第八章-陶瓷的导电

第八章陶瓷的导电1按功能，材料分为结构材料和功能材料两大类。一种材料主要利用其力学功能时，这种材料被称为结构材料。如果主要利用其非力学性能时，则被称为功能材料。力学性能通常指强度、塑性、韧性、蠕变、弹性、硬度等；而非力学性能主要指声、电、光、磁、热和化学等。2功能陶瓷概述1功能陶瓷的定义与分类2功能陶瓷的应用3功能陶瓷的发展趋势3功能陶瓷是指以电、磁、光、声、热、力、化学和生物等信息的检测、转换、耦合、传输及存储等功能为主要特征的介质材料。一、功能陶瓷的定义与分类4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、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5按形态可分为：粉体、块体、厚膜、薄膜、纤维、复合等按结晶状态分：非晶态、多晶体、单晶6功能陶瓷是电子信息、集成电路、计算机、通讯广播、自动控制、航空航天、海洋探测、激光技术、精密仪器、汽车、能源、核技术和生物医学等近代高技术领域的关键材料.二、功能陶瓷的应用7信息功能陶瓷材料——

信息技术的重大需求8利用铁电陶瓷高介电常数制造

高比容多层陶瓷电容器9微波介质陶瓷

谐振器件介质波导

微波天线微波滤波器介质基片介质电容器10多层压电陶瓷变压器及应用

(升压型)MPCT用于笔记本电脑的液晶显示屏

11输入输入输出接地外形尺寸：

25mmX9mm，输入电压

220VAC，输出电压5-10V多层压电陶瓷变压器

(降压型)输入输入输出发生器发生器12新型压电驱动器及超声波电机摇头压电电机中空压电电机二维微动台超声电机驱动系统微型压电电机行波压电电机直线压电驱动器中空压电电机单向压电电机13透明铁电陶瓷的极化反转特性在电光方面的应用

光开关光调制图象存储14利用电阻非线性制造敏感元件

15三、功能陶瓷的发展趋势(1)表面组装技术(SMT)推动功能陶瓷元件片式化功能陶瓷是新型电子元器件的基础－－多层陶瓷技术功能陶瓷复合器件是采用多层陶瓷共烧技术，将多种功能陶瓷材料，如介电陶瓷、磁性材料或电阻材料，与金属内电极，按一定电路模式集成共烧形成一体化结构的陶瓷元器件.16多层陶瓷技术端电极内电极介电材料17多层片式电感(MLCI)示意图内电极

磁性（介电）18多层压电陶瓷变压器19高性能片式电子元件片式天线片式电阻片式电感片式电容片式滤波器片式驱动器片式换能器片式变压器片式压敏电阻片式热敏电阻片式元件2021(2)功能陶瓷的多功能化、复合化---复合功能陶瓷材料复合材料有许多结构方面的自由度,如体积分量、结合方式、结合的对称性、结合的周期性、以及复合线度等,调整结构自由度可大幅度该变材料性能.复合材料主要通过加和效应和乘积效应影响材料的性能.如:压电复合材料如:铁氧体与铁电体复合陶瓷表现出磁电效应22(3)功能陶瓷的机敏化和智能化机敏陶瓷(Smartceramics)---兼具传感功能和执行功能于一体智能陶瓷(Intelligentceramics)---自诊断、自调节、自恢复…23(4)功能陶瓷的高频化---微波介质陶瓷与现代通信技术

近代通信技术的关键基础材料近代通信技术的关键基础材料器件器件：微波介质谐振器，介质滤波器，介质振荡器，微波电容器应用：火箭、雷达、移动电话、卫星直播电视材料材料：高介，低损耗，高Q值，小的温度系数2425(5)功能陶瓷的低维化和集成化--纳米颗粒、纤维、薄膜和厚膜微电子机械系统(MEMs)铁电存储器(FRAM)3X3Arrayonone3”Wafer268.1

绝缘陶瓷

绝缘材料在电气电路或电子电路中所起的作用主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的正常运行。此外，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。一般将能起上述作用的陶瓷称为绝缘陶瓷。一、精密绝缘陶瓷在近代电子技术中的作用27根据室温电阻率ρ的大小，材料可分为超导体ρ→0Ωcm、导体ρ≤10-2Ωcm半导体ρ=10-2Ωcm…109Ωcm和绝缘体ρ≥109Ωcm28绝缘陶瓷，它必须具备如下性能:体积电阻率ρ≥1012Ωcm相对介电常数ε≤30损耗因子≤0.001介电强度≥5.0KV/mm29

固体的导电能力是由他们的能带结构和价电子的填充情况决定的。很宽的禁带把满带和空带隔开，价电子不能从满带上被激发到空带上形成电流，称为绝缘体。二、绝缘陶瓷的性能与特征30陶瓷存在电子式载流子和离子式载流子。其中离子式载流子占主要影响。离子电导率受离子的荷电量和扩散系数的影响。荷电量和体积越小越容易扩散，因此碱离子影响比较大。另外绝缘性还受显微组织的影响，晶粒和气孔影响不大，主要晶界相。31绝缘陶瓷材料的分类方法很多，若按化学组成分类测可分为氧化物系和非氧化物系两大类。氧化物系绝缘陶瓷已得到广泛应用，而非氧化物系绝缘陶瓷是70年代才发展起来的，目前应用的主要有氮化物陶瓷，如Si3N4、BN、A1N等。除多晶陶瓷外，近年来又发展了单晶绝缘陶瓷，如人工合成云母、人造蓝宝石、尖晶石及石英等。三、常用绝缘陶瓷材料及其性能321、普通电瓷天然黏土+长石+石英1250-1320C烧结用于高压，电阻….等的绝缘。2、氧化铝瓷，镁质瓷电子元器件和电路中基体、外壳、固定件，又称为装置瓷。Al2O3MgO-Al2O3-SiO2绝缘子33

3、氮化硅瓷基片 集成电路基片材料的要求是：高电阻率，导热性好，热膨胀系数小，耐热处理和化学处理。 氮化硅瓷基片具有高强度、热膨胀系数与硅材料匹配、介电常数小、热导率高。烧结温度1700C

4、氮化硼瓷基片(BN)

最突出的优点是高热导率与低电导率。

5、金刚石薄膜 金刚石是自然界中硬度最高的材料，同时又具有极高的弹性模量。金刚石的热导率是所有已知物质中最高的，室温下(300K)，金刚石的热导率是铜的5倍，液氮温度下(77K)，金刚石的热导率则是铜的25倍。金刚石是一种禁带很宽的材料，因而非掺杂的本征金刚石是极好的电绝缘体。348.2导电陶瓷在一定条件下具有电子（或空穴）电导或离子电导的陶瓷材料。前者如某些氧化物或碳化物（如碳化硅）半导体，后者如氧化锆、铬酸镧、β-Al2O3等固体电解质陶瓷。可用于燃料电池、陶瓷高温发热体、钠硫电池等。35

氧化锆陶瓷是一种耐高温、抗氧化的复合氧化物，是在纯氧化锆中加进１０％的氧化镱制成的导电陶瓷。它能象金属那样把电能转变成热能，并能发光。

把导电陶瓷做成圆棒，作为在高温氧化中的发热元件，是再好不过的材料了。导电陶瓷在空气中十分稳定，不与氧发生反应，最高的发热温度高达2000℃以上，而且可以长时间使用，寿命超过1000小时以上。因此，导电陶瓷已成为现代冶金、陶瓷、玻璃工业中广泛采用的高温发热体。

36钠—硫电池的金属电极容易发生腐蚀，尤其在高温条件下更是如此。腐蚀作用是多种多样的，除因电极腐蚀而减少导电能力外，还可能在电极表面形成一种增加接触电阻的表面层，最终导致电池工作性能变坏，寿命缩短。

为了解决这个问题，人们在电极表面涂覆各种导电材料，如铝、钼、镍，铬及其各种合金。但是，所有这些金属材料，在钠—硫电池中都缺乏足够的稳定性。

后来将发明的这种导电陶瓷材料，涂覆于电极表面。因为这种材料不仅具有良好的抗腐蚀性能，而且具有足够的导电性能，所以较好地解决了上述的问题。378.3超导陶瓷38一、超导发展简史1．低温的获得气体的液化

氢气的液化1898年杜瓦（英）

氦的液化1908年昂尼斯（荷兰）2．超导的发现

1911年昂尼斯（荷兰）

1913年获诺贝尔物理学奖转变温度临界磁场临界电流

3．迈斯纳效应

1933年迈斯纳和奥森菲尔德（德）39观察迈斯纳效应的磁悬浮试验在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。40

4．一类二类超导体

GLAG理论金兹堡和阿布里柯索夫获2003年诺贝尔物理学奖5．约瑟夫森效应

1962年约瑟夫森（英）约瑟夫森贾埃弗（挪威）1973年获诺贝尔物理学奖

金兹堡阿布里柯索夫416．1985年前的超导转变温度单质Nb9.3K化合物材料Nb3Ge23.2K液氦温区低温超导体42

7．高温超导材料发现

LaBaCuO

氧化物陶瓷材料

30K1986年缪勒（瑞士）贝德诺兹（德）

1987年缪勒贝德诺兹获诺贝尔物理学奖

8．华人超导物理学家赵忠贤（中）朱经武（美）发现YBaCuO90K液氮温区高温超导体

9.高温超导材料铋系110K铊系125K

汞系134K（常压）164K（高压）

10．高温超导研究

典型结构La系Y系Bi系

Tl系43

44

1998年7月，北京有研总院与其他单位共同研制成功中国第一根一米长一千安培铋系高温超导直流输电模型电缆。这项成果被两院院士列为当年中国十大科技进展。此次研制成功的高温超导带材长一百一十六米，宽三点六毫米，厚为零点二八毫米，以螺旋管方式缠绕，用四引线法全长度测量，七十七Ｋ液氮温度（零下一百九十六摄氏度）自场下临界电流达十二点七安培，各项技术指标均达到国内领先水平。45清华近大学应用超导研究中心成功研制成340米铋系高温超导导线。这是我国目前高温超导长导线的最新记录，标志着我国已掌握了处于世界先进水平的超导线材产业化技术。

此次研制成功的高温超导导线为３７芯，长３４０米、宽３．４３毫米，厚０．１５毫米，截面面积为０．５１平方毫米。在零外磁场下导线的临界电流大于２５安培，工程临界电流密度达每平方厘米５０００安培（测试温度为零下１９６摄氏度）。相比其它使用纯银包缚的导线，这种导线由于使用了银合金，其机械强度更高。导线表面均匀涂有绝缘物质，无气泡等缺陷，具有较好的使用性能。这表明此长导线的综合性能已达到世界先进水平。46超导陶瓷可以用一般陶瓷工艺制造，例如制备Y－Ba－Cu－O的工艺是：以Y2O3、BaCO3、CuO为原料，混合后在900℃煅烧合成，再粉碎，就得到超导体。烧结在950℃进行，流动氧气气氛。烧结后在500~600℃氧气气氛中退火。也可以用化学沉淀法和其他方法制造。共沉淀法是在Y、Ba、Cu的硝酸盐溶液中，加入草酸溶液，形成草酸盐共沉淀析出。再在850℃煅烧得到超导体粉末。47高温超导薄膜的制备方法：磁控溅射法YBCO薄膜,Tc

＝90K，Jc=5~6MA/cm2脉冲激光沉积法在STO单晶基片上原位外延YBCO薄膜，Tc=92~93K,Jc=6MA/cm2分子束外延（MBE）法化学气相沉积（CVD）48二、超导体的宏观性质和研究动态表征超导体性质的参数有很多，但主要的参数如下：1、零电阻，即超导电性；2、完全抗磁性；3、临界温度；4、临界磁场强度；5、临界电流密度。49目前超导体的研究动态如下：1、进一步提高转变温度TC

争取实现室温超导；2、建立高温超导的微观机制和统一的超导微观机制；3、材料和器件的实用化。50目前几个主要高温超导材料体系的Tc体系Tc/KYBa2Cu3Oy94休斯顿大学Bi2Sr2Ca2Cu3Oy110法国固体科研中心，东京大学Tl2Ba2Ca2Cu3Oy125阿肯色州立大学IxC6o57日本金属所(Icl)xC6060纽约州立大学SrCuO2130几万大气压HgBa2Ca2Cu3Oy16415万大气压，休斯顿大学51三、超导应用前景

应用的依据是超导的基本特性。

1.强电强磁应用。强电强磁应用是基于超导的零电阻特性和完全抗磁性，以及非理想第二类超导体所特有的高临界电流密度和高临界磁场。52

超导磁体的应用极广，它可以在交通、电子、能源、高能物理、医疗、工业加工等领域发挥重要作用。世界首辆高温超导磁悬浮试验车－西南交大53科学工程和实验室应用科学工程和实验室是超导技术应用的一个重要方面，它包括高能加速器、核聚变装置等。在这些应用中，超导磁体是高能加速器和核聚变装置不可缺少的关键部件。545556电力应用

高温超导体的发现使得超导技术的应用进一步延伸到电力工业中，也使人们期待那些过去无法实现的电力装备能够由于超导技术的应用而得到解决。超导技术在电力中的应用主要包括：超导电缆、超导限流器、超导储能装置和超导电机等。57超导电机

超导电机的主要研究对象是静态超导电机（即超导变压器）和旋转超导电机（即发电机和电动机），并且由于采用了超导绕组，超导电机的运行电流密度和磁通密度都大大地提高了。超导电机的基本结构和常规电机相似，主要由转子、定子组成，只是还需要有相应的低温容器以使超导转子绕组和超导定子绕组处于超导态。由于超导电机采用了超导绕组，与常规电机相比较，能够承载更大的电流从而产生更强的磁场，能够在与常规电机功率输出相同的情况下使体积和重量减小到常规电机的1/5大小。因此，对于功率在300MVA以上的大型电机，超导电机优势明显。58超导储能装置

超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施。一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几个部件组成。其中超导线圈是超导储能装置的核心部件，它可以是一个螺旋管线圈或是环形线圈。59磁体应用

超导磁体的应用研究在国际上非常活跃，而在强磁场下物质特性的一系列变化又引起了研究工作者的极大兴趣和热情。随着超导强磁场技术的不断进展，一系列用于实验研究的强磁场实验装置（从几万高斯到十几万高斯）已经被研制出来并得到了广泛的应用，大大促进了强磁场与其它学科交叉所产生的新生长点的研究和应用，并在许多领域取得了重要进展，如环保、材料变性、育种、磁共振、