【大學】電子陶瓷材料

第九章

電子陶瓷材料整理課件9.1概述陶瓷一詞來源于希臘文keramos，指采用制粉、成型、燒結及表面處理后得到的無機非金屬材料的總稱。電子陶瓷材料則是指用于電子技術中的各種功能陶瓷材料。具有優(yōu)越的電學性質、力學性質、光學性質和熱學性質。在電子、通信、自動控制、計算機、激光、醫(yī)療、機械、汽車、航空、航天、核技術和生物技術等眾多高技術領域中得到廣泛應用。其不足之處主要表現在韌性較差，抗沖擊強度低，而且比重大，此外延展性差。整理課件9.2陶瓷材料的結構和性質1陶瓷材料的結構結晶陶瓷非晶陶瓷玻璃陶瓷圖9.1結晶陶瓷材料的典型晶體結構整理課件9.2陶瓷材料的結構和性質1陶瓷材料的結構圖9.2結晶態(tài)與玻璃體硅酸鹽結構的比較整理課件9.2陶瓷材料的結構和性質1陶瓷材料的結構陶瓷的微觀結構1)晶相2)玻璃相3)晶界4)氣相陶瓷的微觀結構決定了材料的一系列力學性能和電學性能。晶粒組成的一致性好，微細晶粒的均勻分布以及致密的燒結體，可使陶瓷的機械強度和介電性能達到預期的效果。整理課件9.2陶瓷材料的結構和性質2陶瓷材料的性質許多陶瓷材料同時具有離子鍵和共價鍵——由于離子鍵的存在而導致的陶瓷材料具有可見光可以完全透過、可吸收紅外光、低溫時導電性較低、高溫時具有離子導電性等特性?！捎诠矁r鍵具有方向性，從而導致物質無法緊密堆積，對陶瓷材料的密度和熱膨脹會有明顯的影響。陶瓷是由晶粒、晶界、氣孔組成的多相系統——這些功能材料的應用特性雖然與晶粒本身性質有關，但更主要是利用晶界及陶瓷表面的特性，這是單晶體所不及的。整理課件9.3電子陶瓷的制備電子陶瓷材料通常的工藝流程(1)制粉(2)成型(3)燒結(4)表面金屬化材料的固有性能由化合物組成所決定，化合物的性能是固有的，當其組成固定時，幾乎不受外來影響。但陶瓷材料的組成在很大程度上是不固定的，通過不同的工藝路線改變顯微結構會使材料的性能發(fā)生根大的變化。整理課件9.4敏感陶瓷1熱敏陶瓷正溫度系數(PTC)熱敏陶瓷負溫度系數(NTC)熱敏陶瓷臨界溫度系數(CTR)熱敏陶瓷所謂敏感陶瓷，主要是指導電性介于導體和絕緣體之間的半導體陶瓷材料，其電導率往往與溫度、濕度、光照、磁場、電場、氣體環(huán)境等物理因素有關。整理課件9.4敏感陶瓷PTC熱敏陶瓷PTC陶瓷在溫度低于居里點時為良導體，電阻率約為10~102Ωcm，溫度高于居里點時電阻值急劇升高，升高范圍可達3~8個數量級。摻入不同的雜質，可使PTC陶瓷材料的居里點按要求發(fā)生移動，從而滿足不同的需求。整理課件9.4敏感陶瓷PTC熱敏陶瓷圖9.10PTC熱敏電阻的電阻-溫度特性曲線圖9.11PTC熱敏電阻的靜態(tài)伏-安特性整理課件9.4敏感陶瓷PTC熱敏陶瓷圖9.12不同k值的PTC熱敏電阻的電流-時間特性曲線整理課件9.4敏感陶瓷NTC熱敏陶瓷NTC熱敏電阻的基本特征參數有標準阻值R25、熱敏常數B等。標準阻值是指熱敏陶瓷在25℃時的阻值。在25℃時，電阻值的變化不超過0.1%時所測得的電阻值。圖9.13NTC熱敏電阻的U-I特性整理課件9.4敏感陶瓷CRT熱敏陶瓷CRT熱敏電阻是一種具有開關特性的負溫度系數熱敏電阻?！蠽的氧化物在一定的溫度下會發(fā)生相變，從而導致電阻值出現急劇變化。由于這些材料的轉變溫度較低，例如V2O3的轉變溫度為-100℃，因此必須在低溫情況下使用。VO2的轉變溫度為+65℃，如果需要轉變溫度較高一些的CRT熱敏電阻，就必須摻雜一些氧化物(如CaO、SrO、BaO、SiO2、TiO2等)。——利用這種熱敏電阻可以制成固態(tài)無觸點開關，具有廣泛的應用前景。VO2系臨界溫度熱敏陶瓷已應用于恒溫箱溫度控制、火災報警和電路的過熱保護等。整理課件9.4敏感陶瓷2壓敏陶瓷壓敏半導體陶瓷是指電阻值與外加電壓成顯著的非線性關系的半導體陶瓷，其電阻值在一定電壓范圍內可變，加上電極，便為壓敏電阻器。圖9.15壓敏電阻器的I-V特性曲線1為ZnO壓敏陶瓷電阻的I-V特性，曲線2為SiC的壓敏陶瓷電阻器的I-V特性，曲線3為一般線性電阻器的I-V特性。a為非線性系數c稱材料常數整理課件9.4敏感陶瓷2壓敏陶瓷壓敏電阻的特性主要由非線性系數、壓敏電壓、漏電流、通流容量和電壓溫度系數等來表征。當a＝l時，是線性電阻器，a越大，則電壓增量所引起的電流相對變化越大，即壓敏性越好。c值大的壓敏電阻，在一定電流下對應的電壓也高，有時稱c值為非線性電阻值?？梢酝ㄟ^改變成分和制造工藝來調整c值大小，以適應不同工作電壓的需要。a和c值是確定擊穿區(qū)I-V特性的參數。整理課件9.4敏感陶瓷2壓敏陶瓷氧化鋅壓敏電阻由于其a值大（≥60，比SiC壓敏電阻器大10倍以上）、a值可調整、較高的通流容量，因此得到了廣泛的應用。圖9.16 ZnO壓敏陶瓷晶界相的相分布整理課件9.4敏感陶瓷3氣敏陶瓷其電阻特性主要由其晶粒之間內邊界層與晶粒之間勢壘特性所決定。一般認為氣敏半導體陶瓷的導電機理如下。對于ZnO、SnO2和Fe2O3等還原類型n型半導體陶瓷，若被吸附的氣體為氧、氯等吸引電子的氧化性氣體時，則電子從陶瓷體轉移到被吸附的氣體，使半導體空間電荷層的電子密度減小，因而半導體陶瓷的電阻率增大，電阻值增大；如果被吸附的是能提供電子的還原性氣體，如H2、CO、烷和烴等，電子將由被吸附的氣體分子向陶瓷體轉移，使n型半導體空間電荷層的電子密度增加，陶瓷體的電阻值減小。并且，這種反應是可逆的。整理課件9.4敏感陶瓷ZnO系氣敏陶瓷最初的氣敏元件就是由ZnO制成的，但ZnO氣敏元件的工作溫度較高，靈敏度和選擇性也不高，摻雜可提高對氣體的選擇性。圖9.18摻Pt的ZnO氣體元件的靈敏度圖9.19摻Pd的ZnO氣體元件的靈敏度整理課件9.4敏感陶瓷SnO2系氣敏陶瓷SnO2氣敏陶瓷對各種可燃性氣體都具有氣敏特性，其缺點是選擇性差，摻雜貴金屬Pt、Pd和Th及其他氧化物后，對氣體的靈敏度和選擇性都有明顯提高。(1)元件阻值變化與氣體濃度成指數關系。在低濃度范圍內這種變化十分明顯，因此，對低濃度氣體檢測非常適宜。

(2)SnO2材料的物理化學穩(wěn)定性好，耐腐蝕，壽命長。

(3)對氣體的檢測是可逆的，而且吸附、脫附時間短。

(4)元件結構簡單，成本低，可靠性好，耐震動和沖擊性能好。

(5)氣體檢測不需要復雜設施，待測氣體可通過氣敏元件電阻值的變化直接轉化成電信號，且阻值變化大，用簡單電路就可實現檢測。整理課件9.4敏感陶瓷Fe2O3系氣敏陶瓷氧化鐵系氣敏陶瓷是20世紀80年代發(fā)展起來的，加上氧化錫系和氧化鋅系成為已經商品化的三大類氣敏陶瓷。與前兩類相比，氧化鐵系氣敏陶瓷不需要添加貴金屬催化劑就可以制成靈敏度高、穩(wěn)定性好的氣敏陶瓷元件。——γ-Fe2O3屬尖晶石結構，電阻率大于108Ω·cm，具有氣敏特性?！?Fe2O3屬剛玉型結構，純凈的陶瓷饒結體幾乎沒有氣敏特性，但是通過摻雜、晶粒細化等措施可激發(fā)其氣敏特性。整理課件9.4敏感陶瓷4濕敏陶瓷陶瓷濕敏材料大部分是利用微孔吸附水份與晶粒表面作用使電導發(fā)生變化制成濕敏傳感器。用于測量濕度的濕敏陶瓷元件主要有電阻型和電容型兩類。靈敏度是濕敏元件的一個重要指標。通常以相對濕度變化1％時阻值變化的百分數表示，其單位為1(1％RH)。濕敏電阻的響應速度也是一個重要的參數，對濕度的響應速度常用吸濕和脫濕時間表示，總稱響應時間。濕敏電阻的溫度特性，通常以濕度溫度系數表示，它定義為溫度每變化1℃，其電阻值的變化所對應的濕度變化，單位為％RH/t。整理課件9.5介電陶瓷1壓電陶瓷壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能互相轉換的介電陶瓷，當受到機械壓力的作用或感應到振動信號時，在壓電陶瓷兩電極面間將會有電壓信號輸出；反之，給壓電陶瓷施加電信號時，它也可以將電信號轉換成振動信號。圖9.22壓電陶瓷的極化整理課件9.5介電陶瓷1壓電陶瓷1)介電常數

2)介質損耗3)機械品質因數4)壓電性與壓電常數

5)機電耦合系數k整理課件9.5介電陶瓷1壓電陶瓷——目前應用最多的還是鈦酸鋇和PZT兩大系列。利用壓電陶瓷正、逆壓電效應引起的機械能與電能相互轉換功能，制作各種電聲器件，如拾音器、揚聲器、送受話器、蜂鳴器、聲級校準器、電子校表儀等。利用壓電陶瓷的逆壓電效應，在高驅動電場下產生高強度超聲波，可制成超聲換能器利用壓電陶瓷的正壓電效應，可以簡單地將機械能轉換為電能，產生高電壓，例如壓電點火器、引爆引燃、煤氣灶點火器和打火機、壓電開關和小型電源等。整理課件9.5介電陶瓷2鐵電陶瓷鐵電陶瓷是指具有自發(fā)極化，且晶粒都具有壓電特性，為外電場所轉向的一類陶瓷。透明鐵電陶瓷具有電控雙折射、電控光散射、電控表面形變和記憶等效應。(1)電控雙折射(2)電控光散射(3)電控表面形變整理課件9.5介電陶瓷2鐵電陶瓷所有鐵電陶瓷都具有一定的壓電特性,可以用來制造壓電濾波器、變壓器、延時線、音叉、超聲換能器，以及共它電聲元件等。利用透明鐵電陶瓷功電控雙折射效應，制成電控光閥、電控光譜濾色器等多種裝置。利用電控光散射效應已經制成電控光閥、圖像儲存和顯示器件等各種器件。整理課件9.5介電陶瓷3熱釋電陶瓷除因機械應力的作用而引起電極化（壓電效應）外，某些晶體中還可以由于溫度變化而產生電極化。這種介質因溫度變化而引起表面電荷變化的現象稱為熱釋電效應。具有熱釋電效應的必要條件是自發(fā)極化。熱釋電陶瓷與單晶相比有不少優(yōu)點。一是易于制備大面積的材料，成本低，力學性能和化學性能穩(wěn)定，便于加工；二是居里溫度高，在通常條件下基本上不會退極化；三是可過多種離子的摻雜和取代，在相當大的范圍內對這種陶瓷材料的性能進行調整，如熱釋電系數、介電常數和介電損耗等。整理課件9.5介電陶瓷3熱釋電陶瓷熱釋電陶瓷傳感器的主要用途如下：1)溫度補償器；2)火災報警器；3)大氣環(huán)境監(jiān)測器；4)人體溫度分布的成像元件；5)紅外線輻射計數和溫度變化測定。熱釋電陶瓷主要包括(1)PZT陶瓷(2)鈦酸鉛（PbTiO3）整理課件9.6鐵氧體材料鐵氧體是鐵和其它金屬的復合氧化物，分子式為MO·Fe2O3，M代表一價、二價金屬或是三價稀土金屬等。其晶體結構有尖晶石型、磁鉛石型和石榴石型三類。制備方法有氧化物法、鹽類熱分解法、共沉淀法、噴霧干燥法等。

按性質和用途可分軟磁、硬磁、旋磁、矩磁和壓磁等。整理課件9.6鐵氧體材料1軟磁鐵氧體主要用于無線電領域中的各種電感線圈的磁芯、天線磁芯、變壓器磁芯、濾波器磁芯及錄音、錄像磁頭等。要求起始磁導率高，這樣對于相同電感量的線圈，其體積就可縮小。導磁率的溫度系數要小，以適應溫度的變化。矯頑力要小，以便于磁化和退磁。還要求損耗因數要小。磁導率μ

整理課件9.6鐵氧體材料2硬磁鐵氧體硬磁鐵氧體要求具有最大矯頑力，較高的剩余磁化強度和高的最大磁能積，磁化后不易退磁而能長期保留磁性，是一種永磁陶瓷，其性能同軟磁鐵氧體相反。硬磁鐵氧體主要用作各種揚聲器、助聽器、錄音磁頭等電聲器件和各種電子儀表控制器件，以及微型電機的磁芯等。整理課件9.6鐵氧體材料3旋磁鐵氧體旋磁鐵氧體也稱為微波鐵氧體，是指在高頻磁場下，平面偏振的電滋波在介質中按一定方向傳播過程中，偏振面不斷繞傳播方向旋轉的一類鐵氧體。兩個互相垂直的直流磁場和電磁波磁場作用在鐵氧體磁性材料上，電磁波的偏振面發(fā)生轉動。其中由于電磁波透射而引起的旋轉稱為法拉第效應，電磁波的偏振面因材料表面的反射而發(fā)生旋轉的稱為克爾效應。旋轉鐵氧體主要用作各種微波器件。利用磁光克爾效應，還可做成大型電子計算機的外存儲器，其存儲密度可高達10MB／cm2。整理課件9.6鐵氧體材料3旋磁鐵氧體

——旋磁鐵氧體的種類很多，目前微波領域廣泛運用的主要是尖晶石型和石榴石型鐵氧體。

(1)最常用的尖晶石型鐵氧體是鎂系和鎳系，，如Mg-Mn、Mg-Mn-Zn、Mg-Mn-A1、Mg-A1、Mg-Cr、Ni、Ni-Mg、Ni-Zn、Ni-Al和Ki-Cr鐵氧體，還有鋰系如Li、Li-Al、Li-Mg等鐵氧體；(2)石榴石型是50年代后期發(fā)展越來的鐵氧體，其中最重要的是釔鐵石榴石鐵氧體，簡稱YIG。

整理課件9.6鐵氧體材料4矩磁鐵氧體鐵氧體形成矩形磁滯回線的條件是結晶各向異性和應力各向異性。一般密度高、晶粒均勻、結晶各向異性較大的尖晶石型鐵氧體都可制成磁性能較好的矩磁陶瓷。在常溫使用矩磁鐵氧體有Mn-Mg、Mn-Cu和Mn-Cd等：在-65℃~+125℃寬溫度范圍內使用的鐵氧體有Li-Mn、Li-Ni、Mn—Ni和Li-Cu、Li-Ni-Zn、Li-Mn-Zn等。矩磁鐵氧體可制成各式各樣的存儲元件、邏輯元件、開關元件、磁光存儲、磁聲存儲等，用于電子信息的存儲和處理。盡管在目前的條件下，信息的存儲是以半導體存儲器為主，但鐵氧體記億元件有切掉電源后仍保持記憶的特點，可用于自動控制與遠程控制。整理課件9.6鐵氧體材料5壓磁鐵氧體壓磁鐵氧體材料是指在外磁場作用時，在磁場方向作機械伸長或縮短的鐵氧體，這種現象又稱為磁致伸縮效應。表征壓磁鐵氧體性能的主要物理參數為磁滯伸縮系數、壓磁耦合系數k和靈敏度常數d。整理課件9.7超導陶瓷1超導現象1911年，荷蘭物理學家卡麥林·翁納斯，在測量低溫下水銀的電阻時，發(fā)現水銀在4.2K以下電阻完全消失圖9.24水銀的電阻與溫度的關系這種以零電阻為特征的、具有特殊的電性質的物質狀態(tài)稱為超導態(tài)，而處于超導態(tài)的導體稱為超導體。整理課件9.7超導陶瓷2超導體的基本性質超導體從具有一定電阻的正常態(tài)轉變?yōu)殡娮铻榱愕某瑢B(tài)時所處的溫度稱為臨界溫度Tc，即Tc是超導現象開始出現的溫度。使超導體從超導態(tài)轉變?yōu)檎B(tài)的磁場稱為臨界磁場Hc，即進入超導態(tài)的標志是在臨界溫度Tc