材料物理性能-功能陶瓷材料課件

1、主講：胡木林2008年03月材料物理性能材料物理性能功能材料q 功能陶瓷材料q 功能玻璃材料q 半導(dǎo)體材料 材料物理性能功能材料 利用陶瓷的物理性質(zhì)和對力、電、磁、熱、光和氣氛等的敏感特性，可以制成種類繁多的功能材料。功能陶瓷具有性能穩(wěn)定、可靠性好、資源豐富、成本低，易于多功能化和集成化等優(yōu)點。功能陶瓷在信息技術(shù)中占重要地位，廣泛應(yīng)用于信息的轉(zhuǎn)換、存儲、傳遞和處理。 功能陶瓷可分為一次功能材料和二次功能材料。輸入和輸出的能量形式相同，材料只起能量傳送作用時，稱為一次功能材料。輸入和輸出的能量形式不同，材料起能量轉(zhuǎn)換作用時，稱為二次功能材料。例如，絕緣陶瓷和導(dǎo)電陶瓷，利用陶瓷的電功能，鐵氧體利用

2、陶瓷的磁功能，屬一次功能材料。壓電陶瓷利用材料對機械能和電能的轉(zhuǎn)換作用，氣敏陶瓷將氣體種類或濃度轉(zhuǎn)換成電訊號，屬二次功能材料。材料物理性能功能材料 絕緣陶瓷 陶瓷存在電子式載流子和離子式載流子，絕緣陶瓷的禁帶很寬，在室溫附近電子不容易因受熱激發(fā)躍跳到導(dǎo)帶而產(chǎn)生電子導(dǎo)電。 目前大量使用的絕緣陶瓷是氧化物陶瓷，包括硅酸鹽陶瓷和純氧化物。具有高導(dǎo)熱性的氮化鋁等是有發(fā)展前景的基片和封裝材料?；头庋b材料占美國電子陶瓷市場的55。 離子電導(dǎo)率受離子的荷電量和擴散系數(shù)的影響。荷電量和體積越小的離子，越易擴散，激活能也小。堿離子，尤其是鈉離子，顯著降低陶瓷的絕緣性。 陶瓷的絕緣性還受其顯微組織的影響。陶瓷

3、的顯微組織由主晶相晶粒、材料物理性能功能材料 絕緣陶瓷晶界相和氣孔組成。將主晶相晶粒粘結(jié)起來的晶界相，通常是連續(xù)貫通，雜質(zhì)濃度高的玻璃相。主晶相晶粒和氣孔的絕緣性一般較好，因此，陶瓷的絕緣性主要取決于晶界相。為了提高絕緣性，玻璃相應(yīng)盡量由硅玻璃、硼玻璃或鋁硅玻璃，硼硅玻璃組成，避免堿金屬氧化物的存在。內(nèi)部氣孔對絕緣性影響不大，但陶瓷表面的氣孔會因吸附水或被污染而使表面絕緣性惡化。絕緣陶瓷應(yīng)選擇氣孔少，無吸水性的致密材料。陶瓷表面上釉是防止污染和吸潮的有效辦法。材料物理性能功能材料 絕緣陶瓷 對絕緣陶瓷性質(zhì)的要求是：電阻率高，介電常數(shù)小，介電損耗小，機械強度高，化學(xué)穩(wěn)定性好。對于高頻瓷，還要求熱

4、膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率高，抗熱沖擊性好。集成電路基片，要求高熱導(dǎo)率材料。 絕緣陶瓷按其化學(xué)組成，可分為氧化物和非氧化物兩大類。氧化物絕緣陶瓷多屬傳統(tǒng)硅酸鹽陶瓷，應(yīng)用廣泛，用量大。非氧化物絕緣陶瓷是近年發(fā)展起來的高熱導(dǎo)率陶瓷。材料物理性能功能材料 絕緣陶瓷材料物理性能功能材料 絕緣陶瓷絕緣陶瓷的性質(zhì)材料物理性能功能材料 絕緣陶瓷材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料 普通電瓷 瓷質(zhì)絕緣子習(xí)慣稱為電瓷。高壓電瓷、電阻瓷、日用瓷和化學(xué)瓷都屬長石硬質(zhì)瓷。它們以長石為熔劑，天然礦物粘土長石石英為原料，通常含有40一50粘土，20一30長石和20一30石英。瓷體的相組成為：45一60長石玻璃相20一40%莫

5、來石晶相，殘余石英5k一20。普通高壓瓷和用于電阻器基體的長石瓷及低堿莫來石瓷，統(tǒng)稱為普通電瓷。材料物理性能功能材料 普通電瓷材料物理性能功能材料 普通電瓷材料物理性能功能材料 普通電瓷材料物理性能功能材料 氧化鋁瓷材料物理性能功能材料 氧化鋁瓷材料物理性能功能材料 氧化鋁瓷材料物理性能功能材料 鎂質(zhì)瓷 根據(jù)主晶相，鎂質(zhì)瓷可分為滑石瓷、鎂橄欖瓷、革青石瓷和尖晶石瓷。鎂質(zhì)瓷在MgOA1203SiO2三元相圖中的組成區(qū)域。材料物理性能功能材料 鎂質(zhì)瓷鎂質(zhì)瓷的主要組成材料物理性能功能材料 鎂質(zhì)瓷 滑石瓷主晶相為原頑輝石(MgO.SiO2)，以滑石(3MgO4SiO2iH2O) 為主要原料，加入粘土和

6、碳酸鋇等.滑石瓷的介電損耗小,加工方便,成本低,適用于高頻裝置。材料物理性能功能材料 鎂質(zhì)瓷材料物理性能功能材料 基片材料和高導(dǎo)熱陶瓷陶瓷中的雜質(zhì)、晶界、氣孔和玻璃相都對熱波有干擾和散射作用，應(yīng)盡量避免。材料物理性能功能材料 基片材料和高導(dǎo)熱陶瓷材料物理性能功能材料介電、鐵電陶瓷材料物理性能功能材料 高頻介質(zhì)瓷材料物理性能功能材料 高頻介質(zhì)瓷材料物理性能功能材料 高頻介質(zhì)瓷材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料 高頻介質(zhì)瓷高頻介質(zhì)瓷的組成和電性能材料物理性能功能材料 微波介質(zhì)瓷材料物理性能功能材料 微波介質(zhì)瓷材料物理性能功能材料 微波介質(zhì)瓷微波介質(zhì)的電性能材料物理性能功能材料壓電、熱釋電陶瓷

7、 壓電陶瓷材料材料物理性能功能材料 壓電陶瓷材料材料物理性能功能材料 壓電陶瓷材料壓電陶瓷的性能材料物理性能功能材料壓電陶瓷的性能材料物理性能功能材料 熱釋電陶瓷材料材料物理性能功能材料 熱釋電陶瓷材料材料物理性能功能材料 熱釋電陶瓷材料熱釋電陶瓷的性能材料物理性能功能材料熱敏陶瓷材料物理性能功能材料 PTC熱敏電阻陶瓷材料物理性能功能材料 NTC熱敏電阻陶瓷材料物理性能功能材料 臨界溫度電阻陶瓷材料物理性能功能材料壓敏陶瓷 壓敏電阻器是一種電阻值對外加電壓敏感的電子元件，又稱變阻器。一般固定電阻器在工作電壓范圍內(nèi)，其電阻值是恒定的，電壓、電流和電阻三者間的關(guān)系服從歐姆定律，Iv特性是一條直線

8、。壓敏電阻器的電阻值在一定電流范圍內(nèi)是可變的。隨著電壓的提高，電阻值下降，小的電壓增量可引起很大的電流增量，Iv特性不是一條直線。因此，壓敏電阻也稱為非線性電阻。材料物理性能功能材料壓敏陶瓷材料物理性能功能材料氣敏陶瓷材料物理性能功能材料濕敏陶瓷導(dǎo)電陶瓷材料物理性能功能材料 光電子功能玻璃材料 光電子功能玻璃材料指光電子技術(shù)中所需的功能玻璃材料。光電子學(xué)是繼電子學(xué)、微電子學(xué)之后發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。60年代激光器的出現(xiàn)促進(jìn)了光電子技術(shù)的形成和發(fā)展，目前，激光技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合，成為最有發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)。光電子技術(shù)主要研究光子和電子的產(chǎn)生、相互作用和轉(zhuǎn)換的規(guī)律及其應(yīng)用。目前，已有多種功能玻

9、璃材料被應(yīng)用于光電子技術(shù)。例如，能產(chǎn)生高能量激光的激光玻璃，能對激光的強度、相位和偏振態(tài)進(jìn)行控制的聲光玻璃和磁光玻璃，以及能傳輸激光、并能實現(xiàn)光信息檢測的玻璃光纖。材料物理性能功能材料 激光玻璃 早在激光器產(chǎn)生的第二年，摻釹離子的玻璃材料就被發(fā)現(xiàn)是一種優(yōu)秀的激光材料，用于制成固體激光器。激光材料能將多種泵浦能量(主要是光能)通過其所含的激活離子的受激輻射作用，轉(zhuǎn)變成單色性好、相干性好、功率密度高的激光。固體激光材料是目前應(yīng)用得最廣的激光材料，主要有激光晶體(包括半導(dǎo)體激光晶體)和激光玻璃兩類固體激光材料。材料物理性能功能材料玻璃中的激活離子材料物理性能功能材料 聲光玻璃 聲光效應(yīng)又稱為彈光效應(yīng)

10、，它描述在介質(zhì)中有聲波(或稱為彈性波)場時，所通過的光波受到聲波場的衍射而使其強度、相位及傳播方向都被聲波場所帶有的信號調(diào)制的現(xiàn)象。原則上說，任何一種對光波和聲波都“透明”(即低損耗)的介質(zhì)，無論是液體或固體，都能產(chǎn)生聲光效應(yīng)，其區(qū)別僅在于聲光效應(yīng)的大小。因此聲光介質(zhì)種類很多，良莠各異。材料物理性能功能材料 磁光玻璃 磁光玻璃是指具有強的磁光效應(yīng)的玻璃材料。磁光效應(yīng)是介質(zhì)在磁場的作用下產(chǎn)生光學(xué)各向異性變化的物理效應(yīng)；所用磁場可以是介質(zhì)本身的固有磁矩的磁場，包可以是外磁場作用的感生磁場。滋光效應(yīng)是一種十分奇特的物理效應(yīng)：任何介質(zhì)，無論是氣體、液體或固體，無論是晶態(tài)、多晶或非晶態(tài)，無論是抗磁、順磁

11、或鐵磁物質(zhì)，它們都具有磁光效應(yīng)；磁光效應(yīng)源于磁感生的光學(xué)各向異性，它使光波呈現(xiàn)反射率、透過率、偏振態(tài)各種復(fù)雜的變化，從而派生出多種子效應(yīng)。磁光玻璃是最早被發(fā)現(xiàn)的磁光材料，也是目前可供實用的極少數(shù)幾種磁光材料之一。材料物理性能功能材料 玻璃光纖材料 很早人們就發(fā)現(xiàn)了光的波導(dǎo)現(xiàn)象：光可以在彎曲的水柱內(nèi)傳播，而不會在中途逸出；如果用透明的玻璃絲代替水柱，光波也會被限制在可彎曲的玻璃絲內(nèi)，只要玻璃絲足夠長，光波就會幾乎無損耗地傳輸?shù)讲ＡЫz所能達(dá)到的任何位置。玻璃光纖傳光效率高、集光能力強、抗電磁干擾、耐腐蝕、可彎曲、資源豐富、成本低廉，是一種優(yōu)秀的光傳輸元件。早期的玻璃光纖主要作醫(yī)用內(nèi)窺鏡，它由多根光

12、纖甚至還有微型手術(shù)刀等部件組成，可對呼吸道、胸腔和腹腔多數(shù)臟器進(jìn)行病理診斷及簡單的手術(shù)治療，是近代醫(yī)用重要光學(xué)器械。60年代激光技術(shù)發(fā)展后，利用光纖發(fā)展了光通訊技術(shù)，形成了對光纖研究和開發(fā)的熱潮。材料物理性能功能材料 玻璃光纖除大量應(yīng)用于光通訊外，還可作為熱、力、電、磁等多種物理量的靈敏傳感器，制作成抗干擾性能好、可作遠(yuǎn)距離測量的多種儀器，這些儀器可以在高壓大電流、強電磁干擾、易燃易爆等惡劣的環(huán)境下使用，推動了現(xiàn)代測試儀器的革新?lián)Q代。材料物理性能功能材料光學(xué)玻璃材料 光學(xué)玻璃品牌很多，性能及應(yīng)用也各不相同。經(jīng)常被用作各種光學(xué)儀器的光學(xué)玻璃主要有無色光學(xué)玻璃、濾色玻璃、耐輻照玻璃和光色玻璃等幾種。電介質(zhì)玻璃材料材料物理性能功能材料硅材料 硅是當(dāng)前最重要，產(chǎn)量最大，發(fā)展最快，用途最廣的半導(dǎo)體材料，95以上的半導(dǎo)體器件是用硅材料制作的。 硅晶體具有灰色金屬光澤，硬而脆，熔點1420C，室溫下本征電阻率為2.3l05cm。常溫下硅的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定