第4章功能陶瓷要点解析.ppt

第4章 功能陶瓷 什么是功能陶瓷？ 具有光、电、磁、声、热、力学、生物、化学功能等的精细陶瓷称为功能陶瓷。 精细陶瓷：采用高度精选原料，通过精密调配的化学组成和严格的制造工艺类来合成的陶瓷。 4.1 电功能陶瓷 电功能陶瓷主要包括：导电和超导陶瓷，电介质陶瓷（介电陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷、铁电陶瓷），半导体陶瓷等。 4.1.1 导电陶瓷 4.1.1.1 陶瓷的导电性 固体材料的电导率： 固体的载流子有电子、空穴、阴离子、阳离子，材料的总电导率是各种载流子电导率之和。 电子电导：载流子主要是电子和空穴导 离子电导：载流子主要是离子 迁移数：载流子对总电导率的贡献分数。 各种载流子迁移数的总和为1，即 传统硅酸盐陶瓷、氧化物陶瓷都是离子晶体，在离子晶体中，离子导电和电子导电同时存在，但在一般情况下以离子电导为主。 当其含有变价离子，生成非化学计量化合物或引入不等价杂质时，将产生大量的自由电子或空穴，电子电导增强，称为半导体。 玻璃基本上是离子电导，由于其结构松散，电导活化能比相同组分晶体低，电导率则高，传统陶瓷通常有晶相和玻璃相组成，其导电性在很大程度上取决于玻璃相。 本征离子电导：离子晶体热缺陷造成的离子电导 杂质电导：杂质造成的离子电导，活化能比本征离子电导活化能低。 低温时杂质电导起主导作用，高温时本征离子电导起主导作用。 现代陶瓷包括碳化物、氮化物、硼化物、硅化物等。硅化物、硼化物的化学键是金属键和共价键共存，过渡金属碳化物、氮化物以金属键为主，非金属元素碳化物、氮化物与共价键为主，这几类化合物都是电子电导。 4.1.1.2 快离子导体 快离子导体：也称超离子导体,有时又叫做固体电解质它区别于一般离子导体的最基本特征是在一定的温度范围内具有能与液体电解质相比拟的离子电导率(0.01Ω·cm)和低的离子电导激活能(≤0.50eV)。 快离子导体的导电机制：晶体由两种亚晶格组成，一种是不运动离子亚晶格，另一种是运动离子亚晶格，不运动离子构成骨架，运动离子象液体一样在晶格中做布朗运动，可以穿越两个平衡位置的势垒进行扩散，快速迁移。 快离子导体分为阳离子导体（如Ag+、Cu+、Li+、Na+）和阴离子导体（F -、O2-）两大类。 阳离子导体：β-Al2O3（钠硫电池）、锂离子 电池 阴离子导体：萤石结构氧化物、钙钛矿结构氧 化物 4.1.1.3 电热、电极陶瓷 电热材料：陶瓷电热材料的使用温度高，抗氧化，可在空气中使用，有SiC（1500℃）、MoSi2（1800℃）和ZrO2（2000℃）等 电极材料： 4.1.1.4 超导体陶瓷 “超导”是指某些物体当温度下降至一定温度时，电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料。 超导临界转变温度（TC）：每一种超导体都有一定的超导转变温度，物质有常态转变为超导态的温度称为超导临界转变温度，不同超导材料的超导临界温度是不同的。 超导体与正常导体的区别： 正常金属导体的电阻率在低温下为常数，而超导体的电阻在转变点突然消失为零。 从发现超导至1986年的75年来，最高超导温度只有23K，超导材料只能在昂贵、复杂液氦或者液氢中工作，人们始终无法逾越影响超导实用的最基本障碍，即“温度壁垒”，超低温制冷技术及成本问题极大地限制超导技术的应用。 1986年4月Bednorz和müller发现了La-Ba-Cu-O氧化物超导材料，其超导转变温度Tc30K，是超导材料研究的重大突破。 1987年2月，朱经武、吴茂昆、赵忠贤发现了Y-Ba-Cu-O超导材料，其Tc90K，进入了成本及其低廉的液氮（77K）温区，人们将这一超导材料称为“高临界温度超导材料”。 1.超导体的性质 判断材料是否具有超导性，有两个基本特征 超导电性： 当超导材料被冷却到某一温度之下电阻突然消失的特性。材料处于超导状态时，比通常金属的电阻率小15个数量级以上，超导材料的零电阻特性是超导材料实用化的最重要基础，由于其无发热损耗，在超导输电、超导发电、储能、磁材料、变压器、电机等方面较常规材料有较大的优越性。 对具体的超导物质来说,临界温度、临界磁场和临界电流密度三者之间是相互关联的,实际上要满足如下图所示的T-H-J临界面表示的条件,该物质才处于超导状态 2.超导体的分类 （1）材料种类：元素超导体、合金或化合物超导体、氧化物超导体（超导陶瓷） （2）低温处理方法：液氨温压超导体（4.2K以下）、液氢温压超导体（20K以下）、液氦温压超导体（77K以下）、常温超导体 （