第五章功能陶瓷第五章功能陶瓷1教學(xué)基本要求了解功能陶瓷的分類、特性和用途。掌握功能陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。掌握功能陶瓷的基本性質(zhì)。5.0教學(xué)基本要求第五章功能陶瓷教學(xué)基本要求了解功能陶瓷的分類、特性和用途。5.0教2掌握絕緣陶瓷、介電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、壓電陶瓷、熱釋電陶瓷、生物陶瓷、多孔陶瓷、功能陶瓷薄膜等性能、特征及應(yīng)用。5.0教學(xué)基本要求第五章功能陶瓷掌握絕緣陶瓷、介電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、壓電陶瓷、熱釋電陶瓷、3功能陶瓷是區(qū)別于我們大家熟知的日用陶瓷、藝術(shù)陶瓷、建筑陶瓷、電工陶瓷以及單純考慮力學(xué)性質(zhì)的結(jié)構(gòu)陶瓷，它是指在微電子、光電子信息和自動化技術(shù)以及生物醫(yī)學(xué)、能源和環(huán)保工程等基礎(chǔ)產(chǎn)品領(lǐng)域中所用的陶瓷材料。功能陶瓷的分類、特性和用途參見表5-1。5.1概述第五章功能陶瓷功能陶瓷是區(qū)別于我們大家熟知的日用陶瓷、藝術(shù)陶瓷、建筑陶瓷、4大類系列細類結(jié)構(gòu)陶瓷氧化物氧化鋁,氧化鎂,氧化鋯,氧化鈾,氧化鈹?shù)确茄趸锾蓟?氮化物,硼化物,硅化物等功能陶瓷電功能陶瓷絕緣陶瓷,介電陶瓷,鐵電陶瓷,壓電陶瓷,半導(dǎo)體陶瓷磁功能陶瓷鐵氧體光功能陶瓷透明陶瓷、透明鐵電陶瓷生物與化學(xué)功能陶瓷濕敏陶瓷,氣敏陶瓷,載體用陶瓷,生物陶瓷表5-1先進陶瓷的分類5.1概述第五章功能陶瓷大類系列細類結(jié)構(gòu)陶瓷氧化物氧化鋁,氧化鎂,氧化鋯,氧化鈾,氧55.1概述第五章功能陶瓷一已經(jīng)形成大量產(chǎn)品的功能陶瓷高頻絕緣零件瓷。電阻基體和電感基體瓷。電真空瓷。電容器瓷。鐵電陶瓷。5.1概述65.1概述第五章功能陶瓷壓電陶瓷。半導(dǎo)體陶瓷。導(dǎo)電陶瓷。超導(dǎo)陶瓷。磁性瓷。5.1概述75.1概述第五章功能陶瓷光電子材料。生物陶瓷。環(huán)境保護用陶瓷。環(huán)境協(xié)調(diào)型陶瓷材料和技術(shù)。5.1概述85.1概述第五章功能陶瓷二新材料及其應(yīng)用在上述工業(yè)生產(chǎn)的各大類陶瓷材料和制品中，每一類都不斷出現(xiàn)新材料和新應(yīng)用。此外，還有如下幾類：

納米陶瓷。陶瓷薄膜。多功能材料。復(fù)合材料。5.1概述95.1概述第五章功能陶瓷三我國功能陶瓷工業(yè)的發(fā)展趨勢原料生產(chǎn)專業(yè)化。廣泛深入的技術(shù)協(xié)作。全面質(zhì)量管理(totalqualitymanagement，即TQM)

。新工藝、新設(shè)備研究不斷用于生產(chǎn)。5.1概述10一電學(xué)性質(zhì)電導(dǎo)率介電常數(shù)介質(zhì)損耗角正切值擊穿電場強度5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷一電學(xué)性質(zhì)電導(dǎo)率5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)11電導(dǎo)率測量陶瓷料體積電阻和和表面電阻，再根據(jù)陶瓷試樣的幾何尺寸計算得到的。(5-1)5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷電導(dǎo)率測量陶瓷料體積電阻和和表面電阻，再根據(jù)陶瓷試樣的幾12測量電極環(huán)電極高壓電極陶瓷體5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷測量電極陶瓷體環(huán)電極圖1三電極系統(tǒng)測量電極環(huán)電極高壓電極陶瓷體5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)13式中，h為樣品厚度，cm；s為電極的面積，cm2；Rv、Rs分別為試樣的體積電阻(Ω)和表面電阻(Ω)。D1為試樣的測量電極直徑，cm；D2為環(huán)電極內(nèi)徑，cm。(5-2)5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷式中，h為樣品厚度，cm；s為電極的面積，cm2；Rv、R145.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷體積電阻率ρv的單位通常用Ω·cm。ρv的倒數(shù)σv稱為材料的體積電導(dǎo)率，比電導(dǎo)或?qū)щ娤禂?shù)，是陶瓷材料的特性參數(shù)，其單位為S/cm（S：Siemens，西門子）。表5-2列出了常見陶瓷材料的室溫電導(dǎo)率，這些陶瓷材料電導(dǎo)率的大小相差約1017以上。

5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)15表5-2常見陶瓷材料的室溫電導(dǎo)率材料電導(dǎo)率/（S/cm）材料電導(dǎo)率/（S/cm）SnO2-CuO陶瓷103BaTiO3陶瓷10-10SiC陶瓷10-1TiO2（金紅石）陶瓷10-11LaCrO3陶瓷10-2α-Al2O3（剛玉陶瓷）10-145.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷表5-2常見陶瓷材料的室溫電導(dǎo)率材料電導(dǎo)率/（S/cm）材16介電常數(shù)是衡量電介質(zhì)材料在電場作用下的極化行為或儲存電荷能力的參數(shù)，又稱介電系數(shù)或電容率，是材料的特征參數(shù)。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷介電常數(shù)是衡量電介質(zhì)材料在電場作用下的極化行為或儲存電荷能力17設(shè)真空介電常數(shù)為1，則非真空電介質(zhì)材料的介電常數(shù)εr(稱為相對介電常數(shù))為(5-3)5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷Q0真空介質(zhì)時電極上電荷量；Q同一電場和電極系統(tǒng)中為非真空電介質(zhì)時電極上電荷量。設(shè)真空介電常數(shù)為1，則非真空電介質(zhì)材料的介電常數(shù)εr(稱為相18相對介電常數(shù)εr可由式(5-4)求出：

5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷(5-4)式中，C為試樣的電容量，pF；h為試樣兩電極之間的距離，cm；s為電極的面積，cm2；F/cm，即真空介電常數(shù)。相對介電常數(shù)εr可由式(5-4)求出：5.2功能195.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷功能陶瓷室溫時的介電常數(shù)大致為2至幾十萬，因具體陶瓷材料不同，其數(shù)值有很大差異，因此使用的范圍和條件也不同。陶瓷材料介電常數(shù)不同是由于其微觀上存在不同的極化機制決定的。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)20陶瓷介質(zhì)中存在的極化方式:位移式極化。松弛式極化。此外還有自發(fā)極化、轉(zhuǎn)向極化、界面極化、諧振式極化等特殊極化方式。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷陶瓷介質(zhì)中存在的極化方式:位移式極化。5.2功能陶瓷的21陶瓷在電場作用下存儲電能，同時電導(dǎo)和部分極化過程不可避免地要消耗能量，即將一部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿认牡簟挝粫r間所消耗的電場能叫介質(zhì)損耗。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷陶瓷在電場作用下存儲電能，同時電導(dǎo)和部分極化過程不可避免地要22在直流電場作用下，陶瓷材料的介質(zhì)損耗由電導(dǎo)過程引起，即介質(zhì)損耗取決于陶瓷材料的電導(dǎo)和電場強度，表示為P=U2/R=GU2(5-5)P為介質(zhì)損耗；U為試樣上的電壓；R為試樣的電阻；G為試樣的電導(dǎo)，G=1/R。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷在直流電場作用下，陶瓷材料的介質(zhì)損耗由電導(dǎo)過程引起，即介質(zhì)損235.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷在交流電場作用下，陶瓷材料的介質(zhì)損耗由電導(dǎo)和部分極化過程共同引起，陶瓷電容器可等效為一個理想電容器（無介質(zhì)損耗的電容器）和一個純電阻并聯(lián)或串聯(lián)組成的有介質(zhì)損耗的電容器。等效電路如圖5-1所示。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)24ú?cRp?r?CsRsúcúr?ú??c=ú/ωCp?r=ú/Rpфδфδúc=?/ωCsúr=?Rsú(a)并聯(lián)圖5-1有損耗電容器等效電路及矢量圖(b)串聯(lián)5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷ú?cRp?r?CsRsúcúr?ú??c=ú/ωCp?r=25圖5-1中的δ角稱為介質(zhì)損耗角。Tgδ是有損耗電容器每周期消耗的電能與其所儲存電能的比值。由并聯(lián)等效電路得出（5-6）5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷圖5-1中的δ角稱為介質(zhì)損耗角。Tgδ是有損耗電容器每周期26Pa=U2/Rp，為有功功率；Pc=U2/Rc=ωCU2，為無功功率；ω為角頻率；Cp為并聯(lián)等效電容；Rp為并聯(lián)等效電阻。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷由串聯(lián)等效電路得出（5-7）式中，Cs串聯(lián)等效電容；Rs串聯(lián)等效電阻。Pa=U2/Rp，為有功功率；Pc=U2/Rc=ωCU2，27因此（5-8）

單位體積的介質(zhì)損耗功率為（5-9）5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷因此（5-8）單位體積的介質(zhì)損耗功率為（5-9）5.2285.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷（5-9）中εtgδ稱為損耗因數(shù)，外界條件一定，它是介質(zhì)本身的特定參數(shù)。ωεtgδ為等效電導(dǎo)率，它不是常數(shù)。頻率高時，乘積增大，介質(zhì)損耗增大。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)295.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷tgδ是表征電容器或介質(zhì)損耗質(zhì)量的重要參數(shù)。陶瓷介質(zhì)材料的tgδ對濕度很敏感。受潮后，試樣的tgδ值急劇增大。生產(chǎn)工藝上利用這一性質(zhì)判斷生產(chǎn)線上瓷體燒結(jié)的好壞。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)305.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷介質(zhì)損耗對陶瓷材料的化學(xué)組成、相組成、微觀結(jié)構(gòu)等因素都很敏感。凡是影響陶瓷材料電導(dǎo)和極化的因素都對其介質(zhì)損耗有直接的影響。

5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)315.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷陶瓷材料和其它介質(zhì)一樣，其絕緣性能和介電性能是在一定電壓范圍內(nèi)具有的性質(zhì)。當作用于陶瓷材料上的電場強度超過某一臨界值時它就喪失了絕緣性能。由介電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱之為介電強度的破壞或介質(zhì)的擊穿。

5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)32擊穿時的電壓稱為擊穿電壓Uj，相應(yīng)的電場強度稱為擊穿電場強度，用Ej表示。

當作用電場均勻時，Uj與Ej的關(guān)系為Ej=Uj/h（5-10）式中，h為擊穿處介質(zhì)的厚度，cm；Ej的單位常用kV/cm。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷擊穿時的電壓稱為擊穿電壓Uj，相應(yīng)的電場強度稱為擊穿電場強度33某些半導(dǎo)體陶瓷擊穿時，有時不發(fā)生機械損壞，當電場降低后仍能恢復(fù)介電狀態(tài)，這種特殊情況應(yīng)認為發(fā)生了擊穿。

陶瓷材料的擊穿電壓與很多因素有關(guān)，過程比較復(fù)雜。發(fā)生擊穿過程的時間約10-8s。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷某些半導(dǎo)體陶瓷擊穿時，有時不發(fā)生機械損壞，當電場降低后仍能恢34一般介質(zhì)的擊穿分為電擊穿和熱擊穿。

電擊穿是指在電場直接作用下，陶瓷介質(zhì)中載流子迅速增殖造成的擊穿。

熱擊穿是指陶瓷介質(zhì)在電場作用下由于電導(dǎo)和極化等介質(zhì)損耗使陶瓷介質(zhì)的溫度升高造成熱不穩(wěn)定而導(dǎo)致的破壞。

5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷一般介質(zhì)的擊穿分為電擊穿和熱擊穿。5.2功能陶瓷的35二力學(xué)性質(zhì)彈性模量機械強度斷裂韌性5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷二力學(xué)性質(zhì)彈性模量5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)36材料在外力作用下都會發(fā)生相應(yīng)形變或破壞。

A12B200100100010-110-210-310-4AABσ/MPaε圖5-2三種材料的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系1—陶瓷；2—金屬；3—塑料5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷材料在外力作用下都會發(fā)生相應(yīng)形變或破壞。A12B20010375.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷A段為彈性形變范圍，遵守虎克定律。曲線中AB段為塑性形變范圍。多數(shù)陶瓷的塑性形變范圍很小或沒有，斷裂時呈脆性。各種陶瓷在外力作用下發(fā)生形變或斷裂規(guī)律是不同的。研究其斷裂機理，提高材料的強度和韌性具有重大的理論意義和實際應(yīng)用價值。

5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)38彈性模量。彈性模量E是陶瓷材料的重要參數(shù)之一，是材料中原子(或離子)間結(jié)合強度的一種指標。陶瓷材料的彈性模量約為109~1011N/m2，泊松比約為0.2~0.3。彈性模量的大小直接關(guān)系到陶瓷材料的理論斷裂強度。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷彈性模量。彈性模量E是陶瓷材料的重要參數(shù)之一，是材料中原子(39奧羅萬(Orowan)計算的理論斷裂強度σth可用下式表達：式中γ為斷裂表面能，一般陶瓷材料γ約為10-4J/cm2；（5-11）為原子間距，約為10-8cm；可以估算出5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷奧羅萬(Orowan)計算的理論斷裂強度σth可用下式表達：40σth≈E/10?？梢钥闯?，彈性模量對于了解材料強度具有重要的意義。影響陶瓷材料彈性模量的因素很多且很復(fù)雜，如材料的組成和結(jié)構(gòu)及其在材料中的均勻性、材料中氣孔的大小和分布、溫度等。表5-2列出了幾種陶瓷材料的彈性模量。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷σth≈E/10。可以看出，彈性模量對于了解材料強度具有重要41表5-2幾種陶瓷材料的彈性模量材料E/GPa材料E/GPa(90~95)Al2O3陶瓷366MgO陶瓷(氣孔率5%)210BO陶瓷310滑石瓷69BN(熱壓、氣孔率5%)83莫來石瓷69TiC陶瓷(氣孔率5%)310MgAlO4陶瓷238ZrO2陶瓷(氣孔率5%)1505.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷表5-2幾種陶瓷材料的彈性模量材料E/GPa材料E/GP42機械強度。機械強度是材料抵抗外加負荷的能力，是材料重要的力學(xué)性能，是設(shè)計、選擇和使用材料的重要指標之一。根據(jù)使用要求，有抗壓強度、抗拉強度、抗折強度、抗剪切強度、抗沖擊強度和抗循環(huán)負荷強度等多種強度指標。一般陶瓷材料的抗壓強度約為抗拉強度的10倍。

5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷機械強度。機械強度是材料抵抗外加負荷的能力，是材料重要的力學(xué)43材料實際強度比理論強度低得多。氧化鋁陶瓷的E=3.66×1011N/m2,估算的理論強度σth=6.05×1010N/m2,而實際強度σth=2.66×108N/m2,只為σth的1/227。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷材料實際強度比理論強度低得多。氧化鋁陶瓷的E=3.66×1044對于這種情況的原因有很多理論解釋，其中格里菲斯(Griffith)的微裂紋理論比較適合于脆性斷裂的材料。該理論認為，實際材料中有許多微裂紋或缺陷，在外力作用下，這些裂紋和缺陷附近產(chǎn)生應(yīng)力集中。當這種局部應(yīng)力超過材料強度時，裂紋擴展，最終導(dǎo)致斷裂。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷對于這種情況的原因有很多理論解釋，其中格里菲斯(Griffi45σ是應(yīng)力，α是裂紋尺寸，Y為幾何形狀因子，與裂紋形式和試樣幾何形狀有關(guān)，可從斷裂力學(xué)和手冊中查到。（5-12）5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷斷裂韌性。根據(jù)斷裂力學(xué)，裂紋尖端應(yīng)力場的強度可用應(yīng)力強度因子表示如下：

σ是應(yīng)力，α是裂紋尺寸，Y為幾何形狀因子，與裂紋形式和試樣幾46K1值小于或等于某臨界值時，材料不會發(fā)生斷裂，該臨界值稱為斷裂韌性，即（5-13）式中，σc為臨界應(yīng)力。防止脆性斷裂的條件是（5-14）5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷K1值小于或等于某臨界值時，材料不會發(fā)生斷裂，該臨界值稱為斷47式(5-14)為陶瓷材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了重要的依據(jù)。K1和K1c的單位為N/m3/2。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷由裂紋擴展的斷裂表面能γ可以導(dǎo)出脆性材料K1c的另一表達式。對平面應(yīng)力狀態(tài)：（5-15）式(5-14)為陶瓷材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了重要的依據(jù)。K1和K48對于平面應(yīng)變狀態(tài)：（5-16）式中，2γ是脆性材料中裂紋擴展單位面積所降低的應(yīng)變能，稱為裂紋擴展力；K1c表征了脆性材料阻止裂紋擴展的能力，是脆性材料固有的常數(shù)。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷對于平面應(yīng)變狀態(tài)：（5-16）式中，2γ是脆性材料中裂紋擴49三熱學(xué)性能熱容熱膨脹系數(shù)熱導(dǎo)率熱穩(wěn)定性及抗熱沖擊性5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷三熱學(xué)性能熱容5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)50熱容。熱容是物體溫度升高1K所需要增加熱量。物體質(zhì)量不同其熱容也不同。1g物質(zhì)熱容叫比熱容，單位為J/(K·g)。1mol物質(zhì)熱容叫摩爾熱容，單位為J/(K·mol)。物質(zhì)的熱容還與其熱過程有關(guān)，恒定壓力條件下的熱容稱為恒壓熱容，可寫為5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷熱容。熱容是物體溫度升高1K所需要增加熱量。物體質(zhì)量不同其熱51（5-17）恒定體積物質(zhì)的熱容稱為恒容熱容，可寫為（5-18）式中，Q為熱量；H為焓；E為內(nèi)能；T為絕對溫度。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷（5-17）恒定體積物質(zhì)的熱容稱為恒容熱容，可寫為（5-152溫度不高時，功能陶瓷的Cp≈Cv，但高溫時差別較大。圖5-3示出了三種陶瓷材料恒容熱容與溫度的關(guān)系。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷溫度不高時，功能陶瓷的Cp≈Cv，但高溫時差別較大。圖5-353Al2O3MgOSiC3R0-20013000246Tc/℃Cv/[cal/(mol·℃)]圖5-3三種陶瓷材料恒容熱容與溫度關(guān)系1cal=4.18J5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷Al2O3MgOSiC3R0-20013000246Tc/℃54工程上常用的平均熱容由式（5-19）算出：（5-19）可見平均熱容的精度較差，所以，在應(yīng)用時必須注意具體平均熱容數(shù)值的適宜使用溫度范圍，以免發(fā)生不必要的錯誤。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷工程上常用的平均熱容由式（5-19）算出：（5-19）可見平55（5-20）（5-21）5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷熱膨脹系數(shù)。物體的體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。溫度升高1℃而引起的體積或長度的相對變化叫做該物體的體膨脹系數(shù)或線膨脹系數(shù)，其關(guān)系表示如下：（5-20）（5-21）5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)56陶瓷αv和αl很小，一般αv≈3αl，常用線膨脹系數(shù)就能表示這類材料的熱膨脹特性。一般陶瓷膨脹系數(shù)是正值，少數(shù)是負的。表5-3為幾種陶瓷材料在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的平均線膨脹系數(shù)。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷αv和αl分別為體膨脹系數(shù)和線膨脹系數(shù)。陶瓷αv和αl很小，一般αv≈3αl，常用線膨脹系數(shù)就能表示57表5-3幾種陶瓷在規(guī)定溫度內(nèi)平均線膨脹系數(shù)(續(xù)1)材料名稱Αl/(×10-6/℃)材料名稱Αl/(×10-6/℃)滑石瓷(20~100℃)8鐵電瓷(20~100℃)12低堿瓷(20~100℃)6堇青石瓷(20~1000℃)2.0~2.575氧化鋁瓷(20~100℃)6石英玻璃(20~1000℃)0.435.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷表5-3幾種陶瓷在規(guī)定溫度內(nèi)平均線膨脹系數(shù)(續(xù)1)材料名58表5-3幾種陶瓷在規(guī)定溫度內(nèi)平均線膨脹系數(shù)(續(xù)2,完)材料名稱Αl/(×10-6/℃)材料名稱Αl/(×10-6/℃)95氧化鋁瓷(20~500℃)6.5~8.0銅(20~600℃)18.6金紅石瓷(20~100℃)9可伐合金(20~500℃)6.35.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷表5-3幾種陶瓷在規(guī)定溫度內(nèi)平均線膨脹系數(shù)(續(xù)2,完)材59（5-22）5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷熱導(dǎo)率。熱量從固體材料溫度高的一端傳到冷的一端的現(xiàn)象稱之為熱傳導(dǎo)。對于像陶瓷材料這樣的各向同性的物質(zhì)來說，在穩(wěn)定熱傳導(dǎo)過程中，單位時間通過物質(zhì)傳導(dǎo)的熱量（5-22）5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)60式中，λ為熱導(dǎo)率，是衡量物質(zhì)熱傳導(dǎo)能力大小的特征參數(shù)。在不穩(wěn)定傳熱條件下，若物體中存在溫度梯度且無與外界的熱交換，傳熱過程在常壓條件下進行，則物體中各處的溫度隨時間而發(fā)生變化，溫度梯度隨時間而趨于零，物體溫度最終達到某一平衡溫度。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷式中，λ為熱導(dǎo)率，是衡量物質(zhì)熱傳導(dǎo)能力大小的特征參數(shù)。在不穩(wěn)61影響材料熱導(dǎo)率的因素很多，主要有材料的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)、氣孔率、氣孔尺寸和在材料中的分布等。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷（5-23）式中，Cp為恒壓熱容；ρ為密度。物體單位面積上溫度隨時間變化率：影響材料熱導(dǎo)率的因素很多，主要有材料的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)、氣62表5-4幾種常見材料的熱導(dǎo)率材料溫度/℃λ/cal(cm·s·℃)-1材料溫度/℃λ/cal(cm·s·℃)-195氧化鋁瓷200.04銅200.9201000.031000.90395氧化鈹瓷200.48鎳200.1471000.40鉬200.3595氮化硼瓷（垂直于熱壓方向）600.105.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷表5-4幾種常見材料的熱導(dǎo)率材料溫度/℃λ/材料溫度/℃635.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷抗熱沖擊性。是指物體能承受溫度劇烈變化而不被破壞能力，用規(guī)定條件下的熱沖擊次數(shù)表示。陶瓷材料在熱沖擊下的損壞有兩類。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)645.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷一是材料發(fā)生瞬間斷裂，對這類破壞的抵抗稱抗熱沖擊斷烈性。另一種是指熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開裂、剝落，并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)而損壞，對這類破壞抵抗稱抗熱沖擊損傷性。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)65抗熱震性測試儀5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷抗熱震性測試儀5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)665.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷抗熱沖擊性與材料的膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、表面散熱速率、材料的幾何尺寸及形狀、微觀結(jié)構(gòu)、彈性模量、機械強度、斷裂韌性、熱應(yīng)力等因素有關(guān)。

功能陶瓷元件制造和應(yīng)用方面必須注意抗熱沖擊性這一重要的技術(shù)指標。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)67四光學(xué)性質(zhì)功能陶瓷的光學(xué)性質(zhì)是指其在紅外光、可見光、紫外光及各種射線作用下的一些性質(zhì)。光照射到陶瓷介質(zhì)上，一部分被反射，一部分進入介質(zhì)內(nèi)部，發(fā)生散射和吸收，還有一部分透過介質(zhì)。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷四光學(xué)性質(zhì)功能陶瓷的光學(xué)性質(zhì)是指其在紅外光、可見光、紫外光68I0=IR+IS+IA+IT，式中，I0入射光強度；IR反射光強度；IS散射光強度；IA吸收光強度；IT透射光強度。

歸一化可得：R+S+A+T=1，式中，R為反射率；S為散射率；A為吸收率；T為透射率。

5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷I0=IR+IS+IA+IT，式中，I0入射光強度；IR反射69熒光光譜儀分光光度計5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷熒光光譜儀分光光度計5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)70五磁學(xué)性質(zhì)陶瓷材料具有高電阻和低損耗特性，廣泛應(yīng)用于電子計算機、信息存儲、激光調(diào)制、自動控制等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

磁性材料可分為磁化率為負的抗磁體材料和磁化率為正的順磁體材料。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷五磁學(xué)性質(zhì)陶瓷材料具有高電阻和低損耗特性，廣泛應(yīng)用于電子計71軟磁交流測量裝置5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷軟磁交流測量裝置5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)72在外磁場H的作用下，在磁介質(zhì)材料的內(nèi)部產(chǎn)生一定磁通量密度，稱之為磁感應(yīng)強度B，單位為Wb/m2。B與H關(guān)系由下式表示：B=μH（5-29）μ為磁導(dǎo)率，是磁性材料特征參數(shù)，表示材料在單位磁場強度作用下內(nèi)部磁通量密度。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷在外磁場H的作用下，在磁介質(zhì)材料的內(nèi)部產(chǎn)生一定磁通量密度，稱73磁化強度M與磁場強度H的比值稱為磁化率：（5-30）式中，M為單位體積的磁矩；χ為磁介質(zhì)材料的磁化率，表達了磁介質(zhì)材料在磁場H的作用下磁化的程度，在國際單位制中是無量剛的，χ可以是正數(shù)或負數(shù)，決定于材料的磁性類別。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷磁化強度M與磁場強度H的比值稱為磁化率：（5-30）式中，M74M可以通過實驗測定，將某材料制成一個小磁體置于外磁場中，其受力（一維）為V為該磁介質(zhì)材料的體積。若外磁場的分布已知，則M可以通過F的測定經(jīng)計算得到。（5-31）5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷M可以通過實驗測定，將某材料制成一個小磁體置于外磁場中，其受75當M為負值時，材料表現(xiàn)為抗磁性，陶瓷材料的大多數(shù)原子是抗磁性的抗磁性物質(zhì)的原子（離子）不存在永久磁矩，當其受外磁場作用時，電子軌道發(fā)生改變，感生與外磁場方向相反的磁矩，而表現(xiàn)出抗磁性。

5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷當M為負值時，材料表現(xiàn)為抗磁性，陶瓷材料的大多數(shù)原子是抗磁性76這類物質(zhì)的磁化率一般都很小，約為-10-5。M為正值時，材料表現(xiàn)為順磁性，該材料的主要特征為不論是否受到外磁場作用，原子內(nèi)部都存在永久磁矩。

5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷這類物質(zhì)的磁化率一般都很小，約為-10-5。M為正值時，材料77當無外磁場作用時，由于原子無規(guī)則熱運動，材料整體不呈現(xiàn)磁性。磁化強度M與外磁場強度H方向一致且與之成正比。順磁性物質(zhì)磁化率約為10-5。

順磁性物質(zhì)磁化率約為10-5。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷當無外磁場作用時，由于原子無規(guī)則熱運動，材料整體不呈現(xiàn)磁性。78鐵氧體磁性材料中軟磁材料的磁導(dǎo)率高、電阻大、損耗小、飽和磁感應(yīng)強度高及穩(wěn)定性好。

硬磁材料的特點是剩磁強度高、不容易退磁。矩磁材料的特點是磁滯回線有很好的矩形度、高的剩磁比、矯頑力小、損耗低、穩(wěn)定性好。5.2功能陶瓷的基本性質(zhì)第五章功能陶瓷鐵氧體磁性材料中軟磁材料的磁導(dǎo)率高、電阻大、損耗小、飽和磁感79一精密絕緣陶瓷在的應(yīng)用絕緣材料在電氣電路或電子電路中所起作用主要是根據(jù)電路設(shè)計要求將導(dǎo)體物理隔離，以防電流在它們之間流動而破壞電路正常運行。絕緣材料還起著導(dǎo)體的機械支持、散熱及電路環(huán)境保護等作用。5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷一精密絕緣陶瓷在的應(yīng)用絕緣材料在電氣電路或電子電路中所起作805.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷絕緣陶瓷5.3絕緣陶瓷81絕緣陶瓷分為氧化物絕緣陶瓷和非氧化物絕緣陶瓷。絕緣陶瓷它必須具備如下性能：（1）體積電阻率(ρ)≥1012Ω·cm;（2）相對介電常數(shù)(εr)≤30;（3）損耗因子(tgδ)≤0.001;（4）介電強度(DS)≥5.0kV/mm。

5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷絕緣陶瓷分為氧化物絕緣陶瓷和非氧化物絕緣陶瓷。5.382除上述性能外，絕緣陶瓷還應(yīng)具有良好導(dǎo)熱性、與導(dǎo)體材料盡可能一致熱膨脹性、耐熱性、高強性及化學(xué)穩(wěn)定性等。與傳統(tǒng)絕緣陶瓷相比，精密絕緣陶瓷則是后起之秀，它在近代電子技術(shù)中所起的作用是前者無法比擬。

5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷除上述性能外，絕緣陶瓷還應(yīng)具有良好導(dǎo)熱性、與導(dǎo)體材料盡可能一83在當今世界上，每年要制造數(shù)百億件質(zhì)量相當高的集成電路，其中約20%要采用精密絕緣陶瓷基片。

在計算機集成電路中采用多層絕緣陶瓷基片與封裝材料可以使高速計算機的工作效率翻番，其價值超過了陶瓷自身所具價值的成千上萬倍。

5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷在當今世界上，每年要制造數(shù)百億件質(zhì)量相當高的集成電路，其中約84二絕緣陶瓷的性能與特征（一）離子導(dǎo)電和絕緣性5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷固體能帶中那些被電子完全占滿的叫滿帶，未被電子占據(jù)的叫導(dǎo)帶，滿帶和導(dǎo)帶之間稱之為禁帶。如果禁帶寬度足夠大，滿帶的電子就難以被激發(fā)而超越禁帶進入導(dǎo)帶，固體便成為典型的絕緣體。二絕緣陶瓷的性能與特征5.3絕緣陶瓷855.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷實際上，理想的絕緣體只有在絕對零度時才能獲得。這與高溫時半導(dǎo)體的性質(zhì)相似，只不過絕緣體的禁帶寬度比半導(dǎo)體大（絕緣體的禁帶寬度約4~5eV，半導(dǎo)體約為1eV左右）。5.3絕緣陶瓷865.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷因為絕緣體禁帶寬度很大，激發(fā)電子需很大能量，在室溫附近，實際上可認為電子幾乎不遷移。很多絕緣陶瓷是典型離子晶體或共價晶體，在此情況下，對具有足夠?qū)挾冉麕^(qū)絕緣陶瓷而言，離子導(dǎo)電就變得十分重要了，這是通過離子擴散而發(fā)生的導(dǎo)電行為。5.3絕緣陶瓷87一般離子電導(dǎo)率可用下式表示：（5-33）n：單位體積中可遷移的離子數(shù)；q：離子的電荷；：離子的遷移率。（5-34）Di：離子的擴散系數(shù)；k：玻耳茲曼常數(shù)；T：絕對溫度(K)。5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷一般離子電導(dǎo)率可用下式表示：（5-33）n：單位體積中可遷移88而Di可由下式給出：（5-35）式中，E：激活能；A：頻率系數(shù)。由式（6-33）~（6-35）及l(fā)gT<<，可導(dǎo)出下式：由式（6-36）可知，離子導(dǎo)電率隨溫度的升高呈指數(shù)增加。（5-36）5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷而Di可由下式給出：（5-35）式中，E：激活能；A：頻率系895.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷離子電荷和擴散系數(shù)影響離子導(dǎo)電，擴散系數(shù)又與晶格缺陷及穿越缺陷的離子的電荷及其大小有關(guān)。一般講，電荷及體積越小的離子越易擴散，其激活能的數(shù)值也越小。5.3絕緣陶瓷905.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷在絕緣陶瓷中應(yīng)盡可能避免堿金屬離子的存在（尤其是鈉離子）。因這些離子可形成相當強烈的電導(dǎo)，使材料的絕緣性能劣化。5.3絕緣陶瓷91（二）陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)與絕緣性5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷一般而言，絕緣陶瓷是粉體原料經(jīng)過成型和燒結(jié)而得的多相多晶材料。陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)主要可分為基質(zhì)、晶粒和氣孔三部分。一般氣孔和晶粒的絕緣性能好，而基質(zhì)往往在高溫下顯示較大的導(dǎo)電性。（二）陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)與絕緣性5.3絕緣陶瓷925.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷由于基質(zhì)部分雜質(zhì)濃度較高，在組織上又是連續(xù)相，所以陶瓷絕緣性易受基質(zhì)相影響。設(shè)基質(zhì)部分的電導(dǎo)率為，晶粒的電導(dǎo)率為，則總的電導(dǎo)率：（5-37）5.3絕緣陶瓷93式中，：晶粒的體積分數(shù)；：晶粒的形狀系數(shù)。

5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷假設(shè)晶粒為球形時，則為2。若考慮基質(zhì)和晶粒的電導(dǎo)率的兩種極端情況，則有：式中，：晶粒的體積分數(shù)；：晶粒的形狀系數(shù)。94當〈〈時，則

當〉〉時，則

以上兩式表示基質(zhì)的電導(dǎo)率支配著整個體系的電導(dǎo)率。5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷（5-38）（5-39）當〈〈時，則當〉〉時，則以上兩式表示基質(zhì)的電導(dǎo)率支配著955.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷固體內(nèi)部存在氣孔對絕緣性能破壞不大，但當表面存在氣孔時，因易吸水和被污染將使表面絕緣性顯著劣化。原則上絕緣陶瓷應(yīng)選擇氣孔少、沒有吸水性的致密材料，并根據(jù)使用情況不同在其表面上釉以防止污染和吸潮。5.3絕緣陶瓷965.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷通常材料絕緣性與材料純度、材料中雜質(zhì)含量多少有關(guān)。材料純度越高，雜質(zhì)含量越少，則它們的絕緣性能就越好。這是因為絕緣陶瓷中若有雜質(zhì)引入，會像摻雜半導(dǎo)體那樣，在禁帶中產(chǎn)生雜質(zhì)能級，從而使電荷載流子增加，電阻率下降，結(jié)果使絕緣強度下降。5.3絕緣陶瓷97三常用絕緣陶瓷材料5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷絕緣陶瓷材料的分類方法很多，若按化學(xué)組成分類，則可分為氧化物系和非氧化物系兩大類。氧化物系絕緣陶瓷（如Al2O3、MgO、ZrO2、BeO等）已得到廣泛應(yīng)用，三常用絕緣陶瓷材料5.3絕緣陶瓷98而非氧化物系絕緣陶瓷是70年代才發(fā)展起來的，目前應(yīng)用的主要有氮化物陶瓷，如Si3N4、BN、AlN等。除多晶陶瓷外，近年來又發(fā)展了單晶絕緣陶瓷，如人工合成云母、人造藍寶石、尖晶石、氧化鈹及石英等。5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷而非氧化物系絕緣陶瓷是70年代才發(fā)展起來的，目前應(yīng)用的主要有99四絕緣陶瓷的應(yīng)用5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷絕緣陶瓷，不論是具有幾千年歷史的以黏土為代表的古老陶瓷材料，還是最近幾年才達到實用化的各種精細陶瓷材料，均共存于當今的人類生活中。表5-6列出了絕緣陶瓷在電力、電子等近代工業(yè)中的主要應(yīng)用。四絕緣陶瓷的應(yīng)用5.3絕緣陶瓷100氧化鋁坩堝5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷氧化鋁坩堝5.3絕緣陶瓷101表5-6絕緣陶瓷的應(yīng)用(續(xù)1)用途應(yīng)用舉例材質(zhì)電力絕緣子絕緣管絕緣襯套真空開關(guān)I，U，A汽車火花塞、陶瓷加熱器A電阻器膜電阻芯和基板、可變電阻基板F，Z，A，U繞線電阻芯Z，A，U5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷表5-6絕緣陶瓷的應(yīng)用(續(xù)1)用途應(yīng)用舉例材質(zhì)電力絕緣子絕102用途應(yīng)用舉例材質(zhì)CdS光電池光電池基板S，Z，A調(diào)諧器支撐絕緣柱、定片軸S，A，F(xiàn)計算機滑動元件、磁帶導(dǎo)桿A，F(xiàn)電路元件電容器基板、線圈框架A，S，F(xiàn)5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷表5-6絕緣陶瓷的應(yīng)用(續(xù)2)用途應(yīng)用舉例材質(zhì)CdS光電池光電池基板S，Z，A調(diào)諧器支撐絕103用途應(yīng)用舉例材質(zhì)整流器可控硅整流器、飽和扼流圈封裝用A，G陰極射線管陰極托、管子A，F(xiàn)，S電子管管殼、磁控管A，G管座A，F(xiàn)管內(nèi)絕緣物A，F(xiàn)，S，B，M5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷表5-6絕緣陶瓷的應(yīng)用(續(xù)3)用途應(yīng)用舉例材質(zhì)整流器可控硅整流器、飽和扼流圈封裝用A，G陰104用途應(yīng)用舉例材質(zhì)半導(dǎo)體集成電路玻璃封裝外殼、陶瓷浸漬A，F(xiàn)，B分層封裝外殼A，BSi晶體管管座、二極管管座A，S功率管管座、超高頻晶體管外殼A，B，M半導(dǎo)體保護用G5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷表5-6絕緣陶瓷的應(yīng)用(續(xù)4)用途應(yīng)用舉例材質(zhì)半導(dǎo)體集成電路玻璃封裝外殼、陶瓷浸漬A，F(xiàn)，105用途應(yīng)用舉例材質(zhì)混合集成電路厚膜用基片、薄膜用基片、多層電阻基片、管殼A，B，G封接用金屬噴鍍法加工A，F(xiàn)，B，U玻璃封裝G5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷表5-6絕緣陶瓷的應(yīng)用(續(xù)5)用途應(yīng)用舉例材質(zhì)混合集成電路厚膜用基片、薄膜用基片、多層電阻106用途應(yīng)用舉例材質(zhì)光學(xué)用高壓鈉燈、紫外線透過窗口、紅外線透過窗口A測溫元件熱電偶保護管的絕緣管、繞線電阻、溫度計骨架、厚膜和薄膜電阻、溫度計基片U，A，M，I注：A：氧化鋁瓷；B：氧化鈹瓷；F：鎂橄欖石瓷；G：玻璃陶瓷；I：普通陶瓷；M：氧化鎂瓷；S：塊滑石瓷；U：莫來石瓷；Z：鋯英石瓷。5.3絕緣陶瓷第五章功能陶瓷表5-6絕緣陶瓷的應(yīng)用(續(xù)6,完)用途應(yīng)用舉例材質(zhì)光學(xué)用高壓鈉燈、紫外線透過窗口、紅外線透過窗107介電陶瓷和絕緣陶瓷在本質(zhì)上屬同一類陶瓷。特別著眼于介電性能及其應(yīng)用的陶瓷，稱為介電陶瓷。

5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷介電陶瓷和絕緣陶瓷在本質(zhì)上屬同一類陶瓷。特別著眼于介電性能及108一極化與介電常數(shù)設(shè)想在平行板電容器的兩板上，充以一定的電荷，當兩板間存在電介質(zhì)時，兩板的電位差總是比沒有電介質(zhì)存在（真空）時低，在介質(zhì)表面上會出現(xiàn)感應(yīng)電荷，如圖5-4所示。5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷一極化與介電常數(shù)設(shè)想在平行板電容器的兩板上，充以一定的電109感應(yīng)電荷部分地屏蔽了板上自由電荷所產(chǎn)生的靜電場。這種感應(yīng)電荷不能自由遷移，稱為束縛電荷。

電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象，稱為電極化。5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷感應(yīng)電荷部分地屏蔽了板上自由電荷所產(chǎn)生的靜電場。這種感應(yīng)電荷110電介質(zhì)++______++++圖5-4電介質(zhì)極化示意圖電極化是電介質(zhì)最基本和最主要的性質(zhì)，介電常數(shù)是綜合反映介質(zhì)內(nèi)部電極化行為的一個主要的宏觀物理量。5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷電介質(zhì)++___+圖5-4電介質(zhì)極化示意圖電極化是電介質(zhì)最111極板面積為S，兩極板內(nèi)表面距離為d，極板間真空的平行板電容器的電容為：（5-40）式中，——真空中的介電常數(shù)。當兩極板間放入電介質(zhì)時，電容器的電容增加。5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷極板面積為S，兩極板內(nèi)表面距離為d，極板間真空的平行板電容器112實驗表明，兩極板間為真空時的電容C0與兩極板間充滿均勻電介質(zhì)時的電容C的比值為：（5-41）5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷叫作介質(zhì)的相對介電常數(shù)（或叫作電容率）。由式（5-40）、（5-41）得：實驗表明，兩極板間為真空時的電容C0與兩極板間充滿均勻電介質(zhì)113（5-42）式中，（5-43）叫作電介質(zhì)的介電常數(shù)。無單位。與的單位相同,=8.8510-12F/m。5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷（5-42）式中，（5-43）叫作電介質(zhì)的介電常數(shù)。無單位。1145.４介電陶瓷第五章功能陶瓷前述電極化時，把感應(yīng)電荷稱為束縛電荷。束縛電荷的面密度或介質(zhì)中單位體積的電矩即為極化強度，以P表示。P不僅與外電場強度有關(guān)，更與電介質(zhì)本身的特性有關(guān)。5.４介電陶瓷115真空時，電位移（5-44）式中，：兩極板間為真空的介質(zhì)中靜電場。有電介質(zhì)時，（5-45）式中，：極板間有電介質(zhì)時介質(zhì)中宏觀靜電場；電位移為（5-46）5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷真空時，電位移（5-44）式中，：兩極板間為真空的介質(zhì)中116由式（5-45）和式（5-46），得出:（5-47）介質(zhì)的介電常數(shù)為相對介電常數(shù)。是電子陶瓷一重要的參數(shù)。5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷由式（5-45）和式（5-46），得出:（5-47）介質(zhì)的介117不同用途的陶瓷對例如，絕緣陶瓷要求否則線路分布電容太大，影響線路參數(shù)；而電容器瓷一般要求越大越好，大可以做成大電容小體積的電容器。，5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷要求不同。不同用途的陶瓷對例如，絕緣陶瓷要求否則線路分布電容太大，影響118任何電介質(zhì)在電場作用下，總是或多或少地把電能轉(zhuǎn)變成熱能而使介質(zhì)發(fā)熱。在單位時間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量稱為電介質(zhì)的損耗功率或簡稱為介質(zhì)損耗。介質(zhì)損耗常用表示，值大能量損耗大。二極化與介質(zhì)損耗5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷任何電介質(zhì)在電場作用下，總是或多或少地把電能轉(zhuǎn)變成熱能而使介119稱為介質(zhì)損耗角，其物理意義是指在交變電場下電位移D與電場強度E的相位差。介質(zhì)損耗是所有應(yīng)用于交變電場中電介質(zhì)的重要品質(zhì)指標之一。介質(zhì)在電工或電子工業(yè)上重要職能是隔直流絕緣和儲存能量。5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷稱為介質(zhì)損耗角，其物理意義是指在交變電場下電位移D與電場120介質(zhì)損耗不但消耗了電能，而且由于溫度上升可能影響元器件的正常工作。例如用于諧振回路中的電容器，其介質(zhì)損耗過大時，將影響整個回路的調(diào)諧銳度（即電學(xué)品質(zhì)因數(shù)），從而影響整機的靈敏度和選擇性。5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷介質(zhì)損耗不但消耗了電能，而且由于溫度上升可能影響元器件的正常1215.４介電陶瓷第五章功能陶瓷介質(zhì)損耗嚴重時，甚至?xí)?dǎo)致介質(zhì)過熱而破壞絕緣。從這種意義上說，介質(zhì)損耗越小越好。實際使用的絕緣材料，其電阻不可能無窮大，在外電場作用下，總有一些帶電質(zhì)點發(fā)生移動而引起漏導(dǎo)電流。5.４介電陶瓷122漏導(dǎo)電流流經(jīng)介質(zhì)時使介質(zhì)發(fā)熱而損耗了電能，這種因電導(dǎo)引起的介質(zhì)損耗稱為漏導(dǎo)損耗。一切介質(zhì)在電場中均會呈現(xiàn)出極化現(xiàn)象。5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷漏導(dǎo)電流流經(jīng)介質(zhì)時使介質(zhì)發(fā)熱而損耗了電能，這種因電導(dǎo)引起的介1235.４介電陶瓷第五章功能陶瓷除電子、離子的彈性位移極化基本上不消耗能量外，其它緩慢極化（例如松弛極化、空間電荷極化等）在極化緩慢建立的過程中都會因克服阻力而引起能量的損耗，這種介質(zhì)損耗一般稱為極化損耗。5.４介電陶瓷1245.４介電陶瓷第五章功能陶瓷電介質(zhì)在恒定電場作用下，性質(zhì)可用E、D、P等參數(shù)表示。在交變電場作用下，E、D、P均為復(fù)數(shù)矢量，此時介電常數(shù)為復(fù)介電常數(shù)。如果介質(zhì)中發(fā)生松弛極化的話，矢量E、D、P均不同相位，D和P往往滯后于E

。5.４介電陶瓷125滯后一個相位角時，復(fù)介電常數(shù)為復(fù)數(shù)：式中，，，。5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷滯后一個相位角時，復(fù)介電常數(shù)為復(fù)數(shù)：式中，，，。5.126復(fù)介電常數(shù)的實部與無功電流密度成正比，與有功電流密度成正比。實際上，表示單位無功電流中有功電流所占的比例，因為只有有功電流分量才導(dǎo)致能量損耗，所以值越小，表明介質(zhì)材料中單位時間內(nèi)損失能量也小，即介質(zhì)損耗愈小，反之亦然。而虛部5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷復(fù)介電常數(shù)的實部與無功電流密度成正比，與有功電流密度成正比。127由于的數(shù)值可以直接用實驗測定而和試樣大小與形狀無關(guān)，因此是介電材料在交變電場作用下最方便也是最重要的參數(shù)之一。5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷由于的數(shù)值可以直接用實128介電陶瓷主要用于陶瓷電容器和微波介質(zhì)元件兩大方面。陶瓷電容器是現(xiàn)代電子線路中必不可少的元件每個電視機或錄像機中都含有100~200個陶瓷電容器。介電陶瓷材料及其應(yīng)用5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷介電陶瓷主要用于陶瓷電容器和微波介質(zhì)元件兩大方面。介電陶129陶瓷的介電特性好，可以制成體積小、容量大的電容器。疊層狀或獨石結(jié)構(gòu)的陶瓷電容器的體積只有盤狀陶瓷電容器的1/20~1/30。用于高頻的超小型陶瓷電容器體積更小。5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷陶瓷的介電特性好，可以制成體積小、容量大的電容器。5.４1305.４介電陶瓷第五章功能陶瓷目前，電子技術(shù)向著高頻方向發(fā)展。通訊衛(wèi)星的頻率在10000MHz以上，只有陶瓷電容器才能在1000MHz以上的頻率有效地工作。5.４介電陶瓷131（一）陶瓷電容器5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷用于制造電容器介電陶瓷，在性能上一般應(yīng)達到如下要求：介電常數(shù)應(yīng)盡可能高。在高頻、高溫、高壓及其它惡劣環(huán)境下，陶瓷電容器性能穩(wěn)定可靠。（一）陶瓷電容器5.４介電陶瓷132介電損耗要小。比體積電阻高于1010Ω?m。具有較高的介電強度。根據(jù)陶瓷材料特性，陶瓷電容器一般分為溫度補償（Ⅰ型）溫度穩(wěn)定（Ⅱ型5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷介電損耗要小。根據(jù)陶瓷材料特性，陶瓷電容器一般分為5.４1335.４介電陶瓷第五章功能陶瓷高介電常數(shù)（Ⅲ型）半導(dǎo)體系（Ⅳ型）各自的特征如表5-7所列5.４介電陶瓷134表5-7陶瓷電容器的分類和特征類型特征Ⅰ介電常數(shù)的溫度系數(shù)在-4.7×10-3/℃~1.0×10-4/℃之間隨意獲得；具有高的Qe值；絕緣電阻高Ⅱ介電常數(shù)的溫度系數(shù)接近零；具有高的Qe值，適用于高頻；如果介電常數(shù)盡可能高些，在幾GHz帶寬內(nèi)Qe很高，則適用于制造微波濾波器Ⅲ由于采用高介電常數(shù)陶瓷（ε=1000~2000），可獲得大容量；絕緣電阻高Ⅳ由于利用半導(dǎo)體化的高介電常數(shù)陶瓷的表面層或阻擋層，可以比Ⅱ型更小型化5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷表5-7陶瓷電容器的分類和特征類型特征Ⅰ介電常數(shù)的溫度系135若按制造這些陶瓷電容器材料性質(zhì)，也可分為四大類第一類為非鐵電電容器陶瓷（ⅰ型），又稱熱補償電容器陶瓷。第二類為鐵電電容器陶瓷（ⅱ型），又稱高介電常數(shù)陶瓷。5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷若按制造這些陶瓷電容器材料性質(zhì)，也可分為四大類第一類為非鐵電1365.４介電陶瓷第五章功能陶瓷第三類為反鐵電電容器陶瓷（ⅲ型）第四類為半導(dǎo)體電容器陶瓷（ⅳ型）5.４介電陶瓷137（二）微波介質(zhì)陶瓷微波介質(zhì)陶瓷主要用來制作微波電路元件，用于諧振器、耦合器、濾波器等微波器件以及微波介質(zhì)基片。微波電路元件要求介電陶瓷在微波頻率（3×108~3×1011Hz）下具有如下性能5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷（二）微波介質(zhì)陶瓷微波介質(zhì)陶瓷主要用來制作微波電路元件，用于138具有適當大小介電常數(shù)，且其值穩(wěn)定介質(zhì)損耗小有適當介電常數(shù)溫度系數(shù)，且元件互差小熱膨脹系數(shù)α小5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷具有適當大小介電常數(shù)，且其值穩(wěn)定5.４介電陶瓷139微波介質(zhì)陶瓷中主要材料有MgO-SiO2系陶瓷MgO-CaO-TiO2系陶瓷MgO-La2O3-TiO2系陶瓷BaO-TiO2系陶瓷5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷微波介質(zhì)陶瓷中主要材料有5.４介電陶瓷140ZrO2-SnO2-TiO2系陶瓷Ba(Zn1/3Ta2/3)O3系陶瓷Ba(Zn1/3Nb2/3)O3-Ba(Zn1/3Ta2/3)O3系陶瓷固溶體Ba(Zn1/3Nb2/3)O3-Ba(Zn1/3Ta2/3)O3系陶瓷固溶體5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷ZrO2-SnO2-TiO2系陶瓷5.４介電陶瓷141對于微波集成電路使用介質(zhì)基片性能要求對應(yīng)于一定的用途有適當?shù)慕殡姵?shù)，且介電常數(shù)值穩(wěn)定，對于頻率和溫度的依存性小介質(zhì)損耗小。5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷對于微波集成電路使用介質(zhì)基片性能要求5.４介電陶瓷142表面平滑，與金屬薄膜的結(jié)合強度高機械強度高熱導(dǎo)率高化學(xué)穩(wěn)定性好5.４介電陶瓷第五章功能陶瓷表面平滑，與金屬薄膜的結(jié)合強度高5.４介電陶瓷1435.４介電陶瓷第五章功能陶瓷在一般的微波集成電路中使用的微波介質(zhì)陶瓷基片Al2O3瓷和BeO瓷。由于后者劇毒且價高，因此通常大量使用的是高純Al2O3陶瓷基片。5.４介電陶瓷144一陶瓷的熱釋電效應(yīng)晶體受熱溫度升高，由于溫度變化而導(dǎo)致自發(fā)極化的變化，在晶體的一定方向上產(chǎn)生表面電荷，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)是一種自然現(xiàn)象，也是晶體的一種物理效應(yīng)。5.５熱釋電陶瓷第五章功能陶瓷一陶瓷的熱釋電效應(yīng)晶體受熱溫度升高，由于溫度變化而導(dǎo)致自發(fā)145：自發(fā)極化的變化量；：熱釋電系數(shù)；：溫度的變化量。5.５熱釋電陶瓷第五章功能陶瓷熱釋電效應(yīng)反映了晶體的電量與溫度之間的關(guān)系，可用下式表示：：自發(fā)極化的變化量；：熱釋電系數(shù)；：溫度的變化量。5.５1465.５熱釋電陶瓷第五章功能陶瓷晶體中存在熱釋電效應(yīng)的前提是：具有自發(fā)極化，即晶體結(jié)構(gòu)的某些方向的正、負電荷中心不重合（存在固有電矩）有溫度變化，即熱釋電效應(yīng)是反映材料在溫度變化狀態(tài)下的性能。5.５熱釋電陶瓷1475.５熱釋電陶瓷第五章功能陶瓷在32類晶體中，只有10類不具有對稱中心的極性晶體，即具有極化軸的晶體才具有熱釋電效應(yīng)。這些熱釋電晶體又分兩類：一類是具有自發(fā)極化，但是自發(fā)極化不能為外電場所轉(zhuǎn)向的晶體。另一類是自發(fā)極化可為外電場所轉(zhuǎn)向的晶體，即鐵電晶體。5.５熱釋電陶瓷1485.５熱釋電陶瓷第五章功能陶瓷這些鐵電晶體中大多數(shù)可制成多晶陶瓷。陶瓷體經(jīng)過強直流電場的極化處理后，能從各向同性體變成各向異性體，并具有剩余極化，就象單晶體一樣呈現(xiàn)熱釋電效應(yīng)。

5.５熱釋電陶瓷149熱釋電材料的自發(fā)極化（）溫度特性如圖5-5所示。在居里溫度

附近，自發(fā)極化急劇下降；而遠離居里溫度時，其自發(fā)極化隨溫度的變化相對較小。也就是說，在居里溫度附近，熱釋電效應(yīng)較大。5.５熱釋電陶瓷第五章功能陶瓷熱釋電材料的自發(fā)極化（）溫度特性150由式可知，在恒定壓力和恒定電場下，熱釋電系數(shù)可表示為：：自發(fā)極化；：溫度；：電場；P稱為一級熱釋電系數(shù)，以表示。5.５熱釋電陶瓷第五章功能陶瓷：彈性應(yīng)力；由式可知，在恒定壓力和恒定電場下，熱釋電系數(shù)1515.５熱釋電陶瓷第五章功能陶瓷應(yīng)該注意到，在溫度變化時，不但使系統(tǒng)的熵值變化產(chǎn)生自發(fā)極化變化，而且，因溫度變化造成應(yīng)變。應(yīng)力產(chǎn)生變化，通過壓電效應(yīng)又對自發(fā)極化造成影響。這類熱釋電系數(shù)稱為二級熱釋電系數(shù)。所以，總的熱