功能陶瓷材料-电功能陶瓷课件.pptVIP

功能陶瓷;;4.1电功能陶瓷;对于传统陶瓷，人们利用陶瓷材料的电性能主要是其绝缘性能；而对于先进陶瓷材料，除了其绝缘性能外，人们更关心的是陶瓷材料的导电能力。目前高温超导氧化物的导电能力已超过金属，得到应用的先进陶瓷材料的电导率覆盖了从良导体到绝缘体的范围。;陶瓷导电特点;在本征半导体中不存在自由电子，但价带与导带间的禁带宽度比较小，价带上的电子接受了足够的能量时，可以从价带跃迁到导带上，引起电的传导。对于半导体，电导率与温度间有以下关系：;一般而言，陶瓷材料中的带电粒子可能有：正离子、负离子、电子和空穴。研究陶瓷材料的导电性时，需要引入以下参数：带电粒子的种类（正离子、负离子、电子、空穴）、带电粒子的浓度ni和每个粒子的带电量Zie（Z为粒子带电价态）、在所加电场E下某种带电粒子（载流子）的漂移速度vi，以及加电场后这种带电粒子的电流密度ji。电流密度j定义为单位时间内通过单位面积迁移的电荷量。ji可由下式给出：;(4-4);每种载流子对总电导贡献的分数为：;几种化合物中正负离子和电子或空穴的迁移数;传统硅酸盐陶瓷、氧化物陶瓷是离子晶体。在离子晶体中，离子导电和电子导电都存在。但一般情况下，以离子导电为主，电子导电很微弱。然而，材料含变价离子，生成非化学计量化合物或引入不等价杂质时，将产生大量自由电子或空穴，电子导电增强，称为半导体。离子晶体热缺陷造成的离子电导称为本征离子电导，杂质造成的离子电导称为杂质电导。

杂质载流子的电导活化能比正常晶格上离子的要低得多。在低温时，即使杂质数量不多也会造成很大的电导率。在低温时，杂质电导其主导作用，高温时本征电导起主导作用。

玻璃基本上是离子电导，电子电导可忽略。玻璃结构较松散，电导活化能比晶体低，其电导率比相同组成的晶体大。陶瓷通常由晶相和玻璃相组成，其导电性在很大程度上决定于玻璃相。;缺陷对陶瓷导电的影响;掺杂可能改变陶瓷材料的导电性。

例如在ZnO中掺杂Al3+可以增加材料的导电性，原因是当三价的铝替代了二价的锌后，原先二价锌的位置上变成了三价的离子。为??保持电中性，使得Al3+附近的锌变成了一价，而一价锌是不稳定的，又会变成二价的锌，同时放出一个电子，增加了材料的导电性。;离子电导行为;离子导电常存在明显的各向异性。

例如β-Al2O3在c方向上的电导比在其他方向上大许多，这是由于离子通道存在明显的方向性。;离子电导率与温度T的关系满足Arrhenius关系：;可以通过掺杂来改变陶瓷材料的电导率和电导激活能。

例如在ZrO2-M2O3(M=Y、Sc、In、Gd等)体系中，随掺杂正离子半径的减小，材料的电导率增加。;如果掺杂源相同但掺杂浓度不同，材料电导率的极大值对应了一定的掺杂浓度。;离子导体;由于电子迁移率比离子迁移率高几个数量级，而快离子导体中的导电粒子为离子，因此材料中的电子载流子浓度几乎可忽略；

温度降低时，晶体结构可从无序变为有序，离子电导率下降；;重要的快离子导体有以下三类：;具有β-Al2O3结构的氧化物;氟化钙结构氧化物;离子型导体的应用;高温燃料电池示意图;燃料电池的分类;电子电导;陶瓷材料中的电子导电从本质上说有两类：一类是材料本身能带中的电子引起的，如过渡金属氧化物VO、TiO、CrO2等，由于电子轨道的重叠，产生宽的未填满的d或f能带，从而引起准自由电子，形成类似金属的电导，这种情况在陶瓷材料中并不多见；另一类是由于电子或空穴的移动引起的，这是陶瓷材料中电子导电的主要原因。;陶瓷材料电子导电的三种激发过程;陶瓷电热材料的使用温度高、抗氧化，可在空气中使用。碳化硅是最早使用的陶瓷电热材料，最高使用温度为1560oC。MoSi2抗氧化性好，最高使用温度1800oC，在1700oC空气中可连续使用几千小时。其表面形成一薄层SiO2或耐热硅酸盐起保护作用。;超导体陶瓷;超导体的分类;超导陶瓷的结构特点;高温超导氧化物的载流子层和电荷库层;M-O配位多面体

由于高温氧化物超导体结构中的氧缺位和离子位置的偏离，M-O结构多面体也会明显偏离理想情况，引起M-O的键长不同，以及不同等效位置上氧的配位情况不同。

;超导陶瓷的制备;4.1.2绝缘陶瓷;电子技术中首先要求绝缘材料不导电，即要求电阻率尽量高，绝缘强度也尽量高。目前，绝缘陶瓷可分为氧化物绝缘陶瓷和非氧化物绝缘陶瓷两大系列，无论是哪种系列的绝缘陶瓷，要成为一种优异的绝缘陶瓷，它必须具备如下性能；;绝缘陶瓷的性能与特征;因为绝缘体有很大的禁带宽度，激发电子需很大的能量，在室温附近，可认为电子几乎不迁移。在此情况下，对具有足够宽度禁带区的绝缘陶瓷而