材料物理性能-功能陶瓷材料

1、主讲：胡木林2008年03月材料物理性能材料物理性能功能材料q 功能陶瓷材料q 功能玻璃材料q 半导体材料 材料物理性能功能材料 利用陶瓷的物理性质和对力、电、磁、热、光和气氛等的敏感特性，可以制成种类繁多的功能材料。功能陶瓷具有性能稳定、可靠性好、资源丰富、成本低，易于多功能化和集成化等优点。功能陶瓷在信息技术中占重要地位，广泛应用于信息的转换、存储、传递和处理。 功能陶瓷可分为一次功能材料和二次功能材料。输入和输出的能量形式相同，材料只起能量传送作用时，称为一次功能材料。输入和输出的能量形式不同，材料起能量转换作用时，称为二次功能材料。例如，绝缘陶瓷和导电陶瓷，利用陶瓷的电功能，铁氧体利用

2、陶瓷的磁功能，属一次功能材料。压电陶瓷利用材料对机械能和电能的转换作用，气敏陶瓷将气体种类或浓度转换成电讯号，属二次功能材料。材料物理性能功能材料 绝缘陶瓷 陶瓷存在电子式载流子和离子式载流子，绝缘陶瓷的禁带很宽，在室温附近电子不容易因受热激发跃跳到导带而产生电子导电。 目前大量使用的绝缘陶瓷是氧化物陶瓷，包括硅酸盐陶瓷和纯氧化物。具有高导热性的氮化铝等是有发展前景的基片和封装材料。基片和封装材料占美国电子陶瓷市场的55。 离子电导率受离子的荷电量和扩散系数的影响。荷电量和体积越小的离子，越易扩散，激活能也小。碱离子，尤其是钠离子，显著降低陶瓷的绝缘性。 陶瓷的绝缘性还受其显微组织的影响。陶瓷

3、的显微组织由主晶相晶粒、材料物理性能功能材料 绝缘陶瓷晶界相和气孔组成。将主晶相晶粒粘结起来的晶界相，通常是连续贯通，杂质浓度高的玻璃相。主晶相晶粒和气孔的绝缘性一般较好，因此，陶瓷的绝缘性主要取决于晶界相。为了提高绝缘性，玻璃相应尽量由硅玻璃、硼玻璃或铝硅玻璃，硼硅玻璃组成，避免碱金属氧化物的存在。内部气孔对绝缘性影响不大，但陶瓷表面的气孔会因吸附水或被污染而使表面绝缘性恶化。绝缘陶瓷应选择气孔少，无吸水性的致密材料。陶瓷表面上釉是防止污染和吸潮的有效办法。材料物理性能功能材料 绝缘陶瓷 对绝缘陶瓷性质的要求是：电阻率高，介电常数小，介电损耗小，机械强度高，化学稳定性好。对于高频瓷，还要求热

4、膨胀系数小、热导率高，抗热冲击性好。集成电路基片，要求高热导率材料。 绝缘陶瓷按其化学组成，可分为氧化物和非氧化物两大类。氧化物绝缘陶瓷多属传统硅酸盐陶瓷，应用广泛，用量大。非氧化物绝缘陶瓷是近年发展起来的高热导率陶瓷。材料物理性能功能材料 绝缘陶瓷材料物理性能功能材料 绝缘陶瓷绝缘陶瓷的性质材料物理性能功能材料 绝缘陶瓷材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料 普通电瓷 瓷质绝缘子习惯称为电瓷。高压电瓷、电阻瓷、日用瓷和化学瓷都属长石硬质瓷。它们以长石为熔剂，天然矿物粘土长石石英为原料，通常含有40一50粘土，20一30长石和20一30石英。瓷体的相组成为：45一60长石玻璃相20一40%莫

5、来石晶相，残余石英5k一20。普通高压瓷和用于电阻器基体的长石瓷及低碱莫来石瓷，统称为普通电瓷。材料物理性能功能材料 普通电瓷材料物理性能功能材料 普通电瓷材料物理性能功能材料 普通电瓷材料物理性能功能材料 氧化铝瓷材料物理性能功能材料 氧化铝瓷材料物理性能功能材料 氧化铝瓷材料物理性能功能材料 镁质瓷 根据主晶相，镁质瓷可分为滑石瓷、镁橄榄瓷、革青石瓷和尖晶石瓷。镁质瓷在MgOA1203SiO2三元相图中的组成区域。材料物理性能功能材料 镁质瓷镁质瓷的主要组成材料物理性能功能材料 镁质瓷 滑石瓷主晶相为原顽辉石(MgO.SiO2)，以滑石(3MgO4SiO2iH2O) 为主要原料，加入粘土和

6、碳酸钡等.滑石瓷的介电损耗小,加工方便,成本低,适用于高频装置。材料物理性能功能材料 镁质瓷材料物理性能功能材料 基片材料和高导热陶瓷陶瓷中的杂质、晶界、气孔和玻璃相都对热波有干扰和散射作用，应尽量避免。材料物理性能功能材料 基片材料和高导热陶瓷材料物理性能功能材料介电、铁电陶瓷材料物理性能功能材料 高频介质瓷材料物理性能功能材料 高频介质瓷材料物理性能功能材料 高频介质瓷材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料 高频介质瓷高频介质瓷的组成和电性能材料物理性能功能材料 微波介质瓷材料物理性能功能材料 微波介质瓷材料物理性能功能材料 微波介质瓷微波介质的电性能材料物理性能功能材料压电、热释电陶瓷

7、 压电陶瓷材料材料物理性能功能材料 压电陶瓷材料材料物理性能功能材料 压电陶瓷材料压电陶瓷的性能材料物理性能功能材料压电陶瓷的性能材料物理性能功能材料 热释电陶瓷材料材料物理性能功能材料 热释电陶瓷材料材料物理性能功能材料 热释电陶瓷材料热释电陶瓷的性能材料物理性能功能材料热敏陶瓷材料物理性能功能材料 PTC热敏电阻陶瓷材料物理性能功能材料 NTC热敏电阻陶瓷材料物理性能功能材料 临界温度电阻陶瓷材料物理性能功能材料压敏陶瓷 压敏电阻器是一种电阻值对外加电压敏感的电子元件，又称变阻器。一般固定电阻器在工作电压范围内，其电阻值是恒定的，电压、电流和电阻三者间的关系服从欧姆定律，Iv特性是一条直线

8、。压敏电阻器的电阻值在一定电流范围内是可变的。随着电压的提高，电阻值下降，小的电压增量可引起很大的电流增量，Iv特性不是一条直线。因此，压敏电阻也称为非线性电阻。材料物理性能功能材料压敏陶瓷材料物理性能功能材料气敏陶瓷材料物理性能功能材料湿敏陶瓷导电陶瓷材料物理性能功能材料 光电子功能玻璃材料 光电子功能玻璃材料指光电子技术中所需的功能玻璃材料。光电子学是继电子学、微电子学之后发展起来的一门新兴学科。60年代激光器的出现促进了光电子技术的形成和发展，目前，激光技术与微电子技术结合，成为最有发展潜力的高新技术。光电子技术主要研究光子和电子的产生、相互作用和转换的规律及其应用。目前，已有多种功能玻

9、璃材料被应用于光电子技术。例如，能产生高能量激光的激光玻璃，能对激光的强度、相位和偏振态进行控制的声光玻璃和磁光玻璃，以及能传输激光、并能实现光信息检测的玻璃光纤。材料物理性能功能材料 激光玻璃 早在激光器产生的第二年，掺钕离子的玻璃材料就被发现是一种优秀的激光材料，用于制成固体激光器。激光材料能将多种泵浦能量(主要是光能)通过其所含的激活离子的受激辐射作用，转变成单色性好、相干性好、功率密度高的激光。固体激光材料是目前应用得最广的激光材料，主要有激光晶体(包括半导体激光晶体)和激光玻璃两类固体激光材料。材料物理性能功能材料玻璃中的激活离子材料物理性能功能材料 声光玻璃 声光效应又称为弹光效应

10、，它描述在介质中有声波(或称为弹性波)场时，所通过的光波受到声波场的衍射而使其强度、相位及传播方向都被声波场所带有的信号调制的现象。原则上说，任何一种对光波和声波都“透明”(即低损耗)的介质，无论是液体或固体，都能产生声光效应，其区别仅在于声光效应的大小。因此声光介质种类很多，良莠各异。材料物理性能功能材料 磁光玻璃 磁光玻璃是指具有强的磁光效应的玻璃材料。磁光效应是介质在磁场的作用下产生光学各向异性变化的物理效应；所用磁场可以是介质本身的固有磁矩的磁场，包可以是外磁场作用的感生磁场。滋光效应是一种十分奇特的物理效应：任何介质，无论是气体、液体或固体，无论是晶态、多晶或非晶态，无论是抗磁、顺磁

11、或铁磁物质，它们都具有磁光效应；磁光效应源于磁感生的光学各向异性，它使光波呈现反射率、透过率、偏振态各种复杂的变化，从而派生出多种子效应。磁光玻璃是最早被发现的磁光材料，也是目前可供实用的极少数几种磁光材料之一。材料物理性能功能材料 玻璃光纤材料 很早人们就发现了光的波导现象：光可以在弯曲的水柱内传播，而不会在中途逸出；如果用透明的玻璃丝代替水柱，光波也会被限制在可弯曲的玻璃丝内，只要玻璃丝足够长，光波就会几乎无损耗地传输到玻璃丝所能达到的任何位置。玻璃光纤传光效率高、集光能力强、抗电磁干扰、耐腐蚀、可弯曲、资源丰富、成本低廉，是一种优秀的光传输元件。早期的玻璃光纤主要作医用内窥镜，它由多根光

12、纤甚至还有微型手术刀等部件组成，可对呼吸道、胸腔和腹腔多数脏器进行病理诊断及简单的手术治疗，是近代医用重要光学器械。60年代激光技术发展后，利用光纤发展了光通讯技术，形成了对光纤研究和开发的热潮。材料物理性能功能材料 玻璃光纤除大量应用于光通讯外，还可作为热、力、电、磁等多种物理量的灵敏传感器，制作成抗干扰性能好、可作远距离测量的多种仪器，这些仪器可以在高压大电流、强电磁干扰、易燃易爆等恶劣的环境下使用，推动了现代测试仪器的革新换代。材料物理性能功能材料光学玻璃材料 光学玻璃品牌很多，性能及应用也各不相同。经常被用作各种光学仪器的光学玻璃主要有无色光学玻璃、滤色玻璃、耐辐照玻璃和光色玻璃等几种。电介质玻璃材料材料物理性能功能材料硅材料 硅是当前最重要，产量最大，发展最快，用途最广的半导体材料，95以上的半导体器件是用硅材料制作的。 硅晶体具有灰色金属光泽，硬而脆，熔点1420C，室温下本征电阻率为2.3l05cm。常温下硅的化学性质稳定