《先进陶瓷及进展》第五章功能陶瓷描述.ppt

第五章　功能陶瓷 教学基本要求 了解功能陶瓷的分类、特性和用途。 掌握功能陶瓷的发展现状和发展趋势。 掌握功能陶瓷的基本性质。 掌握绝缘陶瓷、介电陶瓷、半导体陶瓷 、压电陶瓷、热释电陶瓷、生物陶瓷、多孔陶瓷、功能陶瓷薄膜等性能、特征及应用。 功能陶瓷是区别于我们大家熟知的日用陶瓷、艺术陶瓷、建筑陶瓷、电工陶瓷以及单纯考虑力学性质的结构陶瓷，它是指在微电子、光电子信息和自动化技术以及生物医学、能源和环保工程等基础产品领域中所用的陶瓷材料。 功能陶瓷的分类、特性和用途参见表5-1。 一 已经形成大量产品的功能陶瓷 高频绝缘零件瓷。 电阻基体和电感基体瓷。 电真空瓷。 电容器瓷。 铁电陶瓷。 压电陶瓷。 半导体陶瓷。 导电陶瓷。 超导陶瓷。 磁性瓷。 二 新材料及其应用 在上述工业生产的各大类陶瓷材料和制品中，每一类都不断出现新材料和新应用。 此外，还有如下几类： 纳米陶瓷。 陶瓷薄膜。 三 我国功能陶瓷工业的发展趋势 原料生产专业化。 广泛深入的技术协作。 全面质量管理(total quality management，即TQM) 。 新工艺、新设备研究不断用于生产。 一 电学性质 电导率 介电常数 介质损耗角正切值 击穿电场强度 电导率 测量陶瓷料体积电阻和和表面电阻，再根据陶瓷试样的几何尺寸计算得到的。 介电常数是衡量电介质材料在电场作用下的极化行为或储存电荷能力的参数，又称介电系数或电容率，是材料的特征参数。 设真空介电常数为1，则非真空电介质材料的介电常数εr(称为相对介电常数)为 陶瓷介质中存在的极化方式: 位移式极化。 松弛式极化。 此外还有自发极化、转向极化、界面极化、谐振式极化等特殊极化方式。 陶瓷在电场作用下存储电能，同时电导和部分极化过程不可避免地要消耗能量，即将一部分电能转变为热能等消耗掉。 单位时间所消耗的电场能叫介质损耗。 在直流电场作用下，陶瓷材料的介质损耗由电导过程引起，即介质损耗取决于陶瓷材料的电导和电场强度，表示为 击穿时的电压称为击穿电压Uj，相应的电场强度称为击穿电场强度，用Ej表示。 当作用电场均匀时，Uj与Ej的关系为 Ej =Uj/h （5-10） 式中，h为击穿处介质的厚度，cm；Ej的单位常用kV/cm。 某些半导体陶瓷击穿时，有时不发生机械损坏，当电场降低后仍能恢复介电状态，这种特殊情况应认为发生了击穿。 陶瓷材料的击穿电压与很多因素有关，过程比较复杂。 发生击穿过程的时间约10-8s。 一般介质的击穿分为电击穿和热击穿。 电击穿是指在电场直接作用下，陶瓷介质中载流子迅速增殖造成的击穿。 热击穿是指陶瓷介质在电场作用下由于电导和极化等介质损耗使陶瓷介质的温度升高造成热不稳定而导致的破坏。 二 力学性质 弹性模量 机械强度 断裂韧性 材料在外力作用下都会发生相应形变或破坏。 弹性模量。弹性模量E是陶瓷材料的重要参数之一，是材料中原子(或离子)间结合强度的一种指标。陶瓷材料的弹性模量约为109~1011N/m2，泊松比约为0.2~0.3。 弹性模量的大小直接关系到陶瓷材料的理论断裂强度。 机械强度。机械强度是材料抵抗外加负荷的能力，是材料重要的力学性能，是设计、选择和使用材料的重要指标之一。根据使用要求，有抗压强度、抗拉强度、抗折强度、抗剪切强度、抗冲击强度和抗循环负荷强度等多种强度指标。一般陶瓷材料的抗压强度约为抗拉强度的10倍。 三　热学性能 热容 热膨胀系数 热导率 热稳定性及抗热冲击性 热容。热容是物体温度升高1K所需要增加热量。物体质量不同其热容也不同。1g物质热容叫比热容，单位为J/(K·g)。1mol物质热容叫摩尔热容，单位为J/(K·mol)。物质的热容还与其热过程有关，恒定压力条件下的热容称为恒压热容，可写为 四　光学性质 功能陶瓷的光学性质是指其在红外光、可见光、紫外光及各种射线作用下的一些性质。 光照射到陶瓷介质上，一部分被反射，一部分进入介质内部，发生散射和吸收，还有一部分透过介质。 I0=IR+IS+IA+IT，式中，I0入射光强度；IR反射光强度；IS散射光强度；IA吸收光强度；IT透射光强度。 归一化可得：R+S+A+T=1，式中，R为反射率；S为散射率；A为吸收率；T为透射率。 五　磁学性质 陶瓷材料具有高电阻和低损耗特性，广泛应用于电子计算机、信息存储、激光调制、自动控制等科学技术领域。 磁性材料可分为磁化率为负的抗磁体材料和磁化率为正的顺磁体材料。 软磁交流测量装置 当M为负值时，材料表现为抗磁性，陶瓷材料的大多数原子是抗磁性的抗磁性物质的原子（离子）不存在永久磁矩，当其受外磁场作用时，电子轨道发生改变，感生与外磁场方向相反的磁矩，而表现出抗磁性。 这类物质的磁化率一