陶瓷應(yīng)用介紹

1、介電陶瓷電容器陶瓷材料按性質(zhì)區(qū)分主要有兩大類，第一類為非鐵電電容器陶瓷，第二類為鐵電電容器陶瓷，此外，還有反鐵電電容器陶瓷和半導(dǎo)體電容器陶瓷。12345A位 TiB位 Ba/SrTiBa/SrO67鐵電陶瓷圖3.4BaTiO3的原胞晶體結(jié)構(gòu)(a)和晶格在(100)面上的投影(b)89圖3.5BaTiO3單晶體的電疇結(jié)構(gòu)示意圖 (a)最簡單的疇結(jié)(180疇)；(b)90疇和180疇同時(shí)存在1011圖3.6鐵電陶瓷的電滯回線1213圖3.7鈦酸鋇鐵電體的介電常數(shù)與溫度的關(guān)係1415圖3.8多層陶瓷電容器的構(gòu)造16圖3.9多層陶瓷電容器研製與開發(fā)的發(fā)展趨勢及其對材料、製備技術(shù)的要求171819壓電陶

2、瓷P=d 為應(yīng)力；d為壓電常數(shù)，單位為C/N。S=dtE S為電介質(zhì)的彈性應(yīng)變；E為電場強(qiáng)度；dt為壓電常數(shù)。 20陶瓷具有壓電性要有兩個(gè)條件：一是組成陶瓷的晶粒具有鐵電性二是需經(jīng)強(qiáng)直流電場處理（人工極化）20世紀(jì)50年代發(fā)明的鋯鈦酸鉛（PbZrxTi1-xO3，簡稱為PZT）是迄今使用最多的壓電陶瓷。 2122圖3.10壓電陶瓷“極化”前後晶體中極化取向的變化(a)鐵電陶瓷各晶粒中自發(fā)極化的隨機(jī)取向；(b)施加直流電場後，各晶粒的自發(fā)極化沿外加電場方向取向；(c)取消外電場後各晶粒中的剩餘極化，使陶瓷在宏觀上保留剩餘極化2324圖3.11PbZrxTi1-xO3的相圖 252627圖1.10

3、CaTiO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)28人們對以PZT為主的壓電陶瓷進(jìn)行了廣泛的摻雜改性試驗(yàn), 摻雜可分為三類。第一類是受主雜質(zhì)第二類是施主雜質(zhì)第三類是變價(jià)雜質(zhì) 典型的以PZT為基的三元系壓電陶瓷體系如下：Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 - PbTiO3 - PbZrO3，Pb(Co1/3Nb2/3) O3-PbTiO3- PbZrO3，Pb(Cd1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3，Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 - PbTiO3 - PbZrO3，Pb(Mn1/3Sb2/3)O3 - PbTiO3 - PbZrO3等。 29表3.5壓電陶瓷材料在通訊技術(shù)中的一些主要應(yīng)用應(yīng)用類型代表性器

4、件信號發(fā)生電信號發(fā)生壓電振盪器聲信號發(fā)生送受話器，拾音器，揚(yáng)聲器，蜂鳴器，水聲換能器，超聲換能器信號發(fā)射與接收聲納，超聲測聲器，超聲探測儀，超聲厚度計(jì)，拾音器，揚(yáng)聲器，傳聲器信號處理濾波器，鑒頻器，放大器，衰減器，延遲線，混頻器，卷積器，光調(diào)製器，光偏轉(zhuǎn)器，光開關(guān)，光倍頻器，光混頻器信號儲(chǔ)存與顯示鐵電儲(chǔ)存器（FRAM），光鐵電儲(chǔ)存顯示器，光折變?nèi)?chǔ)存器信號檢測與控制傳感器微音器，應(yīng)變儀，聲納，壓電陀螺，壓電加速度表，位移器，壓電機(jī)械手，助聽器，振動(dòng)器探測器紅外探測器，高溫計(jì)，計(jì)數(shù)器，防盜報(bào)警器，濕敏探測器，氣敏探測器計(jì)測與控制壓電加速度表，壓電陀螺，微位移器，壓力計(jì)，流量計(jì)，流速計(jì)，風(fēng)速計(jì)，

5、聲速計(jì)高壓弱流電源壓電打火機(jī)，壓電引信，壓電變壓器，壓電電源壓電驅(qū)動(dòng)源壓電驅(qū)動(dòng)器，超聲微馬達(dá)303132熱釋電陶瓷圖3.12陶瓷片內(nèi)的束縛電荷與電極表面上的吸附自由電荷示意圖 33343536圖3.13熱釋電探測元件電極配置方式(a)面電極結(jié)構(gòu)；(b)邊電極結(jié)構(gòu)37敏感陶瓷按其相應(yīng)的特性隨相關(guān)參量的變化，可把這些材料分別稱為熱敏、濕敏、光敏、壓敏、氣敏、離子敏等陶瓷。敏感陶瓷多屬半導(dǎo)體陶瓷。 下面簡要介紹主要的幾種敏感陶瓷材料：熱敏陶瓷 ：PTCR熱敏電阻主要是以BaTiO3為基的陶瓷材料。 壓敏陶瓷 氣敏陶瓷 濕敏陶瓷 光敏陶瓷 383940圖3.15一種PTCR阻溫特性示意圖 V-PTCR

6、燒結(jié)溫度：1160室溫電阻率：6104.cm最低電阻率：5102.cm負(fù)溫度系數(shù)：-4%/K正溫度系數(shù)：+7%/KNTC降阻：2.1數(shù)量級PTC降阻：4.7數(shù)量級41424344磁性陶瓷磁性陶瓷主要是指鐵氧體陶瓷，磁性陶瓷可分為三大類：尖晶石型(MFe2O4)；石榴石型(R3Fe5O12)；磁鉛石型(MFe12) ；此外，還有鈣鈦礦型、鎢青銅型等。 按鐵氧體的性質(zhì)及用途，又可分為軟磁、硬磁、旋磁、矩磁、壓磁、磁泡、磁光等鐵氧體。 軟磁鐵氧體容易磁化，也易退磁。 硬磁鐵氧體又稱永磁鐵氧體 45464748495051表3.2常見功能陶瓷的分類5253表3.7幾種透明氧化物陶瓷材料主要工藝及性質(zhì)。

7、材料製備條件晶系透射波長(m)熔點(diǎn)()密度(g/cm3)燒結(jié)法()熱壓法Al2O31650-19501500410Mpa六方1-620503.98BeO1700-20001750310MPa六方0.2-52570MgO1550pa等軸0.5-928003.58ZrO214501300-17505107-3103MPa等軸1-1027005.98ThO22380等軸0.5-10280054555657585960616263表3.8兩相複合材料的交叉耦合效應(yīng) 第一相功能第二相功能複合材料的耦合功能磁致伸縮霍爾效應(yīng)光電導(dǎo)熱膨脹熱膨脹壓電效應(yīng)電導(dǎo)效應(yīng)電致伸縮壓電效應(yīng)電導(dǎo)效應(yīng)

8、磁電效應(yīng)磁阻效應(yīng)光致伸縮熱釋電效應(yīng)熱敏開關(guān)6465圖3.16壓電陶瓷與聚合物複合模型及其連通模式（圖中括號內(nèi)的數(shù)字為相關(guān)複合材料的連接度）66旋磁鐵氧體又稱微波鐵氧體。 矩磁鐵氧體是指磁滯回線呈矩形且矯頑力較小的鐵氧體。 具有磁致伸縮效應(yīng)的鐵氧體稱為壓磁鐵氧體， 另一種磁性陶瓷叫磁泡 鐵氧體的製備過程大致可分為六個(gè)工序，即配料、混合、預(yù)燒、成型、燒結(jié)、熱處理。 67固體電解質(zhì)陶瓷1.氧化鋯固體電解質(zhì)陶瓷 R為摩爾氣量體常量；T為熱力學(xué)溫度；F為法拉弟常數(shù)；p1、p2為氧化鋯兩側(cè)的氧分壓。2.氧化鋁固體電解質(zhì)陶瓷 68高溫超導(dǎo)陶瓷迄今為止，最重要的高溫超導(dǎo)陶瓷有三個(gè)體系，即上面提到的釔鋇銅氧系(

9、Y-Ba-Cu-O) YBa2Cu3O7- ，以及鉍鍶鈣銅氧系（Bi-Sr-Ca-Cu-O，典型分子式Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x），超導(dǎo)臨界溫度為115K，鉈鋇鈣銅氧系Tl-Ba-Ca-Cu-O根據(jù)材料自身的特性，大致可以分為三類應(yīng)用，即大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用），電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）和抗磁性應(yīng)用。 693-4 陶瓷薄膜陶瓷薄膜及其分類表3.9陶瓷薄膜按應(yīng)用的分類70陶瓷薄膜的製備方法1.真空蒸發(fā) 表3.10主要的陶瓷薄膜製備方法 712.濺射法 3.化學(xué)氣相沉積法(CVD)法 4.溶膠凝膠(sol-gel)法 72類金剛石薄膜是有諸多與金剛石薄膜相似的性能，沉積溫度較低，沉積面積大，膜

10、面平整光滑，在某些要求沉積溫度低、膜面粗糙度低的場合，只有類金剛石薄膜才能勝任。 73鐵電薄膜表3.11鐵電薄膜按物理效應(yīng)應(yīng)用的分類鐵電薄膜的物理效應(yīng)主要應(yīng)用示例介電性薄膜陶瓷電容器，與矽太陽能電池集成的貯能電容器，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取儲(chǔ)存器(DRAM)，微波器件（諧振器、探測器、波導(dǎo)），AC電致發(fā)光器件，薄膜傳感器壓電性聲表面波(SAW)器件，微型壓電驅(qū)動(dòng)器，微型壓電馬達(dá)熱釋電性熱釋電探測器及探測器列陣鐵電性鐵電隨機(jī)存取儲(chǔ)器(FRAM)，鐵電激光光盤，鐵電神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)元件，鐵電記錄信用卡電光效應(yīng)全內(nèi)反光開關(guān)，光波導(dǎo)，光偏轉(zhuǎn)器，光調(diào)製器，光記憶與顯示器聲光效應(yīng)聲光偏轉(zhuǎn)器光折效應(yīng)光調(diào)製器，光全息儲(chǔ)存器非線性

11、光學(xué)效應(yīng)光學(xué)倍頻器（二次諧波發(fā)生）743-5 發(fā)展中的新型陶瓷奈米陶瓷1.奈米粉體2.奈米陶瓷3. 奈米陶瓷材料的應(yīng)用75智能陶瓷 圖3.17機(jī)敏壓電陶瓷示意圖76圖3.18收發(fā)聲納用機(jī)敏複合換能器示意圖77梯度功能材料1.耐熱梯度材料2.生物梯度材料3.光學(xué)梯度材料78功能精細(xì)複合材料若功能陶瓷複合材料中，活性組元的尺寸更小，將會(huì)出現(xiàn)新的效應(yīng)。在微米以至奈米線度上進(jìn)行複合，以獲得優(yōu)良功能效應(yīng)的材料，稱為功能精細(xì)複合材料(functional fine composites)。 79集成鐵電體 表3.12幾種有代表性集成鐵電電子學(xué)器件器件名稱對材料的要求首選材料薄膜厚度(m)製備與加工中的關(guān)鍵

12、技術(shù)鐵電隨機(jī)存取儲(chǔ)存器（非揮發(fā)性存取儲(chǔ)存器）(FRAM)剩餘極化大矯頑場低耐疲勞性好DE回線矩形度高鋯鈦酸鉛鉭酸鍶鉍0.1-0.3與矽技術(shù)兼容選擇電極材料選擇阻檔層材料光刻高容量動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取儲(chǔ)存器(DRAM)介電常數(shù)大耐擊穿場強(qiáng)高鈦酸鋇鋯鈦酸鉛鈦酸鍶鋇0.2-0.5與矽技術(shù)兼容在非平整表面上沉積均勻薄膜選擇電極材料光刻薄膜電容器介電常數(shù)大介電損耗小介電性隨溫度變化小耐擊穿場強(qiáng)高鋯鈦酸鉛鈦酸鍶鋇鈮鎂酸鉛0.1-0.5與襯底材料兼容選擇電極材料光刻微型壓電驅(qū)動(dòng)器壓電係數(shù)大機(jī)械損耗小鋯鈦酸鉛1-10與襯底材料兼容設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)光刻80表3.12幾種有代表性的集成鐵電光電子學(xué)和集成光學(xué)器件器件名稱對材料

13、的要求首選材料薄膜厚度(m)製備與加工中的關(guān)鍵技術(shù)熱釋電紅外單元探測與列陣探測器熱釋電係數(shù)大介電常數(shù)低介電損耗小電阻率高鈦酸鉛鈦酸鉛鑭鉭鈮酸鉀1-3製備外延或高度擇優(yōu)取向的薄膜與襯底材料兼容適於半導(dǎo)體矽工藝的微細(xì)加工光刻光波導(dǎo)電光係數(shù)大鈮酸鋰鈮酸鉀鋯鈦酸鉛鑭鈮酸鍶鋇0.2-2.0薄膜外延生長薄膜表面平整、光滑與襯底材料兼容光刻空間光調(diào)製器光折變性能好鋯鈦酸鉛鑭0.5-5.0器件設(shè)計(jì)與襯底材料兼容光刻光學(xué)倍頻器非線性光學(xué)係數(shù)大SHG係數(shù)大鈮酸鋰鈮酸鉀偏硼酸鋇三硼酸鋰0.2-2.0薄膜外延生長薄膜光學(xué)質(zhì)量好光刻81表3.5壓電陶瓷材料在通訊技術(shù)中的一些主要應(yīng)用應(yīng)用類型代表性器件信號發(fā)生電信號發(fā)生壓電振盪器聲信號發(fā)生送受話器，拾音器，揚(yáng)聲器，蜂鳴器，水聲換能器，超聲換能器信號發(fā)射與接收聲納，超聲測聲器，超聲探測儀，超聲厚度計(jì)，拾音器，揚(yáng)聲器，傳聲器信號處理濾波器，鑒頻器，放大器，衰減器，延遲線，混頻器，卷積器，光調(diào)製器，光偏轉(zhuǎn)器，光開關(guān)，光倍頻器