电子陶瓷材料1 绪论

1、陶瓷的特点：陶瓷的特点：优点：硬度大，机械强度高，化学稳优点：硬度大，机械强度高，化学稳定性好（耐腐蚀），熔点高，绝缘性能好，定性好（耐腐蚀），熔点高，绝缘性能好，抗电强度高（抗电强度高（10kv/mm),10kv/mm),导电性能可变导电性能可变（半导体、超导体、绝缘体）及成本低。（半导体、超导体、绝缘体）及成本低。缺点：脆性大，分散性大。缺点：脆性大，分散性大。电子陶瓷电子陶瓷 结构陶瓷和陶瓷和功能陶瓷。陶瓷。 陶瓷的微观结构与性能的关系陶瓷的微观结构与性能的关系 陶瓷是一个复杂的多晶多相系统，一般由结晶相、玻陶瓷是一个复杂的多晶多相系统，一般由结晶相、玻璃相、气相和相界交织而成。璃相、气

2、相和相界交织而成。 结晶相：大小不同，形状不一，取向随机的晶粒。直结晶相：大小不同，形状不一，取向随机的晶粒。直径几微米到几十微米。小晶粒内部原子或离子点阵规径几微米到几十微米。小晶粒内部原子或离子点阵规则排列，是单晶。则排列，是单晶。 主晶相决定了材料的性能：介电常数，电导率，损耗主晶相决定了材料的性能：介电常数，电导率，损耗和热膨胀系数。电子陶瓷大都选用氧化物为主晶相。和热膨胀系数。电子陶瓷大都选用氧化物为主晶相。玻璃相玻璃相 一种低温可以熔融的化合物。作用是填充晶粒之间的一种低温可以熔融的化合物。作用是填充晶粒之间的空隙，将晶粒紧密联结成一个整体，降低坯体烧成温空隙，将晶粒紧密联结成一个

3、整体，降低坯体烧成温度，阻止晶型转变，在一定条件下，可以抑制晶粒生度，阻止晶型转变，在一定条件下，可以抑制晶粒生长，促使晶粒细微化。广义上和晶粒之间的过渡晶界长，促使晶粒细微化。广义上和晶粒之间的过渡晶界相一起统称为晶粒间界。相一起统称为晶粒间界。晶粒之间的固体物质，晶粒之间的固体物质，原子不规则排列。原子不规则排列。气相气相 晶粒之间玻璃相填充不到的部分，是气体占据晶粒之间玻璃相填充不到的部分，是气体占据的部分。的部分。 开口气孔和闭口气孔。开口气孔和闭口气孔。功能陶瓷的主要物理性能与效应直接效应直接效应电学、力学、磁学、热力学、化学、生物电学、力学、磁学、热力学、化学、生物耦合效应耦合效应

4、 机电、热电、光电、磁电耦合机电、热电、光电、磁电耦合 介电性能是功能陶瓷的基本性能，反映的是极化强度对弱电场的响应 高介电常数电介质陶瓷高比容电容器和微波介质陶瓷器件 感应极化的产生及随外场（温度、电场等）的变化电介质物理学的研究核心直接效应直接效应 铁电体的极化反转特性铁电薄膜存储器的应用基础 铁电体的电学非线性电控调谐器件的应用基础 铁氧体的磁学非线性磁控调谐器件 半导电性与环境气氛的依赖性各种化学、生物传感器 电性离子、电子导电性新型电池 超导电性高温超导器件、微波器件等直接效应直接效应热-电耦合效应：热释电效应-红外传感器的应用基础 PTC PTC 、 NTCNTC效应等-热敏陶瓷器

5、件光-电耦合效应：电光效应-电光显示和调控器件应用 电控可变光散射，电控可变双折射效应机-电耦合效应：电致伸缩效应和压电效应-压电陶瓷器件场致相变效应：压强诱导铁电-反铁电相变-爆电换能 电场诱导反铁电-铁电相变-机电换能磁电耦合效应：磁电转换-磁电转换耦合效应 特点：成分可控性、结构宽容性、性能多样性、应用 广泛性。 据功能陶瓷组成、结构的易调性和可靠性：可制备超高绝缘性、半导性、导电性和超导电性陶瓷。 据功能陶瓷的能量转换和耦合特性：可制备压电、光电、热电、磁电和铁电等陶瓷。 据对外场的敏感效应：可制备热敏、气敏、湿敏、压敏、磁敏、电压敏和光敏等敏感陶瓷。应用特点应用特点主要分类主要分类电

6、介质陶瓷绝缘陶瓷(结构陶瓷)、电容器介质陶瓷、微波介质陶瓷、低温共烧陶瓷铁电陶瓷高介介电陶瓷、热释电陶瓷、电光陶瓷、弛豫铁电陶瓷、反铁电陶瓷等压电陶瓷一元系、二元系、三元系压电陶瓷，无铅压电陶瓷、电致伸缩陶瓷等半导体陶瓷PTCPTC热敏陶瓷、NTCNTC热敏陶瓷、气敏陶瓷、压敏陶瓷、湿敏陶瓷、光敏陶瓷等导电陶瓷电子导电陶瓷、离子导电陶瓷、质子导电陶瓷、混合导电陶瓷超导陶瓷高温超导陶瓷磁性陶瓷铁氧体陶瓷软磁、硬磁、旋磁铁氧体等生物陶瓷生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷等按形态可分为： 粉体、块体、厚膜、薄膜、纤维、复合等按结晶态可分为： 非晶、多晶、单晶体结构陶瓷：结构陶瓷： 在电子元件，器件，部件和电

7、路中作基体、外壳，固在电子元件，器件，部件和电路中作基体、外壳，固定件和绝缘部件。定件和绝缘部件。 滑石瓷：滑石瓷：MO-AlMO-Al2 2O O3 3-SiO-SiO2 2体系体系 氧化铝陶瓷：氧化铝陶瓷：AlAl2 2O O3 3，9999瓷（刚玉瓷），瓷（刚玉瓷），9595瓷，瓷，9090瓷，瓷，高铝瓷，着色氧化铝陶瓷。高铝瓷，着色氧化铝陶瓷。 高热导率瓷：高热导率瓷：BeOBeO瓷，瓷，BNBN瓷，瓷，AlNAlN瓷，瓷，SiCSiC瓷。瓷。应用：结构陶瓷应用：结构陶瓷功能陶瓷的发展趋势功能陶瓷的发展趋势(1) (1) 表面组装技术表面组装技术(SMT) (SMT) 推动功能陶瓷元件

8、片式化推动功能陶瓷元件片式化 (2) (2) 功能陶瓷的多功能化、复合化功能陶瓷的多功能化、复合化(3) (3) 功能陶瓷的机敏化和智能化功能陶瓷的机敏化和智能化(4) (4) 功能陶瓷的高频化功能陶瓷的高频化- -微波介质陶瓷与现代通信技术微波介质陶瓷与现代通信技术(5) (5) 低维化，集成化低维化，集成化 块体材料的常规制作工艺：制粉成型烧结。块体材料的常规制作工艺：制粉成型烧结。 制粉工艺多样化：固相法、液相法、气相法。制粉工艺多样化：固相法、液相法、气相法。 成型工艺：干式模压成型、等静压成型成型工艺：干式模压成型、等静压成型 烧结工艺：常压烧结、热压烧结、填充烧结、气烧结工艺：常压

9、烧结、热压烧结、填充烧结、气氛烧结。氛烧结。功能陶瓷的制备工艺功能陶瓷的制备工艺2 功能陶瓷的基本性能功能陶瓷的基本性能 2.1 电学性能电学性能 2.2 力学性能力学性能 2.3 热学性能热学性能 2.4 光学性能光学性能 2.5 磁学性能磁学性能 2.6 耦合性能耦合性能2.1 2.1 电学性能电学性能 2.1.1 电导率电导率 2.1.2 介电常数介电常数 2.1.3 介质损耗介质损耗 2.1.4 绝缘强度绝缘强度基本电学性能：基本电学性能： （1 1）在电场下传导电流）在电场下传导电流, ,电导率电导率 （2 2）被电场感应，介电常数）被电场感应，介电常数电子陶瓷的电学性质电子陶瓷的电

10、学性质 物质基本电学性质：物质基本电学性质：传导电流传导电流和和被电场感应被电场感应 物质物质传导电流传导电流的现象用下式描述：的现象用下式描述： 式中式中 J为电流密度矢量；为电流密度矢量；E为电场强度矢量；为电场强度矢量； 为电导率为张量。为电导率为张量。EJ 被电场感应的性质，通常可用下式描述：被电场感应的性质，通常可用下式描述： 式中式中 D为电位移，一般为矢量；为电位移，一般为矢量； 为介电常数，一般为张量。为介电常数，一般为张量。 电导率电导率(electrical conductivity)和和介电常数介电常数(dielectric constant)是描写电子陶瓷的电学性是描写

11、电子陶瓷的电学性质的两个最基本的电学参数。质的两个最基本的电学参数。ED2.1.1 2.1.1 电导率电导率JE电导率：样品的导电能力，越大则导电能力越强/1/RUIGRS h载流子：离子电导(陶瓷的主要方式) 和 电子电导本质区别： 1.质量变化 2. 霍尔效应 3. 迁移率低压下，高低压下，高压不符合压不符合EVnqnqVEJU, I, E ,J ?单位：欧姆单位：欧姆厘米（厘米（ cm cm）电子陶瓷的导电性能电子陶瓷的导电性能大部分陶瓷的禁带宽度宽，为绝缘材料，例如氧大部分陶瓷的禁带宽度宽，为绝缘材料，例如氧化铝、氧化硅、氮化硅等。化铝、氧化硅、氮化硅等。如果对绝缘陶瓷进行掺杂，或者制

12、备非化学计量如果对绝缘陶瓷进行掺杂，或者制备非化学计量比化合物，可以得到半导体陶瓷，如比化合物，可以得到半导体陶瓷，如NiONiO（LiLi）、）、SnOSnO2-x2-x等。等。有的陶瓷材料的离子性较强，晶格中可以有自由有的陶瓷材料的离子性较强，晶格中可以有自由移动的离子参与导电，如移动的离子参与导电，如AgIAgI等。等。目前目前高温超导氧化物高温超导氧化物的导电能力已超过的导电能力已超过金属金属. .已经得到广泛应用的先进陶瓷材料的电导率几乎已经得到广泛应用的先进陶瓷材料的电导率几乎覆盖了从良导体到绝缘体的范围。覆盖了从良导体到绝缘体的范围。电子陶瓷的导电特点电子陶瓷的导电特点设平板试样

13、的厚度为设平板试样的厚度为d，试样上的电极面积，试样上的电极面积为为S ，得，得 式中式中 G为试样电导为试样电导。 SdG电导率电导率是面积为是面积为1cm2，厚为，厚为1cm的试样所具有的试样所具有的电导。的电导。它是表征材料导电能力大小的特征参数。电导它是表征材料导电能力大小的特征参数。电导率又称比电导或导电系数，其单位常用率又称比电导或导电系数，其单位常用（cm）-1表示。表示。电导率电导率 的倒数为电阻率的倒数为电阻率 ，其单位常用，其单位常用（cm）表示。）表示。 从电导率的大小分类，材料可以分成导体、从电导率的大小分类，材料可以分成导体、半导体和绝缘体。半导体和绝缘体。金属是导体

14、的代表性材料，化学纯的陶瓷金属是导体的代表性材料，化学纯的陶瓷多为绝缘体。多为绝缘体。实际陶瓷材料由于化学计量比偏离和掺杂实际陶瓷材料由于化学计量比偏离和掺杂等原因，晶体中存在一定数量的带电粒子。等原因，晶体中存在一定数量的带电粒子。在定向电场的作用下，带电粒子（载流子）在定向电场的作用下，带电粒子（载流子）的漂移（的漂移（drift）和扩散使材料具有导电能）和扩散使材料具有导电能力。力。载流子在晶体中作定向漂移时会遭受各种载流子在晶体中作定向漂移时会遭受各种散射，影响载流子迁移。散射，影响载流子迁移。在不同温度下，各种散射机制起的作用不在不同温度下，各种散射机制起的作用不同。材料中载流子浓度

15、和其迁移率是影响同。材料中载流子浓度和其迁移率是影响陶瓷导电能力的重要因素。陶瓷导电能力的重要因素。 在瓷体中或多或少存在在瓷体中或多或少存在能传递电荷的质能传递电荷的质点，这些质点称为载流子点，这些质点称为载流子(carrier)。 陶瓷中的载流子可以是离子、电子或两陶瓷中的载流子可以是离子、电子或两者共同存在。者共同存在。 离子作为载流子的电导称为离子作为载流子的电导称为离子电导离子电导； 电子作为载流子的电导称为电子作为载流子的电导称为电子电导电子电导。 电介质瓷主要是离子电导电介质瓷主要是离子电导； 半导体瓷和导电陶瓷主要是电子电导半导体瓷和导电陶瓷主要是电子电导。离子电导和电子电导有

16、本质的区别。离子电导和电子电导有本质的区别。离子的运动伴随着明显的质量变化，离子在电离子的运动伴随着明显的质量变化，离子在电极附近有电子得失，因而产生新的物质，这就极附近有电子得失，因而产生新的物质，这就是电化学效应。是电化学效应。新物质产生的量与所通过的电量成正比，即遵新物质产生的量与所通过的电量成正比，即遵从法拉弟定律。从法拉弟定律。电子电导电子电导没有这一效应。没有这一效应。电子电导的特征是具有霍耳效应。电子电导的特征是具有霍耳效应。如下图所示。如下图所示。当电流当电流I通过试样时，如果在垂直于电流的通过试样时，如果在垂直于电流的方向加一磁场方向加一磁场H，则在垂直于，则在垂直于 I-H

17、的平面的的平面的方向产生一电场方向产生一电场EH，称为霍耳电场，该现，称为霍耳电场，该现象称为霍耳效应。象称为霍耳效应。霍耳效应的产生是由于电子在磁场作用下，霍耳效应的产生是由于电子在磁场作用下，产生横向位移的结果。产生横向位移的结果。电子电导的特征电子电导的特征由于离子质量比电子大得多，因此磁场的由于离子质量比电子大得多，因此磁场的作用力相对较小，离子在磁场作用下，不作用力相对较小，离子在磁场作用下，不呈现横向位移。呈现横向位移。离子电导不呈现霍耳效应离子电导不呈现霍耳效应。 体积电阻和体积电阻率体积电阻和体积电阻率 如如IV为体积电流，为体积电流，IS为表面电流为表面电流, 则有：则有：为

18、表面电阻为体积电阻SSVVSVIVRIVRIII 材料的总电阻：材料的总电阻： 体积电阻与材料本身性质有关；体积电阻与材料本身性质有关； 表面电阻与材料表面、制备条件、潮湿表面电阻与材料表面、制备条件、潮湿程度有关。程度有关。 体积电阻计算公式：体积电阻计算公式： SVRRR111SLRVV直流四端电极法测试电阻率直流四端电极法测试电阻率 对中、高电阻率材料，为消除电极非对中、高电阻率材料，为消除电极非欧姆接触对测量的影响，多采用直流四端欧姆接触对测量的影响，多采用直流四端电极法测试电导率电极法测试电导率IV截面积SL 室温下常用 简单的四探 针法： VISLVIl2l1l3 如如 l=l1=

19、l2=l3则则 该式是在试样尺寸远大于探针间距时才成立。该式是在试样尺寸远大于探针间距时才成立。)1111(2322121llllllVIVlI22.1.2 2.1.2 介电常数介电常数DE物质被电场感应的性质，衡量电介质存储电荷能力的常数0Q Q设真空时介电常数为1，0hCS 表示相同电场和电极系统，有介质存在比真空情况下电荷增加的倍数。功能陶瓷的介电系数范围很大。（1 1）电绝缘与极化）电绝缘与极化电介质绝缘：电介质陶瓷中的分子正负电荷彼此强烈地束电介质绝缘：电介质陶瓷中的分子正负电荷彼此强烈地束缚，在弱电场作用下，虽然正电荷沿电场方向移动，负电缚，在弱电场作用下，虽然正电荷沿电场方向移动

20、，负电荷逆电场方向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成荷逆电场方向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，因而具有较高的体积电阻率，具有绝缘性。电流，因而具有较高的体积电阻率，具有绝缘性。+ + + +- - - -VC0Q0静电场中介质的极化+-VC Q-+-+-+-+-+-+-+-+-+Q-Q0电介质极化：电介质极化：由于电荷的移动，造成了正负电荷中心不重合，在电介质陶瓷内部形成偶极矩，产生了极化。束缚电荷：束缚电荷：在与外电场垂直的电介质表面上出现了感应电荷Q，这种感应电荷不能自由迁移，称之束缚电荷。束缚电荷的面密度即为极化强度P（intensity of polarization

21、）真空时：Q0，C0插入电介质陶瓷时：Q，C增加的感应电荷为：Q-Q0相对介电常数相对介电常数（relative dielectric constant）00CCQQ 设真空时介电常数等于设真空时介电常数等于1，对同一个真，对同一个真空系统和有电介质系统，有空系统和有电介质系统，有 式中式中Q0为真空系统电极上的电荷，为真空系统电极上的电荷，Q为为有电介质时电极上的电荷。有电介质时电极上的电荷。 表明具有同样电场和电极的系统，有介表明具有同样电场和电极的系统，有介质存在时比真空情况下电极上电荷增加的倍质存在时比真空情况下电极上电荷增加的倍数等于介质的介电常数。数等于介质的介电常数。0QQ0 0

22、 为为SISI单位制中真空的介电常数，亦称电单位制中真空的介电常数，亦称电常数，常数，0=8.8510-12F/m；r r为相对介电常数，有时也简称为介电常数，为相对介电常数，有时也简称为介电常数，是一个无量纲的常数是一个无量纲的常数. .0r令：真空的相对介电常数为真空的相对介电常数为1, 1, 其他材料的相对其他材料的相对介电常数均大于介电常数均大于1 1。对平行平板电容器：对平行平板电容器： 式中，式中，C C为试样的电容量；为试样的电容量；d d为试样厚度为试样厚度或电极距离；或电极距离；S S为电极面积；为电极面积；0 0 为为SISI单位制单位制中真空的介电常数中真空的介电常数 S

23、hChSCrr00各种电子陶瓷室温时的介电常数如下各种电子陶瓷室温时的介电常数如下：装置瓷、电阻瓷及电真空瓷：装置瓷、电阻瓷及电真空瓷：212I型电容器瓷：型电容器瓷：61500II型电容器瓷：型电容器瓷：20030000III型电容器瓷：型电容器瓷：7000二十几万二十几万压电陶瓷：压电陶瓷：5020000 介电常数是衡量电介质储存电荷能力的参数，介电常数是衡量电介质储存电荷能力的参数，通常又叫介电系数（通常又叫介电系数（Dielectric ConstantDielectric Constant）或电）或电容率容率(permittivity)(permittivity)，也是电子陶瓷材料最

24、重要的，也是电子陶瓷材料最重要的电学特征参数之一。电学特征参数之一。 电介质极化的现象，归根结底是电介质中的微观带电粒子在电场的作用下，电荷分布发生变化而导致的一种宏观统计平均效应。电子和离子以多种形式参加极化过程。按照微观机制，可归纳为以下几种基本形式：极化机制：极化机制： (1)(1)位移式极化：电子，离子位移式极化：电子，离子 在电场作用下，离子（或原子）中的电子向电场相反方向移在电场作用下，离子（或原子）中的电子向电场相反方向移动一个小距离，带正电的原子核将沿电场方向移动一个更小的距动一个小距离，带正电的原子核将沿电场方向移动一个更小的距离，造成正负电荷中心分离，当外加电场取消后又恢复

25、原状。离，造成正负电荷中心分离，当外加电场取消后又恢复原状。 离子（或原子）的这种极化称电子位移极化，是在离子（或离子（或原子）的这种极化称电子位移极化，是在离子（或原子）内部发生的可逆变化，不以热的形式损耗能量，不导致介原子）内部发生的可逆变化，不以热的形式损耗能量，不导致介质损耗。质损耗。(2) (2) 松弛式极化：电子，离子松弛式极化：电子，离子松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。子。松弛极化：松弛质点由于热运动使之分布混乱，松弛极化：松弛质点由于热运动使之分布混乱， 电场力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化。电场力使之按

26、电场规律分布，在一定温度下发生极化。松弛极化的特点：比位移极化移动较大距离，移动时松弛极化的特点：比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。能量，是一种非可逆过程。 这些弱联系离子，受热运动起伏的影响，这些弱联系离子，受热运动起伏的影响，从一个平衡位置迁移到另一个平衡位置。在正常从一个平衡位置迁移到另一个平衡位置。在正常状态下，离子向各个方向迁移的几率相等，整个状态下，离子向各个方向迁移的几率相等，整个介质不呈现电极性。在电场作用下，离子向一个介质不呈现电极性。在电场作用下，离子向一个方向迁

27、移的几率增大，使介质呈现极化。方向迁移的几率增大，使介质呈现极化。 （3 3）偶极子转向极化）偶极子转向极化 极性电介质的分子，由于热运动，在无电场极性电介质的分子，由于热运动，在无电场时，偶极矩的取向是任意的，对外宏观电矩为零时，偶极矩的取向是任意的，对外宏观电矩为零。 有外电场时，偶极子会沿与外电场方向平行有外电场时，偶极子会沿与外电场方向平行的方向排列，出现了与外电场同向的电矩。的方向排列，出现了与外电场同向的电矩。 偶极子的转向极化由于受到电场力的转矩作偶极子的转向极化由于受到电场力的转矩作用、分子热运动的阻碍作用以及分子间的相互作用、分子热运动的阻碍作用以及分子间的相互作用，所需时间

28、较长，为用，所需时间较长，为1010-2-210106 6 秒或更长。秒或更长。 界面极化是和陶瓷体内电荷分布状况有关的极界面极化是和陶瓷体内电荷分布状况有关的极化。陶瓷体内的电荷又称空间电荷或容积电荷。它化。陶瓷体内的电荷又称空间电荷或容积电荷。它的形成原因是陶瓷体内存在不均匀性和界面。晶界、的形成原因是陶瓷体内存在不均匀性和界面。晶界、相界是陶瓷中普遍存在的。相界是陶瓷中普遍存在的。 （4 4） 界面极化界面极化 由于界面两边各相的电性质（电导率、介电常数等）由于界面两边各相的电性质（电导率、介电常数等）不同，在界面处会积聚起电荷。不均匀的化学组成、夹层、不同，在界面处会积聚起电荷。不均匀

29、的化学组成、夹层、气泡是宏观不均匀性，气泡是宏观不均匀性，在界面上也有电荷积聚。在界面上也有电荷积聚。 某些陶瓷材料在直流电压作用下发生电化学反应，在某些陶瓷材料在直流电压作用下发生电化学反应，在一个电极或两个电极附近形成新的物质。称为一个电极或两个电极附近形成新的物质。称为形成层作用。形成层作用。陶瓷变成两层或三层电性质不同的介质。这些层间界面上陶瓷变成两层或三层电性质不同的介质。这些层间界面上也会积聚电荷。也会积聚电荷。 上述各种界面上积聚电荷的结果，使电极附近电荷上述各种界面上积聚电荷的结果，使电极附近电荷增加，呈现了宏观极化。增加，呈现了宏观极化。 这种极化可以形成很高的与外加电场方向

30、相反的电这种极化可以形成很高的与外加电场方向相反的电动势动势反电势，因此这种宏观极化也称为高压式极化。反电势，因此这种宏观极化也称为高压式极化。由夹层、气泡等形成的极化则称夹层式极化。由夹层、气泡等形成的极化则称夹层式极化。 高压式和夹层式极化可以统称为界面极化。高压式和夹层式极化可以统称为界面极化。 由于空间电荷积聚的过程是一个缓慢的过程，所以由于空间电荷积聚的过程是一个缓慢的过程，所以这种极化建立的时间较长，大约从几秒至几十小时。界这种极化建立的时间较长，大约从几秒至几十小时。界面极化只对直流和低频下的介电性质有影响。面极化只对直流和低频下的介电性质有影响。 （5）谐振式极化谐振式极化 陶

31、瓷中的电子、离子都处于周期性的振动，陶瓷中的电子、离子都处于周期性的振动，其固有振动频率为其固有振动频率为1010121210101313HzHz，即红外线、可见，即红外线、可见光和紫外线的频段。光和紫外线的频段。 当外加电场的频率接近此固有振动频率时，当外加电场的频率接近此固有振动频率时，将发生谐振。电子或离子吸收电场能，使振幅加将发生谐振。电子或离子吸收电场能，使振幅加大呈现极化现象。电子或离子振幅增大后将与周大呈现极化现象。电子或离子振幅增大后将与周围质点互作用，振动能转变成热量，或发生辐射，围质点互作用，振动能转变成热量，或发生辐射，形成能量损耗。形成能量损耗。 这种极化仅发生在光频段

32、。这种极化仅发生在光频段。（6 6）自发极化）自发极化 在铁电陶瓷中有自发存在的小电畴，当外加在铁电陶瓷中有自发存在的小电畴，当外加电场后，这些小电畴会沿外场方向取向。由于这电场后，这些小电畴会沿外场方向取向。由于这些小电畴随电场的变化不能太快，因而这种极化些小电畴随电场的变化不能太快，因而这种极化对低频下和中频的介电性质有较大的影响。自发对低频下和中频的介电性质有较大的影响。自发极化于温度的关系也很密切。在某个温度之上，极化于温度的关系也很密切。在某个温度之上，自发极化可能会消失，该温度通常称为居里温度。自发极化可能会消失，该温度通常称为居里温度。在居里温度附近，铁电陶瓷的介电常数会出现很在

33、居里温度附近，铁电陶瓷的介电常数会出现很大的变化。大的变化。 总结：总结：与晶格粒子有关与晶格粒子有关- - 强结合强结合 位移极化；弱结合位移极化；弱结合 松弛极化松弛极化 与缺陷有关与缺陷有关- -界面极化界面极化 与外界条件有关与外界条件有关- -谐振式极化谐振式极化 与晶格结构有关与晶格结构有关：自发极化：自发极化极化形式极化形式极化的电介极化的电介质种类质种类极化的频率范极化的频率范围围与温度的关与温度的关系系能量消耗能量消耗电子位移极电子位移极化化一切陶瓷一切陶瓷直流直流光频光频无关无关无无离子位移极离子位移极化化离子结构离子结构直流直流红外红外温度升高极温度升高极化增强化增强很弱

34、很弱离子松弛极离子松弛极化化离子不紧密离子不紧密的材料的材料直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有电子位移松电子位移松弛极化弛极化高价金属氧高价金属氧化物化物直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有转向极化转向极化有机有机直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有空间电荷极空间电荷极化化结构不均匀结构不均匀的材料的材料直流直流高频高频随温度升高随温度升高而减小而减小有有各种极化方式对比各种极化方式对比2.1.3 介质损耗介质损耗 陶瓷介质在电导和极化过程中都有能量陶瓷介质在电导和极化过程中都有能量损耗，一部分电能转化为热能。单位时间单

35、损耗，一部分电能转化为热能。单位时间单位体积内所消耗的电能为介质损耗。位体积内所消耗的电能为介质损耗。2pE直流电场下，仅来源于电导：直流电场下，仅来源于电导： 交流电场下，来源于电导和极化交流电场下，来源于电导和极化 将实际陶瓷电容器等效为一个理想电容将实际陶瓷电容器等效为一个理想电容器器(无耗电容器无耗电容器)和纯电阻的并联或串联。和纯电阻的并联或串联。介电损耗：任何电介质在电场作用下，总会或多或少地把部分任何电介质在电场作用下，总会或多或少地把部分电能转变成热能使介质发热，在单位时间内因发热而损耗的能电能转变成热能使介质发热，在单位时间内因发热而损耗的能量称为损耗功率或简称为介电损耗。量

36、称为损耗功率或简称为介电损耗。介电损耗包括：漏电损耗和极化损耗（漏电损耗和极化损耗（polarization losspolarization loss）漏电损耗漏电损耗： 漏电电流流经介质时使介质发热而损耗了电能，漏电电流流经介质时使介质发热而损耗了电能，这种由电导而引起的介质损耗称为这种由电导而引起的介质损耗称为“漏电损耗漏电损耗”。极化损耗极化损耗：介质在电场中均会呈现出极化现象，除电子、离子介质在电场中均会呈现出极化现象，除电子、离子弹性位移极化基本上不消耗能量外，其他缓慢极化建立的过程弹性位移极化基本上不消耗能量外，其他缓慢极化建立的过程中都会因克服阻力而引起能量的损耗，这种损耗称为

37、极化损耗中都会因克服阻力而引起能量的损耗，这种损耗称为极化损耗（polarization losspolarization loss） 。介电损耗介电损耗的物理意义是在交变电场作用下电介质的物理意义是在交变电场作用下电介质的电位移矢量的电位移矢量D与电场强度与电场强度E之间的相位差。之间的相位差。 EPED00r)exp(0tiEE )(exp0tiDD介电常数表为一复数：介电常数表为一复数： icosrsinr 介电常数的实部反映了电介质储存电荷的能力，虚部反映了电介质在电荷移动过程中引起的电场能量损耗，它们均与电场频率有关。 电介质的损耗多来自漏电损耗,极化损耗。 漏电损耗是因为电介质的直

38、流电导损耗以及由于离子迁移受阻和偶极子弛豫损耗而引起能量的损失。极化损耗是因为材料中电子和离子的非弹性位移引起的。在交变电场作用下，不同极化机制对外电场的响应不同，或者说存在频率色散，介质中的极化是一些弛豫过程。极化过程需要经历一段时间达到平衡态，存在有介电损耗。静态介电常数与动态介电常数不相同。22)()( m tg2.1.4 绝缘强度绝缘强度介质的击穿：介质的击穿：当电场超过某一临界值时，介质当电场超过某一临界值时，介质有介电态变为导电状态有介电态变为导电状态击穿时的电压为击穿电压，相应的电场强度称击击穿时的电压为击穿电压，相应的电场强度称击穿电场强度、绝缘强度、介电强度、抗电强度穿电场强

39、度、绝缘强度、介电强度、抗电强度包括包括电击穿，热击穿电击穿，热击穿 由于击穿时电流剧烈增大，在击穿处往往产生局部高温。由于击穿时电流剧烈增大，在击穿处往往产生局部高温。火花，造成材料本身不可逆的破坏。火花，造成材料本身不可逆的破坏。 可以发现，在击穿处有小孔、裂缝，或击穿时整个瓷体炸可以发现，在击穿处有小孔、裂缝，或击穿时整个瓷体炸裂。裂。 击穿时的电压称击穿电压击穿时的电压称击穿电压U Uj j，相应的电场强度称击穿电场，相应的电场强度称击穿电场强度或绝缘强度等，用强度或绝缘强度等，用E Ej j表示。在电场均匀时，表示。在电场均匀时，E Ej j= = U Uj j /d /d 式中：式

40、中：d d为击穿处介质的厚度；为击穿处介质的厚度；E Ej j的单位常用的单位常用kV/cmkV/cm。 热击穿是介质在电场作用下发生热不稳定，因温度升高而破坏。热不稳定是指在电场作用下，由于介质的电导和介质损耗，将电场能变成热能。热量在介质内部积累，温度升高，电导和损耗随温度的升高而加大，又导致温度的再升高，产生的热量大于散失的热量。由于热击穿有一个热量积累过程，所以不象电击穿那样迅速，往往介质温度急剧升高。击穿电场强度较低，104105V/cm。 在直流电场下对陶瓷介质的试验表明，温度较高时可在直流电场下对陶瓷介质的试验表明，温度较高时可能发生热击穿，温度较低时往往发生电击穿。一般电击穿能

41、发生热击穿，温度较低时往往发生电击穿。一般电击穿的的E Ej j与温度无关，热击穿的与温度无关，热击穿的E Ej j随温度升高而降低。随温度升高而降低。 但是，电击穿和热击穿温度范围的划分，并不十分准但是，电击穿和热击穿温度范围的划分，并不十分准确，它与试样的组成、冷却情况、电压形式等有关，尤其确，它与试样的组成、冷却情况、电压形式等有关，尤其电场频率对其影响很大。例如，在高频交流电压下或试样电场频率对其影响很大。例如，在高频交流电压下或试样散热条件不好时，热击穿的范围就能扩大到较低的温度。散热条件不好时，热击穿的范围就能扩大到较低的温度。 在均匀电场下，电性质均匀的固体介质厚度小于在均匀电场

42、下，电性质均匀的固体介质厚度小于1010- -4 4cmcm时，电击穿时的时，电击穿时的E Ej j与试样厚度无关，热穿时的与试样厚度无关，热穿时的E Ej j 则随则随试样厚度增加而减小。但陶瓷是不均匀介质，通常试样厚度增加而减小。但陶瓷是不均匀介质，通常E Ej j随试随试样厚度增加而降低。样厚度增加而降低。 此外，在均匀电场中，加压时间小于10-7秒时，电击穿与加压时间无关；热击穿随加压时间的增加而降低。电击穿时，Ej与试样周围媒质的温度无关；热击穿时，Ej则随周围媒质温度的增加而降低，与媒质散热情况密切关系。 2.2 力学性能力学性能2. 2.1 弹性模量弹性模量 可按各向同性分析可按

43、各向同性分析2. 2.2 机械强度机械强度 Griffith的微裂纹理论的微裂纹理论2. 2.3 断裂韧性断裂韧性 应力强度因子应力强度因子 抗拉强度及伸长率；抗压强度抗拉强度及伸长率；抗压强度 抗弯强度；抗冲击强度抗弯强度；抗冲击强度 杨氏模量；屈服应力杨氏模量；屈服应力 抗疲劳强度；硬度抗疲劳强度；硬度弹性模量弹性模量设在虎克定律范围内，沿设在虎克定律范围内，沿x方向作用于试样上的方向作用于试样上的应力应力xx，在，在x方向和方向和y方向产生应变方向产生应变xx和和yy，则，则: E为为弹性模量弹性模量；为为泊松比泊松比或横向形变系数。或横向形变系数。弹性模量的单位与应力相同，为弹性模量的

44、单位与应力相同，为N/m2zzyyxxxxxxEEE)(泊松比泊松比（Poisson Ratio）定义为：）定义为：在拉伸实验中材料横向单位面积的减少与纵向单在拉伸实验中材料横向单位面积的减少与纵向单位长度的增加之比，（又称横向形变系数）位长度的增加之比，（又称横向形变系数） tllAA00若对试样施加剪切应力或等静压力，可得到若对试样施加剪切应力或等静压力，可得到剪切模量剪切模量G和体积弹性模量和体积弹性模量K，并有关系：，并有关系： 以上结果是假定试样为各向同性体得出的。以上结果是假定试样为各向同性体得出的。)21(3)1(2EKEG E、G、K、 中，只有两个是独立的中，只有两个是独立的

45、只要知道其中的两个参数，就可以描述只要知道其中的两个参数，就可以描述各各向同性材料的弹性力学行为。向同性材料的弹性力学行为。陶瓷材料宏观上可以按各向同性体处理，因陶瓷材料宏观上可以按各向同性体处理，因此以上结论也适用于陶瓷材料。此以上结论也适用于陶瓷材料。陶瓷材料的陶瓷材料的弹性模量弹性模量约在约在1091011N/m2之间之间 泊松比泊松比在在0.20.3之间。之间。 弹性模量是描写弹性模量是描写原子（或离子）间结合强度原子（或离子）间结合强度的的一种指标一种指标。 当相邻的两个原子处于平衡状态时，原子的间当相邻的两个原子处于平衡状态时，原子的间距距r=a。当原子受拉伸时，原子间距增大，相互

46、间作用当原子受拉伸时，原子间距增大，相互间作用力与原子间距初为线性变化，以后呈非线性并力与原子间距初为线性变化，以后呈非线性并达到最大值。达到最大值。弹性模量弹性模量E与与r=a处原子间作用力曲线的斜率处原子间作用力曲线的斜率tg有关。有关。原子间结合力强、曲线陡、原子间结合力强、曲线陡、tg大，则大，则E较大；较大；共价键晶体结合力最强，共价键晶体结合力最强，E最大最大离子键晶体结合力次强，离子键晶体结合力次强，E较小；较小；分子键结合力最弱，分子键结合力最弱，E最小。最小。原子间距离的改变将影响弹性模量：原子间距离的改变将影响弹性模量：压应力将使原子间距离变小，压应力将使原子间距离变小，E

47、增加增加；张应力使原子间距离增加，张应力使原子间距离增加，E减小减小；温度升高，热膨胀使原子间距离变大，温度升高，热膨胀使原子间距离变大，E降低。降低。对两相复合材料，采用简化模型，可以估对两相复合材料，采用简化模型，可以估算其上、下限弹性模量。算其上、下限弹性模量。如在外力作用下，两相的应变相同且泊松如在外力作用下，两相的应变相同且泊松比相同（等效于并联复合）则上限弹性模比相同（等效于并联复合）则上限弹性模量量EH为：为： 2211VEVEEH如在外力作用下，两相的应力（等效于串如在外力作用下，两相的应力（等效于串联复合），则下限弹性模量联复合），则下限弹性模量EL为：为：其中，其中， E1

48、、E2为第一相和第二相的弹性模为第一相和第二相的弹性模量；量； V1、V2为为第一相和第二相的体积分为为第一相和第二相的体积分数（数（ V1+V2 =1）22111EVEVEL 当连续基体内含有封闭气体时，其总弹性当连续基体内含有封闭气体时，其总弹性模量的经验公式为模量的经验公式为： E0为无气孔时的弹性模量，为无气孔时的弹性模量，P为气孔率为气孔率 )9 . 09 . 11 (20PPEE 弹性模量与材料的理论断裂强度的关系弹性模量与材料的理论断裂强度的关系： 奥罗万（奥罗万（Orowan）计算的理论强度为）计算的理论强度为: 式中式中为断裂表面能，是材料断裂形成单位面为断裂表面能，是材料断

49、裂形成单位面积新表面所需的能量。积新表面所需的能量。E E为为弹性模量，弹性模量，a为原子为原子间距。间距。aEth机械强度机械强度机械强度是材料其抵抗外加机械负荷的能机械强度是材料其抵抗外加机械负荷的能力力，是材料重要的力学性能，是设计和使，是材料重要的力学性能，是设计和使用材料的重要指标之一。用材料的重要指标之一。根据使用要求，机械强度可以分为根据使用要求，机械强度可以分为抗压强抗压强度、度、抗拉强度、抗拉强度、抗折强度、抗折强度、抗剪切强度、抗剪切强度、抗冲击强度和抗冲击强度和抗循环负荷强度抗循环负荷强度等。等。 一般材料抗压强度远大于抗拉强度。一般材料抗压强度远大于抗拉强度。陶瓷材料抗

50、压强度约为抗拉强度的陶瓷材料抗压强度约为抗拉强度的10倍。倍。强度大多指抗拉强度。电子陶瓷材料的强强度大多指抗拉强度。电子陶瓷材料的强度常用抗折强度表示。度常用抗折强度表示。材料的实际强度比理论强度低得多。材料的实际强度比理论强度低得多。 如烧结氧化铝的如烧结氧化铝的E3.661011 N/m2, 由式由式(4.5)，估算其理论强度，估算其理论强度 th=6.051010 N/m2，但实测强度但实测强度 =2.=2.66108 N/m2 只有只有th的的1/277。 对实际材料强度低的原因有很多理论解对实际材料强度低的原因有很多理论解释，格里菲斯（释，格里菲斯（Griffith）的）的微裂纹理

51、论微裂纹理论比比较成功。较成功。微裂纹理论微裂纹理论：实际材料中有许多微裂纹，在外力作用下，实际材料中有许多微裂纹，在外力作用下，裂纹尖端附近产生应力集中。当这种局部裂纹尖端附近产生应力集中。当这种局部应力超过材料强度时，裂纹扩展，最终导应力超过材料强度时，裂纹扩展，最终导致断裂。致断裂。 若能控制材料中裂纹长度若能控制材料中裂纹长度2c与原子间距与原子间距a接近，就能达到理论强度。接近，就能达到理论强度。 微裂纹微裂纹理论提出了要提高材料强度必须理论提出了要提高材料强度必须:1) 减小裂纹尺寸减小裂纹尺寸;2) 提高弹性模量；提高弹性模量；3) 提高断裂表面能。提高断裂表面能。 陶瓷的断裂表

52、面能比单晶的大，故其强度也陶瓷的断裂表面能比单晶的大，故其强度也较高。较高。如果如果陶瓷陶瓷和适当的和适当的金属金属制成制成复合材料复合材料，由于金，由于金属的塑性形变吸收了陶瓷晶相中裂纹扩展释放属的塑性形变吸收了陶瓷晶相中裂纹扩展释放出的能量，使裂纹终止在相界上，提高了复合出的能量，使裂纹终止在相界上，提高了复合材料断裂表面能（比陶瓷），因而获得较高的材料断裂表面能（比陶瓷），因而获得较高的强度和韧性。强度和韧性。 可以用其它法阻止裂纹扩展，提高断裂表可以用其它法阻止裂纹扩展，提高断裂表面能，以提高材料的强度，增加韧性。面能，以提高材料的强度，增加韧性。 例如，在陶瓷中形成大量小于临界长例如

53、，在陶瓷中形成大量小于临界长度（达到临界应力时的裂纹长度）的微度（达到临界应力时的裂纹长度）的微细裂纹，以吸收裂纹扩展时积蓄的弹性细裂纹，以吸收裂纹扩展时积蓄的弹性应变能，阻止裂纹扩展。应变能，阻止裂纹扩展。 增韧陶瓷增韧陶瓷即是依此原理研制而成的。即是依此原理研制而成的。 陶瓷材料微晶化后可以提高其强度陶瓷材料微晶化后可以提高其强度： 当晶相中的微裂纹受到与其长度方向当晶相中的微裂纹受到与其长度方向垂直的应力作用时，裂纹扩展到晶界时强垂直的应力作用时，裂纹扩展到晶界时强度较低，形成沿晶界方向的裂纹。度较低，形成沿晶界方向的裂纹。由于作用于此晶粒的外力与晶界平行，裂由于作用于此晶粒的外力与晶界

54、平行，裂纹尖端的应力降低了，裂纹扩展后即停止。纹尖端的应力降低了，裂纹扩展后即停止。 由于细晶粒陶瓷中垂直于裂纹扩展方向的由于细晶粒陶瓷中垂直于裂纹扩展方向的晶界数比粗晶粒陶瓷中的多，所以，当晶晶界数比粗晶粒陶瓷中的多，所以，当晶粒尺寸减小时陶瓷强度增大。粒尺寸减小时陶瓷强度增大。Griffith的微裂纹理论在陶瓷、玻璃中获得的微裂纹理论在陶瓷、玻璃中获得了很大的成功，但对金属、高聚物不太适了很大的成功，但对金属、高聚物不太适用。用。 硬度硬度 实际应用中，对硬度有不同的测试方实际应用中，对硬度有不同的测试方法、意义不同、代表的性能也不同。法、意义不同、代表的性能也不同。 对晶体材料，用对晶体

55、材料，用划痕硬度划痕硬度反映材料抵反映材料抵抗断裂破坏的能力；抗断裂破坏的能力； 对金属材料，用对金属材料，用静载压入硬度静载压入硬度反映材反映材料抵抗塑性形变的能力；料抵抗塑性形变的能力；晶体材料的划痕硬度称为晶体材料的划痕硬度称为莫氏硬度莫氏硬度，序号，序号大的材料可以划破序号小的材料的表面。大的材料可以划破序号小的材料的表面。金属材料的静载压入硬度方法是用静压将金属材料的静载压入硬度方法是用静压将一硬物体压入被测材料的表面，常用的有一硬物体压入被测材料的表面，常用的有布氏硬度布氏硬度、维氏硬度维氏硬度、洛氏硬度洛氏硬度、显维硬显维硬度度等。等。一般一般离子半径越小、电价越高、配位数越离子

56、半径越小、电价越高、配位数越小、结合能越大，材料的硬度越大。小、结合能越大，材料的硬度越大。2.3 热学性能热学性能2. 3.1 比热容比热容2. 3.2 膨胀系数膨胀系数2. 2.3 热导率热导率2. 2.4 抗热冲击性抗热冲击性电子陶瓷的热学性质电子陶瓷的热学性质 热学性质是电子陶瓷的重要性质之一。热学性质是电子陶瓷的重要性质之一。 如集成电路外壳、基片用陶瓷应有很好如集成电路外壳、基片用陶瓷应有很好的热传导性。的热传导性。 大部分陶瓷亲有好的耐热冲击性等。大部分陶瓷亲有好的耐热冲击性等。陶瓷材料的热学性质可以用陶瓷材料的热学性质可以用比热、膨胀系比热、膨胀系数、数、导热系数、导热系数、抗

57、热冲击性等参数来表征。抗热冲击性等参数来表征。 比热比热单位质量的物质升高单位质量的物质升高1C所吸收的热量叫比所吸收的热量叫比热。热。1摩尔物质升高摩尔物质升高1C所吸收的热叫摩尔所吸收的热叫摩尔热容量即热容。热容是衡量物质温度每升热容量即热容。热容是衡量物质温度每升高高 所增加的能量。恒定压力下的热容称恒所增加的能量。恒定压力下的热容称恒压热容，可写为压热容，可写为: (4-12)PPPTHTQC)()(恒定体积下的热容称恒容热容，可写为恒定体积下的热容称恒容热容，可写为 (4-13)式中式中 Q为热量、为热量、H为焓、为焓、E为内能、为内能、T为温为温度。度。VVVTHTQC)()(对于

58、电子陶瓷，一般情况下，对于电子陶瓷，一般情况下，CPCV；高；高温时差别较大。几种陶瓷材料热容与温度温时差别较大。几种陶瓷材料热容与温度的关系如图所示。的关系如图所示。 低温时，温度降低时热容低温时，温度降低时热容CV按按T3趋向于零；趋向于零；高温时，高温时，CV随温度的升高趋于恒定值随温度的升高趋于恒定值3R（R=8.314 J/(mol)，为气体常数）。，为气体常数）。对大多数陶瓷，温度超过对大多数陶瓷，温度超过1000时，时，CV接接近近3R24.95 KJ/(mol)。根据德拜热容理论根据德拜热容理论:Cv=3Rf(D /T) (4-14) 式中式中D称德拜温度。称德拜温度。低温时，

59、低温时， CV与与(T/D)3成正比；成正比；高温时，高温时，f(D/T)趋近于趋近于1。CV趋于常数的德拜理论的物理模型是：固趋于常数的德拜理论的物理模型是：固体中原子的受热振动体中原子的受热振动不是独立的，是互相不是独立的，是互相联系的，可以看成一系列弹性波的叠加。联系的，可以看成一系列弹性波的叠加。弹性波的能量是量子化的，称为弹性波的能量是量子化的，称为声子声子。热。热容来源于激发的声子数量。容来源于激发的声子数量。 在低温下，激发的声子数极少，接近在低温下，激发的声子数极少，接近0K时时CV趋向于零；温度升高，能量最大的趋向于零；温度升高，能量最大的声子容易激发出来，热容增大；声子容易

60、激发出来，热容增大； 高温时，各种振动方式都已激发，每高温时，各种振动方式都已激发，每种振动频率的声子数随温度呈线性增加，种振动频率的声子数随温度呈线性增加，故故CV趋于常数。趋于常数。膨胀系数膨胀系数 物体的体积或长度随温度升高物体的体积或长度随温度升高1而引而引起的相对变化叫该物体的起的相对变化叫该物体的体膨胀体膨胀或或线膨胀线膨胀系数。系数。 体膨胀系数可写为：体膨胀系数可写为： （4-15） dTdVVV1 线膨胀系数可写为：线膨胀系数可写为： （4-16)对于陶瓷材料和各向同性的固体对于陶瓷材料和各向同性的固体V=3 l 。因此，可以只用线膨胀系数表示这类材料因此，可以只用线膨胀系数