电子陶瓷材料.pptx

一一. .决定陶瓷性能的结构因素决定陶瓷性能的结构因素 陶瓷的构成因素陶瓷的构成因素(组成组成)超微结构超微结构(原子离子级别原子离子级别)原子的种类，原子的种类，原子的金属性原子的金属性和非金属性，和非金属性，化学结合的方化学结合的方式，结晶结构式，结晶结构元素微结构微结构(晶粒、晶界级别晶粒、晶界级别)多晶体多晶体晶粒直径晶粒直径气孔量气孔量(晶界、晶晶界、晶粒内粒内)晶界晶界(分凝、析出分凝、析出相相)缺陷缺陷(裂纹、位错裂纹、位错)表面状态表面状态(伤痕等伤痕等)晶格的各向异晶格的各向异性和取向性和取向机械性质机械性质电学性质电学性质热学性质热学性质化学性质化学性质硬度、强度、比重、硬度、强度、比重、弹性率、断裂韧性弹性率、断裂韧性电阻、热释电性、介电阻、热释电性、介电常数、压电性、电电常数、压电性、电光效应、离子导电性、光效应、离子导电性、绝缘破坏强度绝缘破坏强度熔点、比热、热导熔点、比热、热导率、热膨胀系数率、热膨胀系数耐酸、碱、电化学耐酸、碱、电化学腐蚀，与金属的亲腐蚀，与金属的亲合性合性陶陶瓷瓷的的性性质质第1页/共33页LTCC基板优点基板优点瞬时瞬时缺陷缺陷电子电子缺陷缺陷点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷体缺陷体缺陷声子声子电子电子空穴空穴晶格空位晶格空位格点间填隙格点间填隙原子原子置换原子置换原子位错位错晶 体 表晶 体 表面面晶界晶界相界相界层错层错空洞空洞缺陷簇缺陷簇夹杂物夹杂物第2页/共33页点缺陷的标记法：点缺陷的标记法：Kroger-Vink Notation: 缺陷种类缺陷种类M X V晶格空位晶格空位非金属元素符号非金属元素符号金属元素符号金属元素符号缺陷有效电荷缺陷有效电荷 正电荷正电荷 ，负电荷，负电荷电中性电中性缺陷位置缺陷位置M X I格点间填隙位置格点间填隙位置非金属元素符号非金属元素符号金属元素符号金属元素符号NiFe第3页/共33页第4页/共33页二二. .晶体缺陷的研究：晶体缺陷的研究：第5页/共33页LDK玻璃技术指标第6页/共33页缺陷反应方程式应用示例缺陷反应方程式应用示例:MiXMVMM XiXXVXX XMVV0(无缺陷无缺陷)第7页/共33页hhVVMXMiiXXXMXMXM XXXMXVgX)(212 hVVMMXXMXhVgX 2)(212正离子缺位正离子缺位 一价电离一价电离 正离子缺位正离子缺位 二价电离二价电离为多子，为多子，p型半导体型半导体第8页/共33页.230( )23MgOMgMgAl O sAlVO第9页/共33页非化学计量比化合物非化学计量比化合物MX1-y(负离子缺位负离子缺位)，如，如TiO2-y,WO2-y等，等， 若缺陷反应充分，则有：若缺陷反应充分，则有：如如BaTiO3在还原性气氛条件下烧结：在还原性气氛条件下烧结：)(212gXVXXXXXeVVXXXeVVXX)(2122gXeVXXXX)(2122gOeVOOXOe 为多子，为多子，n型半导体型半导体第10页/共33页正离子填隙非化学计量化合物正离子填隙非化学计量化合物M1+yX充分反应充分反应 如：如：Zn1+yO在一定条件下以在一定条件下以 Zni 缺陷为主时，呈缺陷为主时，呈n型半导体型半导体)(2122gXeMXMiXXXN OOZrZrOVOCasCaO 2)(第11页/共33页负离子填隙非化学计量化合物负离子填隙非化学计量化合物MX1+y充分反应充分反应如如VO1+y，UO2+y在一定条件下，氧过量缺陷为主，呈在一定条件下，氧过量缺陷为主，呈p型半导体型半导体电子与空穴复合电子与空穴复合 hXgXi2)(2120heCliMgMgClClMgLisLiCl22)(22 22123)(32iOYOYOOZrsZrO第12页/共33页质量作用定律质量作用定律在一定温度下，化学反应达到平衡时，正反两方面参在一定温度下，化学反应达到平衡时，正反两方面参加反应的组元浓度乘积之比保持为常数加反应的组元浓度乘积之比保持为常数:如：如：aA+bBcC+dDbadcBADCK平衡常数平衡常数 第13页/共33页将质量作用定律应用于缺陷反应式时，用将质量作用定律应用于缺陷反应式时，用 表示某种缺陷的浓度，表示某种缺陷的浓度，用用n、p分别表示电子、空穴的浓度，气体的分压表示该气体的浓度。分别表示电子、空穴的浓度，气体的分压表示该气体的浓度。 )(2122gOeVOOXO如如： 2122XOOOOPnVK或 212O2OPnVK第14页/共33页应用示例：应用示例：1)掺杂对电导的影响：掺杂对电导的影响：通常通常NiO为具有为具有Ni缺位的非化学计量氧化物，缺位的非化学计量氧化物，p型半导体型半导体在在NiO中掺杂微量的中掺杂微量的Li+, Na+，K+等一价金属离子等一价金属离子可见，掺可见，掺Li+后，空穴浓度后，空穴浓度p要增大，要增大，NiO的电导率上升。的电导率上升。 XONi2Oh2V)g(O21 XONiONi2Oh2iL2OLix1第15页/共33页若在若在NiO中掺杂微量中掺杂微量Fe3+，Cr3+等三价金属离子。等三价金属离子。可见，掺入可见，掺入Fe3+后，电子浓度补偿了空穴浓度，后，电子浓度补偿了空穴浓度，使使NiO电导率下降。电导率下降。 XONiONiOeFeOFex322132 0he第16页/共33页2)气氛对电导的影响：由上例气氛对电导的影响：由上例 根据电中性条件：根据电中性条件： 因而因而代入上式：代入上式： XONi2Oh2VO21 212O2Ni1PPVK 得得:V 2PNi P21VNi 212O31PP21K612OKPP 第17页/共33页又因空穴电导率又因空穴电导率 q-电子电量，电子电量， p-空穴迁移率空穴迁移率 表明：表明：NiO的电导率随烧结或热处理过程中的氧分压的增加的电导率随烧结或热处理过程中的氧分压的增加按按1/6次方的指数规律增加。次方的指数规律增加。可从此关系反证可从此关系反证缺陷属何种类，进而推知导电机构。缺陷属何种类，进而推知导电机构。 pppq612612OOppKpPPKq第18页/共33页第19页/共33页第20页/共33页第21页/共33页形成固溶体的条件形成固溶体的条件n1结构因素：晶格类型相同是形成无限固溶体的必要条件结构因素：晶格类型相同是形成无限固溶体的必要条件 晶格类型差别愈大，固溶度愈低晶格类型差别愈大，固溶度愈低n2离子半径因素离子半径因素离子半径相对差值离子半径相对差值 r： 40形成的固溶体：无限形成的固溶体：无限有限有限 非固溶体非固溶体n3化学性质化学性质 化学性质相似，酸碱性接近的组元易形成固溶体化学性质相似，酸碱性接近的组元易形成固溶体n4离子的电子构型离子的电子构型 离子的电子构型相同或相近的组元易形成固溶体离子的电子构型相同或相近的组元易形成固溶体 %100rrrr小小大第22页/共33页显微结构第23页/共33页微观结构微观结构 陶瓷的陶瓷的微观结构微观结构是指晶体结构类型、对称是指晶体结构类型、对称性、晶格常数、原子排列情况及晶格缺陷等，性、晶格常数、原子排列情况及晶格缺陷等，其研究分析手段有其研究分析手段有X射线衍射、电子衍射、场射线衍射、电子衍射、场离子显微镜等。研究微观结构时需将样品放大离子显微镜等。研究微观结构时需将样品放大数百万倍，分析精度可达数埃。数百万倍，分析精度可达数埃。第24页/共33页显微结构第25页/共33页玻璃相的作用：玻璃相的作用： a粘结的作用，填充晶粒的间隙把晶粒粘在一起使陶瓷密化粘结的作用，填充晶粒的间隙把晶粒粘在一起使陶瓷密化 b降低烧结温度促进烧结的作用蒸发一凝聚扩散机理降低烧结温度促进烧结的作用蒸发一凝聚扩散机理 c阻止或延缓晶型转变抑制二次晶粒长大阻止或延缓晶型转变抑制二次晶粒长大 因此玻璃相可提高材料的抗电强度和机械强度因此玻璃相可提高材料的抗电强度和机械强度玻璃相的缺点：结构疏松玻璃相的缺点：结构疏松Na+，K+等金属离子作为网络的变性剂易进入玻璃网络，在等金属离子作为网络的变性剂易进入玻璃网络，在外电场作用下易迁移故电导产生松驰外电场作用下易迁移故电导产生松驰极化使介质损耗（极化使介质损耗（tg&）对材对材料的机械强度、料的机械强度、显微结构第26页/共33页显微结构显微结构第27页/共33页显微结构显微结构第28页/共33页显微结构显微结构第29页/共33页杂质在陶瓷晶界的分布杂质在陶瓷晶界的分布第30页/共33页第31页/共33页致致 谢谢第32页/共33页感谢您的观看！第33页/共33页