66、加烧结促进剂的粉末为原料，利用热压或添加烧结促进剂后进行烧结。后进行烧结。采用稀土金属氧化物或碱土金属氧化物作促采用稀土金属氧化物或碱土金属氧化物作促进剂。主要为进剂。主要为Y2O3或或CaO。添加烧结促进剂。添加烧结促进剂和粘结剂的和粘结剂的AlN可于可于1800下烧结成瓷。下烧结成瓷。 介电材料与器件介电材料与器件 114碳化硅瓷碳化硅瓷化学分子式化学分子式SiC晶体结构晶体结构2种晶型种晶型:高温六方高温六方a a型型,低温立方低温立方 型型优点优点硬度仅次于金刚石，立方硬度仅次于金刚石，立方BN热膨胀系数接近硅，机械强度高，高热导率热膨胀系数接近硅，机械强度高，高热导率缺点是电阻率较低

67、缺点是电阻率较低 介电材料与器件介电材料与器件 115ZnS（闪锌矿）型结构n立方晶系立方晶系F 3mF 3m，a a0 00.540nm0.540nm，Z Z4 4，立方面心格子，立方面心格子，S S2-2-位于立方面心的位于立方面心的结点位置，而结点位置，而ZnZn2+2+交错地分布于立方交错地分布于立方体内的体内的1/81/8小立方体的中心。小立方体的中心。n阴、阳离子的阴、阳离子的CNCN均为均为4 4，若把，若把S S2-2-看成看成立方最紧密堆积，则立方最紧密堆积，则ZnZn2+2+充填于充填于1/21/2的的四面体空隙中。四面体空隙中。S2-：000,0,0,0Zn2+：, 介电

68、材料与器件介电材料与器件 116n属于属于闪锌矿型型结构的晶体：构的晶体： -SiC,GaAs,AlP,InSb等等Zn-S四面体以四面体以共共顶方式相方式相连结构俯视图，数字为标结构俯视图，数字为标高，高，0为底面位置，为底面位置，25、50、75分别为晶胞分别为晶胞1/4、1/2、3/4的标高的标高S2-Zn2+ 介电材料与器件介电材料与器件 117添加剂改性添加剂改性碳化硅陶瓷有很强的共价键特性，添加少量的碳化硅陶瓷有很强的共价键特性，添加少量的硼硼或或铝铝的氧化物等改进致密度。的氧化物等改进致密度。铍、硼、铝及其化合物铍、硼、铝及其化合物均有均有效。效。热导率和电阻率等性能，与使用添加

69、剂的种类相关。热导率和电阻率等性能，与使用添加剂的种类相关。添加添加BeO或其化合物的碳化硅陶瓷具有极高的热导率，或其化合物的碳化硅陶瓷具有极高的热导率，高于金属铝。掺有高于金属铝。掺有硼硼或其化合物的碳化硅陶瓷热导率或其化合物的碳化硅陶瓷热导率也较高，而添加剂为也较高，而添加剂为铝铝或其化合物时，材料的热导率或其化合物时，材料的热导率有所下降有所下降引入少量引入少量BeO提高导热性原因是它阻碍碳化硅晶粒的提高导热性原因是它阻碍碳化硅晶粒的长大，促进了陶瓷的匀质、致密，从而大大减少气孔长大，促进了陶瓷的匀质、致密，从而大大减少气孔率之故率之故 介电材料与器件介电材料与器件 118氮化硼瓷氮化硼

70、瓷化学分子式化学分子式BN晶体结构晶体结构2种晶型种晶型:六方晶型和立方晶型六方晶型和立方晶型优点优点高热导率高热导率低电导率低电导率 介电材料与器件介电材料与器件 119性能与应用性能与应用氮氮化化硼硼具具有有高高的的热热导导率率：常常温温下下与与不不锈锈钢钢相等，相等，900以上超过氧化铍。以上超过氧化铍。导导热热主主要要是是靠靠晶晶格格振振动动来来完完成成的的，通通过过格格波波或或热波进行热量的传递。热波进行热量的传递。氮氮、硼硼的的原原子子量量较较小小，而而且且共共价价键键性性较较强强，制制品品的的晶晶体体比比较较完完整整而而杂杂质质较较少少，载载热热的的声声子子容容易易通通过过晶晶体

71、体中中结结构构原原子子间间进进行行的的振振动动来来实实现现热热的传递。的传递。 介电材料与器件介电材料与器件 120低低电电导导，有有较较好好的的耐耐高高温温性性，即即使使在在2000高高温温时时，其其电电阻阻率率也也达达11m，绝绝缘缘性性能能优优于于氧氧化铝瓷。化铝瓷。熔点高，易于加工以及优异的润滑性能。熔点高，易于加工以及优异的润滑性能。导导热热性性能能几几乎乎不不随随温温度度而而变变；对对微微波波幅幅射射有有穿穿透能力。透能力。应应用用：可可用用雷雷达达窗窗口口，大大功功率率晶晶体体管管的的管管座座、管管壳壳、散散热热片片以以及及微微波波输输出出窗窗，应应用用范范围围正正在在日益扩大。

72、日益扩大。 介电材料与器件介电材料与器件 121小结小结 介电材料与器件介电材料与器件 122低温烧成基片低温烧成基片氧化铝瓷做多层陶瓷基片的缺点氧化铝瓷做多层陶瓷基片的缺点烧成温度高（烧成温度高（1500-1600），同时烧成的导体），同时烧成的导体材料只能用钨（材料只能用钨（W）、钼（）、钼（Mo）等电阻率大的）等电阻率大的贵重金属，布线图形微细化受到限制。同时，贵重金属，布线图形微细化受到限制。同时，氧化铝瓷的氧化铝瓷的大（约大（约9.6），会增加信号的延迟时），会增加信号的延迟时间。间。膨胀系数（膨胀系数（7.010-6）比硅（）比硅（3.510-6）的大得多。安装硅器件时，热应力相当

73、大，）的大得多。安装硅器件时，热应力相当大，很难适应大型硅器件的要求。很难适应大型硅器件的要求。 介电材料与器件介电材料与器件 123低温烧多层陶瓷基板，低温烧多层陶瓷基板，有利于将电阻、电容、电感等无源元件同时制有利于将电阻、电容、电感等无源元件同时制作在基板内部，使产品更加小型、轻量化，可作在基板内部，使产品更加小型、轻量化，可用作第五代电子元件组装用基板。用作第五代电子元件组装用基板。低温烧成多层基板（低温烧成多层基板（LMS）系统之一是烧成温）系统之一是烧成温度在度在850-1000，含有，含有Al2O3，SiO2，CaO，MgO，B2O3和其它添加物的复合氧化物和其它添加物的复合氧化

74、物 介电材料与器件介电材料与器件 124低温烧结多层陶瓷基板材料应具有的特性：低温烧结多层陶瓷基板材料应具有的特性：高电阻率，高电阻率，1016m；低介电常数，以减少信号延迟时间；低介电常数，以减少信号延迟时间；低介电损耗；低介电损耗；烧结温度为烧结温度为850-1000，以便使用阻值低的导带，以便使用阻值低的导带材料（钯材料（钯-银、金或铜）；银、金或铜）；基片的热膨胀系数应接近硅的热膨胀系数（约基片的热膨胀系数应接近硅的热膨胀系数（约3.610-6），以防止热应力引起硅芯片和基片的失配；），以防止热应力引起硅芯片和基片的失配；高的热导率。基片的热导率是一个重要的参数，尤其对大高的热导率。基

75、片的热导率是一个重要的参数，尤其对大功率输出的元件，提高基片的热导率可降低冷却设备的功率输出的元件，提高基片的热导率可降低冷却设备的本和复杂性；本和复杂性；优良的机械性能；优良的机械性能；化学性能稳定。化学性能稳定。 介电材料与器件介电材料与器件 125低温烧结基片材料的特性类别材料相对密度（1MHz）电阻率/m抗弯强度/MPa线胀系数/(10-6/)烧成温度/结晶玻璃系堇青石系ZnOMgOAl2O3SiO22.565101716672.2-3.5900-1050堇青石系锂辉石系5.3-5.75.652.4-5.52.83850-1050玻璃陶瓷复合系SiO2，B2O3系玻璃Al2O35.62

76、35.44.01000PbOSiO2B2O3CaO系玻璃AI2O33.127.52.91016284.24.2900CaOAl2O3SiO2B2O3系玻璃SiO22.97.71016196.15.5880MgO+Al2O3SiO2B2O3系玻璃SiO24.25-5147.13-7.9850-900玻璃AI2O3CaZrO32.98.01016205.97.9850SiO2B2O3系玻璃Al2O32MgOSiO2-6.51016196.16.0850-900添加物系AI2O3CaOSiO2MgOB2O33.036.71016245.24.8960BaOSiO2AI2O3CaOB2O33.036.

77、11016196.18.0960-1000单相陶瓷系BaSn(BO2)24.68.51016166.75.5960-980 介电材料与器件介电材料与器件 126一般的陶瓷材料是不透明的一般的陶瓷材料是不透明的,原因是陶瓷材料内部原因是陶瓷材料内部含有的微气孔等缺陷对光线产生折射和散射作用含有的微气孔等缺陷对光线产生折射和散射作用,使得光线几乎无法透过陶瓷体。使得光线几乎无法透过陶瓷体。1959年通用电气公司首次提出了一些陶瓷具有可年通用电气公司首次提出了一些陶瓷具有可透光性透光性,随后美国陶瓷学家制备得到透明氧化铝陶随后美国陶瓷学家制备得到透明氧化铝陶瓷。瓷。透明氧化铝陶瓷材料不仅具有良好的透

78、光性透明氧化铝陶瓷材料不仅具有良好的透光性,而且而且在力学、光学、热学、电学等诸多性能方面优于在力学、光学、热学、电学等诸多性能方面优于不透明陶瓷不透明陶瓷,在光学、照明技术、高温技术、激光在光学、照明技术、高温技术、激光技术及特种仪器制造等领域具有特殊的用途。技术及特种仪器制造等领域具有特殊的用途。透明陶瓷透明陶瓷 介电材料与器件介电材料与器件 127已已研研制制出出的的透透明明陶陶瓷瓷有有：Al2O3，Y2O3，PLZT，ThO2，HfO2，BeO，GaAs，ZnS，CdTe等。等。透明陶瓷的要求：透明陶瓷的要求：优良的介电性能，透光率高，材料高度均匀优良的介电性能，透光率高，材料高度均匀

79、 介电材料与器件介电材料与器件 128应用应用利利用用透透明明陶陶瓷瓷的的高高温温耐耐腐腐蚀蚀性性,制制备备了了高高压压钠钠灯灯、铯铯灯灯、钾灯等新型灯具钾灯等新型灯具利用高强度和红外性能利用高强度和红外性能,制作导弹头部的红外线整流罩制作导弹头部的红外线整流罩利利用用透透光光性性、耐耐高高温温性性，制制作作电电焊焊面面罩罩及及核核试试验验中中的的人人体保护罩体保护罩;利用透光性、高密度利用透光性、高密度,制成具有高表面光洁度的制品。制成具有高表面光洁度的制品。军军事事工工业业中中,透透明明陶陶瓷瓷还还用用来来制制成成透透明明防防弹弹材材料料。美美国国利利用用透透明明陶陶瓷瓷代代替替传传统统的

80、的多多层层玻玻璃璃透透明明件件作作为为透透明明装装甲甲材材料料,开开辟辟了了透透明明陶陶瓷瓷的的新新用用途途。替替代代的的材材料料不不仅仅在在透透明明度度上上有有大大幅幅度度提提高高,而而且且重重量量更更轻轻、强强度度更更高高、耐耐久久性性更好、抗穿透和抗划伤能力更强。更好、抗穿透和抗划伤能力更强。 介电材料与器件介电材料与器件 129另另外外,在在电电子子工工业业中中,它它被被用用来来制制造造印印刷刷线线路路的基板和镂板的基板和镂板;在在化化学学工工业业中中,它它用用来来替替代代不不锈锈钢钢,具具有有很很高的耐磨蚀性能高的耐磨蚀性能;在在仪仪表表工工业业上上,它它可可代代替替贵贵重重的的红红

81、宝宝石石,大大大大降低了成本降低了成本;在在日日常常生生活活中中,它它还还可可以以用用来来制制作作高高级级餐餐具具、器皿等。器皿等。 介电材料与器件介电材料与器件 130(一一)影响陶瓷透明的因数：影响陶瓷透明的因数：陶瓷的光散射因子陶瓷的光散射因子光光散散射射因因子子:光光线线被被各各种种物物质质内内的的结结构构不不均均匀匀区区域域散射中心而散射。在散射中心而散射。在陶瓷中，光散射因子有陶瓷中，光散射因子有：由由杂杂质质和和添添加加物物析析出出的的不不同同相相，以以及及烧烧结结过过程程中中剩剩余气孔所引起的散射；余气孔所引起的散射；陶瓷的晶界等所引起的反射。陶瓷的晶界等所引起的反射。 介电材

82、料与器件介电材料与器件 131（二）烧结与陶瓷透明化（二）烧结与陶瓷透明化除除去去陶陶瓷瓷中中的的光光散散射射中中心心气气孔孔，烧烧结结成成接接近近理理论密度的陶瓷。论密度的陶瓷。从从减减小小与与烧烧结结过过程程有有关关的的吸吸收收和和散散射射着着手手，控控制制原原材材料料的的纯纯度度、粒粒度度和和活活性性；添添加加物物的的种种类类和数量；烧成制度及烧结气氛等。和数量；烧成制度及烧结气氛等。 介电材料与器件介电材料与器件 132原原材材料料。尽尽量量避避免免混混入入形形成成可可见见光光吸吸收收体的离子，采用高纯度粉料。体的离子，采用高纯度粉料。杂杂质质不不仅仅与与光光的的吸吸收收有有关关，而而

83、且且还还在在陶陶瓷瓷结结构构中形成夹杂物和析出相，使散射系数变大。中形成夹杂物和析出相，使散射系数变大。为为减减少少气气孔孔，选选择择的的原原材材料料必必须须是是活活性性高高、细细度度高高、烧烧结结性性好好的的粉粉料料。如如用用采采用用化化学学共共沉沉淀淀法。法。 介电材料与器件介电材料与器件 133添加物添加物添加物对透明陶瓷的影响：添加物对透明陶瓷的影响：引引起起晶晶界界偏偏析析，抑抑制制晶晶界界的的移移动动速速度度，阻止晶粒长大；阻止晶粒长大；形成液相，通过液相烧结促进致密化；形成液相，通过液相烧结促进致密化；使离子晶体的主晶相的结构缺陷改变。使离子晶体的主晶相的结构缺陷改变。 介电材料

84、与器件介电材料与器件 134(1)加加入入添添加加物物抑抑制制晶晶界界的的移移动动速速度度，对对于于烧烧结结透透明明陶瓷有利陶瓷有利,添加量的多少决定于陶瓷主体的固溶度。添加量的多少决定于陶瓷主体的固溶度。一一般般体体积积扩扩散散的的速速度度比比晶晶界界扩扩散散慢慢，所所以以从从扩扩散散的的角角度度出出发烧结中晶粒越小，气孔的消失就越快，烧结体越致密。发烧结中晶粒越小，气孔的消失就越快，烧结体越致密。对对于于超超过过固固溶溶限限时时，过过剩剩的的溶溶质质原原子子残残留留在在晶晶界界上上，增增加加了陶瓷的不均匀性，使散射增大。了陶瓷的不均匀性，使散射增大。 介电材料与器件介电材料与器件 135(

85、2)形成液相，促进陶瓷致密化。如在形成液相，促进陶瓷致密化。如在MgO,Y2O3中添加中添加LiF以及在以及在PLZT中添加中添加PbO等。等。添加物在烧结过程形成液相，润湿固体粒子表面，引添加物在烧结过程形成液相，润湿固体粒子表面，引起各粒子重新排列，进一步通过固相成分的溶入、析起各粒子重新排列，进一步通过固相成分的溶入、析出过程使它致密化。出过程使它致密化。(3)通过添加与陶瓷主体组成的离子价不同的元素，通过添加与陶瓷主体组成的离子价不同的元素，改变主晶相缺陷浓度。改变主晶相缺陷浓度。综上所述，都是增大扩散系数提高陶瓷密度。综上所述，都是增大扩散系数提高陶瓷密度。 介电材料与器件介电材料与

86、器件 136烧结温度、时间、压力和气氛的影响。烧结温度、时间、压力和气氛的影响。烧结温度和时间是在普通烧结或是热压烧结中烧结温度和时间是在普通烧结或是热压烧结中都是影响烧结体中气孔量的重要因素。都是影响烧结体中气孔量的重要因素。烧结温度高、烧结时间长，陶瓷的透光率就越烧结温度高、烧结时间长，陶瓷的透光率就越高。高。烧结气氛也直接影响陶瓷体中剩余气孔，必须烧结气氛也直接影响陶瓷体中剩余气孔，必须根据陶瓷的种类来选择恰当的气氛根据陶瓷的种类来选择恰当的气氛 介电材料与器件介电材料与器件 137烧结气氛的影响烧结气氛的影响还还原原气气氛氛烧烧结结，因因为为氢氢的的原原子子半半径径小小，在在烧烧结结过

87、过程程中中容容易易向向系系统统外外扩扩散散，在在Al2O3瓷瓷中中产产生生氧氧缺位时，亦有增大空位扩散速率的效果。缺位时，亦有增大空位扩散速率的效果。真真空空烧烧结结，使使气气孔孔内内不不存存在在气气体体，当当然然很很容容易易消消除除气气孔孔。同同时时蒸蒸发发掉掉烧烧成成后后不不需需要要的的添添加加物物（如在（如在MgO，Y2O3中的中的LiF）。）。 介电材料与器件介电材料与器件 138陶瓷中的剩余气孔完全去除往往非常困难。由气孔引陶瓷中的剩余气孔完全去除往往非常困难。由气孔引起的光散射，当气孔的大小在波长以下时，其散射系起的光散射，当气孔的大小在波长以下时，其散射系数与气孔孔径的数与气孔孔

88、径的6次方成正比。孔径愈小，光散射就明次方成正比。孔径愈小，光散射就明显降低。近年来烧成透光的多孔显降低。近年来烧成透光的多孔Al2O3瓷（气孔率瓷（气孔率63），这种陶瓷的气孔在，这种陶瓷的气孔在10nm以下，由于散射系数显著变以下，由于散射系数显著变小才显示透光性。小才显示透光性。 介电材料与器件介电材料与器件 139（三）光学各向异性和透明化（三）光学各向异性和透明化光光学学各各向向异异性性（双双折折射射n）陶陶瓷瓷的的透透光光性性和和透透明明度度决决定定于于光光学学各各向向异异性性所所造造成成的的折折射射率率不不连续界面上的散射。连续界面上的散射。为为减减小小散散射射，必必须须通通过过

89、添添加加物物的的固固溶溶作作用用，合合成结构接近光学各向同性的物质成结构接近光学各向同性的物质。例如，。例如，在在(Pb,K)(Zr,Ti,Nb)O3等等组组成成中中，将将居居里里温温度度降降到到室室温温附附近近，减减小小各各向向异异性性的的方方法法来来谋谋求求透透明明化化;用用扩扩散散相相变变方方法法减减小小各各向向异异性性得得到到透透明明的的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3。 介电材料与器件介电材料与器件 140几种主要的透明陶瓷几种主要的透明陶瓷透明氧化铝瓷。透明氧化铝瓷。主要作用高压钠灯灯管，需在主要作用高压钠灯灯管，需在1400高温工作，在高高温工作，在高腐蚀环境下需工作几千小时，其

90、添加物的种类、含量腐蚀环境下需工作几千小时，其添加物的种类、含量以及烧结温度、球磨时间、压制的压力和烧结气氛等以及烧结温度、球磨时间、压制的压力和烧结气氛等等都对其透光率有影响等都对其透光率有影响作为高压钠灯管，工作期间由于作为高压钠灯管，工作期间由于Al2O3的蒸发，在管壳的蒸发，在管壳内表面上将产生黑色沉淀物（铝膜），影响钠灯的发内表面上将产生黑色沉淀物（铝膜），影响钠灯的发光效率。一般灯泡的寿命为光效率。一般灯泡的寿命为2000h，最佳有利管壁温度，最佳有利管壁温度控制到控制到1200左右，温度再高，左右，温度再高，Al2O3就会以很大的速就会以很大的速度蒸发度蒸发增高壁温来提高钠灯的效

91、率，必须寻找耐高温性能更增高壁温来提高钠灯的效率，必须寻找耐高温性能更好的材料。好的材料。 介电材料与器件介电材料与器件 141透明氧化钇瓷。透明氧化钇瓷。Y2O3的熔点高，在相同温度下，其蒸气压比的熔点高，在相同温度下，其蒸气压比Al2O3低，低，可容许相当高的壁温，有很高的透光率，热力学稳定可容许相当高的壁温，有很高的透光率，热力学稳定性好，能在高压钠灯的环境中很好的工作。性好，能在高压钠灯的环境中很好的工作。空气的折射率（空气的折射率（n=1）与）与Y2O3（n=1.93）相差很大，气）相差很大，气孔对光的散射严重影响。孔对光的散射严重影响。透透明明氧氧化化钇钇瓷瓷不不发发生生透透明明氧

92、氧化化铝铝瓷瓷中中Al2O3蒸蒸发发的的问问题题，且且在在熔熔点点、化化学学稳稳定定性性、耐耐钠钠离离子子腐腐蚀蚀性性、热热中中子子吸吸收收性性、透透光光性性等等方方面面均均比比氧氧化化铝铝瓷瓷优优越越，同同时时氧氧化化钇钇瓷瓷透透光光范范围围宽宽（2411）,折折射射性性高高（n=1.93），所所以以除除作作高高压压钠钠灯灯管管外外，还还能能作作电电子子炉炉用用材材料料，火火箭箭导导弹弹的的红外窗，高强度辉光灯管，晶体激光器材料等。红外窗，高强度辉光灯管，晶体激光器材料等。 介电材料与器件介电材料与器件 142透明氧化镁瓷。透明氧化镁瓷。在在MgO中添加中添加1LiF，能在较低压力下热压出半

93、透明，能在较低压力下热压出半透明制品来，如制品来，如750和和850分解的粉料，添加分解的粉料，添加1LiF，则在则在700热压时只用热压时只用1010Pa的压力就能得到半透明制的压力就能得到半透明制品。透明品。透明MgO陶瓷的透射率比陶瓷的透射率比Al2O3高，达高，达99以上。以上。在在MgO中添加中添加Se2O3能制得透明管，已用作高压钠灯灯能制得透明管，已用作高压钠灯灯管。管。由于透明陶瓷多数是熔点在由于透明陶瓷多数是熔点在2000以上的高温材以上的高温材料，当它具有透光性后，可用于要求耐热高的宇料，当它具有透光性后，可用于要求耐热高的宇宙飞船视窗、高温炉窗、激光分光器盒、高温透宙飞船

94、视窗、高温炉窗、激光分光器盒、高温透镜等，是很有生命力的一类材料。镜等，是很有生命力的一类材料。 介电材料与器件介电材料与器件 143激光透明陶瓷激光透明陶瓷国家自然科学基金重大项目：国家自然科学基金重大项目：“透明陶瓷的制备与光功能调控相关基础透明陶瓷的制备与光功能调控相关基础科学问题科学问题”“透明陶瓷激光介质材料制备与性能调控透明陶瓷激光介质材料制备与性能调控” 介电材料与器件介电材料与器件 144（一）透明陶瓷激光材（一）透明陶瓷激光材料的设计与计算料的设计与计算建立陶瓷激光介质材料的掺杂、微观缺陷、建立陶瓷激光介质材料的掺杂、微观缺陷、光学、激光特性和相关热物理性能的模型，光学、激光

95、特性和相关热物理性能的模型，计算透明激光陶瓷的微观结构、掺杂元素计算透明激光陶瓷的微观结构、掺杂元素的种类与分布对材料光性能的影响；基于的种类与分布对材料光性能的影响；基于陶瓷固体激光器的特殊结构设计建立成型陶瓷固体激光器的特殊结构设计建立成型与烧结的数学模型；为激光陶瓷材料的性与烧结的数学模型；为激光陶瓷材料的性能设计和新材料探索提供基础。能设计和新材料探索提供基础。 介电材料与器件介电材料与器件 145（二）高纯、单分散、均匀掺杂、（二）高纯、单分散、均匀掺杂、高烧结活性纳米粉体的可控制备高烧结活性纳米粉体的可控制备揭示和分析非化学剂量比缺陷（例如反位揭示和分析非化学剂量比缺陷（例如反位缺

96、陷和掺杂多位缺陷等）的形成机制，探缺陷和掺杂多位缺陷等）的形成机制，探索高纯、均匀掺杂和化学剂量比的单分散索高纯、均匀掺杂和化学剂量比的单分散球形超微粉体的可控合成途径；研究粉体球形超微粉体的可控合成途径；研究粉体形貌和晶体结构特性对透明陶瓷制备过程形貌和晶体结构特性对透明陶瓷制备过程中微结构的形成和演变的影响规律。中微结构的形成和演变的影响规律。 介电材料与器件介电材料与器件 146（三）透明陶瓷激光材料的制备和（三）透明陶瓷激光材料的制备和微结构调控微结构调控研究掺杂、晶界相对微结构形成与性能影研究掺杂、晶界相对微结构形成与性能影响规律；成型、烧结技术与微结构的形成响规律；成型、烧结技术与

97、微结构的形成规律；高透光、高致密微结构实现中的反规律；高透光、高致密微结构实现中的反应动力学与热力学规律；均匀及非均匀梯应动力学与热力学规律；均匀及非均匀梯度掺杂、多掺杂及复合结构对材料激光与度掺杂、多掺杂及复合结构对材料激光与光热性能的影响规律。光热性能的影响规律。 介电材料与器件介电材料与器件 147（四）纳、微米尺度多晶体（四）纳、微米尺度多晶体系光物理机理系光物理机理研究晶粒与晶界的尺寸对光学性能的影响研究晶粒与晶界的尺寸对光学性能的影响规律；纳微尺度上不同有序度结构的光散规律；纳微尺度上不同有序度结构的光散射、吸收及发射特性；缺陷种类与分布对射、吸收及发射特性；缺陷种类与分布对光学性

98、能的影响规律；不同晶系的陶瓷材光学性能的影响规律；不同晶系的陶瓷材料的多样性微结构、界面特征对光性能的料的多样性微结构、界面特征对光性能的影响影响;透明陶瓷中激活离子的种类、掺杂量透明陶瓷中激活离子的种类、掺杂量与分布状态对激光的产生及其影响规律。与分布状态对激光的产生及其影响规律。 介电材料与器件介电材料与器件 148（五）透明陶瓷激光材料的特性表（五）透明陶瓷激光材料的特性表征和应用前景评估征和应用前景评估配合材料制备，通过和同类激光晶体的比配合材料制备，通过和同类激光晶体的比较，开展宏观散射和吸收特性的表征；探较，开展宏观散射和吸收特性的表征；探索材料新结构（复合结构等）和新泵浦方索材料

99、新结构（复合结构等）和新泵浦方式（低量子亏损泵浦等）与激光输出特性式（低量子亏损泵浦等）与激光输出特性的关系，由此发展适合激光陶瓷材料的先的关系，由此发展适合激光陶瓷材料的先进评估手段；在进评估手段；在kW级固体激光平台上，择级固体激光平台上，择优开展激光输出性能和应用前景评估，为优开展激光输出性能和应用前景评估，为材料的研制及其应用提供参考和依据。材料的研制及其应用提供参考和依据。 介电材料与器件介电材料与器件 149激光陶瓷激光陶瓷 介电材料与器件介电材料与器件 150激光陶瓷激光陶瓷优势：大尺寸；易掺杂优势：大尺寸；易掺杂 介电材料与器件介电材料与器件 151 介电材料与器件介电材料与器

100、件 152透微波材料透微波材料天线窗天线窗和和天线罩天线罩透波材料是飞行器眼睛的重要组成部分。透波材料是飞行器眼睛的重要组成部分。性能要求性能要求：防热隔热；承载；抗冲击；透波；耐候；气密防热隔热；承载；抗冲击；透波；耐候；气密 介电材料与器件介电材料与器件 153高速飞行器几种透波材料高速飞行器几种透波材料二氧化硅二氧化硅体系，主要为石英玻璃，石英陶瓷材料与硅质纤体系，主要为石英玻璃，石英陶瓷材料与硅质纤维织物增强二氧化硅基复合材料；维织物增强二氧化硅基复合材料；氮化硼氮化硼体系，主要为氮化硼陶瓷与氮化硼体系，主要为氮化硼陶瓷与氮化硼/二氧化硅复相二氧化硅复相陶瓷；陶瓷；氮化硅氮化硅体系，主

101、要为单相和复相的氮化硅陶瓷和硅氧氮陶体系，主要为单相和复相的氮化硅陶瓷和硅氧氮陶瓷；瓷；磷酸盐磷酸盐体系，主要为硅质纤维增强磷酸铝，磷酸铬等体系，主要为硅质纤维增强磷酸铝，磷酸铬等有机硅树脂有机硅树脂体系，主要为硅质纤维或织物增强有机硅树脂。体系，主要为硅质纤维或织物增强有机硅树脂。 介电材料与器件介电材料与器件 154天线罩设计天线罩设计良好的气动外形，气动阻力小，能减少气动加热良好的气动外形，气动阻力小，能减少气动加热而且结构的热防护性好。而且结构的热防护性好。透波性好，还要求电磁波透过时畸变尽可能小。透波性好，还要求电磁波透过时畸变尽可能小。具有足够的强度和刚度，应有密封措施。具有足够的

102、强度和刚度，应有密封措施。为了有效地通过电磁能量，天线罩的材料必须选为了有效地通过电磁能量，天线罩的材料必须选用透波的介电材料，且具有较高的强度特性。目用透波的介电材料，且具有较高的强度特性。目前应用最多的材料前应用最多的材料玻璃钢、陶瓷塑料、微晶玻璃、石英玻璃、有机玻璃、玻璃钢、陶瓷塑料、微晶玻璃、石英玻璃、有机玻璃、陶瓷材料陶瓷材料 每种材料都有具体的适用范围。每种材料都有具体的适用范围。 介电材料与器件介电材料与器件 155天线罩的结构防空导弹大型透波天线罩结构 介电材料与器件介电材料与器件 156 介电材料与器件介电材料与器件 157天线罩材料天线罩材料材料的材料的介电性能介电性能(介

103、电常数和损耗角正切介电常数和损耗角正切)直接影响直接影响天线罩的电性能天线罩的电性能,是选择材料的重要依据。是选择材料的重要依据。损耗角正切损耗角正切(tg)越大越大,电磁波能量透过天线罩过程电磁波能量透过天线罩过程中转化为热量而损耗掉的能量就越多。中转化为热量而损耗掉的能量就越多。介电常数介电常数()越大越大,则电磁波在空气与天线罩壁分界则电磁波在空气与天线罩壁分界面上的反射就越大面上的反射就越大,这将降低传输效率。这将降低传输效率。因此因此,要求天线罩材料的损耗角正切低至接近于零要求天线罩材料的损耗角正切低至接近于零,介电常数尽可能小介电常数尽可能小,以达到以达到“最大传输最大传输”和和“

104、最小最小反射反射”的目的。的目的。低介电常数低介电常数的材料还能给天线罩带来宽频带响应的材料还能给天线罩带来宽频带响应,允许放宽壁厚公差允许放宽壁厚公差,从而降低制造成本。从而降低制造成本。 介电材料与器件介电材料与器件 158由于飞行中的天线罩要承受由空气动力和纵向或由于飞行中的天线罩要承受由空气动力和纵向或横向加速度引起的机械应力横向加速度引起的机械应力,因此要求天线罩材料因此要求天线罩材料在满足对其耐热性能和介电性能要求的同时在满足对其耐热性能和介电性能要求的同时,必须必须具有足够的力学性能和抗雨蚀的能力具有足够的力学性能和抗雨蚀的能力;超音速导弹飞行时的气动加热超音速导弹飞行时的气动加

105、热,会在天线罩罩壁上会在天线罩罩壁上产生一个很高的升温速率产生一个很高的升温速率,在沿天线罩轴线方向和在沿天线罩轴线方向和罩壁的法线方向形成二个温度梯度罩壁的法线方向形成二个温度梯度,从而在天线罩从而在天线罩的内部产生一个很大的热应力的内部产生一个很大的热应力,因此天线罩材料必因此天线罩材料必须具有很低的热膨胀系数和优良的抗热冲击的能须具有很低的热膨胀系数和优良的抗热冲击的能力。力。 介电材料与器件介电材料与器件 159除了要考虑材料的高温介电性能能否满足除了要考虑材料的高温介电性能能否满足使用要求外使用要求外,还要考虑材料的防热性能和高还要考虑材料的防热性能和高温承载性能能否满足要求。温承载

106、性能能否满足要求。在高温作用下在高温作用下,材料性能会发生改变材料性能会发生改变,如组织如组织结构改变结构改变,反应引起化学成分改变反应引起化学成分改变,组分质量组分质量比改变比改变,材料热物理性改变等。材料热物理性改变等。 介电材料与器件介电材料与器件 160随随着着航航空空航航天天技技术术的的发发展展,选选用用作作天天线线罩罩的的透透微微波波陶瓷材料经过了如下的发展路线陶瓷材料经过了如下的发展路线:纤纤维维增增强强塑塑料料-氧氧化化铝铝陶陶瓷瓷-微微晶晶玻玻璃璃-石石英英陶陶瓷瓷复合材料。复合材料。目目前前各各军军事事强强国国都都在在研研制制发发展展新新型型精精确确制制导导地地/地地、地地

107、/空空、高高马马赫赫数数巡巡航航导导弹弹、反反辐辐射射和和反反弹弹道道导导弹弹,促使天线罩材料向高性能、多功能方向发展。促使天线罩材料向高性能、多功能方向发展。天天线线罩罩材材料料的的选选择择必必须须考考虑虑相相应应应应用用领领域域，如如中中程程导导弹弹机机动动飞飞行行弹弹头头由由于于飞飞行行时时间间长长，石石英英陶陶瓷瓷材材料料无无法法承承载载热热应应力力要要求求，改改用用复复合合材材料料或或复复相相陶瓷。陶瓷。 介电材料与器件介电材料与器件 161习题习题电介质材科的导热机制是什么电介质材科的导热机制是什么?高热导率晶高热导率晶体应具有结构特点体应具有结构特点?氧化铍、氮化硼瓷的特性及其优缺点氧化铍、氮化硼瓷的特性及其优缺点?Si3N，SiC瓷的特点以及优缺点？瓷的特点以及优缺点？透明陶瓷中引起光散射的因子是什么？它透明陶瓷中引起光散射的因子是什么？它们与哪些因素有关们与哪些因素有关?如何才能实现陶瓷的透如何才能实现陶瓷的透明化明化?