电子陶瓷总复习

电子陶瓷总复习第一章陶瓷的定义：用粘土以外的其他原料，依陶瓷制造的工艺方法制成的制品陶瓷的发展大致经历了陶器、瓷器、现代先进陶瓷、纳米陶瓷4个发展阶段。陶器(从公元前24000年开始)瓷器(从公元250年开始)现代先进陶瓷(从20世纪40年代开始)纳米陶瓷(从20世纪90年代开始)1、陶器阶段用黏土制成毛坯，经过高温(~1000°C)烧结而成，是原始人类制成的最重要的物品之一2、瓷器阶段发明了釉、发现并使用高铝质瓷土、高温技术的发展（1200°C）3、现代先进陶瓷阶段原料纯化——从天然矿物原料为主发展到高纯人工合成原料为主4、纳米陶瓷阶段原料纳米化、陶瓷内部晶粒纳米化、性能高度优化、正在深入研究，预期将引起重要变化。第二章电子陶瓷的性质与其结构有密切的关系。结构可以分为：ElectronicStructure；电子结构AtomicStructure；原子结构MicroscopicStructure；显微结构Macroscopicstructure宏观结构材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用性能以及他们之间关系的学科。因而把组成与结构、合成与生产过程、性质以及使用效能称之为材料科学与工程的四个基本要素。上述四个要素是基本的，缺一不可的，对材料科学与工程的发展来说，这四个要素必须是整体的。材料的四要素反映了材料科学与工程研究的共性问题，其中合成和加工、使用性能是两个普遍的关键要素，这是在这四个要素上，各种材料相互借鉴、相互补充、相互渗透。混合键实际材料中，特别是陶瓷、半导体等往往是由离子键和共价键混合形成的键结。确定AB组成的化合物中共价键的比例p可由下式决定：p=exp[-(Ea-Eb)²/4)]Ea,Eb分别为A,B元素的负电性(electronegativity)泡令原则1)负离子配位多面体原则（Pauling’s1stRule）在正离子周围形成负离子配位多面体；正、负离子间距与离子半径之和有关；配位数与正、负离子的半径之比有关。负离子组成多面体，正离子占据间隙位置2)电价原则（Pauling’s2ndRule）Z+、Z-为正、负离子的电价CN+、CN-为正、负离子的配位数3)共用原则（Pauling’s3rdRule）当配位体共用顶点、棱或面时，稳定性会降低。正离子的电价越高、配位数越低，此效应越明显。4)共顶点原则（Pauling’s4thRule）CNZCNZ含有一种以上的正离子晶体中，电价大、配位数小的正离子周围的负离子配位多面体总趋于共顶点结合5)类型原则（Pauling’s5thRule）晶体中的配位体的类型总是尽可能地最少第三章相变是指在温度或压强等外界条件发生变化时:（1）物质的晶体结构发生了变化；（2）物质的化学成分发生不连续变化，如固溶体的脱溶分解；（3）某些反映长程序物理性质的出现或消失二级相变二级相变时热力学量（自由能）的改变是连续的，体积、熵等热力学函数没有突变，但它们的一级微商有突变，材料的等压热容（Cp）、热膨胀系数（α）和压缩系数（κ）有突变。或者说两相的自由能对温度或压力的一阶导数相等，而二阶导数不相等。二级及以上相变统称连续相变。κ和α分别为材料的等温体压缩系数和等压体膨胀系数一级相变特点:两种相的自由能对温度或压力的一阶导数不相等，即其热力学函数，如体积、TCTSTGppp22kTTVpVpG22VTVpTGp2)(dd,,mmpmpTVCCTpppmmpTTTSTC22,熵等在相变点发生不连续改变或突变。铁电相变PbTiO3-PbZrO3假二元系固溶体相图。Pc——顺电立方相，Ar——反铁电四方相，A0——反铁电正交相，FR——铁电三角相，FT——铁电四方相第四章了解电子陶瓷的力学、热学、电学、磁学、声学及光学等性质与其组成、结构的关系；重点掌握电子陶瓷的电学性能材料的理论断裂强度。奥罗万（Orowan）计算的理论强度为:式中γ为断裂表面能，是材料断裂形成单位面积新表面所需的能量。平面应力状态裂纹扩展的临界应力为式中c为裂纹的半长度电学性能I=SJV=LE电场E,电流密度J如IV为体积电流，IS为表面电流,VTHVSTpddaEthcEc2EESRLJRVI为表面电阻为体积电阻SSVVSVIVRIVRIII离子电导式中A、B为与化学组成、晶体结构有关的常数。W为电导激活能，包括缺陷形成能和迁移能。k=1.38×10-23J/K=0.86×10-4eV/K。T为绝对温度。陶瓷电导混合法则设陶瓷材料有两个均匀的相A,B组成，则有：VA、VB为两相的体积分数；σA、σB为两相的电导率。n为状态指数。电子陶瓷的介电性能介电常数对电介质材料，在电场E中，有电感应矢量D：0为真空介电常数，r为相对介电常数真空的相对介电常数为1,其他材料的相对介电常数均大于1。对于平行平板电容器，有：式中，C为试样的电容量；d为试样厚度或电极距离；S为电极面积；ε0为SI单位制中真空的介电常数，ε0=8.85×10-12F/cm电介质的极化点电荷q对某一定点的电矩为：多点系统：介质内质点的正负电荷重心分离可形成偶极子：产生偶极矩：方向从负电荷指向正电荷，单位（C•m）或-30(C•m)极化机制有电子极化、离子极化、偶极子转向极化、界面极化、谐振式极化、自发极化等多种极化机制。重点掌握电子极化、离子极化、偶极子转向极化等三种极化机制。电子位移式极化离子位移极化偶极子转向极化)exp()exp(111TBAkTWAsnBBnAAnTVVBBAATVVlnlnlnEEDr0ShCr0rqiiirqlq3034RekqMqi220*20kTa320多相陶瓷材料的介电性能a)、混合物法则由成分、结构、化学组成等不同的晶体所组成的多相陶瓷材料.设只有两相组成陶瓷：介电常数的温度系数介电常数的温度系数——介电常数随温度变化而产生的相对变化率：第五章电子陶瓷的制备过程大致可分为:备料计算、粉料加工、成型、排胶、烧结、机械加工、表面金属化等基本工序。配料计算：设原料的摩尔数为X1、X2、X3…，原料的分子量（或以克为单位的摩尔质量）为M1、M2、M3…，则原料重量为:原料的重量百分比即为若考虑实际原料的纯度P，则实际原料的重量应为第六章晶体的压电性压电效应—当晶体受外力作用发生形变时，在晶体的某些表面出现电荷积累的现象称为正压电效应。逆压电效应—当晶体受电场作用时，晶体会发生形变的现象称为逆压电效应。（如果电场是交变的，就会引起晶体的振动）应变S和电场E之间的关系为：dt仍称为压电常数。晶体是否有压电性，是由晶体的结构对称性所决定的。在32种点群中，有11种点群具有对称中心，没有压电性；有21种点群没有对称中心，可能有压电性。在21种没有对称中心的点群中，点群432因为具有较高的对称性，也没有压电性。具有压电性的点群为20种。晶体对称性对压电常数的影响kkkxx22112211lnlnlnxxdTdTK1iiiMXWMXWMXW;;;222111%100%;100%;1002211iiiiiiiiWWgWWgWWgPWWii'TdDEdSt压电常数dijk是描述晶体物理性质的一种张量，因此将受到晶体对称性的制约。晶体的对称性越高，dijk的非零独立分量的个数越少。正、逆压电效应的张量和矩阵表示法如表所示：机电耦合系数k的定义为：机电耦合系数k一般的通式为：对机电耦合系数k的证明：式中：Uc为机电相互作用能Ue为弹性能Up为极化能对于单位体积的压电体,有：机电耦合系数是一个小于1的无量纲的数。输入的总能量机电转换获得的能量2kETiiiisdk22pecUUUk)6,...2,1;3,2,1(21)3,2,1,(21)6,...2,1,(21iTEdUjiEEUTTsUiicjiTijpEejiTijEiipecEETTsTEdkUUUk212121ETiiiiiTiiEiisdkEETTsTEdkji2121;令：ETiiiisdk22钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷结构特点：BaO-TiO2系统的相平衡图可知，钛酸钡（BaTiO3）是一致熔融化合物，其熔点为1618℃。在此温度以下，1460℃以上结晶出来的BaTiO3属于非铁电的六方晶系6/mmm点群。在1460～120℃之间BaTiO3转变为立方钙钛矿型结构。相变特征复合钙钛矿结构ABO3的钙钛矿结构要求：A位离子平均电价为+2、摩尔数为1B位离子平均电价为+4、摩尔数为1如果A，B位置有多种不同电价的离子，它们的电价和摩尔数应满足上述关系。第七章微波的定义：在电磁波的全频谱中，一般将甚高频（30~300MHz）至近红外（750GHz）波段称为微波。微波器件的分类：将300MHz~3000GHz定义为微波波段，其中又可划四个波段：微波应用的特点：微波信号因为其频率极高、波长极短，具有以下特点：1、频率高、信息容量大，目前可应用的微波波段数已经超过长、中、短波段的1000倍以上。2、可进行直线传播、具有很强的传播方向性。波束能量高、金属目标对微波信号有强反射，可用于雷达、导航等3、对不同介质具有强穿透和强吸收的能力，可以穿透高空电离层实现卫星通信、微波治疗、微波探伤等。4、微波设备的数字化可实现保密通信四种主要的微波陶瓷：1.BaO-TiO2系微波陶瓷BaO-TiO2体系中含有多种化合物，其介电性能随TiO2含量的变化而变化。2.BaO-Ln2O3-TiO2系统这类材料的介电系数ε位居微波介质陶瓷体系之首，且随着组成的变动，ε可在20~90（或更高）相当大的范围内变化，Ln3+可以是镧系元素中任一元素或它们之间的复合，Ba可以部分用Sr，Pb，Bi2O3置换，或全部用CaO，Li2O取代或CaO-Li2O复合取代。3.复合钙钛矿系A（B‘1/3B‘‘2/3）O3系（A＝Ba，Sr；B‘＝Mg，Zn，Co，Ni，Mn；B‘‘＝Nb，Ta）在厘米、毫米波段使用的通信体系，要求介电材料在高频（大于10GHz）时有很高的Q值4.铅基钙钛矿系主要指(Pb1--xCax)ZrO3、(Pb1--xCax)(Fe1/2Nb1/2)O3、(Pb1-xCax)(Mg1/3Nb2/3)O3等系材料。该系列材料原本是被用来制备多层电容器元件的，但J.Kato研究了它们在微波频率下的介电特性，发现它们在微波频率下同样具有较高的介电常数和Q值，同时具有近于零的谐振频率温度系数。微波陶瓷的性能测试：主要测试介电常数、介电损耗、频率温度系数有圆柱形介质谐振器法（开式腔法）、封闭式谐振腔法和传输线法等。第九章燃料电池的核心部分是电解质材料，燃料电池的发展已经历了3个时代、五个大类：①碱性燃料电池和磷酸燃料电池；②熔融碳酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池；③固体氧化物燃料电池（SOFC）。问题：1、市场价格贵2、高温时寿命及稳定性不理想3、燃料电池技术还需发展SOFC主要由电解质层、阳极和阴极所组成，在电解质两侧加上阳极和阴极，成为三明治式结构，这是SOFC的最基本的结构之一。根据电解质膜形状的不同，SOFC结构可分为：平板式、管式、瓦楞式、块状式、改良S型等主要有氧化锆基、氧化铈基、氧化铋基、钙钛矿基等电解质材料。①氧化锆基电解质ZrO2是SOFC中最常用的电解质之一，稳定化的氧化锆是良好的氧离子导体。目前，使用最多的是8%（mol）Y2O3稳定的ZrO2。8