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什么是电子陶瓷(电器陶瓷)?

发布时间:2018-12-11 09:00:00  浏览次数:

电子陶瓷又称电器陶瓷或在电子工业中能够利用电、磁性质的陶瓷。电子陶瓷是通过对表面、晶界和尺寸结构的精密控制而最终获得具有新功能的陶瓷。在能源、家用电器、汽车等方面可以广泛应用。

在电子工业中能够利用电、磁性质的陶瓷,称为电子陶瓷。电子陶瓷是通过对表面、晶界和尺寸结构的精 电子陶瓷密控制而最终获得具有新功能的陶瓷。在能源、家用电器、汽车等方面可以广泛应用。

广泛用于制作电子功能元件的、多数以氧化物为主成分的烧结体材料。电子陶瓷的制造工艺与传统的陶瓷工艺大致相同。

电子陶瓷或称电子工业用陶瓷,它在化学成分、微观结构和机电性能上,均与一般的电力用陶瓷有着本质的区别。这些区别是电子工业对电子陶瓷所提出的一系列特殊技术要求而形成的,其中最重要的是须具有高的机械强度,耐高温高湿,抗辐射,介质常数在很宽的范围内变化,介质损耗角正切值小,电容量温度系数可以调整(或电容量变化率可调整).抗电强度和绝缘电阻值高,以及老化性能优异等。

电容器瓷
用作电容器介质的电子陶瓷。这类陶瓷用量最大、规格品种也最多。主要的有高频、低频电容器瓷和半导体电容器瓷。

高频电容器瓷
属于Ⅰ类电容器瓷,主要用于制造高频电路中的高稳定性陶瓷电容器和温度补偿电容器。构成这类陶瓷的主要成分大多是碱土金属或稀土金属的钛酸盐和以钛酸盐为基的固溶体(表1)。

电子陶瓷

选用不同的陶瓷成分可以获得不同介电常数、介质损耗角正切 tanδ和介电温度系数αε的高频电容器瓷料,用以满足各种温度补偿的需要。表中的四钛酸钡瓷不仅是一种热稳定性高的电容器介质,而且还是一种优良的微波介质材料。

低频电容器瓷  属于Ⅱ类电容器瓷,主要用于制造低频电路中的旁路、隔直流和滤波用的陶瓷电容器。主要特点是介电常数ε 高,损耗角正切较大且tanδ及ε随温度的变化率较大。这类陶瓷中应用最多的是以铁电钛酸钡(BaTiO3)为主成分,通过掺杂改性而得到的高ε(室温下可达20000)和ε的温度变化率低的瓷料。以平缓相变型铁电体铌镁酸铅 (PbMg1/3Nb2/3O3)等为主成分的低温烧结型低频独石电容器瓷料,也是重要的低频电容器瓷。

半导体电容器瓷  利用半导体化的陶瓷外表面或晶粒间的内表面(晶界)上形成的绝缘层为电容器介质的电子陶瓷。其中利用陶瓷晶界层的介电性质而制成的边界层电容器是一类新型的高性能、高可靠的电容器,它的介电损耗小、绝缘电阻及工

电压高。半导体电容器瓷主要有BaTiO3及SrTiO3两大类。在以BaTiO3、SrTiO3或二者的固溶体为主晶相的陶瓷中,加入少量主掺杂物(如Dy2O3等)和其他添加物,在特殊的气氛下烧成后,即可得到N型半导体陶瓷。然后,再在表面上涂覆一层氧化物浆料(如CuO等),通过热处理使氧化物向陶瓷的晶界扩散,最终在半导体的所有晶粒之间形成一绝缘层。这种陶瓷的视在介电常数极高(可达 105以上)、介质损耗小(小于1%)、体电阻率高(高于 1011欧·厘米)、介质色散频率高(高于1吉赫)、抗潮性好,是一种高性能、高稳定的电容器介质。 铁电陶瓷 以铁电性晶体为主晶相的电子陶瓷。已发现的铁电晶体不下千种,但作为铁电陶瓷主晶相的主要有钙钛矿或准钙钛矿型的铁电晶体或固溶体。 在一定的温度范围内晶体中存在着可随外加电场而转变方向的自发极化,这就是晶体的铁电性。当温度超过某一临界值──居里温度TC时,其极化强度下降为零,晶体即失去铁电性,而成为一般的顺电晶体;与此同时,晶体发生铁电相到顺电相的相变。铁电体的极化强度还随电场而剧烈变化(图1)。

铁电体的重要微观特征是具有电畴结构,即铁电体具有许多沿特定方向自发极化到饱和的小区域──电畴。这些取向不同的电畴以畴壁分开(图2a)。在相当强的外电场作用下,这种多畴晶体可以被电场强迫取向而单畴化(图2b)。这种电畴随外电场而反转取向的动力学过程,包括畴壁的运动过程以及新畴成核和成长的过程。
铁电陶瓷

功能多、用途广。利用其压电特性可以制成压电器件,这是铁电陶瓷的主要应用,因而常把铁电陶瓷称为压电陶瓷。利用铁电陶瓷的热释电特性(在温度变化时,因极化强度的变化而在铁电体表面释放电荷的效应)可以制成红外探测器件,在测温、控温、遥测、遥感以至生物、医学等领域均有重要应用价值。典型的热释电陶瓷有钛酸铅(PbTiO3)等。利用透明铁电陶瓷PLZT(掺镧的钛锆酸铅)的强电光效应(通过外加电场对透明铁电陶瓷电畴状态的控制而改变其光学性质,从而表现出电控双折射和电控光散射的效应),可以制成激光调制器、光电显示器、光信息存储器、光开关、光电传感器、图像存储和显示器,以及激光或核辐射防护镜等新型器件。

半导体陶瓷
通过半导体化措施使陶瓷具有半导电性晶粒和绝缘性(或半导体性)晶界,从而呈现很强的界面势垒等半导体特性的电子陶瓷。

陶瓷半导体化的方法主要有强制还原法和施主掺杂法(亦称原子价控法)两种。两种方法都是在陶瓷的晶体中形成

子空位等缺陷,从而提供大量导电电子,使陶瓷中的晶粒成为某种类型(通常是 N型)的半导体。而这些晶粒之间的间层为绝缘层或另一类型(P 型)的半导体层。

半导体陶瓷种类很多,其中包括利用半导体瓷中晶粒本身性质制成的各种负温度系数热敏电阻;利用晶界性质制成的半导体电容器、ZnO 压敏电阻器、BaTiO3系正温度系数热敏电阻器、CdS/Cu2S太阳能电池;以及利用表面性质制成的各种陶瓷型湿敏电阻器和气敏电阻器等。表2列出典型的传感器用半导体陶瓷。

CdS/Cu2S系光电陶瓷不同于上表所列的利用绝缘晶界层性质的半导体瓷,它所利用的是N型CdS与P型Cu2S晶界层之间的PN异质结的光伏效应。用它制成的陶瓷太阳能电池,可以作为无人值守台站的电源,也可作为电子仪器中的光电耦合器件。
离子陶瓷
快离子导电的电子陶瓷。具有快速传递正离子的特性。典型代表是 β-Al2O3 瓷。这种陶瓷在300℃下离子电导率可达0.1/(欧·厘米),可用来制作较经济的高比率能量的固体电池,还可制作缓慢放电的高储能密度的电容器。它是有助于解决能源问题的材料。


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