《先进陶瓷材料及进展》-第五章-功能陶瓷解读课件.ppt

第五章功能陶瓷第五章功能陶瓷教学基本要求教学基本要求l了解了解功能陶瓷的分类、特性和用途功能陶瓷的分类、特性和用途。l掌握掌握功能陶瓷的发展现状和发展趋势功能陶瓷的发展现状和发展趋势。l掌握掌握功能陶瓷的基本性质功能陶瓷的基本性质。5.0 教学基本要求 第五章 功能陶瓷l掌握掌握绝缘陶瓷、介电陶瓷、半导体陶瓷绝缘陶瓷、介电陶瓷、半导体陶瓷、压、压电陶瓷、热释电陶瓷、生物陶瓷、多孔陶瓷、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。功能陶瓷薄膜等性能、特征及应用。5.0 教学基本要求 第五章 功能陶瓷l功能陶瓷功能陶瓷是区别于我们大家熟知的日用陶瓷、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。保工程等基础产品领域中所用的陶瓷材料。l功能陶瓷的功能陶瓷的分类、特性和用途分类、特性和用途参见参见表表5-1。5.1 概述 第五章 功能陶瓷大类大类系列系列细类细类结构陶瓷氧化物氧化铝,氧化镁,氧化锆,氧化铀,氧化铍等非氧化物碳化物,氮化物,硼化物,硅化物等功能陶瓷电功能陶瓷绝缘陶瓷,介电陶瓷,铁电陶瓷,压电陶瓷,半导体陶瓷磁功能陶瓷铁氧体光功能陶瓷透明陶瓷、透明铁电陶瓷生物与化学功能陶瓷湿敏陶瓷,气敏陶瓷,载体用陶瓷,生物陶瓷表表5-1 5-1 先进陶瓷的分类先进陶瓷的分类 5.1 概述 第五章 功能陶瓷 5.1 概述 第五章 功能陶瓷一一 已经形成大量产品的功能陶瓷已经形成大量产品的功能陶瓷l高频绝缘零件瓷。高频绝缘零件瓷。l电阻基体和电感基体瓷。电阻基体和电感基体瓷。l电真空瓷。电真空瓷。l电容器瓷。电容器瓷。l铁电陶瓷。铁电陶瓷。5.1 概述 第五章 功能陶瓷l压电陶瓷。压电陶瓷。l半导体陶瓷。半导体陶瓷。l导电陶瓷。导电陶瓷。l超导陶瓷。超导陶瓷。l磁性瓷。磁性瓷。5.1 概述 第五章 功能陶瓷l光电子材料。光电子材料。l生物陶瓷。生物陶瓷。l环境保护用陶瓷。环境保护用陶瓷。l环境协调型陶瓷材环境协调型陶瓷材料和技术。料和技术。5.1 概述 第五章 功能陶瓷二二 新材料及其应用新材料及其应用l在上述工业生产的各大类陶瓷材料和制品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。中，每一类都不断出现新材料和新应用。l此外，还有如下几类：此外，还有如下几类：l纳米陶瓷纳米陶瓷。l陶瓷薄膜陶瓷薄膜。l多功能材料多功能材料。l复合材料复合材料。5.1 概述 第五章 功能陶瓷三三 我国功能陶瓷工业的发展趋势我国功能陶瓷工业的发展趋势l原料生产专业化。原料生产专业化。l广泛深入的技术协作。广泛深入的技术协作。l全面质量管理全面质量管理(total quality management(total quality management，即即TQM)TQM)。l新工艺、新设备研究不断用于生产。新工艺、新设备研究不断用于生产。一一 电学性质电学性质l电导率电导率l介电常数介电常数l介质损耗角正切值介质损耗角正切值l击穿电场强度击穿电场强度 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l电导率电导率 测量陶瓷料体积电阻和和表面电阻，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。再根据陶瓷试样的几何尺寸计算得到的。(5-1)5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷测量电极测量电极环电极环电极高压电极高压电极陶瓷体陶瓷体 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷测量电极测量电极陶瓷体陶瓷体环电极环电极图图 1三电极系统三电极系统式式中中，h为为样样品品厚厚度度，cm；s为为电电极极的的面面积积，cm2；Rv、R s分分别别为为试试样样的的体体积积电电阻阻()和和表表面面电电阻阻()。D1为为试试样样的的测测量量电电极极直直径径，cm；D2为环电极内径，为环电极内径，cm。(5-2)5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l体体积积电电阻阻率率v的的单单位位通通常常用用cm。v的的倒倒数数v称称为为材材料料的的体体积积电电导导率率，比比电电导导或或导导电电系系数数，是是陶陶瓷瓷材材料料的的特特性性参参数数，其其单单位位为为S/cm（S：Siemens，西门子）。，西门子）。l表表5-2列列出出了了常常见见陶陶瓷瓷材材料料的的室室温温电电导导率率，这这些陶瓷材料电导率的大小相差约些陶瓷材料电导率的大小相差约1017以上。以上。表表5-2 5-2 常见陶瓷材料的室温电导率常见陶瓷材料的室温电导率材料材料电导率电导率/（S/cmS/cm）材料材料电导率电导率/（S/cmS/cm）SnOSnO2 2-CuO-CuO陶瓷10103 3BaTiOBaTiO3 3陶瓷1010-10-10SiCSiC陶瓷1010-1-1TiOTiO2 2（金红石）（金红石）陶瓷1010-11-11LaCrOLaCrO3 3陶瓷1010-2-2-Al-Al2 2O O3 3（刚玉陶瓷）1010-14-14 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l介电常数介电常数是衡量电介质材料在电场作用下的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，极化行为或储存电荷能力的参数，又称介电又称介电系数或电容率系数或电容率，是材料的特征参数。，是材料的特征参数。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l设真空介电常数为设真空介电常数为1，则非真空电介质材料的，则非真空电介质材料的介电常数介电常数r(称为相对介电常数称为相对介电常数)为为(5-3)5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷Q0真空介质时电极上电荷量；真空介质时电极上电荷量；Q同一电场和电同一电场和电极系统中为非真空电介质时电极上电荷量。极系统中为非真空电介质时电极上电荷量。相对介电常数相对介电常数r 可由式可由式(5-4)求出：求出：5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷(5-4)式中，式中，C为试样的电容量，为试样的电容量，pF；h为试样两电为试样两电极之间的距离，极之间的距离，cm；s为电极的面积，为电极的面积，cm2；F/cm，即真空介电常数。，即真空介电常数。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l功功能能陶陶瓷瓷室室温温时时的的介介电电常常数数大大致致为为2至至几几十十万万，因因具具体体陶陶瓷瓷材材料料不不同同，其其数数值值有有很很大大差差异，因此使用的范围和条件也不同。异，因此使用的范围和条件也不同。l陶陶瓷瓷材材料料介介电电常常数数不不同同是是由由于于其其微微观观上上存存在在不同的极化机制决定的。不同的极化机制决定的。陶瓷介质中存在的极化方式陶瓷介质中存在的极化方式:l位移式极化位移式极化。l松弛式极化松弛式极化。l此外还有此外还有自发极化、转向极化、界面极自发极化、转向极化、界面极化、谐振式极化化、谐振式极化等特殊极化方式。等特殊极化方式。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l陶瓷在电场作用下存储电能，同时电导和部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。一部分电能转变为热能等消耗掉。l单位时间所消耗的电场能叫单位时间所消耗的电场能叫介质损耗介质损耗。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l在直流电场作用下，陶瓷材料的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，表示为材料的电导和电场强度，表示为P=U2/R=GU2 (5-5)P为介质损耗；为介质损耗；U为试样上的电压；为试样上的电压；R为试为试样的电阻；样的电阻；G为试样的电导，为试样的电导，G=1/R。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l在交流电场作用下，陶瓷材料的介质损耗由电在交流电场作用下，陶瓷材料的介质损耗由电导和部分极化过程共同引起，陶瓷电容器可导和部分极化过程共同引起，陶瓷电容器可等效为一个理想电容器（无介质损耗的电容等效为一个理想电容器（无介质损耗的电容器）和一个纯电阻并联或串联组成的有介质器）和一个纯电阻并联或串联组成的有介质损耗的电容器。损耗的电容器。l等效电路如图等效电路如图5-1所示。所示。İcRpİrİCsRscrİİİc=/Cpİr=/Rpc=İ/Csr=İ Rs(a)(a)并联并联图图 5-1 5-1 有损耗电容器等效电路及矢量图有损耗电容器等效电路及矢量图(b)(b)串联串联 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷 图图5-1中中的的角角称称为为介介质质损损耗耗角角。Tg是是有有损损耗耗电电容容器器每每周周期期消消耗耗的的电电能能与与其其所所储储存存电电能能的的比比值。由并联等效电路得出值。由并联等效电路得出（5-6）5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷Pa=U2/Rp，为有功功率；，为有功功率；Pc=U2/Rc=CU2，为，为无功功率；无功功率；为角频率；为角频率；Cp为并联等效电容；为并联等效电容；Rp为并联等效电阻。为并联等效电阻。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷由串联等效电路得出由串联等效电路得出（5-7）式中，式中，Cs串联等效电容；串联等效电容；Rs串联等效电阻。串联等效电阻。因此因此（5-8）单位体积的介质损耗功率为单位体积的介质损耗功率为（5-9）5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l（5-9）中）中tg称为称为损耗因数损耗因数，外界条件一，外界条件一定，它是介质本身的特定参数。定，它是介质本身的特定参数。ltg为为等效电导率等效电导率，它不是常数。频率高，它不是常数。频率高时，乘积增大，介质损耗增大。时，乘积增大，介质损耗增大。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷ltg是表征电容器或介质损耗质量的重要参是表征电容器或介质损耗质量的重要参数。数。l陶瓷介质材料的陶瓷介质材料的tg对湿度很敏感。受潮后，对湿度很敏感。受潮后，试样的试样的tg值急剧增大。值急剧增大。l生产工艺上利用这一性质判断生产线上瓷生产工艺上利用这一性质判断生产线上瓷体烧结的好坏。体烧结的好坏。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l介质损耗对陶瓷材料的化学组成、相介质损耗对陶瓷材料的化学组成、相组成、微观结构等因素都很敏感。组成、微观结构等因素都很敏感。l凡是影响陶瓷材料电导和极化的因素凡是影响陶瓷材料电导和极化的因素都对其介质损耗有直接的影响。都对其介质损耗有直接的影响。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l陶瓷材料和其它介质一样，其绝缘性能和介陶瓷材料和其它介质一样，其绝缘性能和介电性能是在一定电压范围内具有的性质。电性能是在一定电压范围内具有的性质。l当作用于陶瓷材料上的电场强度超过某一临当作用于陶瓷材料上的电场强度超过某一临界值时它就丧失了绝缘性能。界值时它就丧失了绝缘性能。l由介电状态转变为导电状态，这种现象称之由介电状态转变为导电状态，这种现象称之为介电强度的破坏或介质的击穿。为介电强度的破坏或介质的击穿。l击穿时的电压称为击穿电压击穿时的电压称为击穿电压Uj，相应的电，相应的电场强度称为击穿电场强度，用场强度称为击穿电场强度，用Ej表示。表示。l当作用电场均匀时，当作用电场均匀时，Uj与与Ej的关系为的关系为 Ej=Uj/h （5-10）式中，式中，h为击穿处介质的厚度，为击穿处介质的厚度，cm；Ej的的单位常用单位常用kV/cm。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l某些半导体陶瓷击穿时，有时不发生机械损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特殊情况应认为发生了击穿击穿。l陶瓷材料的击穿电压与很多因素有关，过程陶瓷材料的击穿电压与很多因素有关，过程比较复杂。比较复杂。l发生击穿过程的时间约发生击穿过程的时间约10-8s。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l一般介质的击穿分为电击穿和热击穿。一般介质的击穿分为电击穿和热击穿。l电击穿电击穿是指在电场直接作用下，陶瓷介质中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。载流子迅速增殖造成的击穿。l热击穿热击穿是指陶瓷介质在电场作用下由于电导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。成热不稳定而导致的破坏。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷二二 力学性质力学性质l弹性模量弹性模量l机械强度机械强度l断裂韧性断裂韧性 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l材料在外材料在外力作用下力作用下都会发生都会发生相应形变相应形变或破坏。或破坏。A12B200100100010-110-210-310-4AAB/MPa图图5-2 5-2 三种材料的应力与应变的关系三种材料的应力与应变的关系1陶瓷；陶瓷；2金属；金属；3塑料塑料 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷lA段为弹性形变范围，遵守虎克定律。段为弹性形变范围，遵守虎克定律。l曲线中曲线中AB段为塑性形变范围。多数陶瓷的塑性段为塑性形变范围。多数陶瓷的塑性形变范围很小或没有，断裂时呈脆性。形变范围很小或没有，断裂时呈脆性。l各种陶瓷在外力作用下发生形变或断裂规律是各种陶瓷在外力作用下发生形变或断裂规律是不同的。研究其断裂机理，提高材料的强度和不同的。研究其断裂机理，提高材料的强度和韧性具有重大的理论意义和实际应用价值。韧性具有重大的理论意义和实际应用价值。l弹弹性性模模量量。弹弹性性模模量量E是是陶陶瓷瓷材材料料的的重重要要参参数数之之一一，是是材材料料中中原原子子(或或离离子子)间间结结合合强强度度的的一一种种指指标标。陶陶瓷瓷材材料料的的弹弹性性模模量量约约为为1091011N/m2，泊松比，泊松比约为约为0.20.3。l弹弹性性模模量量的的大大小小直直接接关关系系到到陶陶瓷瓷材材料料的的理理论论断裂强度断裂强度。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷奥罗万奥罗万(Orowan)计算的理论断裂强度计算的理论断裂强度th可可用下式表达：用下式表达：式中式中为为断裂表面能断裂表面能，一般陶瓷材料，一般陶瓷材料约为约为10-4 J/cm2；（5-11）为原子间距，约为为原子间距，约为10-8cm；可以估算出；可以估算出 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷thE/10。可可以以看看出出，弹弹性性模模量量对对于于了了解解材材料料强强度度具具有有重重要要的的意意义义。影影响响陶陶瓷瓷材材料料弹弹性性模模量量的的因因素素很很多多且且很很复复杂杂，如如材材料料的的组组成成和和结结构构及及其其在在材材料料中中的的均均匀匀性性、材材料料中中气气孔孔的的大大小小和和分分布布、温温度度等等。表表5-2列列出了几种陶瓷材料的弹性模量。出了几种陶瓷材料的弹性模量。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷表表5-2 5-2 几种陶瓷材料的弹性模量几种陶瓷材料的弹性模量材料材料E/GPa材料材料E/E/GPaGPa(9095)Al(9095)Al2 2O O3 3陶瓷366366MgOMgO陶瓷(气孔率5%)5%)210210BOBO陶瓷310310滑石瓷6969BN(BN(热压、气孔率5%)5%)8383莫来石瓷6969TiCTiC陶瓷(气孔率5%)5%)310310MgAlOMgAlO4 4陶瓷238238ZrOZrO2 2陶瓷(气孔率5%)5%)150150 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l机械强度机械强度。机械强度是材料抵抗外加负荷的。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多种强度指标。一般陶瓷材料的抗压强度约为抗拉强度的为抗拉强度的10倍。倍。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷材材料料实实际际强强度度比比理理论论强强度度低低得得多多。氧氧化化铝铝陶陶瓷瓷的的E=3.661011N/m2,估估算算的的理理论论强强度度th=6.051010N/m2,而而实实际际强强度度th=2.66108N/m2,只为只为th的的1/227。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷对于这种情况的原因有很多理论解释，其中格对于这种情况的原因有很多理论解释，其中格里菲斯里菲斯(Griffith)的微裂纹理论比较适合于脆的微裂纹理论比较适合于脆性断裂的材料。该理论认为，实际材料中有许性断裂的材料。该理论认为，实际材料中有许多微裂纹或缺陷，在外力作用下，这些裂纹和多微裂纹或缺陷，在外力作用下，这些裂纹和缺陷附近产生应力集中。当这种局部应力超过缺陷附近产生应力集中。当这种局部应力超过材料强度时，裂纹扩展，最终导致断裂。材料强度时，裂纹扩展，最终导致断裂。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷是是应应力，力，是裂是裂纹纹尺寸，尺寸，Y为为几何形状因几何形状因子，与裂子，与裂纹纹形式和形式和试样试样几何形状有关，可几何形状有关，可从断裂力学和手册中从断裂力学和手册中查查到。到。（5-12）5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l断裂韧性断裂韧性。根据断裂力学，裂纹尖端应力。根据断裂力学，裂纹尖端应力场的强度可用应力强度因子表示如下：场的强度可用应力强度因子表示如下：K1值小于或等于某临界值时，材料不会发生值小于或等于某临界值时，材料不会发生断裂，该临界值称为断裂，该临界值称为断裂韧性断裂韧性，即，即（5-13）式中，式中，c为为临界应力临界应力。防止脆性断裂的条件是。防止脆性断裂的条件是（5-14）5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷式式(5-14)为陶瓷材料的结构设计提供了重要为陶瓷材料的结构设计提供了重要的依据。的依据。K1和和K1c的单位为的单位为N/m3/2。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷由裂纹扩展的断裂表面能由裂纹扩展的断裂表面能可以导出脆性材可以导出脆性材料料K1c的另一表达式。对平面应力状态：的另一表达式。对平面应力状态：（5-15）对于平面应变状态：对于平面应变状态：（5-16）式式中中，2是是脆脆性性材材料料中中裂裂纹纹扩扩展展单单位位面面积积所所降降低低的的应应变变能能，称称为为裂裂纹纹扩扩展展力力；K1c表表征征了了脆脆性性材材料料阻阻止止裂裂纹纹扩扩展展的的能能力力，是是脆脆性性材料固有的常数。材料固有的常数。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷三热学性能三热学性能l热容热容l热膨胀系数热膨胀系数l热导率热导率l热稳定性及抗热冲击性热稳定性及抗热冲击性 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l热热容容。热热容容是是物物体体温温度度升升高高1K所所需需要要增增加加热热量量。物物体体质质量量不不同同其其热热容容也也不不同同。1g物物质质热热容容叫叫比比热热容容，单单位位为为J/(Kg)。1mol物物质质热热容容叫叫摩摩尔尔热热容容，单单位位为为J/(Kmol)。物物质质的的热热容容还还与与其其热热过过程程有有关关，恒恒定定压压力力条件下的热容称为条件下的热容称为恒压热容恒压热容，可写为，可写为 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷（5-17）恒定体积物质的热容称为恒定体积物质的热容称为恒容热容恒容热容，可写为，可写为（5-18）式中，式中，Q为为热量热量；H为为焓焓；E为为内能内能；T为为绝绝对温度对温度。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷温温度度不不高高时时，功功能能陶陶瓷瓷的的CpCv，但但高高温温时时差差别别较较大大。图图5-3示示出出了了三三种种陶陶瓷瓷材材料恒容热容与温度的关系。料恒容热容与温度的关系。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷Al2O3MgOSiC3R0-20013000246Tc/Cv/cal/(mol)图图5-3 5-3 三种陶瓷材料恒容热容与温度关系三种陶瓷材料恒容热容与温度关系1 cal=4.18J 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷工程上常用的平均热容由式（工程上常用的平均热容由式（5-19）算出：）算出：（5-19）可见平均热容的精度较差，所以，在应用时可见平均热容的精度较差，所以，在应用时必须注意具体平均热容数值的适宜使用温度必须注意具体平均热容数值的适宜使用温度范围，以免发生不必要的错误。范围，以免发生不必要的错误。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷（5-20）（5-21）5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l热热膨膨胀胀系系数数。物物体体的的体体积积或或长长度度随随温温度度升升高高而而增增大大的的现现象象称称为为热热膨膨胀胀。温温度度升升高高1而而引引起起的的体体积积或或长长度度的的相相对对变变化化叫叫做做该该物物体体的的体体膨膨胀胀系数或线膨胀系数，其关系表示如下：系数或线膨胀系数，其关系表示如下：陶陶瓷瓷v和和l很很小小，一一般般v3l，常常用用线线膨膨胀胀系系数数就就能能表表示示这这类类材材料料的的热热膨膨胀胀特特性性。一一般般陶陶瓷瓷膨膨胀胀系系数数是是正正值值，少少数数是是负负的的。表表5-3为为几几种种陶陶瓷瓷材材料料在在规规定定温温度度范范围围内内的的平平均均线线膨膨胀胀系数系数。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷v和和l分别为体膨胀系数和线膨胀系数。分别为体膨胀系数和线膨胀系数。表表5-3 5-3 几种陶瓷在规定温度内平均线膨胀系数几种陶瓷在规定温度内平均线膨胀系数(续续1)1)材料名称材料名称 l l/(/(1010-6-6/)/)材料名称材料名称 l l/(/(1010-6-6/)/)滑石瓷滑石瓷(20100)(20100)8 8铁电瓷铁电瓷(20100)(20100)1212低碱瓷低碱瓷(20100)(20100)6 6堇青石瓷堇青石瓷(201000)(201000)2.02.52.02.57575氧化铝瓷氧化铝瓷(20100)(20100)6 6石英玻璃石英玻璃(201000)(201000)0.430.43 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷表表5-3 5-3 几种陶瓷在规定温度内平均线膨胀系数几种陶瓷在规定温度内平均线膨胀系数(续续2,2,完完)材料名称材料名称 l l/(/(1010-6-6/)/)材料名称材料名称 l l/(/(1010-6-6/)/)9595氧化铝瓷氧化铝瓷(20500)(20500)6.58.06.58.0铜铜(20600)(20600)18.618.6金红石瓷金红石瓷(20100)(20100)9 9可伐合金可伐合金(20500)(20500)6.36.3 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷（5-22）5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l热导率热导率。热量从固体材料温度高的一端传。热量从固体材料温度高的一端传到冷的一端的现象称之为到冷的一端的现象称之为热传导热传导。对于像。对于像陶瓷材料这样的各向同性的物质来说，在陶瓷材料这样的各向同性的物质来说，在稳定热传导过程中，单位时间通过物质传稳定热传导过程中，单位时间通过物质传导的热量导的热量式中，式中，为热导率，是衡量物质热传导能力大为热导率，是衡量物质热传导能力大小的特征参数。在不稳定传热条件下，若物体小的特征参数。在不稳定传热条件下，若物体中存在温度梯度且无与外界的热交换，传热过中存在温度梯度且无与外界的热交换，传热过程在常压条件下进行，则物体中各处的温度随程在常压条件下进行，则物体中各处的温度随时间而发生变化，温度梯度随时间而趋于零，时间而发生变化，温度梯度随时间而趋于零，物体温度最终达到某一平衡温度。物体温度最终达到某一平衡温度。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷影响材料热导率的因素很多，主要有材料的影响材料热导率的因素很多，主要有材料的化学组成、晶体结构、气孔率、气孔尺寸和化学组成、晶体结构、气孔率、气孔尺寸和在材料中的分布等。在材料中的分布等。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷（5-23）式中，式中，Cp为为恒压热容恒压热容；为为密度密度。物体单位面积上温度随时间变化率：物体单位面积上温度随时间变化率：表表5-4 5-4 几种常见材料的热导率几种常见材料的热导率材料材料温度温度/cal(cms)-1材料材料温度温度/cal(cms)-195氧化铝瓷200.04铜200.9201000.031000.90395氧化铍瓷200.48镍200.1471000.40钼200.3595氮化硼瓷（垂直于热压方向）600.10 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l抗热冲击性抗热冲击性。是指物体能承受温度剧烈变化。是指物体能承受温度剧烈变化而不被破坏能力，用规定条件下的热冲击次而不被破坏能力，用规定条件下的热冲击次数表示。数表示。l陶瓷材料在热冲击下的损坏有两类。陶瓷材料在热冲击下的损坏有两类。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l一是材料发生瞬间断裂，对这类破坏的抵抗一是材料发生瞬间断裂，对这类破坏的抵抗称抗热冲击断烈性。称抗热冲击断烈性。l另一种是指热冲击循环作用下，材料表面开另一种是指热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质而裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质而损坏，对这类破坏抵抗称抗热冲击损伤性。损坏，对这类破坏抵抗称抗热冲击损伤性。抗抗热热震震性性测测试试仪仪 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l抗热冲击性与材料的膨胀系数、热导率、表抗热冲击性与材料的膨胀系数、热导率、表面散热速率、材料的几何尺寸及形状、微观面散热速率、材料的几何尺寸及形状、微观结构、弹性模量、机械强度、断裂韧性、热结构、弹性模量、机械强度、断裂韧性、热应力等因素有关。应力等因素有关。l功能陶瓷元件制造和应用方面必须注意抗热功能陶瓷元件制造和应用方面必须注意抗热冲击性这一重要的技术指标。冲击性这一重要的技术指标。四光学性质四光学性质l功能陶瓷的光学性质是指其在红外光、可见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、紫外光及各种射线作用下的一些性质。l光照射到陶瓷介质上，一部分被反射，一部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，还有一分进入介质内部，发生散射和吸收，还有一部分透过介质。部分透过介质。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷lI0=IR+IS+IA+IT，式中，式中，I0入射光强度；入射光强度；IR反射光强度；反射光强度；IS散射光强度；散射光强度；IA吸收光强度；吸收光强度；IT透射光强度。透射光强度。l归一化可得：归一化可得：R+S+A+T=1，式中，式中，R为反射为反射率；率；S为散射率；为散射率；A为吸收率；为吸收率；T为透射率。为透射率。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷荧光光谱仪荧光光谱仪分光光度计分光光度计 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷五磁学性质五磁学性质l陶瓷材料具有高电阻和低损耗特性，广泛应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。动控制等科学技术领域。l磁性材料可分为磁化率为负的抗磁体材料和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。磁化率为正的顺磁体材料。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷软磁交流测量装置软磁交流测量装置 5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷在在外外磁磁场场H的的作作用用下下，在在磁磁介介质质材材料料的的内内部部产产生生一一定定磁磁通通量量密密度度，称称之之为为磁磁感感应应强强度度B，单位为，单位为Wb/m2。B与与H关系由下式表示：关系由下式表示：B=H （5-29）为为磁导率磁导率，是磁性材料特征参数，表示材料，是磁性材料特征参数，表示材料在单位磁场强度作用下内部磁通量密度。在单位磁场强度作用下内部磁通量密度。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷磁化磁化强强度度M与磁与磁场场强强度度H的比的比值值称称为为磁化率磁化率：（5-30）式式中中，M为为单单位位体体积积的的磁磁矩矩；为为磁磁介介质质材材料料的的磁磁化化率率，表表达达了了磁磁介介质质材材料料在在磁磁场场H的的作作用用下下磁磁化化的的程程度度，在在国国际际单单位位制制中中是是无无量量刚刚的的，可可以以是正数或负数，决定于材料的磁性类别。是正数或负数，决定于材料的磁性类别。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷M可以通过实验测定，将某材料制成一个小可以通过实验测定，将某材料制成一个小磁体置于外磁场中，其受力（一维）为磁体置于外磁场中，其受力（一维）为 V为该为该磁介磁介质质材料的体材料的体积积。若外磁。若外磁场场的分布已的分布已知，知，则则M可以通可以通过过F的的测测定定经计经计算得到。算得到。（5-31）5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l当当M为为负负值值时时，材材料料表表现现为为抗抗磁磁性性，陶陶瓷瓷材材料料的的大大多多数数原原子子是是抗抗磁磁性性的的抗抗磁磁性性物物质质的的原原子子（离离子子）不不存存在在永永久久磁磁矩矩，当当其其受受外外磁磁场场作作用用时时，电电子子轨轨道道发发生生改改变变，感感生生与与外外磁磁场场方方向向相相反的磁矩，而表现出抗磁性。反的磁矩，而表现出抗磁性。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l这这类类物物质质的的磁磁化化率率一一般般都都很很小小，约约为为-10-5。M为为正正值值时时，材材料料表表现现为为顺顺磁磁性性，该该材材料料的的主主要要特特征征为为不不论论是是否否受受到到外外磁磁场场作作用用，原原子子内内部部都存在永久磁矩。都存在永久磁矩。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l当当无无外外磁磁场场作作用用时时，由由于于原原子子无无规规则则热热运运动动，材料整体不呈现磁性。材料整体不呈现磁性。l磁磁化化强强度度M与与外外磁磁场场强强度度H方方向向一一致致且且与与之之成成正比。顺磁性物质磁化率约为正比。顺磁性物质磁化率约为10-5。l顺磁性物质磁化率约为顺磁性物质磁化率约为10-5。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷l铁氧体磁性材料中软磁材料的磁导率高、电阻铁氧体磁性材料中软磁材料的磁导率高、电阻大、损耗小、饱和磁感应强度高及稳定性好。大、损耗小、饱和磁感应强度高及稳定性好。l硬磁材料的特点是剩磁强度高、不容易退磁。硬磁材料的特点是剩磁强度高、不容易退磁。l矩磁材料的特点是磁滞回线有很好的矩形度、矩磁材料的特点是磁滞回线有很好的矩形度、高的剩磁比、矫顽力小、损耗低、稳定性好。高的剩磁比、矫顽力小、损耗低、稳定性好。5.2 功能陶瓷的基本性质 第五章 功能陶瓷一一 精密绝缘陶瓷在的应用精密绝缘陶瓷在的应用l绝缘材料在电气电路或电子电路中所起作用主绝缘材料在电气电路或电子电路中所起作用主要是根据电路设计要求将导体物理隔离，以防要是根据电路设计要求将导体物理隔离，以防电流在它们之间流动而破坏电路正常运行。电流在它们之间流动而破坏电路正常运行。l绝缘材料还起着导体的机械支持、散热及电路绝缘材料还起着导体的机械支持、散热及电路环境保护等作用。环境保护等作用。5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷 5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷绝缘陶瓷绝缘陶瓷l绝绝缘缘陶陶瓷瓷分分为为氧氧化化物物绝绝缘缘陶陶瓷瓷和和非非氧氧化化物物绝绝缘陶瓷缘陶瓷。l绝绝缘缘陶陶瓷瓷它它必必须须具具备备如如下下性性能能：（1）体体积积电电阻阻率率()1012cm;（2）相相对对介介电电常常数数(r)30;（3）损损耗耗因因子子(tg)0.001;（4）介介电电强强度度(DS)5.0kV/mm。5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷l除上述性能外，绝缘陶瓷还应具有良好导热除上述性能外，绝缘陶瓷还应具有良好导热性、与导体材料尽可能一致热膨胀性、耐热性、与导体材料尽可能一致热膨胀性、耐热性、高强性及化学稳定性等。性、高强性及化学稳定性等。l与传统绝缘陶瓷相比，精密绝缘陶瓷则是后与传统绝缘陶瓷相比，精密绝缘陶瓷则是后起之秀，它在近代电子技术中所起的作用是起之秀，它在近代电子技术中所起的作用是前者无法比拟。前者无法比拟。5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷l在当今世界上，每年要制造数百亿件质量相在当今世界上，每年要制造数百亿件质量相当高的集成电路，其中约当高的集成电路，其中约20%要采用精密绝要采用精密绝缘陶瓷基片。缘陶瓷基片。l在计算机集成电路中采用多层绝缘陶瓷基片在计算机集成电路中采用多层绝缘陶瓷基片与封装材料可以使高速计算机的工作效率翻与封装材料可以使高速计算机的工作效率翻番，其价值超过了陶瓷自身所具价值的成千番，其价值超过了陶瓷自身所具价值的成千上万倍。上万倍。5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷二二 绝缘陶瓷的性能与特征绝缘陶瓷的性能与特征（一）（一）离子导电和绝缘性离子导电和绝缘性 5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷l固体能带中那些被电子完全占满的叫固体能带中那些被电子完全占满的叫满带满带，未，未被电子占据的叫被电子占据的叫导带导带，满带和导带之间称之为，满带和导带之间称之为禁带禁带。如果禁带宽度足够大，满带的电子就难。如果禁带宽度足够大，满带的电子就难以被激发而超越禁带进入导带，固体便成为典以被激发而超越禁带进入导带，固体便成为典型的绝缘体。型的绝缘体。5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷l实际上，理想的绝缘体只有在绝对零度实际上，理想的绝缘体只有在绝对零度时才能获得。这与高温时半导体的性质时才能获得。这与高温时半导体的性质相似，只不过绝缘体的禁带宽度比半导相似，只不过绝缘体的禁带宽度比半导体大（绝缘体的禁带宽度约体大（绝缘体的禁带宽度约45eV，半，半导体约为导体约为1eV左右）。左右）。5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷l因为绝缘体禁带宽度很大，激发电子需很大因为绝缘体禁带宽度很大，激发电子需很大能量，在室温附近，实际上可认为电子几乎能量，在室温附近，实际上可认为电子几乎不迁移。很多绝缘陶瓷是典型离子晶体或共不迁移。很多绝缘陶瓷是典型离子晶体或共价晶体，在此情况下，对具有足够宽度禁带价晶体，在此情况下，对具有足够宽度禁带区绝缘陶瓷而言，离子导电就变得十分重要区绝缘陶瓷而言，离子导电就变得十分重要了，这是通过离子扩散而发生的导电行为。了，这是通过离子扩散而发生的导电行为。一般离子一般离子电导电导率率可用下式表示：可用下式表示：（5-33）n：单单位体位体积积中可迁移的离子数；中可迁移的离子数；q：离子：离子的的电电荷；荷；：离子的迁移率。：离子的迁移率。（5-34）Di：离子的：离子的扩散系数扩散系数；k：玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数；T：绝对温度绝对温度(K)。5.3 绝缘陶瓷 第五章 功能陶瓷而而Di可由下式可由下式给给出：出：（5-35）式中，式中，E：激活能；：激活能；A：频频率系数。率系数。由式（由式（6-33）（6-35）及）及lgT，（，（5-48）简简化化为为：。可。可见见，要提高，要提高，必，必须须增大增大，减小，减小。5.6 半导体陶瓷 第五章 功能陶瓷（二