电子陶瓷材料1 绪论

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1、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。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、玻陶瓷是一个复杂的多晶多相系统，一般由结晶相、玻璃相、气相和相界交织而成。璃相、气

2、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。直结晶相：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阵规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。则排列，是单晶。 主晶相决定了材料的性能：介电常数，电导率，损耗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相。和热膨胀系数。电子陶瓷大都选用氧化物为主晶相。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的一种低温可以熔融的化合物。作用是填充晶粒之间的空隙，将晶粒紧密联结成一个整体，降低坯体烧成温空隙，将晶粒紧密联结成一个

3、整体，降低坯体烧成温度，阻止晶型转变，在一定条件下，可以抑制晶粒生度，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过渡晶界长，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。相一起统称为晶粒间界。晶粒之间的固体物质，晶粒之间的固体物质，原子不规则排列。原子不规则排列。气相气相 晶粒之间玻璃相填充不到的部分，是气体占据晶粒之间玻璃相填充不到的部分，是气体占据的部分。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、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

4、 机电、热电、光电、磁电耦合机电、热电、光电、磁电耦合 介电性能是功能陶瓷的基本性能，反映的是极化强度对弱电场的响应 高介电常数电介质陶瓷高比容电容器和微波介质陶瓷器件 感应极化的产生及随外场（温度、电场等）的变化电介质物理学的研究核心直接效应直接效应 铁电体的极化反转特性铁电薄膜存储器的应用基础 铁电体的电学非线性电控调谐器件的应用基础 铁氧体的磁学非线性磁控调谐器件 半导电性与环境气氛的依赖性各种化学、生物传感器 电性离子、电子导电性新型电池 超导电性高温超导器件、微波器件等直接效应直接效应热-电耦合效应：热释电效应-红外传感器的应用基础 PTC PTC 、 NTCNTC效应等-热敏陶瓷器

5、件光-电耦合效应：电光效应-电光显示和调控器件应用 电控可变光散射，电控可变双折射效应机-电耦合效应：电致伸缩效应和压电效应-压电陶瓷器件场致相变效应：压强诱导铁电-反铁电相变-爆电换能 电场诱导反铁电-铁电相变-机电换能磁电耦合效应：磁电转换-磁电转换耦合效应 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。应用特点应用特点主要分类主要分类电

6、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、单晶体结构陶瓷：结构陶瓷： 在电子元件，器件，部件和电

7、路中作基体、外壳，固在电子元件，器件，部件和电路中作基体、外壳，固定件和绝缘部件。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：结构陶瓷功能陶瓷的发展趋势功能陶瓷的发展趋势(1) (1) 表面组装技术表面组装技术(SMT) (SMT) 推动功能陶瓷元件

8、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 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

9、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2 功能陶瓷的基本性能功能陶瓷的基本性能 2.1 电学性能电学性能 2.2 力学性能力学性能 2.3 热学性能热学性能 2.4 光学性能光学性能 2.5 磁学性能磁学性能 2.6 耦合性能耦合性能2.1 2.1 电学性能电学性能 2.1.1 电导率电导率 2.1.2 介电常数介电常数 2.1.3 介质损耗介质损耗 2.1.4 绝缘强度绝缘强度基本电学性能：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，介电常数电子陶瓷的电学性质电子陶瓷的电

10、学性质 物质基本电学性质：物质基本电学性质：传导电流传导电流和和被电场感应被电场感应 物质物质传导电流传导电流的现象用下式描述：的现象用下式描述： 式中式中 J为电流密度矢量；为电流密度矢量；E为电场强度矢量；为电场强度矢量； 为电导率为张量。为电导率为张量。EJ 被电场感应的性质，通常可用下式描述：被电场感应的性质，通常可用下式描述： 式中式中 D为电位移，一般为矢量；为电位移，一般为矢量； 为介电常数，一般为张量。为介电常数，一般为张量。 电导率电导率(electrical conductivity)和和介电常数介电常数(dielectric constant)是描写电子陶瓷的电学性是描写

11、电子陶瓷的电学性质的两个最基本的电学参数。质的两个最基本的电学参数。ED2.1.1 2.1.1 电导率电导率JE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）电子陶瓷的导电性能电子陶瓷的导电性能大部分陶瓷的禁带宽度宽，为绝缘材料，例如氧大部分陶瓷的禁带宽度宽，为绝缘材料，例如氧化铝、氧化硅、氮化硅等。化铝、氧化硅、氮化硅等。如果对绝缘陶瓷进行掺杂，或者制